黄远翔 ，罗文祥 ，秦嘉伟 ，江 炬 ，卢 尧

（贵州师范大学机械与电气工程学院，贵州 贵阳 550000）

0 引言

野生刺梨属于蔷薇科落叶灌木植物，散生灌木，树高1 m～2.5 m，树冠宽度在1.5 m左右[1]。刺梨营养价值和药用价值极高，每100 g果肉中含维生素C约2 054 mg～2 725 mg，比苹果、梨高500倍，比柑橘高100倍，比猕猴桃高9倍[1-2]，果肉中维生素C的含量居各类水果之冠。

贵州省在种植刺梨方面有着得天独厚的地理和气候优势，刺梨产业是该省实现乡村振兴的重要产业之一[3]。近年来，贵州省大力发展刺梨种植。目前，刺梨种植面积超过200万亩，种植收益辐射带动农户6.5万户、21.7万人，户均增收7 000元。刺梨产业已成为贵州省脱贫攻坚、乡村振兴、改善生态环境的健康时尚生态产业。随着刺梨产业的发展，为提高刺梨的产量，贵州省不断加大科技研发力度，发展刺梨人工种植，实现由“野生”到“家养”的转变。人工种植的刺梨植株和野生刺梨植株有所不同，其高度比野生植株高出1 m左右。而当前刺梨果实的采摘主要依靠人工，此种方式不仅采摘效率低、劳动强度大[4]，在采摘过程中还存在以下缺陷：1）某些位置比较高或者被枝条遮挡的刺梨不易被采摘。2）使用传统剪刀剪切时，手指抠在指环内。由于指环与剪刀的活动铰的间距固定，开合时手指所在的两个指环间距增大，造成手指在指环中来回摩擦。长时间劳作会损伤手指，造成采摘人员身体的不适，从而影响采摘效率。3）刺梨植株枝干、果实表面的毛刺会刺伤采摘人员，使采摘效率受影响[5]。为解决以上缺陷，课题组设计了一种可拆卸、可调节伸缩长度的电动采摘器，该设计可以通过手动调节伸缩杆的长度，有效解决因刺梨位置较高或较远而无法采摘的问题。

1 刺梨采摘器的结构设计

课题组设计的采摘器模型如图1所示。采摘器主要由伸缩装置、剪切装置和收集装置三个部分组成。其中，伸缩装置由防滑手柄3、伸缩杆4和电线1组成；剪切装置由滑块7、刀片8和回复弹簧9组成；收集装置由收集箱2、收集管5和固定环6组成。

图1 采摘器总体结构图

1.1 收集装置

收集管5通过伸缩杆4上的两个固定环6固定在伸缩杆4旁，且与采摘器相连。剪切后的刺梨通过采摘头沿收集管5进入收集箱2中，收集箱2中有三个直径不同的圆孔，可以按照尺寸对刺梨进行初步筛选。

1.2 伸缩装置

伸缩杆4由三根直径不同的空心长管组成，防滑手柄3安装在底部的长杆上，动作系统主要安装在上杆内部，内接电线1和电瓶连接用于输电，且上部杆与采摘头通过螺钉连接，便于拆卸。

1.3 剪切装置

该装置通过动作系统动作带动滑块7沿导轨运动，从而使月牙形刀片8向圆心处运动实现剪切，动作系统停止动作，在回复弹簧9的作用下复位。刀片采用月牙形设计，能够在剪切刺梨茎的同时将刺梨包裹，避免落到其他地方。而在刀片复位时，刺梨落入采摘头中，沿滑槽进入收集装置。采摘头如图2所示。

图2 采摘头示意图

2 刺梨采摘器动作系统设计

2.1 采摘器采摘动作实现过程

采摘器上部杆和采摘头内部结构局部剖视图如图3所示。其动作实现过程如下：电池供电，在开关作用下驱动电磁铁；电磁铁产生电磁作用力，将采摘执行部分带动三股拉绳，使滑动刀头沿螺杆滑轴移动，实现对刺梨茎的剪切；切断后的刺梨落在带凹槽的采摘头中，沿收集管进入刺梨收集箱，同时刀片在回复弹簧的作用下复位。

图3 采摘器动作说明图

2.2 相关部件说明

1）电磁吸头一端与电池相连接，另一端的电磁吸头固定座固定在上部杆中，通过螺栓固定在上部杆中，并通过螺栓安装在电磁吸头座上。

2）吸附头上部有凹孔，能够将切割拉绳固定在吸附头上。吸附头上有弹簧法兰，用于固定弹簧的下部，弹簧上部分依靠弹簧固定座固定。

3 有限元分析

3.1 有限元分析参数选定

课题组采用UG-NX12.0软件对采摘装置三维模型进行有限元分析，该软件可在建模状态下直接进入高级仿真模块。将经UG绘制的采摘装置三维模型导入高级仿真模块，通过新建FEM和仿真命令进入创建有限元模型环境[6]。为缩短划分网格和求解的时间、提高解算速度，通过创建理想化模型命令去除实体模型中不必要的孔和曲面等细小特征，以简化模型。

指派材料与网格划分通过指派材料命令定义挖掘装置材料属性为Steel[7]，各材料性能参数如表1所示。

表1 Steel材料性能

划分网格是进行有限元分析的关键一步，网格划分的优劣直接影响求解结果的准确性，即划分网格单元越小，计算越精确，但运算速度越慢。UG高级分析模块可直接在模型上划分网格，通过网格生成器建立挖掘装置的3D 四面体网格模型。为提高计算精度和速度，设定网格单元大小为 1 mm。

3.2 滑块的有限元分析

滑块在采摘装置中承担主要拉力，故对采摘装置的滑块进行受力应变情况分析，这里选用倾斜角度为45°、30°和22.5°时的情况进行分析。

三种不同角度滑块受应力的情况分别如图4、图5和图6所示。由图可知，当倾斜角度为时45°时，最大应力为45.15 MPa；当倾斜角度为30°时，最大应力为45.24 MPa；当倾斜角度为22.5°时，最大应力为44.84 MPa。综上考虑，当滑块的倾斜角度为22.5°时，滑块所受应力最小，能够减少相应的摩擦，从而延长使用寿命。

图4 滑块倾斜角度为45°

图5 滑块倾斜角度为30°

图6 滑块倾斜角度为22.5°

4 运动仿真

4.1 设置运动参数

直接调用利用自顶向下方式设计的参数化模型在运动界面生成仿真模型，把需要运动的部件添加到对应层面上，在UG/Motion模块中进行运动分析模块预处理设置[8]。

4.2 创建运动分析方案

通过对该装置结构和运动特征的分析可知，该装置一共创建了7个连杆。连杆1由三根滑轨和采摘头底座构成，设置其为固定杆件；连杆2、连杆3、连杆4都由滑块和刀片组成；连杆5、连杆6、连杆7为弹簧。为使机构运动，需要为上述机构添加运动副。连杆2、连杆3、连杆4为滑动副，连杆5、连杆6、连杆7为弹簧连接。

4.3 解算方案及求解

在定义了连杆和运动副后，便可以进行求解运算。步数决定了运动时间的快慢，即数值越大运动越慢。在采摘头运动仿真模型中，设置时间6 s，步数为500步。

4.4 仿真结果输出

上述操作完成后便可以输出动画分析，以观察机构的运动情况。运动界面的采摘头采摘的复位状态图如图7和图8所示。通过运动仿真可以知道该装置的具体运动情况，并进行相关改进，利用其参数来搭建实物模型。

图7 采摘头仿真前示意图

图8 采摘头仿真后示意图

5 技术特点与优势

5.1 技术特点

运用可伸缩装置来调节杆的长度，可以实现对较远位置刺梨的采摘，利用收集装置可以准确地对刺梨进行收集并进行初步筛选，采用电动方式极大减少了工作人员工作量，省时省力。

5.2 优势

1）相比于传统的手工采摘方式，本设计采用电动装置，能够减轻劳动人员的工作强度；

2）相比于采摘与收集分离的装置，本设计通过固定环连接到一起，且剪切后无需其他动作就能使刺梨进入收集箱并进行初步筛选，可以减少采摘步骤，提高采摘效率；

3）相比于大部分固定的采摘器，本设计采用螺纹连接及挂钩连接，可拆卸更换，方便存放和维修。

6 推广前景

在物产丰富的今天，刺梨产业是贵州脱贫攻坚的制胜法宝，具有极大的研究价值。在贵州刺梨产业论坛上，钟南山院士便针对刺梨富含维生素C的营养价值，领衔与贵州省呼吸疾病研究所、广药集团共同成立“刺梨防治呼吸疾病产学研联合攻关组”，深入研究和挖掘刺梨的功效[9-10]。贵州省人民医院、贵州省呼吸疾病研究所和广药集团联合开展贵州刺梨产业科研合作项目。广药集团王老吉也推出刺柠吉复合果汁饮料，带动贵州刺梨产业发展，推动脱贫攻坚。刺梨作为上游产业的原材料，其采摘是整个生产过程中非常重要的环节，该采摘器可以为刺梨的采摘提供便捷的方式。针对较近位置的刺梨，采摘人员可以手工采摘，而对于较远位置的刺梨，则用辅助工具摘取。“手工+采摘器”的方式能够有效提高刺梨的采摘效率，为后续刺梨的生产加工做好准备工作。该设备成本不高，具有良好的社会意义和发展前景，值得推广。

7 结束语

课题组针对人工种植的刺梨植株高于野生刺梨植株的状况，对原有的采摘方式进行了改造，设计了一种可拆卸、可调节伸缩长度的电动采摘器。并通过UG-NX12.0软件进行有限元分析，仿真模拟其运动情况来优化结构设计。仿真结果表明，该装置不仅能采摘较高、较远位置的刺梨，还能在采摘后对刺梨进行收集并进行初步筛选。相比于传统的采摘方式，该装置能够提高刺梨采摘效率，不仅在刺梨产业生产链中发挥重要作用，也符合我国乡村振兴战略的需求。