方海峰 ，王 宁 ，曹 晋 ，吴群彪 ，王明强

（1.江苏科技大学 机械工程学院，江苏镇江 212100；
2.江苏科技大学 苏州理工学院机电与动力工程学院，江苏张家港 215600）

草莓因味道甜美，营养价值丰富，在国内广泛种植［1-2］，种植面积达10万公顷，但是为保证草莓食用和外观品质，需在收获期每日早晚10点钟采摘成熟果实，劳动强度大，所花费人力成本占草莓种植生产成本的1/4［3］。草莓果实在成熟之后需在最短时间内摘下，且由于成熟时间不一致，在果实集中成熟时期劳动强度剧增，因此引入自动化草莓采摘技术至关重要，研发能够尽快投入使用的实用型草莓采摘机器是目前急需解决的技术难题。

有研究人员采用的草莓采摘末端执行器为气吸式［4］，或使用有凝胶状液体袋子包裹以免损害草莓表面［5］。目前较为成熟的技术主要有Octinion公司采用硅胶抓手的“Strawberry Picker”［6］，但该设备针对高架栽培的草莓。同样针对垄作草莓的有美国Robotic Harvesting公司研发的一种大型草莓采摘机［7］，该设备直接采用机械臂作为末端执行器抓取草莓，对草莓表皮损伤较为严重。国内针对草莓采摘的研究方向大多为草莓果梗的切断与草莓的夹持同时进行［8-10］，针对垄作草莓的采摘，罗振华等做了研究［11-13］，但草莓采摘效率仍然较低，无法满足种植园的草莓采摘效率要求。

本文针对垄作草莓采摘的难点，设计一种高效垄作草莓采摘装置，对重点结构进行分析优化，并通过试验验证设计的有效性。

采摘机构设计需考虑3个条件：高效性、低损伤性以及工作稳定性。设计一种新型的草莓采摘装置结构如图1所示。

图1 草莓采摘装置结构简图Fig.1 Structural diagram of strawberry picking device

1.1 剪刀机构设计

夹剪式采摘机构结构复杂，且需要高精度的草莓果梗定位与之配合，同时效率较低。考虑到经济性、高效性以及实用性，选用小型剪刀将草莓果梗剪断。为实现自动化控制，小型剪刀的开合由电机驱动，通过曲柄连杆机构将电机旋转运动转换为剪刀的往复摆动即剪刀的开合运动。

1.2 图像采集机构设计

图像采集采用OV7725摄像头，其位于输送链正上方，图像采集范围包括输送链的整体宽度范围，以保证将位于输送链上的不同果梗长度的草莓全部识别。

1.3 输送链机构设计

为使果梗呈现较好的姿态，使剪刀易于将其剪断，使用输送链作为草莓运输平台，不仅为草莓果梗剪断提供较好的位置，也提高草莓成熟度识别速度及精度。输送链以电机作为驱动。

1.4 拾取机构设计

将草莓通过拾取机构由田垄上拾取至输送链上，该机构为圆形滚筒，前端有突出的拾取块，能够平缓地将草莓由田垄拾取至输送带链上。

2.1 分析模型

对地垄式自动化草莓采摘装置进行三维建模，如图2所示。根据使用要求以及工作条件，采摘装置的多个部件会存在过早疲劳失效、变形过大或对电机造成冲击损伤等问题，因此对关键部件进行仿真，以验证设计的有效性。

图2 草莓采摘装置三维模型Fig.2 3D model of strawberry picking device

2.2 前端拾取块疲劳分析

根据拾取机构的工作过程，前端拾取块会多次与草莓碰撞接触，形成周期应力作用，因此对其进行疲劳寿命分析。前端拾取块与草莓接触力较小，两者之间可视为刚性接触，则拾取过程为草莓的重力作用于前端拾取块上。因此，应力分析模型可简化为1个草莓的重量作用于前端拾取块之上，由于接触面积的不确定性以及亚克力板材料的硬度较大，可将草莓的重力替换为均布并垂直于前端拾取块接触表面的作用力［14-15］。

图3所示前端拾取块的三维模型，为亚克力板材料切割而成。亚克力板材料为丙烯酸，其弹性模量为2.4E9 Pa，泊松比为0.35。

图3 前端拾取块三维模型Fig.3 3D model of front-end picking block

成熟草莓的平均重量为25 g，则上侧扇形表面载荷为0.245 N，小矩形面分别对不同方向进行限制，作为边界条件。经过查阅文献，获得1组丙烯酸结构胶S-N曲线如图4所示［16］。

图4 丙烯酸S-N曲线Fig.4 Acrylic acid S-N curve

恒定振幅载荷疲劳分析，于Ansys中选择载荷加载方式为对称循环载荷，比例系数为10，表明将静力学的载荷放大10倍，即对称循环载荷的最大施加拉力为2.45 N，最小为-2.45 N。疲劳载荷示意如图5所示。

图5 疲劳载荷变化示意图Fig.5 Schematic diagram of fatigue load change

参数设置完成后，计算求解得到前端拾取块的安全系数云图，如图6（a）所示。安全系数最低位置为矩形块于扇形面区域的交界处，即此位置在周期交变载荷作用下，最易由疲劳引起零件失效。

图6（b）为周期作用力下的交替等效应力图，同样显示零件应力最大位置为矩形块与扇形块接触的位置。

图6（c）所示为零件疲劳敏感度曲线。分析结果显示在0.245 N的作用力下，前端拾取块能够承受106次以上循环作用力，符合设计要求。

图6 前端拾取块疲劳分析结果Fig.6 Fatigue analysis results of front-end picking block

2.3 剪刀机构分析

剪刀与摄像头配合完成草莓的采摘。从摄像头采集图像至单片机成熟度判断完成，期间草莓采摘设备以及输送链始终在前进，需要对摘取机构中的剪刀开合时间与速度进行精确的参数化，因此对摘取机构进行运动学分析。除此之外，当剪刀开始切断果梗时会对驱动电机形成瞬间冲击，驱动电机功率瞬间增大，有可能会损坏电机，或者电机功率无法驱动剪刀将草莓果梗剪断，因此还需对摘取机构进行动力学分析。

将模型导入Adams后添加固定以及转动副，同时将各零件的密度设置完成，方便后续动力学研究［17］。通过软件功能将图标大小修改至合适尺寸，方便零件选取以及观察仿真动画时更加简洁。添加完成的模型如图7所示。

图7 模型导入完成图Fig.7 Model import completion diagram

进行运动学分析时，将电机运动速度设置为80 rad/min，将剪刀的角速度作为输出，可得图8。剪刀的角速度以0.786 s/周期运动，剪刀由初始闭合状态角速度为0，至完全打开角速度再次为0的时间间隔为0.51 s；
由完全打开至闭合回到初始状态时间间隔为0.276 s。当每周期运动至84.733%时，剪刀速度运动至最大。

图8 电机匀速输入时剪刀输出的角速度Fig.8 The output angular velocity of the scissors with constant motor input

初始状态运动0.666 s后角速度最大，剪刀可在此时剪断果梗。于是根据输送链运动速度、摄像头采集图像传输以及判断成熟度速度等因素，使果梗在摘取机构运动0.666 s左右时处于剪刀剪断位置，则可提高果梗剪断的成功率。

除此之外还需研究电动机在果梗剪断时瞬间阻力增大造成的冲击影响，若冲击过大则会使电机损坏［18］。因此在Adams中根据函数关系式，于剪刀旋转中心的转动副上建立阻力矩。果梗造成的阻力矩为0.175 N·m，其作用时刻为每个周期开始后第0.666 s。同时考虑到草莓果梗在被剪断前以及剪断后的一段时间内停留在剪刀位置处。根据以上规律构建阻力矩的作用式如下：

式中time——时间变量，min。

A的函数图像如图9所示。

图9 A-time函数图像Fig.9 The graph of the A-time function

使用Adams函数库中的条件函数IF（Expr1，Expr2，Expr3，Expr4），其中，

Expr1：计算的表达式；

Expr2：若Expr1的值＜0，返回Expr2的值；

Expr3：若Expr1=0，返回Expr3 的值；

图10 剪刀阻力矩变化图Fig.10 Variation of scissors resistance moment

根据动力学求解，可得由剪刀阻力矩变化导致的驱动电机所受冲击效果，并根据电机转动角速度，可得由阻力矩冲击引起的功率突变曲线如图11所示。

图11 电机功率图Fig.11 Motor power diagram

正常工作时，电机功率为1.6 W，扭矩为0.2 N·m；
当剪断果梗时，电机功率突增至3.829 W，扭矩增至0.4 N·m，而电机在堵转时的最大扭矩为1.6 N·m。因此该型号电机能够为剪断果梗提供足够的扭矩，同时电机功率突变时不会对电机造成损坏，设计有效。

在实验室内测试采摘机构的采摘效果。分别使用红色草莓模型与绿色草莓模型代表成熟草莓与未成熟草莓，使用具有一定硬度的线材模拟草莓果梗，将自动化草莓采摘装置驶在特制的草莓田垄上，模拟现场采摘环境，如图12（a）所示。

拾取草莓的过程中存在拾取不成功的情况。通过观察发现，由于输送链之上的隔板间隔较大，导致草莓由拾取机构落下时无法落至输送链上，从而无法拾取草莓。

在地垄型草莓种植环境下进行测试。将自动化草莓采摘装置驶入田垄之间，由设备自动完成草莓的采摘，如图12（b）所示。

图12 采摘设备测试Fig.12 Picking equipment for strawberry garden testing

由于测试时间处于草莓最后一季收获之后，草莓数量不多且多数草莓已经熟透，因此对测试数据具有一定的影响。

经过实地测试之后得到测试数据，与实验室内的测试数据进行对比得到表1。

表1 采摘机构测试数据Tab.1 Test data of picking mechanism

正常人工采摘的效率为40颗/min，目前采摘机构能够达到的采摘效率为35颗/min。相对于人工，机械的优势在于能够持续工作，夜间在采摘机构上添加灯光提供照明则可在夜间工作。因此自动化草莓采摘装置能够有效代替人工产生劳动价值。

为解决种植草莓采摘效率慢的问题，设计一种地垄式自动化的高效草莓采摘装置，可得：（1）草莓采摘装置通过拾取机构、输送机构、识别机构与剪刀机构的配合完成草莓的高效采摘；
（2）对采摘过程中的关键部件进行相应的仿真分析，验证设计的有效性；
（3）经过实验室内测试以及草莓园实地测试结果显示，所设计的草莓采摘装置能够高效地代替人工完成草莓的采摘，设计有效。

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