徐㊀潺1，范㊀艳1，张成玉1，杨常伟2，郭林平1，曲洪涛1，李凤奎2
(1.贵州省机电研究设计院，贵阳㊀550003;2.天津锐微科技有限公司，天津㊀300384)
摘㊀要：为解决我国山地蓝莓较难实现机械化采摘的问题，通过机械结构设计㊁电机控制策略设计，研制一款适用于山地的手持式纯电动蓝莓采摘机㊂该机采用振动原理，通过锂电池(14.8V㊃10Ah)为整机供电，总质量5.1kg，总长1850mm，有着体积小㊁质量轻以及制造成本低等特点，可轻便携带上山进行手持采摘㊂以贵州省黔 东南苗族侗族自治州麻江县 灿烂 蓝莓为试验对象，分析振幅和振频对采摘结果的影响，进行人工㊁机械采摘对比试验㊂试验结果表明：频率设置在3~10Hz㊁振幅固定在ʃ15ʎ时，采摘效果最好，平均采摘效率为86.65%，平均采摘未熟果率为9.83%㊁平均采摘未采净果实率为1.48%，平均机采人采效率比为5.44，果实破损率为0%，树枝破损率为0%㊂ 关键词：蓝莓；采摘机；手持式；电动；山地
中图分类号:S225.93㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A文章编号:1003-188X(2021)12-0133-05
0㊀引言
近年来，我国蓝莓种植面积在不断增加，山东㊁贵
州㊁辽宁㊁浙江㊁云南等地实现了大规模种植㊂其中,
贵州种植面积位居全国前列[1]，主要种植在山地中，机械采摘蓝莓较为困难㊂
目前，国外的蓝莓机械采摘设备较为成熟，在欧
美广泛应用的采摘机为大型车轮行走式，设备体积
大㊁价格高[2-4]，要求果树品种㊁种植模式㊁果树形状规范一致，车轮调头㊁转弯预留空间大以及平地作业等，与我国现有的山地蓝莓种植环境不相适应㊂国内的蓝莓采摘机械近年来迅速发展，但基本还处于依靠手工采摘，虽有少部分地区实现了蓝莓机械化采摘，但存在采摘设备质量轻㊁体积大㊁不便携带上山采摘等问题[5-9]㊂
蓝莓成熟期持续时间短，采摘时间较为集中，手
工采摘效率低，每年约有1/3的蓝莓由于未及时采果
而落地腐烂，导致经济损失严重[10-12]，还存在人工劳动强度较大的问题㊂基于上述情况，研制了一款体积小㊁质量轻，方便上山作业的手持式纯电动山地蓝莓采摘机具有重要意义㊂
收稿日期:2020-09-20
基金项目：贵州省科技计划项目(黔科合支撑[2020]1Y138号)；贵州科学院科技合作计划项目(黔科院KY[2018]03号)
作者简介：徐㊀潺(1987-)，女，重庆人，硕士研究生,(E-mail) 240231276@qq㊂
通讯作者：范㊀艳(1968-)，女，四川岳池人，高级工程师,(E-mail) 349917608@qq㊂1㊀结构设计及工作原理
1.1㊀结构设计
手持式电动蓝莓采摘机主要由手持采摘单元㊁软轴组件和动力输出单元组成，如图1㊁图2所示㊂其中，手持采摘单元包括采摘头㊁连接杆及摆动驱动组件㊂采摘头由振动杆和摆动盘组成，摆动盘一端面的周向上分布有4根振动杆；摆动驱动组件由轴承及轴承室㊁开口销和摆轴等组成，摆轴一端经开口弹簧销穿过轴承室与连接杆连接，另一端与软轴组件连接，软轴组件另一端与摆动电机连接㊂动力输出单元电源箱由锂电池㊁摆动电机㊁控制器及角度位移传感器等组成㊂ 该结构总长为1850mm，采摘单元长为590mm，软轴组件长为1000mm(Φ10.5)，动力输出单元长宽高为260mmˑ145mmˑ85mm，振动杆至连接杆轴心距
33mm(振幅采用摆动角度表示，利用弧长公式可将振幅转换为毫米)㊂该结构总质量为5.1kg，其中动力输出单元为4kg㊂
弧长计算公式为
L=nπR
180ʎ(1)式中㊀n 摆动角度(ʎ);
㊀R 振动杆至连接杆轴心距(mm)㊂
该机实现了摆动电机直接驱动采摘头往复摆动进行蓝莓采摘，省略了摆动电机与采摘头间连接的复杂传动机构，简化了设备结构，轻化了质量，使用背带
将电源箱携带于身上，提高了设备的便携性㊂
1.采摘头㊀1.1.振动杆㊀1.
角关联
2.摆动盘㊀2.连接杆㊀
3.轴承及轴承室㊀
4.减速器㊀
5.手柄㊀
6.软轴组件㊀
7.电源箱
8.摆动电机㊀9.风扇㊀10.锂电池㊀11.开关
图1㊀整机结构示意图
Fig.1㊀Structure diagram of the blueberry picker
图2㊀实物样机图
Fig.2㊀Picture of the blueberry picker
1.2㊀工作原理
采摘蓝莓时，手握手柄，将采摘头插入蓝莓树枝，使蓝莓树枝处于振动杆之间；按下开关，启动摆动
电机，摆动电机往复摆动，直接驱动采摘头往复摆动，实现将蓝莓果实从树枝上振动脱落㊂采摘示意图如图3所示㊂
图3㊀采摘示意图
Fig.3㊀Diagram of picking
对于不同粗细的蓝莓树枝，固定振幅，手动调节振动按钮(频率随着开关按压的强度增大而增大)，机器处于可以实现变频的工作模式，采摘人员根据树枝粗细和采摘效果的不同，自主调节振动频率大小，实现快速采摘(对于细树枝，可避免过采摘，即导致青果
大量振落甚至树枝折损；对于粗树枝，可以适当提高频率，加大采摘效率)㊂工作原理如图4所示㊂
图4㊀工作原理框图Fig.4㊀Scheme of working principle
2㊀电机控制系统设计
2.1㊀软件策略
控制方法是使用摆动电机转速和角位移传感器
(或电机霍尔位置传感器)测得的位置信号进行控制，对树干的破坏率为零，对树枝的破坏率接近零㊂位置
伺服(角位移传感器或电机霍尔位置传感器)可以精确控制摆幅，当摆动电机到达所设定的位置时即能被角位移传感器检测，进而得到位置信号，根据反馈的位置信号进行反转运行㊂在未到达设定的位置但已达到设定的最大摆动力时，摆动电机会反向转动，实现对树枝的保护，防止力过大损坏树枝㊂摆动电机转速预设后，可通过速度闭环实时调节跟踪，通过PWM
占空比大小进行控制㊂通过固定摆幅，实时调节摆频，有效将果实从不同粗细的树枝上晃动脱落㊂软件基本逻辑框架如图5所示㊂
图5㊀逻辑框架图
Fig.5㊀Diagram of logical framework
2.2㊀电机控制系统设计原理手持式纯电动蓝莓采摘机的电机控制系统设计
原理如图6所示
㊂光固化打印机
图6㊀电机控制系统设计原理
Fig.6㊀Principle of motor control system design
2.3㊀硬件配置
电机控制系统包括电机㊁控制器㊁电池组及风扇㊂其中，电机型号为无刷直流RW40W16VM，电池组
为
14.8V 锂电池，容量为10AH，风扇型号为AFB0612SH㊂技术性能参数如表1所示㊂
表1㊀电机技术性能参数Table 1㊀Technical performance of motor
额定功率/W 转速/r㊃min -1额定电压
/V 减速比100
12000
14.8
23
3㊀现场采摘试验
3.1㊀振频和振幅试验
该机采用振动原理[13-14]，振频和振幅对采摘结
果影响较大㊂由于麻江蓝莓是分批成熟，每棵树上的未熟果大约是成熟果的5~10倍，采摘时，随着振频和振幅不同，未熟果随成熟果一起脱落的量会不同㊂振频和振幅试验中，振频采用手动给定模式，根据树枝不同粗细和采摘效果，实时调整频率㊂振频设置为3~10Hz 范围内(小于3Hz，成熟果实无法掉落；大于
10Hz，未熟果掉落过多)，振幅分别设置为ʃ10ʎ㊁ʃ15ʎ㊁ʃ25ʎ㊁ʃ35ʎ和ʃ45ʎ(ʃ45ʎ时，树枝开始出现被折
断现象，且未熟果实掉落过多；小于ʃ15ʎ，无法克服枝条柔性，果实很难掉落)为宜㊂振频和振幅试验反复做3组，取平均值㊂试验计算数据如表2所示㊂
表2㊀振频和振幅计算数据
Table 2㊀Computed data of the frequency ahd the amplitude
试验序号振幅/(ʎ)
采摘
时间/min
果实总量/g 未熟果量/g 未熟果率/%1ʃ101020311467.192ʃ151030722869.313ʃ2510311546614.964ʃ3510309365121.055
ʃ45
10
3107
846
27.23
㊀㊀由表2可知：振频设置在3~10Hz 范围内时，振幅为ʃ15ʎ，采摘效果最好㊂根据国家标准‘蓝莓GB /T
27658-2011“，未熟果量为紫红或绿的果实量㊂3.2㊀机械和人工对比试验
现场采摘对比试验分为机械组和人工组㊂其中，人工组用当地蓝莓采摘娴熟的工人进行采摘，以 灿烂 蓝莓[15]为采摘试验对象㊂两组试验在相同的时间和地点进行，随机选取果实采摘，试验地点是贵州
省黔东南苗族侗族自治州麻江县蓝莓种植基地㊂本试验果实接收器为自主研发的异形伞状接收器，现场采摘试验如图7㊁图8所示㊂
图7㊀现场试验图
Fig.7㊀Picture of field experiments
图8㊀现场试验图
Fig.8㊀Picture of field experiments
为了验证机器的采摘效率[16]，现场采摘对比试验共进行5组，采摘机频率设置在3~10Hz，振幅固定在ʃ15ʎ，试验人员根据树枝粗细的不同手动调节振动频率㊂采摘的果实用电子秤称质量，得到的机械采摘和人工采摘相关原始数据和计算数据，如表3㊁表4所示㊂其中，果实损坏量为机器采摘导致果实表面存在破裂的果实数量，坏果量为机器采摘的果实存在自身焉掉或坏掉的果实数量，未采净果实量为机器采摘完毕树上遗漏的果实量㊂
表3㊀机械采摘和人工采摘原始数据表
Table3㊀Original data of the mechanical and manual picking
试验序号采摘
时间
/min
果实
总量
/g
未熟
果量
/g
果实
损坏量
/
g
坏果和
树叶总量
/g
未采净
果实量
/g
人采果实
总量
/g
110286225505737545 210290726704428532伸缩杆
续表3
试验
序号
采摘
时间
/min
果实
总量
/g
未熟
果量
/
g
果实
损坏量
/g
化工复合软管坏果和
树叶总量
/g
未采净
果实量
/g
人采
果实总量
/g 310319338308653528 410273522104965566 510310634106835554
玩具直升机结构表4㊀机械采摘和人工采摘计算数据表
Table4㊀Computed data of the mechanical and manual picking
试验
序号
采摘效率
/%
未熟果率
/%
果实
损坏率
/%
未采净
果实率/%
机采人采
果效率比187.818.910 1.29 5.25 288.349.1800.96 5.46 383.6511.990 1.66 6.05 487.758.080 2.38 4.83 585.7110.980 1.13 5.61㊀㊀由表3㊁表4知：机采平均效率为86.65%，机采平均未熟果率为9.83%，机采平均未采净果实率为1.48%，平均机采人采效率比为5.44㊂其中，机采效率为机采果实总量减去未熟果量㊁果实损坏量㊁坏果和树叶总量㊁未采净果实量后的果实量与机采果实总量的百分比㊂
4㊀结论
介绍了手持式纯电动蓝莓采摘机的工作原理㊁结构设计及电机控制系统设计㊂通过电机直驱的控制方式，在保证机器的可靠性和稳定性的前提下，省去复杂的机械结构，有效降低了操作难度和生产成本
现浇箱梁施工㊂该机总质量5.1kg，总长1850mm，具有体积小㊁质量轻㊁制造成本低等特点，可轻便携带上山进行手持采摘㊂通过一系列现场采摘试验得到如下结论：振频设置在3~10Hz㊁振幅固定在ʃ15ʎ时，采摘效果最好㊂在该振频范围和振幅下，平均未熟果率小于10%，平均未采净果实率低于2%，平均机采人采效率比大于5倍，果实破损率和树枝破损率为0%㊂由于麻江蓝莓是分批成熟，每棵树上的未熟果大约是成熟果的5~ 10倍，未熟果是否随成熟果振动脱落很大程度上取决于振频和振幅，因此在工程中对振频和振幅的调试显得尤为重要㊂
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Research and Development of Hand-held Pure Electric
Blueberry Picker Suitable for Mountainous Regions
Xu Chan1,Fan Yan1,Zhang Chengyu1,Yang Changwei2,Guo Linping1,Qu Hongtao1,Li Fengkui2 (1.Guizhou Mechanical and Electrical Research and Design Institute,Guiyang550003,China;2.Tianjin Ruiwei Technology Co.Ltd.,Tianjin300384,China)
Abstract:It is difficult to achieve mechanized picking of mountain blueberries in China.To solve this problem,a hand -held pure electric blueberry picker suitable for mountainous regions has been developed through mechanical structure design and motor control strategy design.The principle of vi
bration is taken for the machine,and the complete machine is powered by a lithium battery(14.8V㊃10Ah),with a total weight of5.1Kg and a total length of1850mm.With the characteristics of small size,light weight,and low manufacturing cost,it can be easily carried up to the mountain for hand-held picking.The brilliant blueberries in Majiang County,Qiandongnan Miao and Dong Autonomous Prefec-ture,Guizhou Province,is taken as the test object to analyze the impact of amplitude and frequency on the picking re-sults.A comparative test of manual and mechanical picking was carried out,and the test results show that:when the fre-quency is set at3~10HZ and the amplitude is fixed atʃ15ʎ,the picking effect is the best.The average picking efficien-cy is86.65%,and the average picking rate of immature fruits is9.83%.In addition,the average picking rate of un-picked fruits is1.48%.Besides,the average efficiency ratio of machine to worker is5.44,the damage fruit rate is0%, and the branch damage rate is0%.
Key words:blueberry;picking machine;hand-held;electric;mountainous regions
2021年12月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第12期
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