摘要：随着生活水平的不断提高，人们对各类水果需求量日益增长。我国是农业大国，水果产量和销量都位居世界首位。我国柑橘类高空水果种植多以家庭为单位的小面积种植为主，柑橘果园没有标准化的布局，难以采用大型采摘设备进行作业。本文针对柑橘类水果果形特点和高空采摘的难度大、效率低、危险系数高等问题，设计了一款适用于高空水果采摘的装置。该装置具备电动伸缩、高处裁剪、输送收纳和转运功能，能够辅助果农在树下采摘树上的水果，特别是高处的水果，避免登高作业的潜在风险。本文借助Adams软件对其关键零部件进行运动学分析，通过solidworks软件构建模型，载入adams运动仿真软件，加载材料属性、连接参数、载荷信息并进行仿真设置，最终生成运动仿真结果。通过与物理样机对比进行实地试验，结果表明：该高空采摘装置具有优良的工作性能。

　　关键词：水果采摘；高空采摘；adams仿真

　　我国柑橘类高空水果种植难以应用大型采摘设备，而人工采摘作业过程的平均损耗率超过20%，存在因采摘效率低来不及采摘、采摘过程造成水果损伤、成熟期判断不准确造成误采等因素。同时，柑橘类高空水果普遍高度在2m以上，果农必须借助板凳或矮梯等工具才能完成采摘工作.水果采摘作业所需劳动力占整个水果生产作业所需劳动力的50%~70%[1]。果园地面高低不平，导致工作不便且具有很大的安全隐患。

　　针对这个问题，本文设计了一款能操作简单的高空水果采摘修枝装置，能够实现伸缩杆垂直伸缩，自动控制上升/下降功能，并且具备剪裁功能的高空水果采摘器。针对人性化的设计，考虑整机控制系统的设计，可采用成本较低但设计难度较大的手动助力模式或者与之相反的自动控制模式。对于降低水果种植业采摘成本，提升采摘效率，减少果农作业强度和更好地保障其作业安全具有重要意义。

　　1 ADAMS仿真软件

　　ADAMS是一款运动仿真软件，是世界上目前使用最广泛的机械系统仿真分析软件[2]。该软件具备3维建模的功能，但是并不是强项。它的强项在于生成复杂机械系统的虚拟原型样机，真实地模拟其运动过程，并快速地分析更多的参数方案。这样做的目的是减少设计前期制造样机的和试验的成本消耗，通过计算机分析技术对分析的机械装置的工作性能得到优化，从而优化设计过程，提高设计生产效率，如图1所示。

　　2仿真建模与设置

　　2.1模型导入

　　采用solidworks软件对采摘装置进行建模，并导出模型导出为Parasolid（*.xt）格式。在ADAMS view动力学软件中导入该Parasolid（*.xt）格式文件，并在数据库中打开[3]。模型导入后，调整模型重心，让其与真实工作场景相匹配，从而实现SolidWorks与ADAMS之间的真实衔接。

　　2.2材料选择

　　在实际工作中，结构需要满足强度和刚度要求，在计算设计合理的情况下，选择铝材作为实际材料，从而减轻重量，让操作者方便使用。所以，虚拟样机模型材料也选择铝。

　　2.3连接设置

　　在简化后的模型中，设置升降部件各零件之间的链接。设置箱体和大地之间的固定副、设置裁剪部件中各部件根据正常运转所需的各个旋转副，并设置弹簧相关参数。模型在ADAMS中仿真时弹簧属于柔性体，所以弹簧需使用弹簧柔性连接单独定义[4]，在弹簧的定义时先指定刚度系数和阻尼系数采用两连接原点间的距离、速度和方向来计算弹簧的作用力，下式是弹簧作用力的计算公式：

　　其中，k表示弹簧的刚度系数；r和r0分别表示弹簧的长度和初始长度；c表示阻尼系数；f表示预载荷（Preload）。

　　2.4驱动设置

　　在对升降部件的各臂设置平移副连接后施加驱动，本文采用Adams中的step函数控制的方法模拟升降部件的运动行程。由于各工况驱动函数不同，此处仅列举最为极端条件下升降部件各臂长为最大伸出量时的控制函数，函数公式为：

　　Step（time,0,0,0.01,0.15）+Step（time,30,0.15,40,0）

　　该函数表示：在初始位置时伸缩臂的运动速度为0m/s，在0~0.01s内速度增加到0.15m/s，在0.01~30s内伸缩臂的伸出速度不变，在30~40s内速度由0.15m/s降为即在很短的时间内结束外伸，此时伸缩臂达到最长幅度。

　　而后剪裁装置开始工作，进行裁剪果蒂枝条，使得水果从枝头脱落，设置为：Step（time,40,0,40.01,0.1）+Step（time,40.99,0.1,41,0）

　　该函数表示：在40~40.01s内裁剪杆开始运动，并在0.01s内达到5rad/s，在40.99~41s内停止，并呈现剪刀头开启状态。

　　最后，设置伸缩杆复位到底端，实际工作时没有该动作，这里仅仅为了使得工况最为极端，设置为：Step（time,41,0,41.01,0.2）+Step（time,86.99,0.1,87,0）

　　该函数表示：在41~41.01s内速度增加到0.2m/s，在41.01~60.99s内缩回速度不变，在60.99~61s内速降为0。

　　2.5载荷处理

　　在约束与驱动设置完成后，对各个部件进行载荷处理。即对整机进行重力载荷设置，取重力加速度为9.8m/s；在伸缩和裁剪部件部分零件上设置摩擦力，包括动摩擦力和静摩擦力。根据材料力学铝与铝之间的动摩擦因素1.40，静摩擦因素1.05[5]。

　　2.6仿真参数的设计与控制

　　ADAMS仿真控制其实就是对仿真计算的类型、仿真计算的时间以及仿真计算的步数和计算步长等信息进行设置，在这里选择的仿真控制方式为交互式。仿真器的控制界面如图2所示。

　　3仿真分析结果

　　在40s内，伸缩臂停止伸长，竖直方向上的伸出量为1.39m，在水平方向上伸出量为1.35m，总伸缩量为3.75m。在整个伸长过程中，各节伸缩臂均满足顺序伸缩工况所设置的外伸长度，仿真的准确性得到了验证，如图3所示。

　　伸缩臂在自身阻尼和弹簧阻尼的影响下，在伸缩和裁剪过程中产生衰减振动并逐渐趋于平稳，最大震动幅度存在于设备起始工作阶段，自身重力产生了强烈的振动，产生了瞬时加速度。设备启动工作载荷为15.8m/s2，这是由于伸缩臂自身具有一定质量，在外伸开始和结束时的瞬间存在较大加速度，如图4所示。剪裁阶段也存在一定的加速度振荡，由于振动过程的持续时间较短，力度不强，且对研究结果影响较小，满足使用者的使用工况设计要求。

　　伸缩结构是整个设备中受载最大最容易失效的位置，在后处理过程中，通过使用Adams软件中的耐久性分析（Durability）模块，得到伸缩臂在整个负载伸缩过程中的应力云图[6]。通过运行算例得到应力图如图5所示。从图中可以看出，伸缩杆杆底部与轴承接触处受到应力最大，其值为89.1MPa，由仿真结果可知，各负载伸缩过程中各部位所受应力均小于许用应力，满足设计要求。

　　4结语

　　针对高空水果采摘的困境，笔者设计了一款高空水果采摘装置，通过动力学仿真软件Adams对整机机构进行仿真，先模型的加载和处理，然后对模型施加约束、驱动和载荷，最后进行伸缩臂负载伸缩的动力学仿真，并通过有限元仿真分析薄弱部位的失效情况。为实际生产和研发过程中在不同工作环境下的伸缩方式选择提供了参考，有效提高了伸缩臂的使用寿命以及采摘装置的工作效率和性能。同时，也为简单机械产品的设计与分析提供了解决问题的思路。实践证明，本文采用的设计方法有效可行且设计周期短，较传统设计更为便捷有趣，在机械系统的设计中具有良好的应用前景。

　　参考文献：

　　[1]许鹏,何林,钟朝鸷等.果园升降式高空作业平台设计研究[J].现代农业装备,2019,40(02):26-30.

　　[2]马如奇,郝双晖,郑伟峰等.基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究[J].机械设计与制造,2010(04):93-95.

　　[3]刘迪,王鹏,孙钦超等.基于ADAMS的挖掘机建模与仿真分析[J/OL].农业装备与车辆工程:1-6[2024-0313].

　　[4]马啸天.基于ADAMS的铁路起重机伸缩臂负载伸缩动力学仿真[D].华东交通大学,2023.

　　[5]左海明,阴明,顾玉超等.基于ADAMS的游龙滑板动力学仿真[J].现代机械,2023(02):59-63.

　　[6]黄知洋.基于Solidworks的新型采摘器结构设计及运动仿真[J].现代制造技术与装备,2019(04):78-80.