自走式果园多工位收获装备设计与试验

2022 年9 月 第4 卷 第3 期 智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） S m a r t A g r i c u l t u r e Sept.2022 Vol.4,No.3
doi ：10.12133/j.smartag.SA202206007
自 走 式 果 园 多 工 位 收 获 装 备 设 计 与 试 验

1 2 ， 3 1 2 ， 3 1
缪 友 谊 ， 陈 红 ， 陈 小 兵 ， 田 皓 予 ， 袁 栋
（ 1 . 农 业 农 村 部 南 京 农 业 机 械 化 研 究 所 ， 江 苏 南 京 2 1 0 0 1 4 ； 2 . 华 中 农 业 大 学 工 学 院 ， 湖 北 武 汉 4 3 0 0 7 0 ；
3 . 农 业 农 村 部 长 江 中 下 游 农 业 装 备 重 点 实 验 室 ， 湖 北 武 汉 4 3 0 0 7 0 ）
摘 要 ： 为 解 决 现 代 化 果 园 水 果 收 获 过 程 中 人 工 劳 动 强 度 大 、 作 业 效 率 低 、 配 套 机 械 匮 乏 等 问 题 ， 结 合 果
树 矮 砧 宽 行 密 植 模 式 和 农 艺 种 植 要 求 ， 本 研 究 设 计 了 一 种 自 走 式 果 园 多 工 位 收 获 装 备 。 首 先 介 绍 了 自 走 式
果 园 多 工 位 收 获 装 备 的 整 机 结 构 和 工 作 原 理 ， 然 后 根 据 “ 两 侧 、 两 高 度 、 六 工 位 ” 采 摘 作 业 模 式 ， 对 履 带
自 走 式 底 盘 、 扩 展 作 业 平 台 、 果 实 自 动 输 送 装 箱 及 转 运 系 统 的 关 键 部 件 进 行 了 参 数 分 析 、 计 算 与 结 构 设 计 。
田 间 试 验 结 果 表 明 ， 所 设 计 的 自 走 式 果 园 多 工 位 收 获 装 备 可 同 步 于 六 工 位 人 工 采 收 速 度 ， 苹 果 采 收 损 伤 率
为 4 . 6 7 ％ ， 装 箱 均 布 系 数 为 1 . 4 7 5 ， 装 箱 速 度 为 7 2 . 9 个 / m i n ， 能 够 满 足 果 园 采 收 作 业 要 求 。
关 键 词 ： 履 带 底 盘 ； 扩 展 作 业 平 台 ； 自 动 输 送 装 箱 ； 装 箱 均 布 系 数 ； 采 收 损 伤 率 ； 转 运 系 统
中 图 分 类 号 ： S 2 2 5 文 献 标 志 码 ： A 文 章 编 号 ： S A 2 0 2 2 0 6 0 0 7
引 用 格 式 ： 缪 友 谊, 陈 红, 陈 小 兵, 田 皓 予, 袁 栋. 自 走 式 果 园 多 工 位 收 获 装 备 设 计 与 试 验[J]. 智 慧 农 业( 中 英 文),
2022,4(3):42-52.
MIAOYouyi, CHEN Hong, CHEN Xiaobing,TIAN Haoyu,YUAN Dong. Design and test of self-propelled orchard
multi-stationharvestingequipment[J].SmartAgriculture,2022,4(3):42-52.(inChinesewithEnglishabstract)
贵 ， 不 适 用 中 国 地 形 和 种 植 模 式 ， 难 以 在 中 国 推
1 引 言
［4-6 ］
广 应 用 。
2020 年 ， 中 国 果 园 面 积 已 达1264.63 万 公 顷 ，
国 内 外 学 者 针 对 果 园 采 收 装 备 开 展 了 一 系 列
水 果 产 量 达2.87 亿 吨 ， 面 积 、 产 量 均 位 居 世 界 首 ［7 ］
研 究 。Silwal 等 以 机 器 视 觉 系 统 为 基 础 ， 结 合
位 ， 其 中 苹 果 、 柑 橘 种 植 面 积 在 全 国 水 果 种 植 总
设 计 的 抓 取 终 端 执 行 器 ， 使 苹 果 平 均 摘 取 成 功 率
［1 ］
面 积 中 占 比 超 过30% 。 苹 果 、 柑 橘 等 果 树 主 要
达 到84% ， 显 示 了 机 器 人 采 收 苹 果 的 巨 大 潜 力 ，
［8,9 ］
在 丘 陵 山 地 区 域 种 植 ， 均 依 靠 人 工 进 行 采 摘 作
但 离 大 规 模 推 广 应 用 还 有 很 长 道 路 。Fei 等 将
业 ， 采 收 效 率 低 ， 劳 动 强 度 大 。20 世 纪60 年 代
传 统 的 收 获 平 台 转 变 为 协 作 机 器 人 （co-robot ）
后 期 ， 意 大 利 等 欧 美 国 家 研 制 出 轮 式 自 走 式 收 获
平 台 ， 利 用 视 觉 系 统 估 计 进 料 的 水 果 分 布 ， 以 及
作 业 平 台 ， 可 以 辅 助 多 工 位 工 人 实 现 不 同 高 度 果
仪 表 化 的 拣 选 袋 测 量 每 个 工 人 的 拣 选 速 度 ， 进 而
［2,3 ］
实 的 采 摘 功 能 ， 并 能 完 成 自 动 收 集 和 装 箱 ，
控 制 液 压 升 降 机 的 高 度 ， 使 采 摘 效 率 提 高 了
极 大 地 提 高 了 采 收 效 率 ， 降 低 了 劳 动 强 度 ， 在 发
9.5% ， 但 成 本 较 高 ， 不 适 用 于 市 场 推 广 。Zhang
［10 ］
达 国 家 的 果 园 中 得 到 广 泛 应 用 ， 但 因 其 价 格 昂 等 为 了 降 低 苹 果 在 装 箱 时 的 损 伤 率 ， 研 制 了
收 稿 日 期 ：2022-06-20
基 金 项 目 ： 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目 （2017YFD0701400 ）
作 者 简 介 ： 缪 友 谊 （1989 － ） ， 男 ， 硕 士 ， 助 理 研 究 员 ， 研 究 方 向 为 果 园 及 植 保 技 术 与 装 备 。E-mail ：[e-mail]

通 信 作 者 ： 陈 红 （1968 － ） ， 女 ， 博 士 ， 副 教 授 ， 研 究 方 向 为 水 果 生 产 机 械 化 技 术 与 装 备 。E-mail ：[e-mail].4,No.3 缪 友 谊 等 ： 自 走 式 果 园 多 工 位 收 获 装 备 设 计 与 试 验
4 3
一 种 低 成 本 苹 果 采 摘 辅 助 装 置 ， 有 效 降 低 了 苹 果 果 实 收 集 和 装 箱 方 案 进 行 设 计 。 可 供 参 考 的 果 实
损 伤 率 ， 但 未 对 苹 果 在 果 箱 内 的 分 布 均 匀 性 进 行 收 集 设 备 有 传 送 带 式 、 气 吸 式 以 及 人 工 放 置 式 三
研 究 。 种 。 传 送 带 式 主 要 依 靠 传 送 带 将 采 摘 后 的 果 实 汇
集 到 装 箱 系 统 ， 工 作 过 程 平 稳 且 损 伤 率 低 ， 并 且
近 年 来 ， 众 多 研 究 者 对 小 型 升 降 式 辅 助 作 业
工 作 的 流 畅 性 和 持 续 性 较 好 （ 图1 ） ； 气 吸 式 是 利
平 台 进 行 了 设 计 与 研 究 ， 解 决 了 水 果 收 获 时 需 要
用 管 道 端 口 的 正 负 压 差 将 果 实 吸 入 管 道 实 现 输
搭 设 扶 梯 的 问 题 ， 但 仅 能 辅 助 人 工 分 层 采 摘 不 同
送 ， 但 此 过 程 中 果 实 损 伤 率 较 高 且 能 耗 较 大 ； 人
高 度 的 果 实 ， 无 法 实 现 对 采 收 果 实 的 输 送 和 装 箱
［11-13 ］ ［14 ］
工 放 置 式 即 人 工 采 摘 后 放 置 于 果 箱 中 ， 这 种 方 式
功 能 。 高 杨 等 以 小 型 履 带 作 业 平 台 为 基
需 要 高 人 工 参 与 度 ， 且 效 率 低 下 ， 难 以 保 证 低 损
础 研 发 的 采 摘 机 器 人 ， 通 过 执 行 器 完 成 对 不 同 水
伤 率 。 综 上 所 述 ， 果 实 收 集 时 选 择 传 送 带 式 为
果 的 采 摘 以 及 储 存 ， 但 复 杂 冠 层 条 件 下 对 水 果 的
［15 ］
最 佳 。
识 别 难 度 较 大 、 整 体 工 作 效 率 较 低 。 杨 贞 等
设 计 了 一 种 “ 双 侧 、 三 高 度 、 六 工 位 ” 牵 引 式 采
摘 平 台 ， 实 现 了 苹 果 从 采 摘 工 位 到 果 箱 的 装 箱 传
送 ， 但 牵 引 式 结 构 导 致 工 作 转 向 半 径 大 ， 同 时 需
［16 ］
要 额 外 动 力 牵 引 。 范 晓 文 等 设 计 了 一 款 轮 式
多 工 位 采 摘 平 台 ， 实 现 了 果 实 的 收 集 与 装 箱 ， 但
图1 传 送 带 式 果 实 收 集 方 案
果 箱 为 后 置 式 结 构 ， 无 法 实 现 果 园 行 间 的 连 续 换
Fig.1 Conveyor-basedfruitcollectionsolution
箱 作 业 。
为 解 决 传 统 轮 式 底 盘 通 过 性 差 以 及 采 收 作 业
果 实 装 箱 工 艺 主 要 有 果 箱 固 定 式 和 果 箱 旋 转
过 程 中 水 果 自 动 装 箱 效 率 低 、 损 伤 率 大 的 问 题 ，
式 两 种 ， 二 者 主 要 区 别 在 于 输 送 过 程 中 对 果 实 的
基 于 自 走 式 履 带 底 盘 结 构 ， 本 研 究 研 发 了 一 种 具
均 布 方 式 不 同 。 果 箱 固 定 式 装 箱 通 过 固 定 果 箱 ，
备 扩 展 作 业 平 台 、 前 后 通 畅 式 果 箱 连 续 作 业 装 卸
旋 转 果 箱 上 方 均 布 器 来 控 制 果 实 均 匀 落 入 箱 内 ，
系 统 以 及 水 果 自 动 输 送 及 装 箱 装 置 的 自 走 式 果 园
均 布 器 叶 片 采 用 软 质 材 料 以 减 少 果 实 损 伤 ； 果 箱
多 工 位 收 获 装 备 ， 能 够 满 足 现 代 化 宽 行 密 植 种 植 旋 转 式 装 箱 采 用 毛 刷 筒 降 低 果 实 运 输 损 伤 ， 然 后
模 式 下 辅 助 人 工 采 收 作 业 需 求 ， 并 实 现 果 实 的 高 以 果 箱 的 旋 转 进 行 果 实 均 布 。 综 合 考 虑 认 为 ， 果
效 收 获 以 及 低 损 均 匀 装 箱 。
箱 旋 转 的 均 布 方 式 能 耗 较 大 ， 而 且 结 合 本 研 究 机
器 的 履 带 底 盘 和 载 人 平 台 结 构 ， 不 再 适 合 添 加 果
2 整 机 结 构 和 工 作 原 理
箱 的 旋 转 装 置 ， 因 此 本 研 究 选 用 果 箱 固 定 式 装 箱
工 艺 （ 图2 ） 。
2 . 1 整 机 结 构 方 案 设 计
考 虑 到 机 器 行 走 时 ， 平 台 上 部 作 业 人 员 灵 活
中 国 的 果 园 大 多 数 位 于 山 地 ， 地 形 条 件 复
度 没 有 地 面 作 业 人 员 高 ， 采 收 速 度 较 慢 ， 在 平 台
杂 。 为 适 应 丘 陵 山 地 现 代 化 果 园 种 植 模 式 以 及 复
上 部 两 侧 各 增 加 一 个 工 位 ， 保 证 上 下 层 采 摘 速 度
杂 地 形 ， 确 保 作 业 平 台 能 够 进 入 果 园 行 间 进 行 作
一 致 ， 提 出 “ 两 侧 、 两 高 度 、 六 工 位 ” 的 采 摘 作
业 ， 同 时 避 免 机 具 在 果 树 行 间 周 期 性 作 业 对 土 壤 业 模 式 。 设 计 的 整 机 结 构 以 及 果 实 输 送 路 径 如
反 复 镇 压 造 成 的 土 壤 板 结 问 题 ， 自 走 式 果 园 多 工 图3 和 图4 所 示 ， 主 要 由 履 带 底 盘 、 载 人 作 业 平
位 收 获 装 备 选 用 履 带 式 底 盘 结 构 ， 在 增 大 与 土 壤 台 、 果 实 自 动 输 送 系 统 、 果 箱 装 卸 机 构 及 果 实 装
［17,18 ］
接 触 面 积 的 同 时 ， 增 强 装 备 的 稳 定 性 。
箱 系 统 等 组 成 ， 可 一 次 性 完 成 果 实 的 收 集 、 装
考 虑 到 果 实 输 送 的 低 损 伤 率 和 均 布 性 能 ， 对 箱 、 换 箱 等 作 业 。 其 中 ， 果 实 自 动 输 送 系 统 由 倾智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） S m a r t A g r i c u l t u r e Vol.4,No.3
4 4
图2 果 箱 固 定 式 果 实 装 箱 方 案
图4 果 实 收 集 、 输 送 和 装 箱 路 径
Fig.2 Fixedfruitboxpackingsolution
Fig.4 Fruitcollection ，transportationandpackingpath
斜 输 送 装 置 、 水 平 输 送 装 置 和 垂 直 输 送 装 置 组
表 1 自 走 式 果 园 多 工 位 收 获 装 备 主 要 参 数
成 ， 用 于 完 成 果 实 的 收 集 ； 装 箱 系 统 由 均 布 装
Table1 Mainparametersofself-propelledorchardmulti-sta ‐
置 、 垂 直 升 降 装 置 等 组 成 ， 用 于 完 成 果 实 的 智 能
tionharvestingequipment
装 箱 ； 果 箱 装 卸 系 统 由 果 箱 前 装 卸 机 构 、 果 箱 滑
参 数 设 计 值
整 机 尺 寸 （ 长 × 宽 × 高 ）/mm 4890 ×2200 ×3700
轨 、 果 箱 后 装 卸 机 构 组 成 ， 用 于 完 成 果 箱 的 连 续
载 人 作 业 平 台 尺 寸/mm 3000 × （1500 ~2700 ）
装 卸 作 业 。 倾 斜 输 送 装 置 包 含4 条 短 倾 斜 输 送 装
载 人 作 业 平 台 离 地 高 度/mm 1300
置 和2 条 长 倾 斜 输 送 装 置 ， 对 应6 个 采 收 工 位 设
-1
工 作 速 度 （ / km·h ） 0 ~2
置 在 果 箱 两 侧 ， 短 倾 斜 输 送 装 置 用 于 传 送 作 业 平
果 箱 尺 寸/mm 850 ×850 ×850
配 套 动 力 功 率/kW 32.3
台 工 位 采 摘 的 果 树 中 上 部 果 实 ， 长 倾 斜 输 送 装 置
收 获 装 置 功 率/kW 1.36
用 于 传 送 地 面 工 位 采 摘 的 果 树 中 下 部 果 实 。
额 定 载 荷/kg 1000
采 收 滞 后 率/% 0
采 收 损 伤 率/% <10
载 人 作 业 平 台 上 部 果 实 输 送 与 装 箱 系 统 提 供 电
力 。 作 业 时 需 配 备 专 职 驾 驶 员1 名 ， 采 摘 作 业 人
员6 名 。 驾 驶 员 负 责 驾 驶 以 及 控 制 载 人 作 业 平
台 ，6 名 采 摘 作 业 人 员 对 应6 条 倾 斜 输 送 装 置 工
注 ：1. 履 带 底 盘 ；2. 果 箱 后 装 卸 机 构 ；3. 长 倾 斜 输 送 装 置 ；4. 水 平
位 ， 各 倾 斜 输 送 装 置 可 水 平 和 俯 仰 转 动 至 需 要 的
输 送 装 置 ；5. 短 倾 斜 输 送 装 置 ；6. 垂 直 输 送 装 置 ；7. 驾 驶 台 ；8. 果
箱 前 装 卸 机 构 ；9. 载 人 作 业 平 台 ；10. 均 布 装 置 ；11. 果 箱 ；12. 果 箱 位 置 ， 方 便 工 人 放 置 果 实 。
滑 轨
水 果 采 收 作 业 时 ， 首 先 由 驾 驶 员 将 果 箱 前 装
图3 自 走 式 果 园 多 工 位 收 获 装 备 结 构 示 意 图
卸 机 构 降 至 与 地 面 接 触 ， 将 空 果 箱 推 至 果 箱 前 装
Fig.3 Structurediagramofself-propelledorchardmulti-sta ‐
卸 机 构 的 轨 道 后 ， 由 液 压 驱 动 提 升 果 箱 前 装 卸 机
tionharvestingequipment
构 至 与 果 箱 滑 轨 对 齐 ， 随 后 将 空 果 箱 推 至 作 业 平
台 待 装 箱 工 位 ， 并 对 空 果 箱 进 行 限 位 固 定 。
自 走 式 果 园 多 工 位 收 获 装 备 参 数 如 表 1
驾 驶 员 驾 驶 机 器 以 工 作 速 度 前 进 ，6 名 采 摘
所 示 。
作 业 人 员 负 责 各 自 区 域 对 应 高 度 的 水 果 采 摘 作
2 . 2 工 作 原 理
业 ， 被 采 摘 下 的 果 实 由 对 应 倾 斜 输 装 置 汇 集 至 水
自 走 式 果 园 多 工 位 收 获 装 备 由 柴 油 机 提 供 动
平 输 送 装 置 ， 再 汇 集 至 垂 直 输 送 装 置 上 ， 最 后 通
力 驱 动 履 带 底 盘 行 走 ， 同 时 柴 油 机 配 有 发 电 机 为 过 均 布 装 置 均 匀 地 落 入 果 箱 中 。 每 铺 满 一 层 果Vol.4,No.3 缪 友 谊 等 ： 自 走 式 果 园 多 工 位 收 获 装 备 设 计 与 试 验
4 5
实 ， 均 布 装 置 和 垂 直 输 送 装 置 上 升 一 定 高 度 ， 保 mm ；p 为 接 地 比 压 ，MPa 。 据 此 计 算 取 整 后 得
证 均 布 器 叶 片 与 果 面 保 持 适 当 距 离 以 降 低 碰 撞 损 履 带 宽 度b 为350 mm ， 轨 距B 为1450 mm ， 接
伤 ， 果 实 逐 层 装 满 。 当 升 降 装 置 上 升 至 与 限 位 开 关 地 长 度L 为2028 mm ， 校 核 平 均 接 地 比 压p 为
触 碰 后 ， 提 示 果 箱 已 装 满 ， 停 止 水 果 装 箱 工 作 。
0.037MPa ， 符 合 设 计 要 求 。
装 箱 完 毕 后 ， 采 摘 作 业 人 员 示 意 驾 驶 员 停 止
底 盘 行 走 时 ， 驱 动 力 必 须 大 于 或 等 于 各 摩 擦
行 驶 ， 由 驾 驶 员 将 果 箱 后 装 卸 机 构 提 升 至 与 果 箱
阻 力 之 和 ， 但 也 要 小 于 或 等 于 地 面 对 履 带 的 附 着
滑 轨 对 齐 ； 采 摘 作 业 人 员 解 除 满 果 箱 限 位 ， 并 通 力 。 两 侧 履 带 由 于 速 度 差 异 导 致 状 态 各 不 相 同 ，
过 果 箱 滑 轨 将 满 果 箱 推 至 果 箱 后 装 卸 机 构 ； 驾 驶 从 而 导 致 出 现 滚 动 阻 力 及 转 动 阻 力 ， 其 中 两 侧 履
员 控 制 果 箱 后 装 卸 机 构 降 至 地 面 ， 当 与 地 面 接 触 带 无 速 度 差 时 ， 底 盘 系 统 阻 力 最 小 ， 为 两 侧 履 带
后 解 除 果 箱 限 位 ， 满 载 的 果 箱 自 动 滑 至 地 面 ， 由 的 滚 动 阻 力 ； 当 两 侧 履 带 出 现 速 度 差 时 ， 由 于 运
后 续 车 辆 转 运 至 仓 库 。 随 后 驾 驶 员 通 过 果 箱 前 装 动 不 同 步 导 致 履 带 接 地 面 发 生 位 移 而 形 成 的 转 动
卸 机 构 从 装 备 前 部 重 新 装 载 并 提 升 另 一 空 果 箱 至 阻 力 远 大 于 滚 动 阻 力 ， 必 须 考 虑 各 种 复 杂 工 况 下
装 箱 工 位 ， 采 摘 作 业 人 员 对 空 果 箱 限 位 后 继 续 作 业 。 的 动 力 需 求 ， 动 力 选 型 参 数 计 算 如 公 式 （4 ） ~
（6 ） 所 示 。
3 关 键 部 件 设 计 及 计 算
F = mgf （4 ）
1
P = F v = mgf v （5 ）
1 max max
3 . 1 履 带 底 盘 设 计
P
1
P = （6 ）
2
η η
1 2
履 带 底 盘 系 统 设 计 中 ， 接 地 比 压 与 机 器 质
其 中 ，F 为 行 走 阻 力 ，N ；g 为 重 力 加 速 度 ，
1
量 、 履 带 接 地 长 度 、 轨 距 和 履 带 宽 度 密 切 相 关 ，
2
取9.8 m/s ；f 为 滚 动 阻 力 系 数 ；P 为 马 达 最 大 功
1
合 理 的 接 地 比 压 可 以 提 高 机 械 的 通 过 性 能 和 转 向
［19,20 ］ 率 ，kW ；f 为 最 大 等 效 工 况 滚 动 阻 力 系 数 ， 取
max
性 能 ， 通 常 设 计 平 均 接 地 比 压 值p ≤0.05MPa 。
0.69 ；v 为 最 大 车 速 ，m/s ；P 为 发 动 机 所 需 功
2
宽 行 密 植 果 园 果 树 行 间 距 通 常 为3 ~5m ， 部 分 果
率 ，kW ； η 为 马 达 机 械 效 率 ， 取0.9 ； η 为 泵 容
1 2
园 果 树 为 起 垄 栽 培 模 式 ， 设 计 时 应 确 保 履 带 底 盘
积 效 率 ， 取0.85 。 经 计 算 得 到 马 达 最 大 功 率 为
与 果 树 根 部 及 垄 壁 保 持 一 定 距 离 ， 而 底 盘 越 宽 则
17.2kW ， 发 动 机 所 需 最 大 功 率 为22.6kW 。 考 虑
整 机 稳 定 性 越 高 ， 结 合 调 研 情 况 确 定 底 盘 的 最 大
到 平 台 其 余 油 缸 动 作 以 及 发 电 机 消 耗 功 率 ， 选 用
设 计 宽 度 不 超 过1800 mm 。 与 轮 式 底 盘 结 构 相
额 定 功 率 为32.3 kW ， 额 定 转 速 为2600 r/min 的
比 ， 履 带 底 盘 自 重 大 ， 其 整 机 质 量 达 到3000kg ，
洋 马4TNV88 型 发 动 机 可 满 足 参 数 要 求 。
作 业 平 台 主 要 载 荷 为7 名 人 员 及 满 箱 水 果 共 计
1400 kg ， 底 盘 参 数 计 算 时 考 虑 载 荷 安 全 余 量 ，
3 . 2 扩 展 工 作 平 台 设 计
取 承 载 总 质 量 为4600 kg 。 水 果 采 收 作 业 时 速 度
现 代 果 园 果 树 行 距 为3 ~5m ， 载 人 平 台 初 始
较 慢 ， 通 常 为1 ~2km/h ， 选 取 最 大 行 走 速 度2 km/h
设 计 宽 度 为1500mm ， 初 始 宽 度 无 法 适 应 不 同 行
作 为 设 计 参 数 ， 履 带 各 参 数 计 算 如 公 式 （1 ） ~
距 果 园 采 收 需 求 ， 在 主 作 业 平 台 基 础 上 扩 展 作 业
（3 ） 所 示 。
平 台 宽 度 十 分 必 要 。 本 研 究 设 计 的 扩 展 工 作 平 台
3
-3
b = (0.9~1.1) × 209 × m × 10 （1 ）
如 图5 所 示 ， 由C 型 钢 、 导 向 槽 、 平 台 钢 板 、 护
L = 1.2~1.4 × B （2 ）
( )
栏 、 导 向 轴 承 、 支 撑 轴 承 以 及 液 压 油 缸 等 组 成 ，
9.8G
p = （3 ）
单 侧 扩 展 作 业 平 台 宽 度 为600 mm ， 两 侧 扩 展 作
2bL
其 中 ，b 为 履 带 宽 度 ，mm ；m 为 承 载 总 质 业 平 台 可 无 级 扩 展 ， 载 人 作 业 展 开 后 宽 度 可 达
量 ，kg ；L 为 履 带 接 地 长 度 ，mm ；B 为 轨 距 ， 2700mm 。智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） S m a r t A g r i c u l t u r e Vol.4,No.3
4 6
解 除 ， 果 箱 沿 滑 轨 依 靠 自 身 重 力 滑 落 至 地 面 。
果 箱 装 卸 机 构 上 的 导 轨 可 通 过 液 压 油 缸 提 升
至 与 作 业 平 台 上 的 双 果 箱 滑 轨 对 齐 ， 形 成 前 后 通
畅 式 果 箱 移 动 通 道 。
注 ：1. C 型 钢 ；2. 导 向 槽 ；3. 平 台 钢 板 ；4. 护 栏 ；5. 导 向 轴 承 ；6. 支
撑 轴 承
注 ：1. 机 架 ；2. 液 压 油 缸 ；3. 连 杆 机 构 ；4. 滑 轨 ；5. 限 位 块
图5 载 人 作 业 扩 展 工 作 平 台 结 构 示 意 图
图6 果 箱 装 卸 机 构 结 构 示 意 图
Fig.5 Structurediagramofexpansionworkplatformforcar ‐
Fig.6 Structurediagramoffruitboxloadingandunloading
rieroperation
mechanism
扩 展 作 业 平 台 前 后 两 侧C 型 钢 与 主 作 业 平 台
果 箱 装 卸 机 构 中 油 缸 受 力 随 油 缸 与 机 架 之 间
底 部 滑 槽 中 的 支 撑 轴 承 滑 动 连 接 ，C 型 钢 侧 面 通
的 夹 角 变 化 而 变 化 ， 对 装 载 机 构 简 化 后 受 力 分 析
过 导 向 轴 承 限 位 ， 选 用 的C 型 钢 截 面 尺 寸 为
如 图7 所 示 。
85 mm ×48 mm ×6 mm ， 主 作 业 平 台 通 过 液 压 油
缸 与 扩 展 作 业 平 台 底 部 铰 接 并 带 动 扩 展 作 业 平 台
实 现 伸 缩 动 作 ， 推 力F 及 液 压 油 缸 参 数 计 算 如 公
t
式 （7 ） 所 示 。
π
2 2
F = μ m + m g = P d - d （7 ）
t ( c z ) ( 1 2 )
4
其 中 ， μ 为 扩 展 作 业 平 台 与 主 作 业 平 台 之 间
图7 果 箱 装 卸 机 构 受 力 分 析 图
的 摩 擦 系 数 ， 取0.4 ；m 为 扩 展 作 业 平 台 承 载 重
c
Fig.7 Forceanalysisdiagramoffruitboxloadingandun ‐
量 ，kg ；m 为 扩 展 作 业 平 台 自 重 ，kg ；P 为 液 压
z
loadingmechanism
系 统 工 作 压 力 ，MPa ；d 为 油 缸 活 塞 直 径 ，
1
建 立 力 矩 平 衡 方 程 （8 ） 可 得 ：
mm ；d 为 油 缸 推 杆 直 径 ，mm 。 油 缸 设 计 压 力
2
∑M = 0 ，F L - F L sin α = 0
ì
为25 MPa ， 计 算 确 定 油 缸 活 塞 直 径d 为40mm ， 油 C 1 1 BE 2
1
? ?
? ∑F = 0 ，F - F sin α = 0
?
Cx CDx BE
缸 推 杆 直 径d 为25mm 。
2
? ?
∑F = 0 ，F + F cos α - F = 0 （8 ）
í Cy 1 BE CDy
? ?
3 . 3 果 箱 装 卸 机 构 设 计
∑M = 0 ，F L sin β - F L cos α
D G 4 CDx 3
? ?
? ?
-F L sin α = 0
?
CDy 3
果 箱 装 卸 机 构 主 要 由 机 架 、 液 压 油 缸 、 连 杆
其 中 ，F 为 果 箱 装 卸 机 构 载 荷 ，N ；L 为 滑
1 1
机 构 、 滑 轨 和 限 位 块 等 组 成 ， 根 据 安 装 位 置 分 为
轨 长 度 ，m ；L 为 连 杆 机 构 短 边 长 度 ，m ；L 为
2 3
前 装 载 机 构 和 后 装 载 机 构 ， 其 主 要 功 能 为 从 地 面
连 杆 机 构 长 边 长 度 ，m ；L 为 油 缸 铰 接 点 至 连 杆
4
装 载 空 果 箱 提 升 至 作 业 平 台 以 及 卸 载 装 满 果 实 的
机 构 底 部 长 度 ，m ；F 为 油 缸 拉 力 ，N ； α 为 连
G
果 箱 至 地 面 。 如 图6 所 示 ， 作 业 时 果 箱 装 卸 机 构
杆 机 构 与 机 架 夹 角 ， （° ） ； β 为 油 缸 与 机 架 夹
通 过 液 压 油 缸 带 动 连 杆 机 构 实 现 上 下 运 动 ， 限 位
角 ， （° ） 。
块 设 计 在 滑 轨 末 端 ， 自 由 状 态 下 限 位 块 凸 起 ， 防
止 果 箱 滑 出 ， 当 限 位 块 与 地 面 接 触 后 ， 凸 起 自 动 油 缸 的 拉 力F 计 算 方 法 为 公 式 （9 ） 。
GVol.4,No.3 缪 友 谊 等 ： 自 走 式 果 园 多 工 位 收 获 装 备 设 计 与 试 验
4 7
F L sin α
1 3 建 立 力 矩 平 衡 方 程 如 公 式 （10 ） 。
F = （9 ）
G
L sin β
4
ì
2F cos π - α - β asin π - α
( ) ( )
N1 1 1 1
? ?
果 箱 装 卸 机 构 在 举 升 的 起 始 阶 段 时 油 缸 所 受
?
?
L
?
-G sin π - α = 0
?
( 1 )
拉 力 最 大 ， 计 算 得 到 最 大 拉 力 为20.26 kN ， 据 此
2
?
?
?
计 算 选 用 活 塞 直 径 为80 mm ， 油 缸 推 杆 直 径 为 ?
π L
? ?
2F acos - β - G cos α = 0
N2 2 2
（10 ）
(2 ) 2
í
45mm ， 油 缸 行 程 为400mm 的 双 作 用 油 缸 。
? ?
2 2 2
a + b - l
? ? x
α = arccos
x
3 . 4 果 实 倾 斜 输 送 装 置 设 计
? ?
2ab
? ?
2 2 2
a + l - b
x
? ?
β = arccos
如 图8 所 示 ， 倾 斜 输 送 装 置 主 要 由 输 送 带 、
x
? ?
2al
x
?
直 流 电 机 、 水 平 转 动 装 置 、 气 弹 簧 等 组 成 。 输 送
其 中 ，F 为 气 弹 簧 支 持 力 （F 为 低 位 时 气
N N1
带 上 布 置 适 当 间 距 和 高 度 的 挡 板 ， 达 到 果 实 分 离
弹 簧 支 持 力 ；F 为 高 位 时 气 弹 簧 支 持 力 ） ，N ；
N2
和 输 送 的 目 的 ， 保 证 果 实 不 发 生 大 范 围 滚 动 甚 至
G 为 输 送 带 总 重 ，N ；a 为 气 弹 簧 支 点 到 固 定 端
掉 落 。 由 两 根 布 置 在 倾 斜 输 送 装 置 两 侧 的 气 弹 簧
长 度 ，m ；b 为 固 定 支 座 高 度 ，m ；l 为 气 弹 簧 长
x
实 现 俯 仰 运 动 ， 通 过 水 平 转 动 装 置 实 现 倾 斜 输 送
度 （l 为 气 弹 簧 原 始 长 度 ，l 为 气 弹 簧 极 限 长
1 2
装 置 的 水 平 摆 动 ， 采 摘 人 员 推 动 倾 斜 输 送 装 置 就
度 ） ，m 。
能 够 随 时 调 整 其 至 所 需 要 的 位 置 ， 最 大 限 度 提 高
当G=200N 、a=0.45m 、b=0.2m 、L=0.81m ，
采 摘 效 率 和 舒 适 度 。
分 析 可 得 气 弹 簧 在 最 低 点l =0.31 m 时 受 力 最 小 ，
1
在 最 高 点l =0.55 m 时 受 力 最 大 。 代 入 公 式 （10 ）
2
可 得 ，F =140.2 N ，F =195.3 N ， 气 弹 簧 受 力
N1 N2
范 围 为140.2 ~195.3N ， 在 气 弹 簧 自 锁 范 围200N
之 内 ， 倾 斜 输 送 装 置 可 以 实 现 “ 随 调 随 定 ” 。
如 图10 所 示 ， 果 实 倾 斜 输 送 装 置 中 ， 水 平
转 动 装 置 由 转 动 底 座 与 固 定 底 座 构 成 。 固 定 底 座
注 ：1. 水 平 转 动 装 置 ；2. 气 弹 簧 ；3. 直 流 电 机 ；4. 输 送 带 ；5. 调 整 螺 栓
固 定 在 机 架 上 ， 转 动 底 座 通 过 两 个 深 沟 球 轴 承 采
图8 果 实 倾 斜 输 送 装 置
用 过 盈 配 合 与 固 定 底 座 连 接 ， 可 以 实 现 底 座 的 旋
Fig.8 Tilt-conveyingdeviceoffruits
转 。 转 动 底 座 中 间 凹 槽 安 装 有 定 向 圈 ， 通 过 调 节
倾 斜 输 送 装 置 由 气 弹 簧 支 撑 ， 实 现 俯 仰 运 动
万 向 球 轴 承 的 螺 栓 可 以 控 制 定 向 圈 和 滚 珠 之 间 的
的 气 弹 簧 不 仅 要 满 足 倾 斜 输 送 装 置 的 上 下 转 动 ，
摩 擦 力 ， 从 而 达 到 定 向 的 目 的 ， 实 现 倾 斜 输 送 装
而 且 要 能 够 随 时 停 在 预 定 的 位 置 ， 其 受 力 分
置 水 平 方 向 的 随 调 随 定 。
析 如 图9 所 示 。
3 . 5 水 平 及 垂 直 输 送 装 置 设 计
水 平 输 送 装 置 如 图11 所 示 ， 其 主 要 作 用 是
将6 个 倾 斜 输 送 装 置 输 送 过 来 的 果 实 汇 集 并 传 输
至 垂 直 输 送 装 置 ， 由 于 需 要 汇 集6 条 倾 斜 输 送 装
置 的 果 实 ， 所 以 水 平 输 送 带 需 要 有 一 定 的 长 度 和
图9 倾 斜 输 送 装 置 气 弹 簧 受 力 分 析 图
宽 度 。 水 平 输 送 装 置 通 过 螺 栓 固 定 在 龙 门 机 架 上
Fig.9 Force analysis diagram of tilt-conveying device
端 ， 左 右 两 侧 与 倾 斜 输 送 装 置 相 连 接 。
gas spring
水 平 输 送 带 采 用 的 材 料 是 聚 氯 乙 烯 。 宽 度 设智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） S m a r t A g r i c u l t u r e Vol.4,No.3
4 8
注 ：1. 步 进 电 机 ；2. 进 料 滑 道 ；3. 外 罩 ；4. 滚 筒 ；5. 输 送 带 ；6. 伸 缩
注 ：1. 盖 板 ；2. 深 沟 球 轴 承 ；3. 轴 套 ；4. 紧 定 螺 钉 ；5. 底 盘 ；6. 深 沟
板 ；7. 均 布 装 置
球 轴 承 ；7. 外 筒 ；8. 转 轴 ；9. 卡 簧
图12 果 实 垂 直 输 送 装 置
图10 倾 斜 输 送 装 置 的 旋 转 底 座 结 构 示 意 图
Fig.10 Schematicdiagramoftherotatingbasestructureof Fig.12 Verticalconveyingdeviceoffruit
tilt-conveyingdevice
3 . 6 果 实 均 布 装 置 及 果 面 检 测 系 统 设 计
均 布 装 置 用 来 保 证 从 下 料 斗 落 出 的 果 实 均 匀
地 落 入 果 箱 ， 并 实 现 果 实 的 逐 层 装 箱 ， 降 低 果 实
与 果 箱 、 果 实 与 果 实 间 碰 撞 产 生 的 损 伤 。
如 图13 所 示 ， 均 布 装 置 主 要 由 电 机 、 轮 辐
图11 果 实 水 平 输 送 装 置
盘 、 轮 辐 支 撑 条 、 均 布 叶 片 、 接 近 开 关 、 橡 胶
Fig.11 Fruithorizontalconveyingdevice
棒 、 固 定 圆 环 等 组 成 。 采 取 上 端 电 机 驱 动 的 方
定 为590 mm ， 两 端 滚 筒 中 心 距 为980 mm ， 滚 筒
式 ， 用 联 轴 器 将 电 机 与 轮 辐 盘 相 连 接 ， 沿 轮 辐 盘
外 径 为80 mm ， 挡 板 高 度 为50 mm ， 挡 板 前 后 、
轴 线 安 装 带 有 均 布 叶 片 的 轮 辐 ， 均 布 叶 片 通 过 轮
左 右 间 距 为100 mm 。 水 平 输 送 带 的 输 送 速 度 与 辐 支 撑 条 和 轮 辐 共 同 固 定 。 均 布 装 置 轮 辐 长 为
350mm ， 轮 辐 支 撑 条 长 为200mm ， 宽 为20 mm ，
垂 直 输 送 装 置 以 及 均 布 装 置 的 速 度 之 间 具 有 相 互
轮 辐 盘 为4 孔 ， 直 径 为50mm ， 均 布 叶 片 数 为4 个 ，
关 系 ， 均 布 装 置 的 转 速 确 定 为40 r/min ， 均 布 装
叶 片 长 为400 mm ， 均 布 叶 片 的 材 料 为 厚 度3 mm
置 每 转 一 圈 可 以 承 载 垂 直 输 送 带 三 个 挡 板 的 果
的 泡 棉 ， 具 有 质 地 柔 软 、 表 面 光 滑 、 柔 性 好 的 特
实 ， 垂 直 输 送 装 置 与 水 平 输 送 装 置 的 速 度 保 持 一
点 。 叶 片 呈 内 凹 喇 叭 形 安 装 ， 两 两 叶 片 之 间 的 距
致 ， 速 度 均 为0.2m/s 。
离 大 于 苹 果 直 径 ， 在 避 免 果 实 产 生 碰 撞 损 伤 的 同
垂 直 输 送 装 置 主 要 是 将 水 平 输 送 装 置 汇 集 的
时 ， 有 利 于 果 实 滑 滚 。 工 作 时 ， 电 机 带 动 均 布 叶
果 实 输 送 到 均 布 装 置 上 ， 如 图12 所 示 ， 垂 直 输
片 匀 速 转 动 ， 苹 果 从 出 料 口 经 叶 片 内 凹 滚 道 滑 落
送 装 置 主 要 由 减 速 步 进 电 机 、 外 罩 、 垂 直 输 送
至 果 箱 。 均 布 叶 片 不 断 旋 转 ， 叶 片 下 端 在 果 面 上
带 、 滚 筒 、 伸 缩 板 、 进 料 滑 道 组 成 ， 其 中 由 垂 直
扫 过 ， 将 产 生 堆 积 的 苹 果 扫 开 、 铺 平 。
输 送 带 、 伸 缩 板 和 外 罩 组 成 一 个 密 闭 的 空 间 ， 防
果 面 检 测 系 统 由 接 近 开 关 、 橡 胶 棒 、 固 定 圆
止 果 实 在 输 送 过 程 中 掉 落 。 垂 直 输 送 带 的 宽 度 定
环 组 成 ， 随 均 布 装 置 转 动 而 转 动 ， 用 于 检 测 果 面
为590 mm ， 两 端 滚 筒 中 心 距 为840 mm ， 滚 筒 外
是 否 达 到 升 降 标 准 。 固 定 圆 环 固 定 在 轮 辐 支 撑 条
径 为80mm ， 挡 板 高 度80mm ， 挡 板 间 隔 为100mm 。
上 ， 橡 胶 棒 套 设 在 均 布 叶 片 内 侧 上 ， 并 从 固 定 圆
进 料 滑 道 的 主 要 作 用 是 将 果 实 分 成 两 侧 进 料 ， 可
环 中 穿 过 ， 以 保 证 当 果 面 高 度 上 升 从 而 使 均 布 叶
以 有 效 地 提 高 装 箱 的 均 匀 性 ， 同 时 还 可 以 在 一 定
片 逐 渐 向 上 抬 起 的 同 时 推 动 橡 胶 棒 沿 竖 直 方 向 运
程 度 上 减 少 果 实 损 伤 。 动 ， 触 碰 到 接 近 开 关 ， 实 现 信 号 的 传 递 。Vol.4,No.3 缪 友 谊 等 ： 自 走 式 果 园 多 工 位 收 获 装 备 设 计 与 试 验
4 9
实 通 过 下 料 斗 落 入 到 均 布 装 置 上 ， 并 随 均 布 叶 片
旋 转 落 入 果 箱 内 ， 均 布 叶 片 下 面 的 果 实 与 均 布 叶
片 接 触 并 使 均 布 叶 片 向 上 抬 起 ， 当 果 箱 内 果 实 没
达 到 特 定 高 度 时 ， 均 布 叶 片 上 升 的 高 度 不 足 以 使
橡 胶 棒 触 动 接 近 开 关 ， 果 实 继 续 装 箱 ； 如 图14 （b ）
和14 （c ） 所 示 ， 当 箱 内 果 实 装 到 特 定 高 度 时 ，
注 ：1. 电 机 ；2. 轮 辐 盘 ；3. 轮 辐 支 撑 条 ；4. 均 布 叶 片 ；5. 接 近 开 关 ；
6. 橡 胶 棒 ；7. 固 定 圆 环 果 箱 内 果 实 高 度 足 以 使 均 布 叶 片 上 的 橡 胶 棒 触 动
图13 果 实 均 布 装 置 结 构 示 意 图
接 近 开 关 ， 接 近 开 关 检 测 到 信 号 并 控 制 垂 直 升 降
Fig.13 Schematicdiagramoffruituniformdistributionde ‐
装 置 带 动 均 布 装 置 上 升 预 定 高 度 ， 留 出 装 果 空
vicestructure
间 ； 如 图14 （d ） 所 示 ， 当 完 成 果 面 升 降 检 测 后 ，
果 实 继 续 装 箱 ， 直 至 果 实 装 满 果 箱 。
果 面 检 测 系 统 工 作 时 如 图14 （a ） 所 示 ， 果
（a ） 果 实 开 始 装 箱 （b ） 箱 内 果 实 高 度 可 以 触 碰 果 面 检 测 机 构
（c ） 升 降 装 置 上 升 （d ） 果 实 满 箱
注 ：1. 固 定 圆 环 ；2. 轮 辐 盘 ；3. 接 近 开 关 ；4. 橡 胶 棒
图14 果 实 装 箱 智 能 检 测 流 程 图
Fig.14 Flowchartofintelligentdetectionoffruitpacking
转 调 整 倾 斜 输 送 装 置 来 适 应 采 摘 需 求 。
4 田 间 作 业 性 能 试 验
为 验 证 本 研 究 设 计 的 自 走 式 果 园 多 工 位 收 获
装 备 田 间 作 业 性 能 ， 于2020 年10 月 在 山 东 省 某
地 开 展 了 苹 果 收 获 田 间 试 验 。 苹 果 品 种 为 烟 台 富
士 ， 果 树 单 行 长 度 为50 m ， 平 均 高 度 为3.55 m ，
行 距 为3.8m ， 平 均 株 距 为1.0m 。 试 验 现 场 如 图15
所 示 ， 试 验 前 驾 驶 员 根 据 果 树 行 距 ， 将 两 侧 左 、
图15 自 走 式 果 园 多 工 位 收 获 装 备 苹 果 采 收 现 场 试 验
右 扩 展 作 业 平 台 各 展 开20 cm 。 为 保 证 苹 果 采 净
Fig.15 Fieldexperimentofappleharvestingwithself-pro ‐
率 ， 机 具 采 用 慢 速 档 行 走 ， 作 业 速 度 为1 km/h ，
pelledorchardmulti-stationharvestingequipment
六 个 工 人 分 别 站 在 六 个 倾 斜 输 送 装 置 工 位 处 ， 旋智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） S m a r t A g r i c u l t u r e Vol.4,No.3
5 0
置 ， 最 终 通 过 均 布 装 置 落 入 果 箱 内 。 随 着 果 实 不
4 . 1 试 验 指 标 和 方 法
断 落 入 果 箱 内 部 ， 箱 内 果 实 积 累 到 一 定 高 度 时 ，
本 研 究 提 出 均 布 系 数 法 评 价 果 实 装 箱 的 均 匀
升 降 装 置 触 碰 到 上 限 位 开 关 ， 工 作 停 止 ， 一 次 试
性 。 将 果 箱 按 每 行 每 列 每 层 划 分 为5 ×5 ×1 个 单
验 结 束 ， 进 行 果 箱 置 换 ， 重 复 上 述 过 程 ， 继 续 下
元 网 格 ， 分 别 计 算 每 个 网 格 所 含 果 实 数 目 ， 按 公
一 次 试 验 。 每 次 试 验 后 分 别 按 照 公 式 （11 ） ~
式 （11 ） 和 公 式 （12 ） 计 算 均 布 系 数 ， 以 均 布 系
（14 ） 来 计 算 均 布 系 数 、 果 实 损 伤 率 和 装 箱 速 度 ，
数 作 为 苹 果 装 箱 均 匀 性 的 指 标 ， 均 布 系 数 越 小 ，
取 三 次 结 果 的 平 均 值 作 为 试 验 指 标 最 终 测 试
则 代 表 各 层 之 间 以 及 每 层 中 各 网 格 之 间 苹 果 数 目
结 果 。
相 差 较 小 ， 均 布 效 果 好 。
|a - b |+ |a - b |+ |a - b |+ |a - b |+ |a - b |
1 n 2 n 3 n 4 n 5 n
4 . 2 试 验 结 果
S =
n
5
（11 ） 表2 为 苹 果 采 收 装 箱 试 验 结 果 ， 结 果 表 明 ，
S + S + S + S + S
1 2 3 4 5
自 走 式 果 园 多 工 位 收 获 装 备 在 采 收 过 程 中 ， 各 环
S = （12 ）
5
节 工 作 部 件 作 业 稳 定 ， 扩 展 作 业 平 台 展 开 后 ， 能
其 中 ，S 为 各 层 每 一 行5 个 单 元 格 的 果 实 装
n
够 满 足 工 人 手 臂 对 冠 层 内 部 苹 果 采 摘 需 求 。 果 实
箱 均 布 系 数 ；n 为 从 前 到 后 的 行 数 ，n=1 ~5 ；a 、
1
自 动 输 送 装 箱 系 统 中 ， 各 输 送 带 均 能 适 应 工 人 采
a 、a 、a 、a 为 每 一 行 从 左 到 右 每 一 个 单 元 格 中
2 3 4 5
摘 苹 果 速 度 ， 未 发 生 苹 果 拥 堵 现 象 ， 采 收 苹 果 的
的 果 实 数 ；b 为 各 层 每 一 行 五 个 单 元 格 苹 果 数 的
n
损 伤 率 均 值 为4.67 ％ ， 果 实 装 箱 的 均 布 系 数 均 值
均 值 ；S 为 果 实 装 箱 均 布 系 数 。
为1.475 ， 收 集 装 箱 速 度 均 值 为72.9 个/min ， 满
苹 果 在 从 倾 斜 输 送 装 置 至 果 箱 装 箱 过 程 中 ，
足 设 计 要 求 。
不 可 避 免 的 会 发 生 挤 压 和 碰 撞 等 不 同 类 型 的 机 械
表 2 苹 果 采 收 装 箱 试 验 结 果
损 伤 ， 而 碰 撞 是 苹 果 收 获 过 程 中 产 生 机 械 损 伤 的
Table2 Testresultsoffruitharvestingandcrating
主 要 原 因 之 一 。 公 式 （13 ） 用 于 计 算 果 实 装 箱 损
试 验 采 收 苹 果 损 伤 苹 果 装 箱 速 度/
伤 率 。
损 伤 率/% 均 布 系 数
-1
序 号 数 量/ 个 数 量/ 个 （ 个 ·min ）
S
损
S = × 100% （13 ）
1 915 49 5.36 1.504 76.7
损 伤 率
S
总
2 789 30 3.80 1.488 72.6
其 中 ，S 为 果 实 的 损 伤 率 ，% ；S 为 果 箱
损 伤 率 损
3 754 32 4.24 1.432 69.4
内 果 实 发 生 表 皮 、 果 肉 破 损 的 个 数 ， 个 ；S 为 果
总 均 值 819.3 37 4.67 1.475 72.9
箱 里 面 果 实 的 总 个 数 ， 个 。
5 结 论
装 箱 速 度 以 装 满 一 箱 的 果 实 个 数 除 以 装 满 一
箱 果 实 所 需 的 时 间 来 计 算 ， 如 公 式 （14 ） 所 示 。
针 对 现 代 化 果 园 生 产 作 业 中 遇 到 的 用 工 量
n
V = （14 ）
大 、 水 果 采 收 效 率 低 的 问 题 ， 结 合 果 树 矮 砧 宽 行
T
密 植 模 式 和 农 艺 要 求 ， 本 研 究 设 计 了 一 种 自 走 式
其 中 ，V 为 装 箱 速 度 ， 个/min ；n 为 装 满 箱
果 园 多 工 位 收 获 装 备 ， 通 过 多 级 输 送 装 置 将 人 工
子 时 的 果 实 个 数 ， 个 ；T 为 装 满 箱 子 所 用 的 时
采 摘 后 的 果 实 自 动 收 集 并 装 箱 。 同 时 设 计 了 田 间
间 ，min 。
果 实 收 获 试 验 ， 提 出 均 布 系 数 法 衡 量 果 实 装 箱 的
根 据 响 应 面 参 数 优 化 得 到 果 实 装 箱 低 损 最 佳
均 布 效 果 ， 并 结 合 果 实 损 伤 情 况 以 及 装 箱 速 度 综
性 能 参 数 组 合 为 ： 均 布 装 置 转 速29.169 r/min ，
合 评 价 该 装 备 的 收 获 性 能 ， 试 验 结 果 表 明 均 布 系
均 布 装 置 高 度200 mm 。 以 此 参 数 进 行3 次 果 实
数 、 损 伤 率 等 指 标 均 满 足 设 计 要 求 。 该 装 备 可 用
采 收 装 箱 试 验 ， 工 人 们 采 摘 果 实 后 放 置 到 倾 斜 输
送 装 置 ， 然 后 汇 集 至 水 平 输 送 装 置 及 垂 直 输 送 装 于 实 际 的 果 园 采 摘 工 作 中 ， 主 要 结 论 如 下 ：Vol.4,No.3 缪 友 谊 等 ： 自 走 式 果 园 多 工 位 收 获 装 备 设 计 与 试 验
5 1
[8] FEI Z, SHEPARD J, VOUGIOUKAS S. Estimation of
（1 ） 根 据 果 树 冠 层 特 点 ， 结 合 “ 两 侧 、 两 高
worker fruit-picking rates with an instrumented pick ‐
度 、 六 工 位 ” 采 摘 模 式 ， 设 计 了 基 于 履 带 式 底 盘 的
ing bag[J]. Transactions of the ASABE, 2020, 63(6):
可 扩 展 式 工 作 平 台 ， 并 对 果 箱 装 卸 结 构 、 果 实 倾 斜 1913-1924.
[9] FEI Z, VOUGIOUKAS S. Co-robotic harvest-aid plat ‐
输 送 装 置 、 果 实 水 平 及 垂 直 输 送 装 置 、 果 实 均 布
forms: Real-time control of picker lift heights to maxi ‐
及 果 面 检 测 系 统 等 关 键 零 部 件 进 行 了 结 构 设 计 。
mize harvesting efficiency[J]. Computers and Electron ‐
icsinAgriculture,2021,180:ID105894.
（2 ） 田 间 试 验 表 明 ， 自 走 式 果 园 多 工 位 收 获
[10] ZHANG Z,HEINEMANN P,LIU J,etal.Brush mech ‐
装 备 各 环 节 工 作 部 件 作 业 稳 定 ， 果 实 自 动 收 集 与
anism for distributing apples in a low-cost apple har ‐
vest-assist unit[J]. Applied Engineering in Agriculture,
装 箱 速 度 可 同 步 于 六 工 位 人 工 采 收 速 度 ， 苹 果 采
2017,33(2):195-201.
收 损 伤 率 为4.67 ％ ， 装 箱 均 布 系 数 为1.475 ， 装
[11] 刘 丽 星, 刘 洪 杰, 裴 晓 康, 等. 小 型 果 园 电 动 作 业 平 台
的 设 计 与 试 验[J]. 农 机 化 研 究,2021,43(7):90-94.
箱 速 度 为72.9 个/min 。
LIU L, LIU H, PEI X, et al. Design and test of electric
本 研 究 设 计 的 自 走 式 果 园 多 工 位 收 获 装 备 可
operation platform for small orchard[J]. Journal ofAg ‐
对 人 工 采 收 的 水 果 进 行 收 集 和 装 箱 ， 有 效 降 低 工 riculturalMechanizationResearch,2021,43(7):90-94.
[12] 席 远 军, 高 旭 宏, 刘 洪 峰, 等. 履 带 自 走 式 水 果 采 摘 作
人 劳 动 强 度 ， 提 高 生 产 效 率 。
业 平 台 的 设 计 与 试 验[J]. 中 国 农 机 化 学 报, 2017, 38
(11):17-23.
参 参 考 考 文 文 献 献 ：
XIY, GAO X, LIU H, et al. Design and test of the self-
propelled crawler work platform for fruit picking[J].
[1] 国 家 统 计 局 农 村 社 会 经 济 调 查 司. 中 国 农 村 统 计 年
Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2017,
鉴[M]. 北 京: 中 国 统 计 出 版 社,2021.
38(11):17-23.
[2] MARCOS D,AUGUSTO C, OSCARA, et al. Harvest ‐
[13] LONG H,HAN F,MANOJ K,etal.Effectoffruitloca ‐
ing fruit using a mobile platform:Acase study applied
tion on apple detachment with mechanical shaking[J].
tocitrus[J].EngenhariaAgrícola,2018,38(2):293-299.
IFAC-PapersOnLine,2016,49(16):293-298.
[3] ORNWIPA T, KIT G, MARIA T, et al. A feasibility
[14] 高 杨, 刘 继 展, 周 尧. 小 型 升 降 式 采 摘 机 器 人 设 计 与
study comparing objective and subjective field-based
physical exposure measurements during apple harvest ‐ 试 验[J]. 农 机 化 研 究,2019,41(11):132-137.
GAO Y, LIU J, ZHOU Y. Design and test of small lift ‐
ing with ladders and mobile platforms[J]. Journal of
ing picking robot[J]. Journal of Agricultural Mechani ‐
Agromedicine,2019,24(3):268-278.
zationResearch,2019,41(11):132-137.
[4] 郑 永 军, 江 世 界, 陈 炳 太, 等. 丘 陵 山 区 果 园 机 械 化 技
[15] 杨 贞, 王 亚 龙, 韩 冰, 等. 牵 引 式 果 园 采 摘 作 业 平 台 果
术 与 装 备 研 究 进 展[J]. 农 业 机 械 学 报, 2020, 51(11):
1-20. 实 输 送 系 统 的 研 究 设 计[J]. 中 国 农 机 化 学 报, 2017,
ZHENG Y, JIANG S, CHEN B, et al. Review on tech ‐ 38(7):24-28.
YANG Z, WANG Y, HAN B, et al. Research and de ‐
nology and equipment of mechanization in hilly or ‐
sign on conveying system for tractive orchard picking
chard [J]. Transactions of the CSAM, 2020, 51(11):
platform[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechani ‐
1-20.
[5] 赵 映, 肖 宏 儒, 梅 松, 等. 我 国 果 园 机 械 化 生 产 现 状 与 zation,2017,38(7):24-28.
发 展 策 略[J]. 中 国 农 业 大 学 学 报, 2017, 22(6): [16] 范 晓 文, 李 雪 军, 王 鹏 飞, 等. 果 园 多 工 位 作 业 平 台 低
损 输 送 系 统 设 计 与 试 验[J]. 中 国 农 机 化 学 报, 2020,
116-127.
41(6):69-73.
ZHAOY,XIAO H,MEIS,etal.Currentstatus and de ‐
velopment strategies of orchard mechanization produc ‐ FAN X, LI X, WANG P, et al. Design and test of low
tion in China[J]. Journal of China Agricultural Univer ‐ damage conveyor system for orchard multi-station op ‐
sity,2017,22(6):116-127. eration platform[J]. Journal of Chinese Agricultural
Mechanization,2020,41(6):69-73.
[6] 缪 友 谊, 陈 小 兵, 朱 继 平, 等. 果 园 作 业 平 台 研 究 进 展
[17] 王 学 良, 李 强, 范 国 强, 等. 果 园 履 带 式 多 功 能 作 业 机
分 析[J]. 中 国 农 机 化 学 报,2021,42(6):41-49.
MIAOY, CHEN X, ZHU J, et al. Research progress of 的 研 制[J]. 农 机 化 研 究,2020,42(5):105-108,119.
orchard work platform[J]. Journal of Chinese Agricul ‐ WANG X, LI Q, FAN G, et al. Development of or ‐
turalMechanization,2021,42(6):41-49. chard crawler multifunctional working machine[J].
[7] SILWAL A, DAVIDSON J, KARKEE M, et al. Effort Journal of Agricultural Mechanization Research, 2020,
42(5):105-108,119.
towards robotic apple harvesting in Washington
State[C]// 2016 ASABE International Meeting. St. Jo ‐ [18] 刘 佛 良, 张 震 邦, 杨 晓 彬, 等. 山 地 果 园 双 履 带 微 型 运
seph, Michigan, USA: the American Society of Agri ‐ 输 车 的 设 计 、 仿 真 与 试 验[J]. 华 中 农 业 大 学 学 报,
culturalandBiologicalEngineers,2016. 2018,37(4):15-23.智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） S m a r t A g r i c u l t u r e Vol.4,No.3
5 2
LIU F, ZHANG Z, YANG X, et al. Design, simulation ScienceandTechnology,2020,41(1):37-40.
and experimental analysis of a miniature double crawl ‐ [20] 印 祥, 禹 泽 栋, 俞 康, 等. 农 业 通 用 履 带 底 盘 控 制 系 统
er transport vehicle in mountain orchard[J]. Journal of 研 制[J]. 中 国 农 机 化 学 报,2018,39(12):73-77.
HuazhongAgriculturalUniversity,2018,37(4):15-23. YING X,YU Z,YU K, et al. Development of a control
[19] 焦 宏 章. 履 带 式 车 辆 转 向 阻 力 矩 分 析[J]. 太 原 科 技 大 system for a general-purpose crawler-type chassis in
学 学 报,2020,41(1):37-40. agriculture[J]. Journal of Chinese Agricultural Mecha ‐
JIAO H.Analysisonsteeringresistancemomentofcat ‐ nization,2018,39(12):73-77.
erpillar vehicles[J]. Journal of Taiyuan University of
DesignandTestofSelf-PropelledOrchardMulti-Station
HarvestingEquipment
1 2,3 1 2,3 1
MIAOYouyi,CHENHong ,CHENXiaobing,TIANHaoyu ,YUANDong
（1. Nanjing Institute ofAgricultural Mechanization, Ministry ofAgriculture and RuralAffairs, Nanjing210014, Chi ‐
na;2. College of Engineering, HuazhongAgricultural University,Wuhan430070, China;3. Key Laboratory ofAgri ‐
cultural Equipment in the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River, Ministry ofAgriculture and RuralAf ‐
fairs,Wuhan430070, China ）
Abstract: In order to solve the problems of high labor intensity, low efficiency of manual operation and lack of supporting ma ‐
chinery in the fruit harvesting of modern orchards, a self-propelled orchard multi-station harvesting equipment was designed in
combinationwiththefruittreedwarfanvilwide-row denseplantingmodeandagronomicplantingrequirements.Thewholema ‐
chinestructureandworkingprincipleoftheself-propelledorchardmulti-stationharvestingequipmentwereexpounded.Accord ‐
ing to the environmentalconditions ofmountainous orchards,the crawlerchassis structure was designed,and the working speed
was 0~2 km/h.The operating platform including left extension platform and right extension platform was designed according to
the difference of fruit tree row spacing, and the working width of the operating platform was 1500~2700 mm. In order to im ‐
prove the working efficiency and ensure the same picking speed of upper and lower operators, the picking operation mode of
"twosides,twoheightsandsixstations"wasproposedbycomparingthedifferenceintheworkingflexibilitybetweentheopera ‐
torontheplatform andtheoperatoronthegroundduringtheoperationofthemachine,andthein-and-outchannelsoffruitbox ‐
es and the automatic collection and packing device were designed. The front and rear unobstructed fruit box access system was
composed of the front loading and unloading mechanism, the rear loading and unloading mechanism and the fruit box slide rail,
which was convenient for the empty fruit box to enter the fruit loading station of the working platform from the front and un ‐
loadingfromtherearafterthefruitwasfilled.Sixsub-conveyorbeltsweredesignedtohandleapplesharvestedbysixnoninter ‐
acting operators at the same time. The prototype was test in the field, and the packing uniform distribution coefficient calcula ‐
tionmethodwasproposedtoevaluatetheuniformityoffruitpacking,andtheperformanceoftheprototypewascomprehensive ‐
ly evaluated in combination with the fruit damage rate and packing speed. The results showed that, the designed self-propelled
orchard multi-station harvesting equipment could synchronize with the six stations manual harvesting speed.At the same time,
with the help of the expansion platform, the apple picking range covered the entire canopy of the fruit tree. The prototype
worked smoothly, and the speed of each conveyor belt was in good coordination with manual picking, and there was no apple
congestion occurred.The apple harvest damage rate was 4.67%, the packing uniform distribution coefficient was 1.475, and the
packingspeedwas72.9applesperminute,whichcouldmeettherequirementsoforchardharvestoperation.
Keywords: crawler chassis; extended working platform; automatic conveyor packing; packing uniformity factor; harvest dam ‐
agerate;transfersystem
（ 登 陆www.smartag.net.cn 免 费 获 取 电 子 版 全 文 ）