高档名优绿茶新梢参数测量与采摘指力学性能分析研究

聂宇成，陈 勇

（南京林业大学 机械电子工程学院，南京 210037）

0 引言

茶叶质地较嫩,极易破损,茶叶的品种、叶片完整性等决定了名优绿茶的品质[1]。传统的茶叶新梢采摘均采用人工采摘,但人工采摘需要长时间劳动,劳动强度大且采摘效率较低[2]。近年来,已有一些学者对名优绿茶的机械化采摘进行了一定的研究。南京农机化研究所[3]设计了一种自走式智能田间采茶机器人,进行茶叶新梢的智能化采摘。中国农业大学[4]对龙门式采茶机进行了改进,设计出一种双臂式茶叶采摘机器人。南京林业大学[5～8]通过光谱技术、机器视觉技术等,研发了一种可以对茶叶新梢自主选择的采茶机器人。此外,文献检索表明,目前国内外对采茶机器人的研究还停留在对茶叶新梢的识别上,还没有研制出针对高档名优绿茶智能化采摘的采摘指。

目前采茶机器人对茶叶新梢的采摘仅采用刀片割断,并不符合高档名优绿茶的采摘要求。针对现有采茶机器人对茶叶新梢的选择性,采摘的茶叶叶片完整性[9]等方面存在的不足,本文设计了一款可以模仿人手“提手采”动作的仿生采摘指结构[10]。仿真采摘指作为采茶机器人的末端执行器,通过对茶叶新梢嫩芽识别进行定位,再驱动仿生采摘指对茶叶新梢进行采摘。茶叶新梢比较脆嫩,为保证茶叶品质,故对名优绿茶新梢的形态特性以及力学特性进行相关参数的测量分析。根据茶叶新梢的形态特性设计出合适的采摘指结构,根据茶叶新梢的力学特性确定夹持力,并分析采摘指的受力情况,判断采摘指的材料强度刚度是否满足要求,因此利用ANSYS对采摘指的关键零部件进行有限元分析。

1 新梢形态特性研究

考虑到高档名优绿茶的品质,确保叶片的完整性,因此需要对茶叶新梢的形态特性进行测量,来确定仿生采摘指的结构尺寸。为采摘高品质的名优绿茶,仅采摘茶叶新梢的一芽一叶,且茶叶新梢采用拉断的方式进行采摘,因此仿生采摘指需要保证采摘的拉断点在图1所示的第一节间距L1范围内。同时,为保证采摘指不夹到茶叶的叶片,采摘指的夹指的闭合路径必须在第一叶与第二叶之间的叶展角θ范围内。

图1 新梢示意图

1.1 新梢形态特性参数采集

针对以上要求,在茶园中多次随机选取茶叶样本进行形态特性的参数测量,样本具体情况如表1所示,共120个试验样本。

表1 试验样本的选取

对于茶叶新梢的形态测量主要是为了确定第一节间距L1的长度以及叶展角θ的角度,因此采用刻度尺及量角器在茶园中进行测量试验。

1.2 形态特性测量结果分析

根据形态特性测量结果,在120个测量样本中,第一节间距L1、叶展角θ的各项参数,如表2所示。

表2 形态特性参数表

由样本数据的分析得出,样本茶叶新梢的第一节间距L1长度大多集中在8mm～12mm,其占比84.17%；叶展角θ大多集中在11°～17°,其占比85.00%。

因此,为保证只采摘茶叶新梢的一芽一叶,并保证叶片的完整性,故仿生采摘指的夹爪的夹持点的间距应在8mm以内,且要求采摘指张开角度不大于17°。

2 新梢力学特性研究

根据茶叶新梢的形态特性可以确定仿生采摘指结构尺寸,为确定仿生采摘指对茶叶新梢的最佳夹持力,因此需要对茶叶新梢的力学特性进行测量研究。茶叶新梢力学特性的测量主要分为新梢拉断力测量以及新梢夹断力测量。拉断力测量是为了测量茶叶新梢与茎秆之间通过提拉作用断开所需要的力。夹断力测量是为了测量茶叶新梢由于夹爪的夹紧作用而断开时所需要的力,防止茶叶新梢被夹爪直接夹断,因此夹爪产生夹紧力应该小于将茶叶新梢直接夹断所需的力。

2.1 新梢力学特性参数采集

新梢力学特性参数的测量样本采集与形态特性测量时样本采集的地点与方式一致,即一共120个试验样本。对新梢力学特性参数的测量采用本课题组研制的测力装置[11]。

2.2 力学特性测量结果分析

根据力学特性测量结果,在120个样本中,新梢的拉断力、夹断力的各项参数,如表3所示。

表3 力学特性参数表（单位：N）

根据数据统计,样本茶叶新梢拉断力大多处于3N～7N范围内,其占比86.17%；夹断力大多处于4N～8N范围内,其占比90.83%。

在仿生采摘指对茶叶新梢进行采摘时,为使夹爪与新梢间不打滑的拉断力应在3N～7N范围内,新梢在夹持力4N～8N范围内可能会直接被夹断。因此,综合考虑茶叶新梢的拉断力以及夹断力,将仿生采摘指夹爪对茶叶新梢的夹持力设定为4N。

3 仿生采摘指有限元分析

针对高档名优绿茶,基于“提手采”的动作要求,本文设计了一种仿生采摘指,该采摘指主要由一对上夹爪以及一对下夹爪组成,利用下夹爪夹持住茎秆,上夹爪夹持所需采摘的茶叶新梢,通过气缸的提拉作用将上夹爪向上移动完成茶叶新梢的采摘,上下夹爪的开合同样采用气缸驱动。根据对茶叶新梢形态特性的测量分析,设计了如图2所示的仿生采摘指的三维模型。

图2 仿生采摘指三维模型

为保证茶叶新梢叶片的完整性,采摘指的结构不宜过大,因此需要对采摘指进行有限元分析,判断其强度刚度是否满足要求。仿生采摘指的上下夹爪及其连接件受力情况相似,故只需对上夹爪及其连接件进行有限元分析,其中主要受力零部件有上夹爪、上夹爪连杆以及连接两者的销轴,其材料均为铝合金,抗拉强度约为265MPa,屈服强度约为110MPa。

3.1 上夹爪有限元分析

根据新梢力学特性参数的测量结果,仿生采摘指的夹爪对茶叶新梢的夹持力设定为4N,为优化夹爪结构,对上夹爪进行应力应变分析。将上夹爪模型导入ANSYS 15.0,进行单元类型以及材料参数的定义,单元类型选择Solid185,材料为铝合金,弹性模量设置为70GPa,泊松比0.3,并进行网格划分,共划分了18976个单元。根据上夹爪的受力情况对上夹爪添加约束,进行求解,得到上夹爪应力云图以及应变云图,如图3、图4所示。

图3 上夹爪应力分布图

图4 上夹爪应变分布图

从上夹爪的应力应变分布图可以看出,上夹爪的最大应力为83.4MPa,最大应力位于上夹爪与上夹爪支座连接处。最大变形量为0.0176mm,最大变形位于上夹爪的夹持处。由此可见,上夹爪的强度和刚度满足要求。

3.2 上夹爪连杆有限元分析

上夹爪连杆与上夹爪通过销轴连接,上夹爪连杆的另一端连接在里层套上,通过提拉气缸完成茶叶新梢的向上拉断。将上夹爪连杆模型导入ANSYS15.0,模型的单元类型以及材料属性与上夹爪相同,进行网格划分,划分了4323个单元。根据上夹爪连杆的受力情况,进行有限元分析,得到上夹爪连杆的应力应变云图,如图5、图6所示。

图5 上夹爪连杆应力分布图

图6 上夹爪连杆应变分布图

根据上夹爪连杆的应力应变分布图,上夹爪连杆的最大应力为7.32MPa,最大应力位于与销轴连接处的下表面。最大变形量为0.000842mm,最大变形同样位于与销轴连接处的下表面。因此,上夹爪连杆的强度和刚度满足要求。

3.3 销轴有限元分析

销轴用于连接上夹爪以及上夹爪连杆,为保证连接的可靠性,销轴两端与上夹爪连杆采用过盈配合,销轴中间部分与上夹爪采用间隙配合。同样,将销轴模型导入ANSYS15.0,进行单元类型及材料属性的定义,完成模型的网格划分,共划分了11322个单元。根据销轴的受力情况,对销轴进行有限元分析,得到如图7、图8所示的应力应变分布图。

图7 销轴应力分布图

图8 销轴应变分布图

根据销轴的应力应变分布图可以得出,销轴的最大应力为1.45MPa,最大应力位于销轴与上夹爪连接处两侧。销轴的最大变形量为0.0000193mm,最大变形位于销轴与上夹爪连接处中心。由此可见,销轴的强度和刚度均满足要求。

以上对仿生采摘指的关键零部件进行了有限元分析,得到零部件的应力应变分布图。为减轻仿生采摘指重量,上夹爪、上夹爪连杆、销轴等零部件均采用铝合金材料,抗拉强度约为265MPa,屈服强度约为110MPa,根据分析结果,这些零部件的应力应变均在材料的承受范围内,故仿生采摘指各关键零部件的强度和刚度满足要求。

4 结语

通过对名优绿茶新梢的形态特性的测量,采摘指的上下夹爪的夹持点的间距应在8mm以内,且要求采摘指张开角度不大于17°,由此确定了仿生采摘指的结构尺寸。通过对茶叶新梢力学特性的测量,确定了夹爪对茶叶新梢的夹持力为4N,并依此对采摘指的关键零部件进行有限元分析。从分析结果可以得出,采摘指的关键零部件中,最大应力位于上夹爪的夹持处,最大应力为83.4MPa,最大应变同样位于该处,最大变形为0.0176mm,均在材料允许范围内。由此可见,采摘指的刚度和强度均满足设计要求,验证了采摘指结构设计的合理性。为后续对仿生采摘指结构的进一步改善,提高采摘成功率,以及进行茶园现场试验等提供了有效依据。