彎軸荔枝龍眼采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)

林和德

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，漳州 363000）

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彎軸荔枝龍眼采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)

林和德

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，漳州 363000）

摘 要：針對(duì)目前荔枝龍眼采摘機(jī)械手的市場(chǎng)應(yīng)用和推廣不理想的狀況，對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)上多種高枝水果采摘機(jī)械手工作原理進(jìn)行分析，找出存在的工藝、技術(shù)缺陷，并結(jié)合果農(nóng)采果的實(shí)際要求，放棄傳統(tǒng)固定式直刀柄做法，提出了彎軸刀柄的新方案。新方案可降低采摘過程中操作人員的頭部仰角、減輕頸椎疲勞，刀口與果梗也可以快速定位，提高了采摘效率，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：荔枝龍眼 采摘機(jī)械手 優(yōu)化結(jié)構(gòu)

引言

荔枝、龍眼是我國南方特色水果，單荔枝總種植面積就達(dá)5778.83km2，年產(chǎn)量155.2萬噸。由于我國南方荔枝、龍眼大多種植在山坡上，地形狹小，地勢(shì)崎嶇，所以中、大型機(jī)器根本無法進(jìn)入。而小型機(jī)械由于功能或成本方面的原因，推廣應(yīng)用受到限制。目前，大部分仍然依靠人工采摘，采摘效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、采摘成本高。根據(jù)測(cè)算，采摘成本約占生產(chǎn)成本的50%～70%［1］。而許多果農(nóng)因負(fù)擔(dān)不起高額的人工費(fèi)而放棄采摘，可見機(jī)械化采摘已迫在眉睫。根據(jù)我國南方荔枝、龍眼大多數(shù)種植的地形，結(jié)合果農(nóng)要求采摘機(jī)械的價(jià)格低、操作簡單、可靠等，目前只能發(fā)展小型化、輕簡化的采摘機(jī)械設(shè)備。

1 采摘機(jī)械手現(xiàn)狀

荔枝、龍眼采摘設(shè)備在國內(nèi)外已有很多研究和實(shí)踐［2-3］，但由于采摘效率不高、果實(shí)損傷率較大等原因，許多研究還只停留在做樣機(jī)或理論上。國內(nèi)也有不少研究人員設(shè)計(jì)制作了簡單實(shí)用、價(jià)格低廉的水果采摘器具，并已推向市場(chǎng)。例如，湯興初等設(shè)計(jì)的可伸縮式高枝采果器［4］，采用可伸縮式二節(jié)桿，園鋸片切割，尼龍網(wǎng)管作為輸果道，兩級(jí)自動(dòng)導(dǎo)向分級(jí)，機(jī)構(gòu)簡單、緊湊、體積小、操作省力方便。但是，由于果梗不固定，容易飄動(dòng)，園鋸片工作中易碰到果實(shí)造成傷果。所以，該類采果器不適于采摘軟質(zhì)果皮或無果皮果實(shí)。另外，還有一種類型如姜焰鳴等設(shè)計(jì)的滾筒梳剪式荔枝采摘試驗(yàn)裝置［5］，雖然采摘效率較高，但采摘部件在梳剪時(shí)對(duì)荔枝果梗、枝條和果實(shí)均有機(jī)械損傷，同時(shí)高空采摘部分結(jié)構(gòu)較大，存在一定危險(xiǎn)性，且操作困難，不利于推廣。

以上幾種采摘器具存在一個(gè)共同的問題，就是操作人員頭部仰角大，頸椎容易勞損，從而引起頭暈?zāi)垦?、易疲勞等問題，直接影響果農(nóng)使用采摘機(jī)械手的積極性。

通過分析上述各種采摘機(jī)械手存在的工藝和技術(shù)問題，結(jié)合荔枝、龍眼栽培生長特性，為了提高果農(nóng)采摘舒適性、滿足低成本需求，本文提出了彎軸荔枝龍眼采摘機(jī)械手。

2 彎軸荔枝龍眼采摘機(jī)械手

2.1 設(shè)計(jì)思路

采摘過程需要滿足以下五點(diǎn)要求：第一，由于荔枝、龍眼皮薄、肉多、含水量高、果實(shí)成簇生長于樹上，多主要采用成簇采摘，而采摘過程易發(fā)生機(jī)械損傷，因此采摘機(jī)械手首先應(yīng)具有一定的避障性；第二，要降低操作人員頭部上仰角，提高勞動(dòng)舒適度；第三，剪刀要操作靈活，可以快速定位并切斷果梗，提高生產(chǎn)效率；第四，切斷果梗的果實(shí)不能直接落地造成損傷；第五，結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，制造成本低。

綜合上述五方面要求，在吸取市場(chǎng)上原有機(jī)械手的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，放棄原有采摘機(jī)械手通常采用的直刀架做法，采用彎軸刀架設(shè)計(jì)，使操作人員頭部上仰角度變小，降低頸椎疲勞強(qiáng)度，改善操作視線，如圖1所示。這樣可以較好地解決刀口與果梗相對(duì)位置難于觀察和定位的難題，提高操作的舒適性、靈活度，同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率。

圖1 采摘機(jī)械手

2.2 機(jī)械手的組成及工作原理

采摘機(jī)械手的組成，如圖1所示。機(jī)械手主要由剪切刀具、聯(lián)接軸套、刀架彎軸、拉繩、伸縮套筒、剪刀手柄等組成。

工作原理：操作員雙手緊握操作柄，通過轉(zhuǎn)動(dòng)手柄可以靈活調(diào)整刀具的切割平面角度，快速調(diào)整刀具與果梗相對(duì)位置并定位后，緊握剪切手柄，通過拉繩驅(qū)動(dòng)剪切刀具的動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)，實(shí)施切割果梗。切割任務(wù)完成后，松開手柄，動(dòng)刀片在復(fù)位彈簧的作用下，恢復(fù)到張開位置。

3 彎軸荔枝龍眼采摘機(jī)械手主要部件的設(shè)計(jì)

3.1 伸縮套筒

三節(jié)伸縮套筒采用鋁合金材料，完全打開可以達(dá)到5m；加上操作人員的身高，最大作業(yè)范圍可以達(dá)到6m左右，基本上可以滿足南方荔枝龍眼的采摘高度。三節(jié)收縮后，總長度在2.0m左右，方便攜帶。鋁合金伸縮桿每米質(zhì)量0.4kg，總長5m，所以伸縮桿的質(zhì)量約為2kg。

3.2 剪刀刀具

通過實(shí)驗(yàn)表明，凹、凸刃刀口比平刃刀口更容易剪切果梗。例如，凹形和凸形刀片的圓弧半徑為60mm左右。果梗直徑通常在4～10mm左右，取果梗直徑7mm，切割角度90°，切割力在430～450N左右；隨著切割角度減小到30°時(shí)，如圖2所示，切割力迅速減小到100N以下［6］。

圖2 切割角度

3.3 彎軸刀架

如圖3所示，為了減小操作人員頭部上仰角，提高操作人員的舒適度，便于觀察剪刀與果梗的相對(duì)位置，刀架軸線與手持伸縮套筒需成120°的夾角。由于果梗的伸長方向各異，所以可通過旋轉(zhuǎn)手柄來改變剪刀口的方位，以方便剪切果梗。

圖3 彎軸刀架

3.4 拉繩

拉動(dòng)刀片進(jìn)行切割的拉繩套裝在伸縮套筒內(nèi)部，可以配合伸縮套筒收起。

3.5 齒狀橡膠夾子

可以在兩片刀片上加裝帶齒狀的橡膠夾子，夾住剪下的果梗，以防止切斷的果實(shí)從高空落下而損傷；也可以在刀架下方安裝一個(gè)網(wǎng)袋，承接切斷的果實(shí)，但這樣會(huì)影響操作的靈活性。

4 剪切力的計(jì)算

正常荔枝龍眼果梗直徑在4～6mm左右，刀刃的切割角度θ通常在45°左右。機(jī)構(gòu)工作簡圖如圖4所示。

圖4 機(jī)構(gòu)工作簡圖

刀刃切割點(diǎn)B距支點(diǎn)A距離為L1=25mm，操作手柄的受力中點(diǎn)C距支點(diǎn)D距離為L2=70mm；刀刃滑切切割阻力為F1，手柄握力為F2。由于拉繩的摩擦阻力及刀具回位彈簧扭矩均較小，故在此對(duì)其忽略不計(jì)，于是有F1×L1=F2×L2，即F2=25/70×F1。

滑切過程的經(jīng)驗(yàn)公式［7］：

式中，P切割阻力，S為滑切長度。于是，有

F3×L=F3×d

11n

整理后，可得

對(duì)于凹凸刀刃，果梗直徑d≤7mm、切割角度θ=90°時(shí)，垂直切割阻力Fn≤450（N）［6］，代入上式，則所需手柄握力：

可見，隨著切割角度θ變小，所需手柄握力F2將變得更小。男士正常手柄握力一般能達(dá)到300～400N左右，女士正常握力一般能達(dá)到250N左右，因此該采摘機(jī)械手可以很方便地進(jìn)行荔枝龍眼的采摘工作。

5 結(jié)束語

根據(jù)荔枝、龍眼等高枝水果的生長特性，彎軸荔枝龍眼水果采摘機(jī)械手能方便地排除枝葉障礙，通過旋轉(zhuǎn)刀口平面快速實(shí)現(xiàn)刀口與果梗定位，降低操作頭部仰角，改善舒適度，提高生產(chǎn)效率。采用三節(jié)鋁合金伸縮桿，重量輕，可以滿足6m高以下荔枝龍、眼串果的采摘需要。通過力學(xué)計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)證明，該采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、輕便，操作安全可靠，無環(huán)境污染，是果農(nóng)的好幫手。

參考文獻(xiàn)

［1］姜焰鳴，趙磊，陸華忠，等.滾筒梳剪式荔枝采摘部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，（3）：120-124.

［2］居洪玲，姬長英.一種多用途采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)［J］.浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，（3）：370-373.

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［4］湯興初，吳明亮，全臘珍，等.可伸縮式高枝采果器的設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2004，（2）：161-162.

［5］姜焰鳴，趙磊，陸華忠，等.滾筒梳剪式荔枝采摘部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，（3）：120-124.

［6］陳燕，蔡偉亮，向和平，等.面向機(jī)器人采摘的荔枝果梗力學(xué)特性［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，（21）：53-57.

［7］顧正平，沈瑞珍，劉毅.園林綠化機(jī)械與設(shè)備［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

Design on the Curved -Axis Picking Manipulator for Litchi and Longan

LIN Hede
（Zhangzhou Institute of Technology，Zhangzhou 363000）

Abstract:In view of the non- ideal market application and expansion of picking manipulator for litchi and longgan， this article analyzes the working principle of multi-type high-tech fruitpicking manipulator. It tries to find out the defects of technique and technology of the straight one and puts forward the new curveaxis one according to the realistic needs by getting rid of the traditional one ，therefore to reduce the tiredness of head and neck of the operator when they us e them and to accelerate the us age speed improve the picking efficiency .It deserves the value of popularization and application

Key words:Litchi and Longan， Picking Manipulator，Optimal Structure