手持便攜式蘋果采摘裝置設(shè)計(jì)

周建華 李向國 李育鑫 徐銘澤

（河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，常州213022）

蘋果是世界性果品，由于其生態(tài)適應(yīng)性較強(qiáng)，果品營養(yǎng)價(jià)值高，耐貯性好，供應(yīng)周期長，世界上很多的國家都將其列為主要消費(fèi)果品而大力推薦[1]。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，2012年全球蘋果收獲面積為484.3萬hm2，比2011年增加1.3%；產(chǎn)量為7637.9萬t，比2011年提高0.3%[2]。我國是蘋果栽培面積最大和產(chǎn)量最高的國家，分別占世界總面積和總產(chǎn)量的42.5%和48.4%[3]。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局的資料，2002年我國蘋果產(chǎn)量為1924萬t（FAO數(shù)據(jù)為2050萬t），其中富士1404萬t，國光145萬t，蘋果產(chǎn)量占全國水果產(chǎn)量的27%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界平均比例[4]。

隨著我國蘋果種植技術(shù)的提高，我國蘋果產(chǎn)量呈上升趨勢[5]。國民對水果旺盛的需求為果園種植業(yè)創(chuàng)造了巨大的市場，果園種植業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景。與此同時(shí)，水果采摘季節(jié)性強(qiáng)，費(fèi)用高且勞動(dòng)量大，傳統(tǒng)人工采摘的方式易造成果實(shí)損傷，同時(shí)采摘不及時(shí)將會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失[6]。蘋果采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞會對產(chǎn)品的后續(xù)加工和儲存產(chǎn)生直接的影響，從而最終影響市場價(jià)格和經(jīng)濟(jì)效益[7]。為了節(jié)約人力、物力，提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，研究采摘機(jī)械，對于降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度和采摘成本、保證水果及時(shí)采收具有重大的意義[8]。

水果采摘分為機(jī)械式采摘和機(jī)器人智能化采摘，果園的機(jī)械式采摘主要有撞擊式、切割式和振搖式三種類型[9]。振搖式和撞擊式是根據(jù)產(chǎn)生振動(dòng)形式的不同而劃分的，目前國外用得最多的是振搖式采收機(jī)，如圖1所示[10]。而我國南方果園大部分處于丘陵地帶，由于工作環(huán)境的復(fù)雜性，目前采收機(jī)的智能化水平達(dá)不到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。同時(shí)，我國果園主要是分散栽培、分戶管理的小農(nóng)經(jīng)濟(jì)性的種植方式，生產(chǎn)規(guī)模小，農(nóng)民的技術(shù)素質(zhì)偏低，大型機(jī)械式采收機(jī)成本過高，在此種種植形式下難以適用。而目前傳統(tǒng)的切割式由于刀片裸露在外面，往往容易在采摘過程中損傷果實(shí)，如圖2所示。從農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究可以看出，農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以代替人類完成某些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，但要達(dá)到實(shí)用普及的程度，還有一些問題需要解決[11]。通過分析以上原因，筆者提出一種便攜式水果采摘裝置設(shè)計(jì)，它采用切割式原理，人可以手持操作進(jìn)行采摘，同時(shí)切割刀片在采摘過程中不會損傷果實(shí)，從而達(dá)到保護(hù)果實(shí)、操作輕便以及提高采摘效率等目的。

圖1 振搖式大型采收機(jī)

圖2 切割式采摘器

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)方案

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本研究旨在設(shè)計(jì)一種手持便攜式蘋果采摘裝置。所設(shè)計(jì)的采摘裝置要能夠適應(yīng)復(fù)雜的采摘環(huán)境，具有操作簡單、質(zhì)量輕、保護(hù)果實(shí)和手持方便的特點(diǎn)。

1.2 實(shí)現(xiàn)方案描述

首先將蘋果套入采摘套筒中。然后，按動(dòng)手柄并通過連接的拉繩帶動(dòng)刀刃進(jìn)行剪切，將果實(shí)根莖剪斷，使其落入收集套筒中。最后，剪刀通過扭簧恢復(fù)原位等待下一次剪切。

采摘套筒采用罐式結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵诓烧^程中，爪式或切割式采摘手易損傷蘋果表皮，導(dǎo)致采摘質(zhì)量下降，而罐式結(jié)構(gòu)可以內(nèi)含剪刀，不易破壞水果果皮，且在采摘過程中不易造成果實(shí)掉落。采摘套筒與桿之間通過拉簧能夠進(jìn)行小幅的角度調(diào)整，使剪切裝置始終處于水平狀態(tài)，以便更好地進(jìn)行剪切動(dòng)作，使采摘手能夠適應(yīng)復(fù)雜的采摘環(huán)境。收集套筒通過設(shè)置特殊形狀的槽口使其易于拆卸，方便取出果實(shí)。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)與制作描述

2.1 總體結(jié)構(gòu)

蘋果采摘裝置如圖3所示，包括采摘套筒和采摘桿兩部分，其分別如圖4、圖5所示。采摘套筒部分包括套筒、剪切裝置和收集裝置。采摘桿部分包括伸縮桿、手柄和調(diào)整裝置。具體結(jié)構(gòu)如圖6、圖7所示，包括手柄、伸縮桿、扭簧、固定刀片、旋轉(zhuǎn)刀片、拉繩、采摘套筒和收集套筒。剪切裝置、收集裝置和調(diào)整裝置將在下文中展開詳細(xì)介紹。

圖3 蘋果采摘裝置立體圖

圖4 采摘套筒部 分立體圖

圖5 采摘桿 部分立體圖

圖6 采摘裝置左視圖

圖7 套筒上部空間后視圖

采摘前剪刀與伸縮桿處于原位。采摘時(shí)，操作者將蘋果套入采摘套筒中，通過調(diào)整機(jī)構(gòu)在障礙物的作用下使套筒角度調(diào)整，使果實(shí)根莖位于剪刀中間。按動(dòng)手柄使拉繩帶動(dòng)剪刀運(yùn)動(dòng)，將根莖剪斷。蘋果在重力作用下落入收集套筒。然后，剪刀在扭簧作用下恢復(fù)原位，套筒在拉簧作用下恢復(fù)原位，完成采摘工作，等待下一次剪切。手柄與剪刀通過拉繩連接，拉繩借用剎車線原理，使伸縮桿在伸縮過程中不需要調(diào)整就可以直接進(jìn)行采摘工作。此外，還可以將收集套筒底部去除，連上輸送管道，可以連接收集箱，一次采摘多果，提高采摘效率。

2.2 工作原理

2.2.1 剪切裝置

剪切裝置如圖8所示，由旋轉(zhuǎn)刀片、固定刀片和扭簧組成。旋轉(zhuǎn)刀片如圖9所示，固定刀片如圖10所示。

拉繩一端通過螺栓螺母固定在旋轉(zhuǎn)刀片孔一內(nèi)，旋轉(zhuǎn)刀片孔三與固定刀片孔四、套筒通過螺栓連接，螺栓起到旋轉(zhuǎn)軸的作用；固定刀片通過孔五、孔六，以螺栓連接的方式固定在套筒上。扭簧套在螺栓上，一段卡在固定刀片上，另一端通過孔二卡在旋轉(zhuǎn)刀片上，使得扭簧能夠在旋轉(zhuǎn)刀片動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生扭力，從而使刀片在完成剪切動(dòng)作后能夠恢復(fù)原始的刀刃張開狀態(tài)[12-13]。

圖8 剪切裝置立體圖

圖9 旋轉(zhuǎn)刀片立體圖

圖10 固定刀片立體圖

2.2.2 收集裝置

收集裝置由采摘套筒和收集套筒組成。采摘套筒裝置如圖11所示，收集套筒如圖12所示。采摘套筒高度為169mm，內(nèi)徑為120mm，分為上、中、下三部分，上部分是容納剪切裝置的空間，中間部分是采摘空間，采摘時(shí)將蘋果套入中間部分，下部分是連接部分，即套筒通過四個(gè)凸起與收集套筒連接，易于拆卸。人們可根據(jù)需求在套筒底部接上不同容量的收集套筒，即增長收集套筒長度，或?qū)⑹占淄驳撞咳コ?，套上布兜或輸送管道，?shí)現(xiàn)一次采摘多果，提高采摘效率。

圖11 采摘套筒立體圖

圖12 收集套筒立體圖

2.2.3 調(diào)整裝置

調(diào)整裝置由連接件、拉簧和伸縮桿組成。連接件如圖13所示，套筒與桿連接圖如圖14所示。

圖13 連接件立體圖

圖14 套筒與桿左視圖

連接件通過孔七、孔九與采摘套筒以螺栓方式連接，伸縮桿通過孔八、孔十以螺栓方式與連接件連接，拉簧一端通過掛鉤鉤在采摘套筒的孔里，另一端通過掛鉤鉤在伸縮桿的孔里，使伸縮桿與連接件之間能夠進(jìn)行小幅的角度調(diào)整，使剪切裝置始終處于水平狀態(tài)，以便更好地進(jìn)行剪切動(dòng)作。另外，在每次采摘?jiǎng)幼魍瓿珊?，伸縮桿在拉簧作用下復(fù)位，使其能夠適應(yīng)復(fù)雜的采摘環(huán)境。

2.3 主要部件設(shè)計(jì)

采摘裝置在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，對水果沒有碰撞損傷，且方便拆卸更換。

基于上述考慮，套筒設(shè)計(jì)為內(nèi)徑120mm圓筒形，材料選用為塑料。中間鏤空的設(shè)計(jì)可以減輕整個(gè)裝置的自重，易于手持。套筒與伸縮桿、剪刀等連接采用可拆卸連接，方便更換。

剪切裝置開始采用滑塊剪刀，但在實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)兩刀片同時(shí)運(yùn)動(dòng)，會由于與連接桿件的摩擦阻力過大而難以運(yùn)動(dòng)。故采用一片固定、另一片旋轉(zhuǎn)的方式來完成剪切動(dòng)作。一方面降低了阻力，另一方面減小了剪切裝置的整體體積，使得采摘套筒更為小巧。

調(diào)整裝置利用拉簧的拉力，使伸縮桿與連接件之間能夠進(jìn)行小幅的角度調(diào)整，并且在每次采摘?jiǎng)幼魍瓿珊螅炜s桿在拉簧作用下復(fù)位，更加適應(yīng)復(fù)雜的采摘環(huán)境。

伸縮桿承受水果質(zhì)量，需具有高強(qiáng)度和硬度，還要輕盈，便于手握省力。因此，支撐桿材料選用質(zhì)量小且強(qiáng)度高的不銹鋼，直徑20mm，長度為0.92～1.42m，最大采摘高度為3m?？傮w重量為1.15kg，人手持較為輕便。手柄使得人采摘更為省力。

3 結(jié)論

本裝置設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)蘋果采摘機(jī)械化功能，具有操作簡單、質(zhì)量輕、采摘過程中保護(hù)果實(shí)等優(yōu)點(diǎn)。通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，裝置具有如下特點(diǎn)：采摘手采用罐式結(jié)構(gòu)，使剪刀內(nèi)含，并將剪刀與采摘空間隔離開來，保護(hù)水果；在采摘套筒與伸縮桿之間加入拉簧，使其可以進(jìn)行小幅的角度調(diào)整，避開樹枝等障礙物，能夠適應(yīng)復(fù)雜的采摘環(huán)境。收集套筒模塊化可更換，可根據(jù)需求在套筒底部接上不同容量的收集套筒，適應(yīng)不同環(huán)境。收集套筒通過特殊形狀的槽口實(shí)現(xiàn)可拆卸化，便于拆裝，能很方便取出果實(shí)。本裝置適合南方小型種植園，成本低，人手持操作，從而實(shí)現(xiàn)提高采摘效率、現(xiàn)摘鮮賣等目的。