適應(yīng)椰子樹和檳榔樹攀爬的彈性爬樹機(jī)設(shè)計研究

蘇 明，韓慧敏，宋延沛

（海南科技職業(yè)大學(xué)，海南 ?？?71126）

1 背景

棕櫚科植物是海南熱帶農(nóng)業(yè)的主要產(chǎn)品，其果實因含有豐富營養(yǎng)成分或口味獨特而深受人們喜受，如椰子、檳榔等，椰子、檳榔在全國各大旅游景點都有銷售，需求量較大。棕櫚科植物如椰子樹或檳榔樹樹干不分枝且高度較高，高度達(dá)10～15m，葉簇生于莖頂，果實懸掛于樹葉下，當(dāng)果實成熟需要采摘時，需人工徒手沿樹干攀爬至樹干頂端進(jìn)行采摘果實，但徒手攀爬難度較大，危險性高，在攀爬過程中難以保障采摘人員的生命安全。研究人員針對人工徒手攀爬的缺陷設(shè)計爬樹機(jī)來代替人工完成攀爬工作，可以有效避免采摘人員在攀爬時因攀爬不慎而發(fā)生摔傷事故，同時降低采摘勞動強(qiáng)度，提高采摘安全性和工作效率，保障采摘人員的人身安全。

目前，現(xiàn)有爬樹機(jī)固定套設(shè)的結(jié)構(gòu)形式，將爬樹機(jī)機(jī)架套設(shè)在樹干上，然后采用動力裝置沿著樹干的豎直方向運(yùn)動，人站在機(jī)架上即可完成攀爬作業(yè)，減輕了攀爬作業(yè)的強(qiáng)度，提高安全性，提高采摘果實的效率。但由于椰子樹或檳榔樹受生長氣候和地形環(huán)境的影響，造成樹干直徑大小不一，爬樹機(jī)在攀爬工作的過程中，不能根據(jù)樹干直徑的變化特點自動調(diào)整夾樹直徑的大小，容易造成爬樹機(jī)在攀爬過程中出現(xiàn)被卡死或打滑的現(xiàn)象，導(dǎo)致其存在爬樹功能不強(qiáng)、實用性差和針對性較低的問題。

2 彈性爬樹機(jī)的設(shè)計方案

彈性爬樹機(jī)包括主動輪機(jī)構(gòu)、自動調(diào)整輪機(jī)構(gòu)、平衡輪機(jī)構(gòu)和機(jī)架組成如圖1所示。機(jī)架呈大于半圓的弧形結(jié)構(gòu)，同時機(jī)架設(shè)置為張口式結(jié)構(gòu)，即機(jī)架分為左機(jī)架和右機(jī)架，左機(jī)架與右機(jī)架之間鉸接，在鉸接處設(shè)置有用于固定左機(jī)架與右機(jī)架的多個固定構(gòu)件，固定構(gòu)件即左機(jī)架設(shè)置有鉸接板，鉸接板上設(shè)置有通孔，右機(jī)架上設(shè)置有與通孔相對應(yīng)的螺紋孔，螺栓穿過帶有通孔內(nèi)的鉸接板，將其與螺紋孔轉(zhuǎn)動連接。在機(jī)架上分別間隔設(shè)置有平衡機(jī)構(gòu)、主動輪機(jī)構(gòu)、自動調(diào)整輪機(jī)構(gòu)，平衡機(jī)構(gòu)、主動輪機(jī)構(gòu)和自動調(diào)整輪機(jī)構(gòu)設(shè)置在同一水平面且角度間距為120°，主動輪機(jī)構(gòu)的主動輪設(shè)置在機(jī)架中間部位，平衡機(jī)構(gòu)的平衡輪和自動調(diào)整輪機(jī)構(gòu)的調(diào)整輪分別設(shè)置在主動輪的左右兩側(cè)。

平衡機(jī)構(gòu)包括U形結(jié)構(gòu)的平衡輪座和朝向機(jī)架中心的平衡輪，平衡輪座安裝在機(jī)架上，平衡輪活動設(shè)置在平衡輪座上，如圖1（b）10和20所示。

主動輪機(jī)構(gòu)包括U形結(jié)構(gòu)的主動輪座、電動機(jī)和朝向機(jī)架中心的主動輪，如圖1（b）7和19所示，主動輪座和電動機(jī)均安裝在機(jī)架上，主動輪活動設(shè)置在主動輪座上，電動機(jī)通過傳動機(jī)構(gòu)與主動輪連接，傳動機(jī)構(gòu)采用齒輪或鏈條傳動，其傳動穩(wěn)定性好，電動機(jī)通過控制電路與控制器連接。

自動調(diào)整輪機(jī)構(gòu)包括均朝向機(jī)架中心的活動軸、支座、調(diào)整輪及彈簧，如圖2和如圖3所示，支座安裝在機(jī)架上，支座與活動軸活動連接，支座設(shè)計為U形結(jié)構(gòu)，增加支座對活動軸的支撐點，提高活動軸運(yùn)動時的穩(wěn)定性，在活動軸的一端上設(shè)置有U形結(jié)構(gòu)的調(diào)整輪座，調(diào)整輪活動設(shè)置在調(diào)整輪座上；在支座上設(shè)置有螺栓固定板、調(diào)節(jié)螺栓、軸上活動板和軸上固定板，螺栓固定板豎直安裝在支座上，調(diào)節(jié)螺栓與螺栓固定板轉(zhuǎn)動連接，調(diào)節(jié)螺栓的末端緊貼著軸上活動板，軸上活動板活動安裝在活動軸上且位于螺栓固定板的右側(cè)，軸上固定板固定在活動軸上且位于軸上活動板的右側(cè)，彈簧一端安裝在軸上活動板，彈簧另一端安裝在軸上固定板上。

圖1

圖2

圖3

3 彈性爬樹機(jī)工作原理

彈性爬樹機(jī)工作時，在電動機(jī)帶動下主動輪轉(zhuǎn)動攀爬。彈性爬樹機(jī)通過自動調(diào)整輪機(jī)構(gòu)、主動輪機(jī)構(gòu)和平衡機(jī)構(gòu)的配合使用，平衡機(jī)構(gòu)的平衡輪、主動輪機(jī)構(gòu)的主動輪和自動調(diào)整輪機(jī)構(gòu)的調(diào)整輪所構(gòu)成的三個支撐點，三個支撐點分布在不同的方向上；自動調(diào)整機(jī)構(gòu)的調(diào)整輪通過活動軸在彈簧的推力作用下，活動軸帶動調(diào)整輪朝機(jī)架中心位置做往返運(yùn)動，以此來增大或縮小夾樹直徑的大小，克服了彈性爬樹機(jī)在爬樹時不能自動調(diào)整夾樹直徑大小而被卡死或打滑的缺陷，解決了彈性爬樹機(jī)爬樹能力差和不實用的問題，增強(qiáng)彈性爬樹機(jī)的適應(yīng)能力和實用性。

在彈性爬樹機(jī)在攀爬前，機(jī)架張開，將其套設(shè)在樹干上，通過固定構(gòu)件將機(jī)架的左機(jī)架和右機(jī)架固定，通過控制器啟動電動機(jī)，電動機(jī)帶動整個彈性攀爬機(jī)沿樹干的軸向進(jìn)行攀爬。

彈性爬樹機(jī)在攀爬的過程中，當(dāng)樹干直徑變大時，樹干推動調(diào)整輪向外移動，安裝有調(diào)整輪的活動軸也向外移動，固定安裝在活動軸上的軸上固定板向外擠壓彈簧，彈簧的彈力逐漸變大，彈簧反向作用于調(diào)整輪上，使得調(diào)整輪有更大的夾緊力夾緊樹干；當(dāng)樹干直徑變小時，彈簧帶動活動軸及活動軸上的軸上固定板向里移動，調(diào)整輪緊貼著樹干。克服了彈性爬樹機(jī)在爬樹時不能自動調(diào)整夾樹直徑大小而被卡死或打滑的缺陷，解決了彈性爬樹機(jī)爬樹能力差和不實用的問題，增強(qiáng)彈性爬樹機(jī)的適應(yīng)能力和實用性。

4 特 色

本方案設(shè)置自動調(diào)整輪、主動輪和平衡輪形成三個120度方向分布夾緊樹干，由于彈性力的作用，自動調(diào)整輪調(diào)整夾緊直徑的變化，樹干直徑變大爬樹機(jī)夾緊直徑也跟著變大，樹干直徑變小爬樹機(jī)夾緊直徑也跟著變小，保證爬樹機(jī)在樹干大小不均勻時能順利攀爬上樹。