便攜式菠蘿采摘裝置

鄧有為 薛世睿 鄭偉光 覃培烊 劉鐘源

摘要：文章設(shè)計一款可實現(xiàn)輔助人工作業(yè)的便攜式菠蘿采摘裝置。本裝置主要由操控單元、動力傳動單元和切割單元組成，動力的輸出大小采用了操控單元中的電機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)，動力采用直流電機(jī)驅(qū)動，利用柔性軸將電機(jī)的動力傳遞給切割單元，后切割處理采用把手操作機(jī)構(gòu)定位將莖切開，實現(xiàn)采摘功能。該裝置以半自動的工作模式改變了傳統(tǒng)人工作業(yè)的方式；有效地避免了采摘過程中菠蘿植株對人的傷害，極大地提高了采摘效率。關(guān)鍵詞：便攜式；菠蘿采摘裝置；半自動化；控制單元 1.引言由于菠蘿成熟期跨度較長，且植株高度參差不齊，果實大小不一，因此難以實現(xiàn)菠蘿的大規(guī)模機(jī)械化采摘。目前，國內(nèi)缺乏有效的采摘工具，故以人工采摘為主。在現(xiàn)有機(jī)械無法有效地幫助收割的情況下，筆者結(jié)合菠蘿的生長特點，設(shè)計出一種價格低廉，操作簡單的便攜式輔助采摘裝置[1]。2.方案設(shè)計2.1總體思路為解決采摘工作強(qiáng)度大，菠蘿葉易傷人的問題，筆者從人機(jī)工程角度考慮，力求結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，設(shè)計了一款便攜式輔助采摘裝置，其設(shè)計思路如圖2-1所示。 2.2傳動方案設(shè)計菠蘿成熟期跨度較長，植株高度參差不齊，果實大小不一，且菠蘿葉片較密，較硬，易出現(xiàn)機(jī)構(gòu)卡死的現(xiàn)象。從機(jī)構(gòu)精簡的角度出發(fā)，為更好地避免上述問題，故采用柔性軸傳動。以一根較長的桿作為整個裝置的主體支撐結(jié)構(gòu)，將柔性軸的一端與驅(qū)動部分相連，另一端通過操作桿的限位裝置進(jìn)行限位和固定，直接與刀片相連。3.結(jié)構(gòu)設(shè)計綜合考慮，將本裝置設(shè)計為三個單元，即操控單元a、動力傳動單元b和切割單元c。動力傳動單元b采用柔性軸驅(qū)動方案。總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-1所示。 3.1操作單元操控單元包括電機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（可背負(fù)于操作者身上）和把手操作機(jī)構(gòu)：電機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括安裝于底板上的額定功率為2kw的直流電機(jī)和電源控制器，直流電機(jī)和電源控制器通過線路相連接；把手操作機(jī)構(gòu)包括總長為1.2m的可調(diào)節(jié)的操縱桿（由于菠蘿植株平均間距為0.5m，從節(jié)省空間資源角度考慮，選取總長為1.2m的伸縮桿），操縱桿的前端固裝有方框形刀座，刀座置于水平的上U型板、下U型板的后端，操縱桿前端還設(shè)有使上U型板、下U型板置于其內(nèi)的果實護(hù)框，菠蘿果實平均大小為15cm×15cm×25cm，故果實護(hù)框設(shè)計為20cm×20cm×30cm，且果實護(hù)框的上端口和前端口敞開而后端口和下端口封閉，保證菠蘿可安全停留在護(hù)框內(nèi)；上、下U型板的前端叉口向前伸出果實護(hù)框的前端口，U型板的叉口間距可調(diào)節(jié)，方便匹配菠蘿莖的粗細(xì)。該裝置的把手操作機(jī)構(gòu)具有一定的伸縮性，以單位面積內(nèi)采摘菠蘿的數(shù)量為衡量標(biāo)準(zhǔn)。按照成年男性平均170cm的身高為例，其臂展長約170cm，單臂長L_1約60cm；臂力F_1約300-600N；菠蘿的平均質(zhì)量G_2約1.5kg；該裝置的質(zhì)量G_1約2kg；裝置記為L。根據(jù)目前主要的“雙行式”種植方式測算，一棵菠蘿植株平均占地面積為0.5m^2。因此，根據(jù)公式3-1和公式3-2，即可得出單位面積內(nèi)采摘菠蘿的數(shù)量x。 2.以均布載荷計算經(jīng)計算，最終確定該裝置最短為0.7m，最長為1.2m。采摘數(shù)量分別為10和18個（人體單臂長計算在內(nèi)）。3.2動力傳動單元動力傳動單元包括柔性軸、傘齒輪組和刀軸，刀軸豎直設(shè)于刀座前端面的上、下U型板之間，刀軸通過刀座上的上、下軸承座就位安裝，刀軸底端伸出下U型板外；傘齒輪組包括設(shè)于果實護(hù)框底部且相互嚙合的主、從動傘齒輪，從動傘齒輪安裝于刀軸的底端，與主動傘齒輪相對于果實護(hù)框后端上設(shè)置一水平的軸套；為配合伸縮桿工作，采用長度約為2m的柔性軸，柔性軸的輸入端連接直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，柔性軸的輸出端通過軸套進(jìn)入果實護(hù)框內(nèi)與主動傘齒輪連接。3.3切割單元切割單元包括刀盤、刀軸、上、下U型板，刀盤通過可調(diào)節(jié)高度結(jié)構(gòu)水平安裝于上U型板下方的刀軸頂端，刀盤的切割范圍處于上、下U型板前端的叉口處，果實護(hù)框前端口外的上、下U型板的前端叉口具有可調(diào)節(jié)伸出長度的結(jié)構(gòu)且均向前上方傾斜一個角度，上、下U型板的叉口之間設(shè)有隔開菠蘿葉進(jìn)而輔助刀盤對菠蘿莖進(jìn)行切割的隔葉架。4.工作過程調(diào)節(jié)上、下U型板前端叉口的伸縮長度，手握操縱桿將采摘裝置前伸，上U型板定位菠蘿果實，通過操縱桿上的操作按鍵啟動直流電機(jī)，柔性軸帶動刀盤切斷菠蘿莖，菠蘿掉落到下U型板上進(jìn)而跌落至果實護(hù)框內(nèi)，關(guān)閉直流電機(jī)，手握操縱桿將采摘裝置撤出，從而完成一次采摘過程。采摘過程之中，電源控制器可根據(jù)切割菠蘿莖阻力的不同實時調(diào)節(jié)直流電機(jī)的輸出功率，改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制刀盤的轉(zhuǎn)速，以保證采摘效率，提高續(xù)航能力。5.創(chuàng)新點（1）采用柔性軸傳動，最大限度地避免了操作空間狹小引起的傳動困難的問題，避免了復(fù)雜的機(jī)械傳動，使結(jié)構(gòu)簡單輕巧，方便操作。（2）采用按鍵控制切割，提高了能源利用率，增強(qiáng)了續(xù)航能力。（3）根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)角度大小及操作桿長度，避免使用者者長期彎腰工作產(chǎn)生的腰肌勞損。（4）添加刀頭及果實保護(hù)裝置，避免菠蘿掉落產(chǎn)生損傷。6.結(jié)束語實際實驗表明：該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、可靠性高和通用性強(qiáng)的特點；可適用于大部分果型的采摘工作，有效地降低勞動強(qiáng)度，同時提高了采摘效率。參考文獻(xiàn)[1]孫恒，陳作模.機(jī)械原理[M].第六版.北京：高等教育出版社.2000.[2]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計[M].第七版.北京：高等教育出社.2000.[3]陳娟，彭海峰.柔性軸FSM控制技術(shù)綜述[J].吉林：長春工業(yè)大學(xué).