手持背負(fù)式水果采摘機(jī)的設(shè)計

吳永金　王濤　劉帆　王良　車曉毅

摘? 要：針對我國南方地區(qū)果園地勢特殊及水果采摘效率不高的問題，采用手持背負(fù)式，設(shè)計了一種輔助人工的水果采摘設(shè)備，通過試驗采摘分析，表明該設(shè)備采摘效率較高，設(shè)備省時省力且采摘效果良好，滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：手持背負(fù)式? 水果采摘? 效率

中圖分類號：S225.93 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）08（a）-0061-03

Abstract： Aiming at the special situation of orchard in the southern part of China and the low efficiency of fruit picking， a hand-held backpack was designed to assist the artificial fruit picking equipment，through the test and picking analysis， it shows that the equipment has high picking efficiency， saves time and labor， and has good picking effect， which meets the design requirements.

Key Words： Hand-held backpack; Fruit picking; Efficiency

中國作為一個水果生產(chǎn)大國，我國每年的水果產(chǎn)量在一億噸以上，其中以蘋果、梨、橙等采摘作業(yè)為主的水果產(chǎn)量占到了世界前三[1]。采摘作業(yè)所消耗的勞動力占到了整個生產(chǎn)過程的33%～50%[2]。由于我國水果主要分布在南方地區(qū)，南方果園多數(shù)處于丘陵地帶，地面崎嶇不平，地勢起伏，環(huán)境的復(fù)雜性高，所以在果實的實際采摘中，大多采用人工采摘。而現(xiàn)在許多果樹的高度往往超過人的高度，甚至有的果樹高度接近4m，所以需要借助板凳、矮梯等工具上樹采摘[3]。由于地形和工具的局限，使得果農(nóng)在采摘過程中，不僅伴隨著安全隱患，而且采摘工作量大且效率低。因此，針對我國水果采摘存在問題，設(shè)計了一種省時省力、攜帶方便、操作簡單、作業(yè)范圍廣、采摘收集于一體的輔助人工采摘的手持背負(fù)式水果采摘機(jī)，可采摘水果有柑橘、梨子、蘋果等。

1? 手持背負(fù)式水果采摘機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

手持背負(fù)式水果采摘機(jī)按結(jié)構(gòu)功能可分為采摘裝置、收集裝置、背負(fù)裝置、伸縮裝置、電機(jī)調(diào)速裝置、采摘頭角度調(diào)節(jié)裝置6個部分，主要包括鉤桿、鋸片、機(jī)殼、皮帶輪、同步帶、電機(jī)、電機(jī)機(jī)殼、連桿、滑塊、背帶、拉桿、手柄、伸縮桿、舵機(jī)調(diào)速儀、電調(diào)、電池、萬向軸承、腰帶、伸縮軟管（如圖1所示）。其中，收集裝置固定安裝在采摘裝置下方，采摘裝置安裝在伸縮桿頂端，伸縮桿與腰帶通過萬向軸承連接，伸縮桿可實現(xiàn)無死角旋轉(zhuǎn)。

工作原理：開始采摘前，根據(jù)果樹的品種、枝條的粗細(xì)來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)采摘者的體形來調(diào)節(jié)背帶、腰帶。采摘時，根據(jù)果實不同的位置，調(diào)節(jié)伸縮桿，通過拉桿快速調(diào)節(jié)采摘頭的角度，用鉤桿快速鉤取果實的果梗，果梗順著鉤桿滑向鋸片，直至被切斷。完成果實的采摘后，果實脫落，掉入軟管，經(jīng)由柔性伸縮管緩沖、減速、導(dǎo)向，最終被輸送到收集箱。

2? 功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 采摘

目前驅(qū)動方式主要有人力和電力驅(qū)動兩種，采摘方式主要有剪切式和鋸斷式兩種。莊逸鋒等人[4]設(shè)計的背負(fù)式水果采摘機(jī)，采用人力驅(qū)動方式、剪切式采摘方式，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但人力驅(qū)動消耗人的體力，剪刀有回程，工作連續(xù)性較差，沒有限位結(jié)構(gòu)，易劃傷果實。許書菡[5]設(shè)計的便攜式摘果器，采用電力驅(qū)動方式、剪切式采摘方式，省力，結(jié)構(gòu)較簡單、成本較低，但沒有限位結(jié)構(gòu)，仍易劃傷果實。周燕等人[6]設(shè)計的便攜式手持水果采摘機(jī)，采用電力驅(qū)動方式、鋸斷式采摘方式，結(jié)構(gòu)較簡單、成本低，有限位結(jié)構(gòu)，但鋸片較難接觸到果梗，進(jìn)行采摘動作。

該設(shè)計采用電力驅(qū)動方式、鋸斷式采摘方式，并設(shè)計有鉤桿，如圖2所示。鉤桿不僅具有導(dǎo)向限位作用，還可以從樹枝中鉤出果梗，便于切割。

2.2 收集

果實的采摘質(zhì)量、采摘效率很大一部分取決于收集裝置。何家成等人[7]設(shè)計的手持式電動水果采摘機(jī)，在采摘裝置下，設(shè)計一個收集筐，果實下落高度小，很好地保證了采摘質(zhì)量，但收集一定量的果實后，會增加負(fù)重，從而影響采摘效率。馬質(zhì)璞等人[8]設(shè)計的一種新型單果采摘器，利用長網(wǎng)兜將采摘好的果實輸送至地面，有緩沖效果且效率高，但網(wǎng)兜易與樹枝纏繞，樹枝也可穿過網(wǎng)兜，劃傷果實，不僅給采摘帶來不便，也會影響采摘質(zhì)量。

為此，該設(shè)計的收集裝置選用伸縮軟管，其結(jié)構(gòu)為用帆布包覆螺旋鐵絲，從而形成通管，如圖3所示。此伸縮軟管重量輕、伸縮比大、緩沖性能好，使得采摘動作更靈活、采摘質(zhì)量更高，能夠?qū)崿F(xiàn)采摘收集一體化。

2.3 背負(fù)

長時間進(jìn)行水果采摘作業(yè)，如果只靠手部工作，很容易造成手部的疲勞。為了減小手部的勞動量，設(shè)計了背負(fù)裝置。背負(fù)裝置采用背帶和腰帶相結(jié)合方式（如圖1所示），并增設(shè)手柄，充分利用腰部和背部的力量，很大程度上減小手臂支撐的力量，從而達(dá)到了減輕使用者身體局部疲勞、便于長時間工作。

2.4 伸縮

果實生長高度不一，低則略高于地面，高可達(dá)3m，較低位置的果實人工可輕松完成采摘動作，而高于2m，一般需要借其他工具。為此，該設(shè)計設(shè)有伸縮裝置，既能采摘高處果實，又不影響低處果實的采摘。伸縮裝置采用直徑不等的薄壁不銹鋼管，通過螺旋夾緊連接，結(jié)構(gòu)如圖4所示，螺旋固定套與外管固定連接，當(dāng)壓套往下旋時，使螺旋固定套夾緊內(nèi)管，從而達(dá)到固定作用。

2.5 電機(jī)調(diào)速

由于水果種類不同，以及水果枝條粗細(xì)不一，所需要的切割力矩或切割速度也不同，對于一臺機(jī)器只有單種切割力矩或切割速度來說，采摘的是細(xì)枝條水果，切割力矩或切割速度過大，顯然浪費(fèi)電能，影響作業(yè)時間;而采摘粗枝條水果，切割力矩或切割速度過小，則無法完成切割。為此，該設(shè)計增加了電機(jī)調(diào)速裝置，以實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速功能?？紤]到重量輕、性價比高因素，電機(jī)調(diào)速裝置選用舵機(jī)調(diào)速儀和電調(diào)，共同調(diào)節(jié)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.6 采摘頭角度調(diào)節(jié)

水果采摘時，一般需要保留適當(dāng)長度的果梗，則采摘時應(yīng)該盡量使采摘頭與果梗垂直，一可便于切割采摘保留合適的果梗長度，二則便于觀察。但是果實分布的高度不同，如圖5（a）所示，在采摘水果時，采摘頭與果梗會形成一個夾角α，在低處采摘水果時，夾角α較大，能保證切割點(diǎn)B高于果梗最長點(diǎn)A，使得采摘后的果梗長度不過長，但是當(dāng)采摘高處的水果時，夾角α過小，無法保持近似垂直狀態(tài)，會使得切割點(diǎn)B高于果梗最長點(diǎn)A，使得采摘后的果梗長度過長。為此，如圖5（b）所示，本設(shè)計設(shè)有采摘頭角度調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)采摘頭角度，能同時滿足高、低處水果采摘的要求。如圖6所示，采摘頭角度調(diào)節(jié)裝置包括連桿、滑塊、拉桿。其中，采摘頭、連桿、滑塊以及伸縮桿構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，通過拉桿拉支滑塊，實現(xiàn)采摘頭的角度調(diào)節(jié)，使采摘質(zhì)量更好。

3? 試驗

該設(shè)計成品如圖7所示，設(shè)備使用配戴圖如圖8所示。該試驗以采摘橘子為例，針對生長在不同高度的橘子，使用手持背負(fù)式水果采摘機(jī)進(jìn)行采摘，收集到收集箱中。試驗過程中，設(shè)備具有伸縮功能，可使刀頭在一定范圍內(nèi)伸縮，工作范圍更廣，設(shè)備省力，采摘效率較高，采摘效果良好。

4? 結(jié)語

手持背負(fù)式水果采摘機(jī)采用背負(fù)式設(shè)計，電池驅(qū)動結(jié)合鉤桿、可調(diào)節(jié)刀頭、采摘收集一體化和伸縮功能，設(shè)備采摘效率較高，作業(yè)省時省力，能適應(yīng)高低生長的水果采摘，可廣泛應(yīng)用于南方地區(qū)的水果采摘。

參考文獻(xiàn)

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