基于公共利益的純機械拉線式水果采摘器設(shè)計

汪瑞 沈偉豪 宋吉明

關(guān)鍵詞：公共利益 純機械 采摘 創(chuàng)新設(shè)計 線

引言

隨著人們的精神生活品質(zhì)和文化水平的穩(wěn)步提高，飲食條件和食品質(zhì)量的越發(fā)優(yōu)越，消費水平也有了明顯提升，水果成為了必備的食品。繼糧食、蔬菜之后第三大農(nóng)作物，水果成為了我國重要的經(jīng)濟作物，在國民經(jīng)濟中具有了重要的地位。自我國在1978年的農(nóng)業(yè)優(yōu)惠政策開始實行，我國果業(yè)得到飛躍成長。據(jù)《三農(nóng)中國》欄目報道，蘋果仍然是我國最主要的食用水果品種，種植面積和產(chǎn)量均居世界第一位。我國雖然是世界第一大水果消費和出口國，但是，我國的水果采摘機械化水平還處于起步階段，水果收摘過程機械化規(guī)范程度低。機械化采摘帶來的成本過高，大部分果民無法承擔;人工采摘較為不便，目前雖然已經(jīng)出現(xiàn)一些矮株化果園，但還是有部分水果需要依靠梯子才能實現(xiàn)采摘，具有一定的危險性，人工采摘的效率提升空間有限，采用機械化采摘可以提高效率。

一、產(chǎn)品的必要性分析

（一）對市場的重要性分析

目前我國果園機械化技術(shù)水平總體較低，由于各地區(qū)的地理環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展水平的明顯差異，以及對如何發(fā)展我國果園彩照機械化的認識不同，不同地區(qū)的果園經(jīng)營管理者的機械化產(chǎn)業(yè)水平仍然存在較大差異?，F(xiàn)在我國市面上的大型水果電子采摘器具品種繁多，己經(jīng)成功申請專利的僅二十個左右，每個產(chǎn)品各有特點，價格大相徑庭，人們有很多產(chǎn)品選擇的余地：電動、手動、自動。但是大多數(shù)產(chǎn)品體積比較笨重。隨著我國勞動力成本的不斷提高，只有大型果園才能有能力直接購買大型水果采摘機器。這種大型采摘機器價格都很貴，中小型水果種植戶不得不面對水果采摘機器成本過高的問題。幫助中小果農(nóng)通過這種低成本的采摘裝置在有限時間內(nèi)降低采摘強度和提高效率，成為企業(yè)急需解決的技術(shù)問題。這些具備高效、經(jīng)濟、便攜、價格低廉等優(yōu)勢的水果采摘機器在國際市場上還較少。目前市場上已開始出現(xiàn)的水果采摘器械相對落后，競爭力和舒適性都不強。

高空水果采摘器是一種輔助人工進行采摘的小型采摘裝置，市場上已有多種類型的產(chǎn)品銷售，對目前國內(nèi)市場上現(xiàn)有產(chǎn)品及其性能分析見圖1所示。

圖1左邊產(chǎn)品通過果農(nóng)按住握把，拉動鋼絲帶動機械手收縮，抓住水果。產(chǎn)品上端為三根手指能夠較好的抓住水果，但將水果摘下需要果農(nóng)用力下拉，且沒有收集裝置，摘一個放一個需要消耗更多的時間。

圖1右邊產(chǎn)品通過將水果卡在兩齒間，下拉桿子使水果掉落。產(chǎn)品增加了收集裝置，但是收集時水果之間會產(chǎn)生碰撞，水果有可能會被撞壞，收集裝置空間有限，只能收集少量的水果，并且增加了采摘的困難度，需要更多的時間用于采摘。

通過對國內(nèi)的采摘機械的研究，總結(jié)得出面積較大果園可以實施大機械化和智能化以降低勞動強度和提高效率。市場上現(xiàn)有的小型水果采摘器還存在很多問題，相比之下，純機械拉線式高空水果采摘器更適宜小型經(jīng)營模式和旋游業(yè)中的農(nóng)家摘果。結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)能力強，價格適中。

（二）對果農(nóng)的必要性分析

公共利益就是個人利益的集合，但是在一定空間里，人不是單獨存在的，是在特定集體中，要滿足個人利益，就要把個人利益融入公共利益中。公共利益的實現(xiàn)，就能直接或者間接的使個人利益得到滿足，在果樹種植生產(chǎn)中，保證果農(nóng)個人利益也是實現(xiàn)公共利益的基礎(chǔ)。在水果采摘期，髙效、保質(zhì)保量的采摘下水果，能夠提高果農(nóng)的收入。一種不需要爬樹或者借助其他攀登設(shè)施，站在地上直接能夠可以摘到高處果樹上任何位置的水果采摘器是果農(nóng)的基本需求。防止在采摘的過程中被蚊蟲叮咬或者樹枝劃破皮膚。在采摘園中無論大人小孩都可以操作采摘，且對人、果品、樹木造成無傷害，有效地節(jié)約采摘的成本，是果農(nóng)的必要需求。

二、純機械拉線式高空水果采摘器的設(shè)計思路

基于以上對市場重要性和果農(nóng)必要性的分析，再結(jié)合現(xiàn)有同類型產(chǎn)品的性能比較，針對功能單一、實際應(yīng)用效果差、效率低等問題，創(chuàng)新設(shè)計了一款輔助人工采摘收集的純機械拉線式高空水果采摘器。該產(chǎn)品的機械設(shè)計流程圖如圖2示。

如圖2所示，同類產(chǎn)品對比發(fā)現(xiàn)，市場上現(xiàn)有的水果采摘工具尚且不能滿足果園大規(guī)模的采摘的需要，再加上對市場的充分調(diào)研，認清產(chǎn)品定位，準確了解果農(nóng)的需求，最后決定進行機械創(chuàng)新設(shè)計。設(shè)計主要包括以下三個部分：創(chuàng)新功能、采摘系統(tǒng)和采摘原理。創(chuàng)新功能主要有采摘收集相結(jié)合和收縮旋轉(zhuǎn)相結(jié)合兩點，具備了這兩個結(jié)合才能有完善的采摘功能，提高采收的效率。采摘系統(tǒng)是運用剝線鉗原理，使得彈簧與齒輪先后作用，這樣更有利于采摘。采摘原理是具體把握人手力道及位置、握把形狀、線的粗細和機械手的相對運動分析，用純機械的方式來精確控制，最終形成純機械拉線式的高空水果采摘器。

三、機械拉線式高空水果采摘器的性能指標及價值

（一）性能指標

從人機關(guān)系的角度出發(fā)進行設(shè)計，設(shè)計出“拉線式”采摘器，從而較好地解決了問題。同時，我們也遵循“原理簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、控制方便、可操作性強、新穎”的設(shè)計理念，將創(chuàng)意設(shè)計逐步完善。

在背景分析的基礎(chǔ)上，我們提出了三項設(shè)計基本目標：一是結(jié)構(gòu)簡單，體形小的機械機構(gòu)方便多數(shù)果農(nóng)進行采摘，方便攜帶和操作。二是成本低，做到物美價廉，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計舒適美觀。三是節(jié)能環(huán)保，在能方便果農(nóng)采摘的前提下不使用電能。

設(shè)計流程如圖3所示，在對果農(nóng)的需求進行分析的基礎(chǔ)上，進行功能設(shè)計，采摘器需要具備方便使用、效率高、成本適當這些特點。再進一步進行技術(shù)設(shè)計，三維建模形成采摘器的大致外觀，接下來就是加工制作和裝配調(diào)試階段，在調(diào)試的過程中反復進行優(yōu)化，最后形成作品。

（二）主要價值

從目前的果樹采摘機器進行分析，對采摘機械進行價值分析?？梢詮暮诵膬r值、次要價值和附加值進行分析。

核心價值，從對市場和實地果農(nóng)采摘過程中分析，獲得采摘機器最備受關(guān)注的是方便快捷，能夠提升果農(nóng)的采摘效率。安全，果農(nóng)在采摘過程中面臨著或大或小的采摘危險系數(shù)。功能，果樹在結(jié)果實的整個時段比較長，在果農(nóng)最理想的工具是能夠通用，使機械具有價值空間不會閑置。機械拉線式水果采摘器的操作簡單，果農(nóng)不會有任何的負擔。價格在果農(nóng)能夠接受的范圍，并不會因為使用機械造成沒有利潤。

次要價值，外觀。農(nóng)業(yè)方面的外觀設(shè)計一般都是被輕視的，并不是果農(nóng)對外觀沒有需求。設(shè)計造型，考慮維修和維護的方便性，并不是裸露的造型，會使果農(nóng)更方便更安全。

附加值，拉線功能對果農(nóng)有很大的幫助，不添加此功能果農(nóng)仍然可以繼續(xù)使用勞作。機械拉線式設(shè)計能夠減輕果農(nóng)的勞動負擔，提高勞動效率，省時省力。

四、機械拉線式水果采摘器的設(shè)計方案

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計

采摘器由采摘和收集兩部分組成，采摘部分由握把、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、抓取機構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示;收集部分由傳送收集機構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

（二）抓取機構(gòu)的設(shè)計

采摘器的抓取機構(gòu)設(shè)計來源與人的手指，通過對手指的觀察分析、三維建模、理論分析計算以及實物調(diào)試不斷的進行改進。抓取機構(gòu)的材料總共進行了兩次升級，最開始是準備采取金屬材質(zhì)制作，但是經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)金屬抓夾過于笨重，不符合果農(nóng)對于采摘器輕巧便捷的需求，所以進行了第一次升級，將亞克力加工成方形，另加小零件進行限位，指關(guān)節(jié)之間用滾動軸承以及鋼絲進行連接，制作完成后的調(diào)試階段出現(xiàn)問題：由于機械手過重，不能很好地收緊，導致抓不住水果。最后，在經(jīng)歷了前兩次失敗后，選擇運用3D打印技術(shù)進行制作，節(jié)省時間，大大減輕了抓夾的重量，設(shè)計與人的手指更相近，能夠更好地抓住水果，從亞克力材質(zhì)到3D打印技術(shù)的變化如圖6所示。

3D 打印作為高端增材制造概念的一種延伸，與傳統(tǒng)減材工藝有一定區(qū)別。傳統(tǒng)減材工藝是在對材料進行鍛造后，應(yīng)用適當?shù)牟牧希谱鞒梢欢邮降墓に嚠a(chǎn)品。3D 打印技術(shù)則是在三維建模的基礎(chǔ)上，進行切片操作，使用 3D打印機按照順序依次制造產(chǎn)品。3D 打印技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用可從根本上減少機械制造零件的前期準備、檢測及更換時間，也減輕了工作人員進行產(chǎn)品模擬制造所需要消耗的時間，以此實行零件產(chǎn)品大規(guī)模、快速生產(chǎn)，從而為產(chǎn)品質(zhì)量與精度提供保障。此外，將 3D 打印技術(shù)合理應(yīng)用于機械制造中，可有效增強各種零部件產(chǎn)品加工速度，使其優(yōu)勢特征得到充分發(fā)揮。在產(chǎn)品生產(chǎn)加工中也能夠減少質(zhì)量缺陷問題，控制劣質(zhì)產(chǎn)品存在數(shù)量，保證其質(zhì)量安全。3D打印技術(shù)的運用可以有效降低抓夾的制造成本，使得企業(yè)可以用較低的成本獲得較高的利潤。由于制作工藝較為復雜，傳統(tǒng)機械制造企業(yè)需要投入很高的人力、物力和財力和時間進行鍛造、打磨、拋光等，而使用 3D 打印技術(shù)，只要工作人員在計算機設(shè)備上事先設(shè)置好制造加工程序，就能夠自動完成加工制造目標，既提高了工作效率，也節(jié)約了生產(chǎn)成本。

（三）伸縮旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計

彈簧有以下幾點作用：一是控制機械的運動，如內(nèi)燃機中的閥門彈簧、離合器中的控制彈簧等。二是吸收振動和沖擊能量，如汽車、火車車廂下的緩沖彈簧、聯(lián)軸器中的吸振彈簧等。三是儲存及輸出能量作為動力，如鐘表彈簧、槍械中的彈簧等。通過一系列分析，選用壓縮彈簧作為伸縮機構(gòu)儲存及收縮能量的動力來源。載荷與變形之比稱為彈簧剛度，剛度越大，則彈簧越硬。彈簧在受載時能產(chǎn)生較大的彈性變形，把機械功或動能轉(zhuǎn)化為變形能，而卸載后彈簧的變形消失并回復原狀，將變形能轉(zhuǎn)化為機械功或動能。

通過理論分析計算得出彈簧以及齒輪的規(guī)格，三維建模模擬其運動以及實際的運動設(shè)計出雙線繞法，控制彈簧伸縮的線在運動前呈緊繃狀態(tài)，控制齒輪旋轉(zhuǎn)的線呈松弛狀態(tài)，拉動時彈簧先收縮，控制齒輪的線緊繃之后齒輪旋轉(zhuǎn)，采摘完成。抓取機構(gòu)的伸展和收縮狀態(tài)如圖7所示。

（四）傳動方式的選擇

傳動方式主要有三種，第一種是連桿轉(zhuǎn)動，這種方式的優(yōu)點是傳動時受到單位面積上的壓力較小，且有利于潤滑，所以磨損較輕，壽命較長;接觸面多為圓柱面或平面，制造加工簡單，易獲得較高的精度;低副承載能力強。缺點是慣性力難以平衡（構(gòu)件作往復運動和平面運動），易產(chǎn)生動載荷;設(shè)計復雜;積累誤差（低副間存在間隙），效率低。第二種方式是齒輪齒條傳動，這種方式瞬間傳動比準確;傳動效率高;結(jié)構(gòu)緊湊;可靠、穩(wěn)定、壽命長。但是，由于制造精度較高，維修和維護成本也較高。第三種方式是線傳動，這種方式價格低廉;傳動效率高;空間小;易加工。承受載荷小和壽命短是其缺點。

綜合上述三種傳動方式的對比，線傳動對于實現(xiàn)裝置的功能來說更為適合，設(shè)計制造了“拉線式”水果采摘器?！袄€式”水果采摘器最大的特點是結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單，重量輕便，通用性，多功能，可以適用于樹冠上多方位，各種形狀，大小不一的果實的采摘。采摘機器的創(chuàng)新點主要在多功能，通用性。

五、創(chuàng)新點及應(yīng)用

（一）主要創(chuàng)新點

1.采摘器的傳動、限位等使用純機械進行控制，更好地實現(xiàn)了機械手手指的彎曲，力的轉(zhuǎn)化等功能;控制精確，增加了機構(gòu)的可靠性。

2.采摘部分利用線進行傳動，采用雙線繞法，實現(xiàn)裝置先收縮后旋轉(zhuǎn)的功能;將旋轉(zhuǎn)和伸縮相結(jié)合，設(shè)計新穎，實現(xiàn)了一繩兩用。

3.采摘器采用機械手彎曲、下移、旋轉(zhuǎn)的動作來采摘水果，達到可采摘多種水果的目的，采摘完成后，水果通過傳送機構(gòu)到達收集裝置，實現(xiàn)收集;將采摘和收集相結(jié)合，節(jié)省了收集的時間。

4.結(jié)構(gòu)簡單可靠，造價較低，易于復制生產(chǎn)，市場推廣度較高。

（二）推廣應(yīng)用

1.人在采摘時，只需要按下握把，就能實現(xiàn)將水果摘下并收集的功能，操作簡單，適用于大多數(shù)果農(nóng)進行使用。

2.采摘器利用線傳動，設(shè)計新穎，機械手采摘時動作多樣化，可采摘多種水果，應(yīng)用范圍廣。

3.采摘器采用空心鋁管作為主要材料，使用3D打印技術(shù)，造價成本低，具有良好的市場推廣價值。

六、基于公共利益的果園機械化發(fā)展思路

（一）加強果園機械化發(fā)展的戰(zhàn)略支持實施現(xiàn)代果園管理機械化工程，既是提升當前我國現(xiàn)代果園農(nóng)業(yè)管理機械裝備技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)水平的重要戰(zhàn)略舉措，也是貫徹落實黨和政府關(guān)于加快解決“三農(nóng)”突出問題，建設(shè)我國社會主義小康新農(nóng)村的一條重要途徑。因此，各省市各類涉農(nóng)企業(yè)科研項目中，都認為應(yīng)優(yōu)先考慮進行果園管理機械化工程技術(shù)與管理裝備的研發(fā)立項，為國家發(fā)展農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略的具體實施營造一個良好的外部環(huán)境。

（二）促進果園機械技術(shù)發(fā)展在充分發(fā)揮各級政府部門引導支持作用的同時，還建議應(yīng)積極爭取國家技改資金、國家中小企業(yè)科技創(chuàng)新扶持基金、農(nóng)業(yè)重點科技成果獎勵轉(zhuǎn)化金等資金，重點鼓勵支持一批農(nóng)業(yè)技術(shù)含量高、市場前景好、對鄉(xiāng)村農(nóng)戶增收帶動促進作用大的農(nóng)業(yè)機械裝備生產(chǎn)企業(yè)與創(chuàng)新項目;農(nóng)村相關(guān)農(nóng)技龍頭企業(yè)也有需要通過建立相應(yīng)的科技開發(fā)扶持基金，提高龍頭企業(yè)自我整合發(fā)展創(chuàng)新能力，積極參與農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)項目攻關(guān)和新技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)，提升農(nóng)村果園農(nóng)業(yè)機械化裝備生產(chǎn)技術(shù)水平。

（三）實施分區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略各地的自然條件和經(jīng)濟社會發(fā)展條件差異很大，需要針對不同地區(qū)，提出不同區(qū)域果園機械化產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求。對于經(jīng)濟發(fā)達農(nóng)村地區(qū)，在果園經(jīng)營管理各個環(huán)節(jié)可以實現(xiàn)全程果園機械化;對于經(jīng)濟發(fā)展水平落后的一些地區(qū)，可通過重點建設(shè)農(nóng)業(yè)水果原料商品化加工處理的龍頭企業(yè)，在果園水果原料商品化加工處理的一些主要環(huán)節(jié)實現(xiàn)全程機械化。此外，為了積極探索不同地區(qū)水果原料商品化加工處理與水果機械化加工的融合發(fā)展新路子，應(yīng)重點開展水果原料商品化加工處理和水果機械化加工處理工作的示范試點，以點帶面，形成一個具有綜合性的示范產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

（四）完善果園機械檢測標準與技術(shù)規(guī)程的制訂實施要加快實現(xiàn)我國由果園水果生產(chǎn)大國轉(zhuǎn)型到果園水果加工強國的轉(zhuǎn)變，最根本的一點就是必須要加快建立一個完善的果園企業(yè)機械化備和生產(chǎn)技術(shù)標準管理體系。因此，要積極探索采用相關(guān)國際標準，制訂、修訂和完善果園機械裝備和生產(chǎn)技術(shù)的相關(guān)國家標準和相關(guān)行業(yè)標準，鼓勵國內(nèi)相關(guān)水果企業(yè)研究制訂一些高于相關(guān)國際標準的水果企業(yè)生產(chǎn)標準。同時還要加快建立產(chǎn)品質(zhì)量標準檢測管理體系和產(chǎn)品質(zhì)量合格認證管理體系。通過上述以下幾個關(guān)鍵方面的研究工作，使目前我國果園水果加工產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量標準與相關(guān)國際標準完全接軌。

結(jié)論

設(shè)計水果采摘器的初衷是為了可以幫助果農(nóng)提高采摘的效率，使機械化采摘能夠進一步發(fā)展，從滿足個人利益以促進公共利益的實現(xiàn)，設(shè)計靈感來源于對采摘過程的觀察，我們實地采摘，不斷地感受采摘的過程，將動作逐步分解記錄，再結(jié)合專業(yè)知識進行理論分析，最終創(chuàng)新設(shè)計出該款采摘器。

純機械拉線式高空水果采摘器是一種實用性的設(shè)計，是一種解決果農(nóng)采摘果樹高處困難的創(chuàng)新性設(shè)計，因其他用途的廣泛性。設(shè)計遵循兩大原則（1）簡單方便可操作性原則：果樹采摘機器目標人群是給文化水平相對較低的果農(nóng)設(shè)計，不具有備專業(yè)的機械知識，因此首先的要求果樹采摘機器操作簡單不復雜，必須具備可靠性和操作間單兩大特點。（2）實用經(jīng)濟型原則：在可操作的原則的基礎(chǔ)上，整個設(shè)計要控制成本。在我國水果產(chǎn)業(yè)是一個體經(jīng)營為主，考慮到經(jīng)濟實惠，果樹采摘機器的價格要適當，果農(nóng)能夠接受的價格，這樣果樹采摘器才會惠于民。

我國是水果生產(chǎn)及消費大國，每當面臨水果收獲季節(jié)時，勞動力短缺，水果的采摘成為大問題。因此，對水果采摘裝置進行研究有極大的應(yīng)用價值。水果采摘方法隨著科學技術(shù)的發(fā)展已上升到一個新的高度，機械化技術(shù)為水果采摘的高效發(fā)展提供了先進的方法，使得純機械的拉線式高空水果采摘成為可能，具有較好的應(yīng)用前景，也為設(shè)計人員從事水果采摘器的設(shè)計、改進和新品開發(fā)提供了范本。通過有效地解決我國蔬菜豐收采摘期和生產(chǎn)關(guān)鍵季節(jié)以及農(nóng)村勞動力糧食資源嚴重短缺等突出農(nóng)業(yè)問題，進一步有效地實現(xiàn)了我國現(xiàn)代蔬菜農(nóng)機化與產(chǎn)業(yè)化相結(jié)合，緩解了當前我國廣大農(nóng)民投入農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)與農(nóng)村市場經(jīng)濟融合發(fā)展巨大壓力，進而有效地促進了我們中國家庭和國民經(jīng)濟的健康穩(wěn)定發(fā)展。