便攜式高空半球大范圍采摘裝置的設(shè)計

趙紅

摘要：根據(jù)國內(nèi)水果采摘需求，利用三腳架、電動伸縮桿形成高空半球的采摘范圍，自主研發(fā)凸輪機(jī)構(gòu)與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)串聯(lián)的采摘夾片，實現(xiàn)水果的果蒂取果和剪切取果。采摘裝置具有經(jīng)濟(jì)、實用、成本低、效率高、安全等特點(diǎn)，具有一定的實用性和推廣價值。

關(guān)鍵詞：采摘夾片；果實；設(shè)計；凸輪機(jī)構(gòu)；高空

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1674-1161（2018）01-0018-03

目前，國內(nèi)的果園大多是非標(biāo)準(zhǔn)化種植，大型水果采摘設(shè)備無法進(jìn)入果園，所以果實仍主要采用人工采摘方式。采摘過程中，需對果實進(jìn)行成熟度判斷和收獲，并不時移動梯子。由于果園地面不平整，不僅影響采摘效率，而且存在諸多安全隱患。總體來說，果實收獲作業(yè)是一項勞動強(qiáng)度大、消耗時間長、具有一定風(fēng)險性的作業(yè)。在此情況下，研究開發(fā)適用的水果采摘機(jī)械，不僅能在很大程度上減輕勞動強(qiáng)度，而且能夠提高生產(chǎn)效率，具有廣闊的市場前景。

1 國內(nèi)果實采摘現(xiàn)狀

我國水果采摘機(jī)械發(fā)展緩慢，遠(yuǎn)落后于種植業(yè)機(jī)械，研究成果也較少。隨著國外技術(shù)的不斷創(chuàng)新與提高，我國的水果采摘技術(shù)不斷進(jìn)步。但受地域性、生產(chǎn)模式等各方面限制，大型采摘機(jī)械在我國應(yīng)用范圍較小。基于我國的實際情況，開發(fā)經(jīng)濟(jì)性、操作簡、適合長時間高空作業(yè)的半自動仿生采摘的小型采摘設(shè)備，具有非常重要的意義。

目前在我國采摘水果時主要以人工為主，具體有3種方式：果農(nóng)直接用手采摘；手持工具，夾摘或剪切果柄；直接鐮刀頭鉤采。就第一種采摘方法而言，如果果樹比較高、樹枝又比較脆，容易傷害果樹。第二種采摘方式只適合果柄比較長的果子，但容易因果柄脫落摔壞果實；如果是中間剪切果柄取果，剩余果蒂影響來年結(jié)果率，且每次只能采摘一個水果，采摘效率很低，不適用于長時間、大面積采摘。第三種采摘方式在果蒂處斷開，枝條扭斷處茬口斷裂，影響果枝成長。

人工采摘方式符合果農(nóng)“果蒂取果，輕拿輕放，不傷樹枝”的采摘要求，但全人工采摘成本高、危險大。以山東為例，人工費(fèi)用為男工400元/d，女工300元/d，采摘成本接近1萬元/667 m2。為此，結(jié)合國內(nèi)實際情況，適合長時間高空作業(yè)、模擬人工采摘的小型半自動水果采摘器具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 便攜式高空半球大范圍采摘裝置設(shè)計思路

利用機(jī)械的凸輪機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、螺旋結(jié)構(gòu)等組合成手動便攜式采摘裝置，適用于國內(nèi)非標(biāo)準(zhǔn)化種植長柄果實的果園，如蘋果園、梨園等。具有成本低、操作簡單、適合長時間高空作業(yè)的特點(diǎn)，果農(nóng)使用采摘裝置可輕松進(jìn)行高空的水果采摘，采摘過程符合“果蒂取果，輕拿輕放，不傷樹枝”的采摘原則，不僅可以保證采摘過程中的安全性和果實的采摘質(zhì)量，還能提高采摘效率和翌年結(jié)果率。

3 便攜式高空半球大范圍采摘裝置的結(jié)構(gòu)及作用

3.1 結(jié)構(gòu)組成

采摘裝置由三腳架、伸縮桿、電動推拉桿、果實滑道、采摘夾片組成，結(jié)構(gòu)見圖1。

3.2 零部件作用

三腳架（圖2）當(dāng)?shù)鬃?，起支撐、高度調(diào)整、采摘裝置360°旋轉(zhuǎn)的作用，利于實現(xiàn)長時間采摘。

1.0～2.5 m的伸縮桿（見圖3）用來調(diào)整高度，便于采摘不同高度的水果。利用螺旋機(jī)構(gòu)（圖4）控制伸縮桿的伸縮量，便于輔助采摘不同位置的水果。

采摘夾片是自主研發(fā)采摘的關(guān)鍵裝置，運(yùn)用Solidworks設(shè)計及仿真，借助3D打印技術(shù)，經(jīng)過多次調(diào)試制作而成。通過凸輪機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的串聯(lián)實現(xiàn)加持和采摘功能，采摘速度為3 s/個。其結(jié)構(gòu)見圖5。

模擬自行車剎車裝置設(shè)計的手剎動力裝置（見圖6），用來控制采摘夾片的開合。

果實滑道（圖7）利用彈力織物開口和外網(wǎng)，分階段對掉落的果實減速，控制水果的下降速度，實現(xiàn)高空水果下落收集。

高空下落的水果，最后通過傘形減震果實收集器（圖8）收集。

4 便攜式高空半球大范圍采摘裝置技術(shù)性能

裝置折疊后總長不超過1.2 m，質(zhì)量不超過4 kg，便于攜帶。三腳架、立柱、滑臺、伸縮桿的總高度達(dá)到4 m，可以滿足大多數(shù)果園果樹的采摘高度。三腳架可以帶動整個裝置實現(xiàn)圓周方向360°旋轉(zhuǎn)，滑臺可控制伸縮桿和采摘夾片在水平線以上0～90°范圍，故采摘夾片可到達(dá)1.5～4.0 m半球的任意位置，實現(xiàn)高空半球大范圍采摘。收集裝置可以實現(xiàn)果實迅速下落及收集工作，使用壽命10 a以上。

5 便攜式高空半球大范圍采摘裝置的推廣應(yīng)用前景

5.1 推廣應(yīng)用前景

采摘裝置適用于國內(nèi)非標(biāo)準(zhǔn)化種植的果園，成本低、操作簡單、適合長時間高空作業(yè)，采摘過程符合“果蒂取果，輕拿輕放，不傷樹枝”的原則。裝置采用常用的機(jī)構(gòu)與零件，結(jié)構(gòu)簡單，采購方便，組裝維修容易；全手動操作，不需要任何電源，更安全、可靠，適用范圍更廣。

5.2 效益分析

采摘只需女工，速度是人工采摘的1.5～2.0倍，裝置壽命長，維修容易，成本低，有較大推廣價值。目前，樣品部分零部件為金屬成品，成本在700元左右，批量生產(chǎn)及零部件的材質(zhì)采用工程塑料，成本及質(zhì)量大幅降低，有利于大面積推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳立德.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2] 岳巍.蘋果采摘機(jī)器人采摘機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化，2016（3）：40-41.

[3] 李素云，唐先進(jìn).蘋果采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀、進(jìn)展與分析[J].裝備制造技術(shù)，2016（1）：185-186.