半自動多功能水果采摘器

張宇鵬 吳超杰 吳宇航 趙甫 張政虎

[摘 要]教育部就“十二五”期間實施“本科教學工程”國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃下發(fā)通知，要求各地高校做好計劃實施工作。我校的方案從總體上，增加了學生社團對創(chuàng)業(yè)的影響、科學商店對創(chuàng)業(yè)的影響，按照《教育部關(guān)于啟動“本科教學工程”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃的通知》要求通過實施大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃，培養(yǎng)適應(yīng)創(chuàng)新型國家建設(shè)需要、適應(yīng)各行各業(yè)發(fā)展需要的高素質(zhì)復(fù)合型創(chuàng)新人才。本文以“水果采摘”為研究項目主題，通過對其不斷的探索和研究，具有一定的實用價值。

[關(guān)鍵詞]安全;半自動化;高效;方便

[中圖分類號]S225 [文獻標識碼]A

1 水果采摘現(xiàn)存的問題

1.1 水果采摘的實際問題

在許多地區(qū)，農(nóng)業(yè)勞動力老齡化和農(nóng)業(yè)勞動力不足的問題十分突出，于是手工采摘就會變得十分困難。

中國是農(nóng)業(yè)大國，存在許多小農(nóng)經(jīng)濟，他們一般種植幾畝或者幾十畝的果園，于是就處在人工采摘的低效性和水果機器人采摘的低經(jīng)濟效益性的進退兩難的處境中。

在旅游業(yè)發(fā)展日新月異的情況下，農(nóng)家樂的開發(fā)是許多地方政府扶貧的重點項目，人工或大型水果機器人采摘又會對果樹造成一定的損害，使其失去觀賞性。

1.2 水果采摘的效率問題

目前，果農(nóng)從果樹上采摘成熟的水果時，一般是雇用人工手工采摘水果。由于果樹較高，均普遍采取架梯從樹上用手把成熟的水果采摘下來，人在架梯上采摘水果既不安全，又費工費時，采果的工作效率也較低。

2 水果采摘器應(yīng)該具有的特性

為了解決上述問題，我們所設(shè)計的水果采摘器應(yīng)當具備這三個特性

2.1 安全性

目前，果農(nóng)從果樹上采摘成熟的水果時，一般是雇傭人工手工采摘水果。由于果樹較高，均普遍采取架梯從樹上用手把成熟的水果采摘下來，人在架梯上采摘水果既不安全。而我們設(shè)計的水果采摘器其中的一個目的就是避免人們再使用梯子等工具爬到樹上，可直接站在地面上采摘水果。

2.2 時效性

時效性是我們設(shè)計的采摘期必須要解決的一個問題，很多水果成熟期短，保質(zhì)期短，必須盡快地將果實全部采摘下來才能保證果農(nóng)的最大收益，而以前采用的人工采摘方式效率過慢。我們所設(shè)計的水果采摘其必須要解決時效性這方面的問題，此事為重中之重。

2.3 低成本

中國是農(nóng)業(yè)大國，存在許多小農(nóng)經(jīng)濟，他們一般種植幾畝或者幾十畝的果園，于是就處在人工采摘的低效性和水果機器人采摘的低經(jīng)濟效益性的進退兩難的處境中。而大型水果采摘器成本很高，不是小型果園所能承受，所以我們設(shè)計的水果采摘器的制作成本不能過高。

3 水果采摘器可采摘的水果

3.1 蘋果

蘋果是薔薇科蘋果亞科蘋果屬植物，其樹為落葉喬木。蘋果的果實富含礦物質(zhì)和維生素，是人們經(jīng)常食用的水果之一。一般在9-10月份成熟。蘋果中營養(yǎng)成分可溶性大，易被人體吸收，故有“活水”之稱。其有利于溶解硫元素，使皮膚潤滑柔嫩。據(jù)說“每天一蘋果，醫(yī)生遠離我”。蘋果是世界四大水果之一，也是我國北方栽培面積最大、產(chǎn)量最高的水果。

3.2 梨子

梨，通常品種是一種落葉喬木或灌木，極少數(shù)品種為常綠，屬于被子植物門雙子葉植物綱薔薇科蘋果亞科，一般7-8月份成熟。中國梨栽培面積和產(chǎn)量僅次于蘋果。安徽、河北、山東、遼寧四省是中國梨的集中產(chǎn)區(qū)，栽培面積約占一半左右，產(chǎn)量超過60%。主治熱嗽，止咳。治咳熱，中風不語，傷寒發(fā)熱，解丹石熱氣，驚邪。利大小便，除賊風，止心煩氣喘熱狂。潤肺涼心，消痰降炎，解 瘡毒、酒毒。具有下火，治便秘功效。

河北、山東、遼寧三省是中國梨的集中產(chǎn)區(qū)，栽培面積約占一半左右，產(chǎn)量占60%，其中河北省年產(chǎn)量約占全國的1/3，2017總產(chǎn)量達到了1198.6萬噸，梨產(chǎn)量最多的省是安徽、河北、山東、遼寧、江蘇、四川、陜西等。主要梨產(chǎn)區(qū)有山東煙臺，栽培品種有黃縣長把梨、棲霞大香水梨、萊陽茌梨（慈梨）、萊西水晶梨和香水梨。

3.3 櫻桃

櫻桃是某些李屬類植物的統(tǒng)稱，包括櫻桃亞屬、酸櫻桃亞屬、桂櫻亞屬等，喬木，高2-6米，樹皮灰白色。一般成熟于5-6月份。歐洲甜櫻桃原產(chǎn)亞洲西部和歐洲東南部，目前我國甜櫻桃分布主要集中在渤海灣沿岸，以煙臺市和大連市郊區(qū)為最多。山東省是我國甜櫻桃栽培面積最大、產(chǎn)量最多的一個省，除煙臺市各區(qū)縣外，青島、威海、濟南、日照、淄博、濰坊、棗莊、泰安、臨沂等地也有分布。遼寧省集中分布在大連市的金州區(qū)和甘井子區(qū)。河北省主要分布在秦皇島市山海關(guān)區(qū)、北戴河區(qū)及昌黎縣。此外，北京、河南、山西、陜西、內(nèi)蒙古、新疆、湖北、江西、四川等十幾個省、自治區(qū)、直轄市也都有引種和栽培。

3.4 李子

李子是薔薇科李屬植物，別名嘉慶子、布霖、李子、玉皇李、山李子。其果實7～8月間成熟，飽滿圓潤，玲瓏剔透，形態(tài)美艷，口味甘甜，是人們最喜歡的水果之一。一般成熟于7-8月份。李子味酸，能促進胃酸和胃消化酶的分泌，并能促進胃腸蠕動，因而有改善食欲，促進消化的作用，有利尿消腫的作用，對肝硬化有輔助治療效果。李子中含有多種營養(yǎng)成分，有養(yǎng)顏美容、潤滑肌膚的作用，李子中抗氧化劑含量高得驚人，堪稱是抗衰老、防疾病的“超級水果”。

4 半自動水果采摘器

4.1 產(chǎn)品介紹

我們所設(shè)計的水果采摘器所使用的原理是：我們所采用的控制方式類似于自行車的剎車系統(tǒng)，最下面的把手相當于自行車的剎車把，我們所選用的控制線就是自行車的剎車線，線管包裹著剎車線，可沿剎車線自由滑動。線管有兩層，里層為鋼制，外層是橡膠。剎車線與線管均可有限度地彎曲（不能像毛線那樣任意彎），但長度固定（忽略微小的改變量），既不能被拉長也不能被壓短。線管的下端連接著一個鋼制的L型管，這個管是不可以彎曲的。

當握下端把手時，剎車線往把手把方向運動，就會帶動最上面的頭子往下，而頭子往下就會拉動剪刀頭，使之閉合，達到一個剪斷效果。

4.2 特色介紹

這是我們所設(shè)計的一個螺旋狀網(wǎng)兜，不同于往常所見到的直筒型網(wǎng)兜，這種螺旋狀網(wǎng)兜會在水果掉落到網(wǎng)兜后讓水果做一個減速滾動，滾到最后速度幾乎為0，起到一個很好的緩沖作用。這樣就可以連續(xù)采摘水果，有效防止水果之間相互碰撞而損壞。

這次為了符合實際應(yīng)用，我們準備了不同的方案。剪刀不止僅限于傳統(tǒng)的半月型剪刀，刀頭可以換成圓形剪刀，細長型剪刀頭等，我們設(shè)計的采摘期是可以根據(jù)不同果樹不同的果實來更換不同的剪刀頭。

5 方案改進

5.1 材料問題

由于蘋果樹較高，人們使用蘋果采摘器需要長時間地舉起手臂。如果材料使用目前最便宜的不銹鋼鋼管材料，采摘器擁有很重的重量，這樣就加大了使用者的手臂負擔。

解決方案：經(jīng)過查閱資料，鋁合金具有很輕的質(zhì)量以及較高的強度。很符合作為采摘器的原材料。因此我們打算使用鋁合金作為采摘器的主要材料。但是這樣也加大了項目的開銷。

5.2 采摘頭更換

長時間地使用采摘器，難免會遇到剪刀的破損崩壞等一系列問題。為了不影響繼續(xù)使用，我們采用下列方案來快速更換剪刀。

解決方案：將剪刀做成可更換型的刀頭并在采摘器上備用一把更換剪刀的刀頭。

[參考文獻]

[1] 劉洪.機械設(shè)計制造自動化在現(xiàn)代企業(yè)中的發(fā)展[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（05）.

[2] 葉紅.機械設(shè)計制造及自動化的發(fā)展方向[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（05）.

[3] 陳廣奪.現(xiàn)代機械制造工藝的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（08）