多功能果實采摘器設(shè)計

郭雄　鄧庭超　謝智琛　鄧雄明　彭康雙

[摘要]為了降低粵西地區(qū)喬木類水果采摘的工作強(qiáng)度，提高采摘效率，本文通過分析粵西地區(qū)喬木果樹生長環(huán)境，設(shè)計了一種適合在野外環(huán)境下通過鋰電池驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的輔助型果實采摘設(shè)備。在分析其工作原理的基礎(chǔ)上，制成實驗樣品。該采摘器由伸縮桿、控制開關(guān)、行程開關(guān)、果袋、直流電機(jī)、剪刀片等組成，采摘時，打開電源開關(guān)，按動切割鍵，驅(qū)動電機(jī)帶動剪刀片剪切果梗。裝置原型在實際運(yùn)行中，能采摘與收集高樹果實。結(jié)果表明，該采摘器能夠有效降低勞動強(qiáng)度，提高采摘效率，且通用性強(qiáng)，有望得到廣泛應(yīng)用，服務(wù)社會。[關(guān)鍵詞]果實采摘器;控制機(jī)構(gòu);采摘效率

中圖分類號：S225

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20190430

粵西地區(qū)地形多以丘陵、臺地、平原為主，規(guī)模小、坡地多，行間郁蔽嚴(yán)重，通行困難，大型機(jī)具更難以人園，機(jī)械采收難度大"。目前粵西地區(qū)多以人工采摘為主，采摘成本較高且效率相對較低。同時粵西地區(qū)在果實成熟期易受惡劣天氣影響，如若無法迅速采摘，極易給果農(nóng)帶來經(jīng)濟(jì)損失。

據(jù)調(diào)查，目前各國都有公司或研發(fā)機(jī)構(gòu)對自動化采摘進(jìn)行研發(fā)，但距離轉(zhuǎn)化成品還有一定的距離，其主要原因是自動識別率低、采摘精確度不高致使效率低。同時目前市場上已有的輔助采摘器，盡管價格低廉，但是采摘效率有限，不很好地降低工作人員的勞動強(qiáng)度。

本文以研究實用化的便攜式果實采摘器為目標(biāo)，通過對采摘工作環(huán)境和特性進(jìn)行深入分析，針對其適用地形，利用Pro/Engineer軟件對果實采摘器進(jìn)行三維設(shè)計和仿真裝配，設(shè)計出由電力驅(qū)動的果實采摘器，能夠基本解決采摘勞動強(qiáng)度大、效率低等問題，在未來具有一定的發(fā)展前景。

1采摘器設(shè)計要求

粵西地區(qū)果園規(guī)模小、果樹種植間距小、地形不平整，不適于大型果樹采摘機(jī)器進(jìn)人。根據(jù)采摘環(huán)境及采摘要求，采摘器需要達(dá)到以下工作要求：

（1）采摘器制作需要成本低，結(jié)構(gòu)安全性、可靠性高。

（2）采摘器需要能在戶外工作，需要具備高續(xù)航性，同時重量應(yīng)該較輕。

（3）采摘器需要具備便攜性，應(yīng)具備可伸縮桿。

（4）為確保采摘水果的質(zhì)量，需具備柔性管道使果實滑落至果籃。

2采摘器整體結(jié)構(gòu)及工作原理

基于上述要求，本項目設(shè)計的采摘器將采用電力驅(qū)動，通過點動開關(guān)控制電機(jī)的通斷，進(jìn)而控制刀片的運(yùn)動，完成剪切運(yùn)動。

采摘器結(jié)構(gòu)示意見圖1。采摘器主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、伸縮及運(yùn)輸機(jī)構(gòu)組成。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含固定刀片、活動刀片、傳動桿、法蘭盤、電機(jī)支架、電機(jī);控制機(jī)構(gòu)由總開關(guān)、行程開關(guān)、鋰電池組、控制開關(guān)、線纜等組成;伸縮及運(yùn)輸機(jī)構(gòu)主要由3節(jié)大小不一的鋁管及網(wǎng)制管道組成，其可根據(jù)不同高度需求，進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。

3關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)計算

3.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計

在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，市場現(xiàn)有的果實采摘器主要分為往復(fù)剪切刀片式、三爪拖拽式、往復(fù)鋸片式。本項目設(shè)計的采摘器采用往復(fù)剪切刀片式結(jié)構(gòu)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，固定刀片、電機(jī)通過電機(jī)支架固定，法蘭盤安裝在電機(jī)輸出軸上，通過螺栓將傳動桿與其連接，活動刀片與傳動桿連接，當(dāng)電機(jī)啟動后，活動刀片也隨之旋轉(zhuǎn)。固定刀片、活動刀片、傳動桿、法蘭盤四者組成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，刀具完成一個周期的剪切運(yùn)動。同時在剪刀開口最大位置處設(shè)置行程開關(guān)，用于實現(xiàn)自動復(fù)位，通過手柄處設(shè)置行程開關(guān)實現(xiàn)采摘啟動”。其運(yùn)動原理圖見圖2。

3.2控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計

控制機(jī)構(gòu)包含1個總開關(guān)、2個行程開關(guān)。其中行程開關(guān)1用于實現(xiàn)位置檢測（包含公共地1、常閉2、常開3），行程開關(guān)2用于采摘控制（包含公共地11、常閉22、常開33），其原理見圖3。接線時，將1與電源正極相接，11與電源負(fù)極相接，2與22相接，3與33相接。剪刀張開時，行程開關(guān)1檢測到位信號，電路斷開;控制開關(guān)2，電路再次導(dǎo)通，松開開關(guān)，剪刀閉合實現(xiàn)采摘。

?3.3電機(jī)選型及參數(shù)計算

為保證具有足夠的剪切力，實現(xiàn)果柄的切斷動作，需要關(guān)注電機(jī)及剪切運(yùn)動部分的力學(xué)分析。設(shè)計的實際張開尺寸見圖4，其中采摘切口最小為10.1mm，長度為46.9mm，切口最外緣距離旋轉(zhuǎn)中心距離為53.4mm，電機(jī)驅(qū)動軸偏心盤中心距為6mm。

為保證切口任何位置的有效性，以最大距離53.4mm為阻力進(jìn)行計算，根據(jù)經(jīng)驗和實測結(jié)果可知，剪刀切割力為40N時可切斷正常果實果梗，以力矩最小時為保險驅(qū)動力進(jìn)行計算，即偏心輸人力矩為最大6mm，力臂按照最小進(jìn)行計算，即18.9mm，得到果柄繞剪刀轉(zhuǎn)軸阻力矩：M1=53.4mmx40N=2136Nmm;以最大力臂換算得到電機(jī)所需力矩：F1=M1+18.9mmx6mm≈678Nmm。

查閱電機(jī)廠家手冊可知，采用步進(jìn)電機(jī)，需選用57系列電機(jī)，其重量為1～1.2kg，重量不夠合理，同時尺寸較大并需要單獨設(shè)計驅(qū)動電路。選用普通型直流電機(jī)，其力矩也難以達(dá)到。

綜合考慮上述因素及性價比后，選用了型號為XD一WS37GB3650的直流減速電機(jī)，其具有體積小、轉(zhuǎn)速低、可調(diào)速且力矩大等特點，同時重量僅為210g。在電壓為12V、轉(zhuǎn)速為30r/min的情況下，其輸出力矩約為800Nmm，得到力矩裕度R=（800-678）+678≈0.18>0）。

3.4鋰電池及的選擇

為保證采摘器能在戶外長時間運(yùn)行，采摘器必須擁有高續(xù)航性。根據(jù)電機(jī)功率及電壓要求，設(shè)計選取容量為2500mA的電池，能夠確保其在滿電情況下設(shè)備能夠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)4～7h，在考慮其環(huán)保性及重量后，選用鋰電池，而非鉛酸電池。

4樣機(jī)試制及實驗

制作好的樣機(jī)實驗圖見圖5。在完成了整體樣機(jī)設(shè)計及三維仿真分析后，對其進(jìn)行了試制，隨后在廉江某果園進(jìn)行了實驗。在采摘時，打開總開關(guān)，隨后按下控制開關(guān)，活動刀片即完成一個周期的剪切運(yùn)動，果實也完整地隨著管道滑落到果籃。實驗結(jié)果表明，該采摘器能夠很好地完成剪切工作，同時果實滑落到果籃后外表皮并無破損。

5論

該采摘器能夠較好地完成預(yù)定的工作目標(biāo)，其采用大容量鋰電池，通過電力進(jìn)行驅(qū)動，直流減速電機(jī)能提供較大扭矩使執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成剪切動作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)造簡單緊湊，加工方便，如若后期進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，則其低廉的價格易被果農(nóng)接受。同時在實驗中所發(fā)現(xiàn)的問題，也會在后期的調(diào)試中進(jìn)一步進(jìn)行解決和完善。

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