新型水果采摘器創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研究

孟艷梅 高翔 閆宇洋 馬月萌 崔燕 馬珂 渠聚鑫

摘要：配置簡(jiǎn)單，操作便捷。采用伸縮式機(jī)械手，臂長(zhǎng)可調(diào)，適合多種高枝水果，攜帶方便。不使用時(shí)，可手動(dòng)縮至最短。方向可通過(guò)手柄進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方式輕松，簡(jiǎn)單易學(xué)，可以采摘各種部位的水果，提高了采摘范圍的同時(shí)大大提高了采摘效率。手持固定部分有很好的穩(wěn)定裝置的作用，減少采摘器在長(zhǎng)期使用過(guò)程中引起的操作人員疲勞。使用伸縮式手臂的水果采摘裝置可以進(jìn)行各種類(lèi)型難摘取的水果采摘，使用范圍廣，效率高。

關(guān)鍵詞：伸縮式機(jī)械手臂;采摘器;操縱把手

1? 緒論

1.1 選題背景

水果的采摘在整個(gè)水果養(yǎng)植期里占有大量的時(shí)間比例，在其收獲期，其勞動(dòng)投入約占整個(gè)勞動(dòng)投入的50%-70%，是整個(gè)勞動(dòng)周期內(nèi)，最為費(fèi)力的環(huán)節(jié)，因?yàn)楣麑?shí)的采摘是整個(gè)養(yǎng)植過(guò)程中最后一環(huán)，果實(shí)收獲的質(zhì)量將直接影響到果實(shí)的運(yùn)輸、儲(chǔ)藏以及產(chǎn)品的價(jià)值，所以在采摘時(shí)往往需要大量的勞動(dòng)力，集中進(jìn)行采摘，以保證水果質(zhì)量，水果采摘具有很高的時(shí)效性且勞動(dòng)密集。

由上述分析可知，發(fā)明水果采摘的機(jī)械輔助結(jié)構(gòu)對(duì)于減輕果農(nóng)的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)、水果采摘效率、降低成本、提高水果品質(zhì)，以及按時(shí)按量的完成采摘任務(wù)等方面都有著十分重要的意義。目前我國(guó)的水果采摘機(jī)械化程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此項(xiàng)目研究具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

目前市場(chǎng)上存在的水果采摘設(shè)備價(jià)格昂貴、采摘類(lèi)型比較單一操作非常不便。我國(guó)對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械化的領(lǐng)導(dǎo)研究較晚，果蔬采摘機(jī)械方面的應(yīng)用非常少，目前還處于起步研究階段。

從上世紀(jì)中期開(kāi)始，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等一些先進(jìn)的西方國(guó)家就已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械化的研究工作，水果采摘類(lèi)機(jī)械研究起步較早。經(jīng)過(guò)多年的研究與發(fā)展國(guó)外的水果采摘機(jī)械化程度不斷提高，工作效率與采摘質(zhì)量也有著明顯的提升。許多國(guó)家先進(jìn)的采摘機(jī)械在實(shí)踐中的應(yīng)用表現(xiàn)非常成功，但存在不足之處是國(guó)外先進(jìn)的水果采摘設(shè)備普遍造價(jià)較高，作業(yè)范圍較大，不太適合國(guó)內(nèi)水果種植的情況，所以我們必須設(shè)計(jì)出符合我國(guó)水果種植情況的采摘機(jī)械。

1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容

設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下：①伸縮式機(jī)械手臂：手臂可靠方便地轉(zhuǎn)向和收縮;②采摘器：實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向水果準(zhǔn)確安全的采摘;③操縱把手：增加整個(gè)裝置的穩(wěn)定性，降低采摘員手腕疲勞程度。

2? 水果采摘裝置的總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘器是一種輔助果農(nóng)采摘水果的機(jī)械設(shè)計(jì)，主要作為是解決人們采摘處于較高位置且枝葉繁茂部位水果采摘困難的問(wèn)題，由于其用途針對(duì)性較強(qiáng)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)主要遵循以下兩大設(shè)計(jì)原則：①操作方便性原則：從事果蔬采摘的人員普遍存在知識(shí)水平較低、學(xué)習(xí)能力較差的情況，無(wú)法操作較為復(fù)雜的機(jī)械，且無(wú)法處理一般故障問(wèn)題，因此水果采摘器必須具有操作簡(jiǎn)單易學(xué)且工作可靠的特點(diǎn)。②經(jīng)濟(jì)性原則：國(guó)內(nèi)的果農(nóng)一般以個(gè)體小規(guī)模種植為主，經(jīng)濟(jì)條件較弱，無(wú)法負(fù)擔(dān)價(jià)格昂貴的機(jī)械，因此，在上述操作方便運(yùn)行可靠的基礎(chǔ)之上，機(jī)械的價(jià)格要求要控制在較低的范圍之內(nèi)，否則，可能較難進(jìn)行推廣。

2.2 總體思路

機(jī)械臂水果采摘裝置，為手持式機(jī)械手臂類(lèi)型機(jī)械，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠耐用、操作非常簡(jiǎn)便，由于其特殊設(shè)計(jì)，長(zhǎng)時(shí)間操作并不會(huì)造成操作者太多的勞動(dòng)力負(fù)擔(dān)，主要用于高枝較難采摘的圓形水果的采摘作業(yè)。主要由可伸縮的變形機(jī)械手臂、可旋轉(zhuǎn)的采摘爪、手持固定器組成。

伸縮式的機(jī)械手臂分為內(nèi)外兩層，均由不銹鋼管組成，中間是空的，可以減輕重量，手臂共分為七節(jié)，中間由箍環(huán)連接，收縮后長(zhǎng)度只有一節(jié)的長(zhǎng)度，箍環(huán)部分還可以進(jìn)行緊固。同時(shí)手臂上安裝了操縱把手，手動(dòng)控制摘爪的開(kāi)合，進(jìn)行采摘作業(yè)，手臂下端可以與固定部分連接。

采摘爪部下端通過(guò)旋轉(zhuǎn)器與機(jī)械手臂連接，旋轉(zhuǎn)器的兩分別與操縱把手與采摘爪連接，一端由閘繩連接操作把手與伸縮手臂，其鏈接為活動(dòng)鏈接，方便旋轉(zhuǎn)與伸縮，另一由旋轉(zhuǎn)盤(pán)與機(jī)械手最后一節(jié)連接，其為固定連接，旋轉(zhuǎn)盤(pán)與采摘爪活動(dòng)鏈接，其操作過(guò)程中的工作原理與自行車(chē)剎車(chē)類(lèi)似。采摘機(jī)構(gòu)由摘爪、摘爪座、旋轉(zhuǎn)盤(pán)組成。采摘機(jī)構(gòu)一端與機(jī)械手臂相連，另一端與旋轉(zhuǎn)盤(pán)活動(dòng)鏈接，圓形鋸盤(pán)固定連接在轉(zhuǎn)軸上。

圖1為基于伸縮式機(jī)械手臂水果采摘裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

3? 采摘器的設(shè)計(jì)

3.1 采摘器的設(shè)計(jì)

采摘器部分主要包括底部的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與頭部的采摘機(jī)構(gòu)組成。采摘機(jī)構(gòu)主要包括摘爪、爪座。摘爪座的一端與旋轉(zhuǎn)器活動(dòng)鏈接，可以隨時(shí)進(jìn)行各角度旋轉(zhuǎn)，摘爪與瓜座為固定鏈接。

操作部分主要由閘繩、操縱手把、伸縮手臂組成。操縱手把與伸縮手臂的最底下一截為固定連接，伸縮手臂與另一端的旋轉(zhuǎn)器活動(dòng)鏈接。操縱手把由閘繩與摘爪連接，通過(guò)閘繩將操縱手把的機(jī)械動(dòng)作傳遞到摘爪，進(jìn)行摘取動(dòng)作，其工作原理類(lèi)似與自行車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)，閘繩結(jié)構(gòu)類(lèi)似于自行車(chē)剎車(chē)線，內(nèi)部由鋼絲繩組成。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以隨時(shí)調(diào)整摘爪的方向，以便摘取不同方向，不同位置的水果，由于摘取力度由人手工控制操縱手把進(jìn)行控制，可以根據(jù)水果成熟度和采摘難易程度，調(diào)整采摘力度，以保證水果的完整性。

3.2 采摘器的強(qiáng)度校核計(jì)算

采摘器采摘的水果尺寸不會(huì)太大，一般不會(huì)造成強(qiáng)度不夠，不過(guò)為了保證長(zhǎng)時(shí)間采摘不會(huì)發(fā)生變曲與斷裂，需進(jìn)行強(qiáng)度校核，為簡(jiǎn)化計(jì)算步驟，須作以下幾點(diǎn)假設(shè)：

①假定采摘臂直徑相同，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)為圓柱梁;

②受力集中在采摘爪的右端;

③忽略扭矩對(duì)采摘臂質(zhì)量的影響;

④假定所有的截荷均通過(guò)機(jī)械手臂截面的形心（忽略局部扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響）。

F為采摘頭的總重量和切割水果的力之和，由于進(jìn)行采摘時(shí)主要為上下拉拽，偶爾會(huì)有旋轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)矩基本可以忽略不計(jì)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)、采摘水果時(shí)工作狀態(tài)取值：F=40N，L=150cm=1.5m。

由于在實(shí)際進(jìn)行操作時(shí)，采摘器的工作狀態(tài)可能會(huì)受到環(huán)境以及工作情況的影響，所以在計(jì)算過(guò)程中引入安全系數(shù)k，由于采摘器在工作時(shí)由人操作控制，無(wú)動(dòng)力輸出部分，無(wú)電力驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所以取k=2～3，結(jié)合考慮采摘器在采摘時(shí)的最大摘取物的載荷增值與采摘爪在動(dòng)載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生疲勞，引入疲勞系數(shù)，取值1.4。

結(jié)論：采摘頭材料及尺寸結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

4? 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)

4.1 尺寸計(jì)算

針對(duì)采摘對(duì)象，果樹(shù)的高度一般約為3m。機(jī)械手臂為內(nèi)外管結(jié)構(gòu)，內(nèi)管的長(zhǎng)度為1m，外管的長(zhǎng)度為1.5m，再加上采摘人員的身高，基本上機(jī)械手臂的總長(zhǎng)度至少可到3.5m到4m之間。

外管和內(nèi)管都為空心圓管，外管的外徑選用為25mm，厚度為1mm不銹鋼管。另內(nèi)管要嵌套在外管中，因此外管的內(nèi)徑要保證等于或略小于內(nèi)管外徑，從而使結(jié)構(gòu)配合更加穩(wěn)定、可靠，故內(nèi)管的外徑選用直徑為23mm，厚度為1mm的不銹鋼管。

4.2 強(qiáng)度校核

伸縮式機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

據(jù)圖2所示，為了進(jìn)一步確定機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)，特別是其伸縮結(jié)構(gòu)是否符合實(shí)際采摘環(huán)境下的應(yīng)用，故進(jìn)行幾點(diǎn)假設(shè)：

①機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)為細(xì)長(zhǎng)型，因此要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性校核。原因在于細(xì)長(zhǎng)桿的失效形式經(jīng)常表現(xiàn)為穩(wěn)定性不夠;

②機(jī)械手臂的受力區(qū)域集中在手臂的正上方，對(duì)其進(jìn)行受力分析可知，機(jī)械手臂在工作狀態(tài)時(shí)可簡(jiǎn)化成一端固定一端自由的桿結(jié)構(gòu)，并在進(jìn)行尺寸計(jì)算時(shí)以內(nèi)管尺寸為準(zhǔn);

③忽略在采摘水果的狀態(tài)下，機(jī)械手臂所承受的扭矩、彎矩;

④機(jī)械手臂承受的所有內(nèi)、外載荷均通過(guò)截面的形心。

因此，機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)的受力情況可簡(jiǎn)化成如圖3所示的常見(jiàn)的細(xì)長(zhǎng)壓桿模型。

在圖3中，力F為一集中力，其大小等于機(jī)械手臂所有結(jié)構(gòu)件的重量以及切割時(shí)水果的對(duì)其施加的力之和;在此狀態(tài)下，所產(chǎn)生或存在的轉(zhuǎn)矩、扭矩、外力均可忽略，不用計(jì)算。根據(jù)機(jī)械手臂在采摘過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，引入安全校核系數(shù)k，根據(jù)上述分析，采摘器的工作環(huán)境情況較好，取k=2，根據(jù)其工作條件，取F=40N，伸縮臂越長(zhǎng)，其穩(wěn)定性也就越差，根據(jù)采摘需求及穩(wěn)定性要求，選取伸縮臂的總長(zhǎng)為2.5m。

伸縮式機(jī)械手臂的材料為304不銹鋼，304不銹鋼的抗拉強(qiáng)度≥520MPa，條件屈服強(qiáng)度≥205MPa，伸長(zhǎng)率（%）≥40，彈性模量E為186～206GPa，比例極限=280MPa，規(guī)定的穩(wěn)定安全因數(shù)為=8～10。

只有當(dāng)壓桿的柔度大于或等于極限值時(shí)，歐拉公式校核壓桿穩(wěn)定性才滿足使用條件。

所以歐拉公式適用于校核伸縮式機(jī)械手臂的穩(wěn)定性。

結(jié)論：伸縮式機(jī)械手臂材料及尺寸結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

5? 總結(jié)

基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置，區(qū)別于國(guó)外大型全自動(dòng)化的采摘機(jī)械，是一種輔助人工采摘的機(jī)械裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、可靠耐用且價(jià)格低廉，非常適合國(guó)內(nèi)水果種植的現(xiàn)狀，能夠很好的節(jié)省勞動(dòng)力，減輕果農(nóng)采摘水果時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，是水果采摘從手工到全自動(dòng)化機(jī)械之間過(guò)渡期非常好的補(bǔ)充產(chǎn)品，由于其自身的諸多優(yōu)點(diǎn)，其推廣程度與價(jià)值都非常高，一定會(huì)成為果農(nóng)手中的一把利器。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜麗萍，陳樹(shù)人.果實(shí)采摘機(jī)器人的研究綜述[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2006，32（1）：8-10.

[2]陳飛，蔡健榮.柑橘收獲機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008，1（07）：232-235.

[3]金旭星.果實(shí)采摘機(jī)械手的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009，1（07）：139-141.