一種可移動式水果采摘收集裝置設(shè)計及使用方法

王麗娟劉志剛喜冠南彭超華

(1.南通科技職業(yè)學(xué)院機電與交通工程學(xué)院，江蘇 南通 226007；2.南通大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

1 設(shè)計背景

我國是水果生產(chǎn)大國，人們對水果的需求和品質(zhì)都提出了很高的要求。如何對水果進行快速有效采摘以及在采摘過程中保護水果品質(zhì)尤為重要。事實上，受制于傳統(tǒng)的果園管理和水果采摘、收集技術(shù)，果農(nóng)在生產(chǎn)過程中損失的水果數(shù)量不計其數(shù)。在實踐中主要面臨問題有蘋果類水果生長過高以及分布不均勻?qū)е虏灰撞烧惶易宇惗嘀掖嘤菜诓烧^程中容易碰傷導(dǎo)致水果不易存儲，進而影響水果品質(zhì)。

本文所設(shè)計的可移動水果采摘收集裝置，無損狀態(tài)下快速準(zhǔn)確采摘水果的同時，在水果掉落的過程中對水果進行合理的減速，避免水果因過大的動能而造成表面碰傷。切實降低果農(nóng)的勞作強度、降低過程成本、提高果園生產(chǎn)率、提高水果品質(zhì)，促進我國的果園種植業(yè)的進步，追蹤世界前沿農(nóng)業(yè)技術(shù)，推動我國水果采摘的機械化發(fā)展。

2 研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，我國市場上的水果采摘輔助裝置，主要分為機械裝置和機器人2類[1]。對機械裝置進行研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)機械裝置以機械臂為基礎(chǔ)，通過機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)采摘，但這種方式對于機械臂的精確度以及使用方便度提出了較高要求，且不便于隨身攜帶[2,3]。從20世紀(jì)90年代起，我國相關(guān)科研院所也逐漸開始對智能化水果采摘機器人及設(shè)備進行研究。結(jié)合我國的果園種植地理條件，我國南方的果園大多處于丘陵山區(qū)，屬于坡地，因此合適的采摘機械很少，在危險性方面的問題也更加突出。由于工作環(huán)境的復(fù)雜性，采摘機器人的發(fā)展仍未達到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，尤其是視覺識別與行走裝置，距離實用化和商品化還有一定距離[4]。

通過上文對水果機械采摘技術(shù)進行比較分析可知，國內(nèi)外科研人員在該領(lǐng)域作了許多研究工作，但水果采摘是極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，目前仍有不少難題沒有解決。如，針對水果采摘的前端執(zhí)行系統(tǒng)研究較多，但對末端存儲系統(tǒng)研究不足；前端執(zhí)行系統(tǒng)以精密機械采摘手臂、采摘機器人為主，對于我國以自主分散經(jīng)營為主的果農(nóng)而言，實用性不盡如人意。

因此，操作簡單，實用性強并兼具采摘、緩沖收集水果、利于山地移動的可移動水果采摘收集裝置的相關(guān)研究顯得尤為重要。

3 設(shè)計介紹與工作原理

3.1 總體設(shè)計介紹

可移動式水果采摘收集裝置如圖1、圖2所示，由采摘器、承載小車、控制箱和收集箱組成，采摘器主要包含伸縮管、牽拉機構(gòu)、剪切刀、柔性網(wǎng)筒，收集裝置主要由承載小車、控制箱和收集箱3大系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1 可伸縮單果采摘桿結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 可移動收集裝置示意圖

當(dāng)確定采摘對象后，按壓采摘器手柄使得牽拉機構(gòu)驅(qū)動剪切刀作業(yè)將切落水果墜于柔性網(wǎng)筒內(nèi)，水果經(jīng)由網(wǎng)筒滾落而下，從收集裝置采集口經(jīng)由緩沖板落入收集箱轉(zhuǎn)筒，經(jīng)歷第1次減速，旋轉(zhuǎn)電機控制帶動轉(zhuǎn)筒水平旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)筒將其內(nèi)部的水果帶至緩沖板的掉落口，水果通過滑落軌道進入收集盒，對水果進行第2次減速，整個過程水果的動能較小，降低了水果之間互相碰傷的概率。該裝置操作簡單、價格低廉、結(jié)構(gòu)新穎、實用性強，適用于不同高度的、多種類水果的采摘、收集作業(yè)。作業(yè)實施過程如流程圖3所示。

3.2 可伸縮采摘器的設(shè)計

可伸縮采摘器如圖4所示，采摘器主要包括伸縮管、牽拉機構(gòu)、剪切刀、柔性網(wǎng)筒4個部分。伸縮管的一端鉸接有手柄，伸縮管的另一端插接有剪切刀，牽拉機構(gòu)連接于伸縮管的管身，手柄經(jīng)由牽拉機構(gòu)與剪切刀連接；網(wǎng)筒連接于伸縮管的下側(cè)，并且網(wǎng)筒的一端開口與剪切刀相對，另一端開口沿伸縮管的管身延伸至手柄下方；按壓手柄使得牽拉機構(gòu)驅(qū)動剪切刀作業(yè)將切落水果墜于柔性網(wǎng)筒內(nèi)，并且水果經(jīng)由網(wǎng)筒滾落而下，落入收集小車內(nèi)[5]。

3.3 收集箱的設(shè)計

3.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

收集箱的主要作用是蓄存落下的水果。收集箱中間設(shè)置緩沖板，緩沖板采用彈性塑料制成，上方鋪設(shè)有緩沖材料海綿。該緩沖板將收集箱分隔為2部分，緩沖板的上方為緩沖腔室，緩沖腔室的頂板設(shè)有采集口，采集口入口處裝有紅外計數(shù)器，緩沖板下方為收集盒。

緩沖板中央和收集盒的底板中央均設(shè)有通口，一立柱穿過通口安裝在收集箱內(nèi)部，立柱的底端固定在承載小車上，立柱頂端設(shè)有法蘭，法蘭通過連接臂與若干上下開口的轉(zhuǎn)筒相連(樣機為四轉(zhuǎn)筒設(shè)計)，立柱內(nèi)部設(shè)有旋轉(zhuǎn)電機，旋轉(zhuǎn)電機的輸出軸與法蘭相連，驅(qū)動其水平旋轉(zhuǎn)。緩沖板上還設(shè)有掉落口，掉落口與采集口不處于同一豎直直線上；掉落口連接一滑落軌道，滑落軌道的出口連接于收集盒內(nèi)。示意圖如圖5、圖6所示。

圖3 水果采摘收集流程圖

圖4 可伸縮單果采摘桿結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 無頂蓋可移動收集裝置示意圖

圖6 可移動收集裝置側(cè)面示意圖

3.3.2 水果收集

開啟動力源后，設(shè)定旋轉(zhuǎn)電機步進運行速度，經(jīng)由采摘器柔性網(wǎng)兜滑落的水果經(jīng)緩沖板上方的采集口落入轉(zhuǎn)筒，接觸到緩沖板，紅外計數(shù)器計數(shù)，同時將信號傳輸至單片機，單片機控制旋轉(zhuǎn)電機帶動轉(zhuǎn)筒水平順時針旋轉(zhuǎn)90°，轉(zhuǎn)筒將其內(nèi)部的水果帶至緩沖板的掉落口，水果通過滑落軌道進入收集盒，完成一次水果收集。同時，完成一次收集后，下一轉(zhuǎn)筒恰巧位于采集口下方，為下一次水果收集待命。整個收集部分的工作可以通過調(diào)速開關(guān)調(diào)整旋轉(zhuǎn)電機運行速度從而適當(dāng)調(diào)整收集的速度，提高收集工作的效率。

3.3.3 水果滿倉取出

收集箱內(nèi)部邊緣豎直安裝有滑動導(dǎo)軌，其上設(shè)有可上下滑動的滑塊軸承，滑塊軸承的外端安裝在收集盒的側(cè)面與連桿活動連接，連桿與推桿電機的輸出端活動連接，推桿電機與單片機電性相連。推桿電機在單片機信號的激勵下做水平方向的往復(fù)運動，而滑塊軸承在連桿的帶動下在滑動導(dǎo)軌上從動地做豎直往復(fù)運動，進而帶動收集盒的一端升起或落下。

采摘完成或收集盒滿倉時，通過推桿電機提供動力，連桿推動滑塊軸承工作，將收集盒升起，便于快速取出收集好的水果，大大提升了取出水果的便利性。

3.4 控制箱的設(shè)計

控制箱的主要作用為提供動力源、控制收集與取出水果。

3.4.1 動力源

采用蓄電池作為動力源?？刂葡涞耐獠吭O(shè)置太陽能電池板，將太陽能電池板與蓄電池電性相連，使其可以為蓄電池充電，動力源可以循環(huán)使用，符合當(dāng)下節(jié)能環(huán)保的社會風(fēng)潮。

3.4.2 控制系統(tǒng)

控制箱設(shè)有單片機，單片機與旋轉(zhuǎn)電機、推桿電機、紅外計數(shù)器和若干按鈕電性相連。按下啟動按鈕開啟動力源后，通過設(shè)置旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)速按鈕設(shè)定合適的采集速度，當(dāng)采摘水果觸發(fā)紅外計數(shù)器后，將其信號傳輸至單片機，單片機控制旋轉(zhuǎn)電機開啟，帶動轉(zhuǎn)筒水平順時針旋轉(zhuǎn)90°，轉(zhuǎn)筒將其內(nèi)部的水果帶至緩沖板的掉落口，水果通過滑落軌道進入收集盒，完成一次水果收集。

推桿電機與單片機電性相連。推桿電機在單片機信號的激勵下做水平方向的往復(fù)運動，而滑塊軸承在連桿20的帶動下在滑動導(dǎo)軌上從動地做豎直往復(fù)運動，進而帶動收集盒的一端升起或落下。

3.5 承載小車的設(shè)計

上述收集箱與控制箱都設(shè)置在承載小車上，承載小車主要起到承載收集箱、控制箱與實現(xiàn)移動收集的作用?？紤]到果園一般在丘陵山地等地區(qū)，承載小車設(shè)計為四輪結(jié)構(gòu)，后部的車輪上設(shè)置有碟式剎車，由一手柄控制啟閉，手柄內(nèi)帶有棘輪，可以控制檔位。如此，該水果收集裝置在采集水果的時候，不會因為地形有坡度而自行滑動，為采集活動帶來不便或額外損失。

4 使用效果分析

為驗證所設(shè)計的采摘收集裝置的使用效果，在蘋果園內(nèi)選取果實密度與樹干高度相近的兩顆果樹進行采摘，展開試驗，將本文所設(shè)計的采摘收集裝置與傳統(tǒng)徒手采摘的效果進行對比與分析。

試驗人員為果園內(nèi)工作人員，徒手采摘組2人為1組，采摘收集裝置組1人單獨操作，2組的采摘人員為同一人。徒手采摘組的采摘方法為1人徒手或借助剪刀進行采摘，1人進行果實收集與裝箱，對于高處的蘋果可借助梯子類工具進行采摘。采摘收集裝置組的采摘方法無需借助梯子類工具，單人獨立操作完成采摘與果實收集。采摘時間均為10min，采摘員自下而上進行采摘，每2min記錄1次數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計，數(shù)據(jù)結(jié)果如表1和圖7所示。

表1 蘋果園采摘效果對比

圖7 蘋果園采摘效果對比

對比發(fā)現(xiàn)，在節(jié)省1個人力的情況下，采摘效率提高了1.96倍。對于果實生長高度較高的果實，無需借助梯子等工具，可伸縮采摘桿的優(yōu)勢得到了充分發(fā)揮，可移動收集小車則節(jié)省了果實傳遞與裝箱的時間，采摘更加便捷輕松。基于此，可以認(rèn)為本設(shè)計具有一定的合理性與可行性。

5 結(jié)論

本文所設(shè)計的可移動式水果采摘收集裝置體積小，可移動，便于攜帶；操作簡單，實用性強；減速緩沖，保護水果，提升品質(zhì)；價格低廉，易于推廣；適用于不同高度的、多種類水果的采摘作業(yè)。其不僅能夠降低果農(nóng)的勞作強度、降低過程成本、提高果園生產(chǎn)率、提高水果品質(zhì)，還能促進我國的果園種植業(yè)的進步，追蹤世界前沿農(nóng)業(yè)技術(shù)，推動我國水果采摘的機械化發(fā)展。

采摘者只需將采摘器伸縮桿調(diào)至合適長度至果實的果柄部位，按鈕手柄控制剪切刀頭，水果自動滾落至收集箱，操作簡單，無需冗余動作；對所采摘單果的大小、高度基本沒有限制，因此，適用范圍很廣，使用便利；另外，在水果滾落及收集過程中實施多重保護，減少水果磕碰，提升果品品質(zhì)，是我國以自主分散經(jīng)營為主的果農(nóng)的首選，經(jīng)濟效益及社會效益顯著。