柑橘類水果采摘機(jī)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用探討

桑 晶 ，盧 彬 ，楊淑琴

（南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211135）

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，我國的各種機(jī)械化水平不斷提高，機(jī)械自動(dòng)化已經(jīng)不斷延伸發(fā)展到各個(gè)領(lǐng)域，這就為國家的全面發(fā)展提供了巨大的推動(dòng)力[1]。農(nóng)業(yè)在這樣的時(shí)代背景下，也出現(xiàn)了巨大的技術(shù)革新，諸多農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化裝備問世，極大地推動(dòng)了我國農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的程度。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中果蔬采摘是勞動(dòng)力消耗巨大的環(huán)節(jié)之一，這一環(huán)節(jié)對(duì)勞動(dòng)力的要求很高，為了能夠解放勞動(dòng)力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[2]，就需要設(shè)計(jì)生產(chǎn)出功能更加全面、使用更加便利的機(jī)械設(shè)備。此外這些機(jī)器設(shè)備的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，不應(yīng)當(dāng)僅僅局限于果蔬的采摘，應(yīng)當(dāng)將這些技術(shù)延伸到整個(gè)作物生長過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物整個(gè)生長過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而更大程度上實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的增產(chǎn)，并且將勞動(dòng)力從中解放出來。

針對(duì)果蔬采摘行業(yè)，進(jìn)行作業(yè)的對(duì)象是果蔬，生長環(huán)境十分復(fù)雜，進(jìn)行機(jī)械生產(chǎn)時(shí)需要考慮的問題較多。例如對(duì)果樹進(jìn)行采摘時(shí)，要對(duì)樹葉之中的果實(shí)進(jìn)行精準(zhǔn)采摘，因?yàn)橛行┕麑?shí)質(zhì)地較軟，一旦發(fā)生磕碰就很難進(jìn)行售賣和保存。因此與傳統(tǒng)的人工采摘相比較，機(jī)械化采摘還有諸多問題需要克服，例如對(duì)果實(shí)的精準(zhǔn)跟蹤、適宜的采摘力度、更高的分揀效率等等。

由此可以看出要想設(shè)計(jì)好柑橘類水果采摘機(jī)器，需要從多方面進(jìn)行考慮，從而設(shè)計(jì)出更能夠適應(yīng)實(shí)際采摘環(huán)境的采摘機(jī)器。

1 國內(nèi)外機(jī)械化現(xiàn)狀對(duì)比

1.1 國外采摘機(jī)械化現(xiàn)狀

目前國外的機(jī)械式采摘比較成熟，主要的采摘方式有震搖、撞擊、切割三種類型，其中震搖主要是通過搖動(dòng)果樹的枝干來促使果實(shí)掉落，撞擊是通過物理撞擊來使果實(shí)被震落，切割則是通過將植物枝干或者果實(shí)與枝干連接點(diǎn)進(jìn)行切割，從而實(shí)現(xiàn)果實(shí)的分離。

在日本的諸多地區(qū)，果樹種植情況與我國類似，并且由于地形的緣故很多機(jī)器都不能有效使用[3]。因此日本早在20世紀(jì)90年代就開始進(jìn)行了采摘機(jī)械化的相關(guān)研究，并且設(shè)計(jì)出了自走式采摘車，這一采摘車在設(shè)計(jì)上很好地克服了地形上的困難，做出了抓地力與爬坡能力較強(qiáng)的設(shè)計(jì)。此外還在設(shè)計(jì)中采用了車輪正反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，提升了車輪的回轉(zhuǎn)能力，從而有效地適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐牡匦巍?/p>

在自動(dòng)化信息化不斷發(fā)展的背景下，國外的研究方向逐漸指向了機(jī)器人采摘[4]，早在20 世紀(jì)70 年代，美國就已經(jīng)開始了對(duì)機(jī)器人采摘的研究。此后在不斷的發(fā)展之下，其他的眾多發(fā)達(dá)國家都對(duì)采摘機(jī)器人進(jìn)行了深入研究，從而出現(xiàn)了眾多成功的采摘機(jī)器人。其中有很多機(jī)器人已經(jīng)植入了人工智能系統(tǒng)，在進(jìn)行采摘時(shí)更加智能化。對(duì)于采摘機(jī)器人而言，需要在多個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先是機(jī)械臂的設(shè)計(jì)，其次是行動(dòng)系統(tǒng)，最后是視覺系統(tǒng)，只有通過各個(gè)系統(tǒng)的有效配合，才能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人對(duì)果樹果實(shí)的精準(zhǔn)采摘。但是在現(xiàn)階段的研究中，有很多的工作機(jī)械設(shè)備是不能夠?qū)崿F(xiàn)的，影響采摘機(jī)器人采摘成功率和采摘效率的有很多種，并且這些因素都是很難進(jìn)行避免的外界因素。在機(jī)械臂的研究上，美國已經(jīng)設(shè)計(jì)出了能夠與人手靈敏度相似的機(jī)械臂，但是在其他的技術(shù)方面還有很多的不足，并且由于技術(shù)上的制約，采摘機(jī)器人的生產(chǎn)成本巨大，不利于實(shí)際的生產(chǎn)。

1.2 國內(nèi)采摘機(jī)械化現(xiàn)狀

在我國，關(guān)于機(jī)械化采摘的研究早在20 世紀(jì)就已經(jīng)開始了[5]，但是研制出的方法并未徹底實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，仍然需要人力的輔助。雖然相對(duì)于傳統(tǒng)的人力采摘，已經(jīng)有了一定程度的技術(shù)進(jìn)步，但是在采摘效率上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求。后來逐漸演變出了一種剪枝采摘器，但是在這樣的反復(fù)剪切下不利于果樹的生長，并且隨著各種技術(shù)的嘗試，經(jīng)歷了與國外技術(shù)發(fā)展相似的經(jīng)歷[6]。各種技術(shù)的實(shí)際效果不夠理想，難以滿足實(shí)際要求。與國外不同的是，我國創(chuàng)新研制出了吹氣式采摘機(jī)，但是采摘效果不夠理想從而被市場(chǎng)淘汰。在這些設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，經(jīng)過不斷的探索研究終于研制出了一款名為 LG-1 型多功能果園作業(yè)機(jī)的多功能的采摘機(jī)器，并且還具備修剪、噴藥、運(yùn)輸?shù)裙δ?。這一機(jī)械設(shè)備的研制成功，標(biāo)志著我國的果園采摘進(jìn)入了多功能作業(yè)時(shí)代，這項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際使用中呈現(xiàn)出了諸多的優(yōu)勢(shì)，極大地提高了果園采摘的采摘效率。

2 柑橘類水果采摘機(jī)器的設(shè)計(jì)

2.1 功能目標(biāo)

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，所要滿足的功能目標(biāo)主要有以下5 點(diǎn)：①攜帶方便；②制作成本低；③能夠?qū)麑?shí)進(jìn)行有效分揀；④能夠?qū)θ斯げ烧鸬捷o助作用；⑤操作簡便。

2.2 設(shè)計(jì)思路簡介

該可分揀摘果器主要面向的是高空枝頭果實(shí)的采摘，通過利用操作桿來對(duì)果實(shí)進(jìn)行剪切，并讓果實(shí)順著管道緩慢下落，最后通過管口的分揀裝置進(jìn)行分揀，下落到相對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)存框中。在這一過程中，為了有效降低果實(shí)之間的碰撞，需要在管道的出口進(jìn)行加裝緩沖裝置，從而有效避免果實(shí)出現(xiàn)磕碰。為了適應(yīng)不同的果實(shí)高度，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)操作桿和輸果帶的長度進(jìn)行了可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，從而有效保證了出果口不會(huì)發(fā)生果實(shí)碰傷。利用該思路設(shè)計(jì)出的分揀摘果器，不僅在操作上十分簡便，而且還能夠有效保證果實(shí)質(zhì)量。

2.3 采摘機(jī)器的結(jié)構(gòu)組成與功能

該可分揀摘果器，組成結(jié)構(gòu)十分簡單，主要是由操作桿、剪刀、輸果帶、分揀裝置、出果口高度調(diào)整裝置、果框、小車構(gòu)成。操作桿與剪刀負(fù)責(zé)對(duì)果實(shí)進(jìn)行摘除，輸果帶負(fù)責(zé)緩沖果實(shí)的下落防止產(chǎn)生碰傷，分揀裝置則是要將果實(shí)根據(jù)大小來進(jìn)行分揀，出果口高度調(diào)整裝置則是為了防止果實(shí)下落出現(xiàn)碰傷，果框與小車是為了果實(shí)的儲(chǔ)存與運(yùn)輸。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程

3.1 果框的固定

由于在進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，會(huì)由于地面不平整使得行進(jìn)時(shí)可能會(huì)造成顛簸，如果不對(duì)果框進(jìn)行固定，很容易導(dǎo)致果框進(jìn)行抖動(dòng)使果實(shí)出現(xiàn)碰傷。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)選用了角鐵進(jìn)行固定，為了提高設(shè)計(jì)的通用性，在角鐵的固定上使用了可以滑動(dòng)的結(jié)構(gòu)，從而能夠更好地適應(yīng)不同大小果框的固定。

3.2 可分揀裝置的設(shè)計(jì)

在分揀裝置上，利用箱體底部的口徑大小來實(shí)現(xiàn)，具體表現(xiàn)為果實(shí)落下后進(jìn)入分揀裝置中，在分揀裝置中底部設(shè)有不同口徑的空洞，并且有一定的傾斜度，這就使果實(shí)在下滑過程中會(huì)順著不同的孔洞下落從而實(shí)現(xiàn)了分揀工作。為了防止出現(xiàn)大量果實(shí)的聚集，還加裝了兩個(gè)有一定角度的立板，最后固定蓋板。

4 具體制作過程

4.1 果框與軟管的固定

果框的固定需要在小車上進(jìn)行角鐵的安裝，利用打孔機(jī)進(jìn)行打孔，最后利用螺絲釘實(shí)現(xiàn)固定。首先要將管口進(jìn)行一定的切割，然后利用鐵絲與膠槍將剪刀固定在管口，最后將軟管加裝在直角管底部完成安裝。

4.2 分揀裝置的制作

分揀裝置的制作相對(duì)復(fù)雜，需要利用激光切割技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行切割，然后得到相應(yīng)大小的空洞，最后將準(zhǔn)備好的隔板進(jìn)行固定完成安裝，操作簡單，并且成本較低，可以實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)。

5 產(chǎn)品特色與前景

該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)上都具有很強(qiáng)的簡便性，在實(shí)際操作中也十分簡單易行，并且能夠極大地提高采摘效率。這也是目前國內(nèi)唯一的自動(dòng)分揀采摘裝置，有利于進(jìn)一步的生產(chǎn)應(yīng)用。在我國的果樹種植行業(yè)內(nèi)，有很多都是分散種植，不適合采用大型機(jī)器進(jìn)行采摘。因此這項(xiàng)新型的采摘裝置就很好地解決了這一問題，并且這一裝置的生產(chǎn)成本低，能夠進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)不僅可以有效提高采摘效率，還能夠快速實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)，并且適應(yīng)我國的行業(yè)狀況，具有很好的市場(chǎng)前景。

6 結(jié)語

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，越來越多的科學(xué)技術(shù)為我們的生產(chǎn)生活帶來便利，這些都離不開科研人員的辛苦研究，在他們不斷地創(chuàng)新之下完成了越來越多的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在本文中所提出的新型柑橘類水果采摘機(jī)器有著諸多的優(yōu)勢(shì)，能夠在未來為我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供更多的便利，從而有效推動(dòng)農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的革新。