一種智能可控柑橘采摘剪的設(shè)計(jì)

高宇杭 鄔明良 李泉良 游業(yè)豪 王利紅

摘 要：我國(guó)柑橘種植面積和產(chǎn)量均居世界之首，其采摘大多仍依靠人工用剪刀采摘完成。針對(duì)人工采摘柑橘過程中存在的采摘時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大及不能持續(xù)采摘致使采摘效率低的問題，本文設(shè)計(jì)了一種智能的“一橘一動(dòng)”手持式可控自動(dòng)剪，減輕人工采摘柑橘時(shí)的疲勞。該裝置重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、使用方便。

關(guān)鍵詞：柑橘采摘剪;手持式電動(dòng)剪;觸動(dòng)開關(guān)

中圖分類號(hào)：S225.93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）10-0027-04

Abstract： Citrus acreage and production in China ranks first in the world， most of the citrus picking process still depends on manual picking with scissors. In order to solve the problems of long picking time， high labor intensity and unsustainable picking in the process of artificial picking of citrus， an intelligent "one-move" hand-held controllable automatic shear was designed to alleviate the fatigue of artificial picking of citrus. The device has the advantages of light weight， small volume， simple structure， low cost and convenient use.

Keywords： citrus picking scissors;hand-held electric scissors;touch switches

1 緒論

1.1 問題的提出

現(xiàn)階段，柑橘的采摘仍依靠人工完成。而長(zhǎng)時(shí)間勞作容易導(dǎo)致采摘人員身體疲勞，影響采摘效率。此外，部分品種的柑橘主要生長(zhǎng)在丘陵和高山地區(qū)，地面有斜坡，基礎(chǔ)設(shè)施條件差，無(wú)法使用大型的交通運(yùn)輸工具，因此，柑橘采摘后的運(yùn)輸也成為亟待解決的問題之一。為滿足果農(nóng)的采摘需求，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低勞動(dòng)成本，解決采摘裝置缺乏和勞動(dòng)力短缺等問題，半自動(dòng)化采摘裝備的研制和技術(shù)突破成為當(dāng)前需要解決的主要問題。

1.2 水果采摘機(jī)械國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有的采摘高處水果的摘果器多為長(zhǎng)桿摘果網(wǎng)兜。而采摘低處柑橘或水果的摘果器主要為：剪粗樹枝的電動(dòng)切割機(jī)，價(jià)格昂貴，目前并未用于柑橘采摘;帶視覺識(shí)別的機(jī)械手臂采摘辣椒的機(jī)械裝置;依靠吸力將蘋果吸取收集的機(jī)械裝置。

通過調(diào)查研究得出國(guó)內(nèi)外水果采摘機(jī)械現(xiàn)狀為：采用農(nóng)業(yè)機(jī)器人和智能化采摘機(jī)械是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，目前學(xué)者和專家開展了大量試驗(yàn)研究和技術(shù)探索，但實(shí)際應(yīng)用中仍存在技術(shù)難題，無(wú)法滿足市場(chǎng)需求。主要原因是：①采摘機(jī)械的試驗(yàn)條件單一和理想化，水果實(shí)際生長(zhǎng)環(huán)境復(fù)雜多變，而機(jī)械采摘受各種因素影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確采摘;②各水果的培育模式、栽植方式及生產(chǎn)環(huán)境存在較大差異，機(jī)械采摘收獲難度較大;③水果品種多樣，果樹高低繁茂差異顯著，果農(nóng)過度追求產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)利益，采取密植農(nóng)藝，沒有預(yù)留機(jī)械采摘空間。

1.3 本文的主要內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有采摘方式和采摘機(jī)械存在的不足，結(jié)合采摘工人的實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了一種智能可控的柑橘采摘剪及輔助裝置，幫助采摘工人減輕工作強(qiáng)度。設(shè)計(jì)目標(biāo)以成本低廉、結(jié)實(shí)可靠和操作方便靈活。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)構(gòu)想

為了能夠剪斷果柄，該裝置應(yīng)該有足夠大的剪切力;為了能在樹枝間靈活操作，該裝置應(yīng)小巧輕便;為了縮短采摘時(shí)間，該裝置單次剪切動(dòng)作耗時(shí)要短于人工剪切;為了能長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)且采摘人員不易疲勞，該裝置應(yīng)該電量足、重量輕[1]。

2.2 運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

2.2.1 剪刀刀頭的設(shè)計(jì)。為有效將柑橘與樹枝分離，且耗時(shí)短，又不損傷果皮，該智能可控柑橘采摘剪采用弧刀咬合切割果柄。此款弧形刀頭，一個(gè)刀頭固定，另一個(gè)刀頭繞軸旋轉(zhuǎn)，切割快速有效，且人工采摘多用類似剪刀。這種剪刀刀頭更小更薄，更易剪切果柄，且加工簡(jiǎn)單，行業(yè)發(fā)展成熟，成本較低廉、可替換性強(qiáng)。綜合考慮經(jīng)濟(jì)型性、可替換性和剪切能力等可知，弧刀咬合切割機(jī)構(gòu)更能滿足本文的設(shè)計(jì)需要[1]。

2.2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。因剪刀末端為繞軸旋轉(zhuǎn)的間歇式運(yùn)動(dòng)，需要將原動(dòng)件的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該智能可控柑橘輔助采摘剪的工作原理為正弦機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)循環(huán)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。該傳動(dòng)方案易于加工制造，能實(shí)現(xiàn)力的高效傳遞，運(yùn)行平穩(wěn)。

2.2.3 原動(dòng)件的設(shè)計(jì)。該智能可控柑橘采摘剪以伺服電機(jī)為原動(dòng)件，能精確控制旋轉(zhuǎn)角度，提供大扭矩，且重量輕，成本中等。

智能可控柑橘采摘剪的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示，機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式為：

2.3 受力分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 切割柑橘果柄力實(shí)驗(yàn)。本文選取四川德陽(yáng)地區(qū)的紅柑橘樹枝做切割力實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了20組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，樹枝直徑范圍為1.5～3.5mm。

陳燕等人[2]的研究得出，切割速度、刀具形式和滑切角均顯著影響柑橘果柄的切割力學(xué)參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)采用的是平刀刀頭，0°滑切角進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因?qū)嶒?yàn)在4月份，只能做切割柑橘樹枝的實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際切割柑橘果柄存在一定差異。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，切割3.5mm直徑的果柄至少需要40N的力[3]。

2.3.2 正弦機(jī)構(gòu)尺寸確定。通過在SolidWorks中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析可知，剪刀開合角度20°，導(dǎo)桿3（見圖1）的水平位移量為6mm，初步設(shè)置曲柄1（見圖1）長(zhǎng)度為6.75mm，滑塊2（見圖1）垂直方向的位移量為1.5mm，設(shè)計(jì)樣式如圖2所示，詳細(xì)尺寸參見工程圖。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本裝置為了縮減體積、減輕重量、方便使用，選用Arduino Nano作為控制器;為了減少工人的操作步驟，避免剪刀無(wú)效剪切，在刃口處安裝了觸動(dòng)開關(guān)，當(dāng)觸碰到樹枝時(shí)才執(zhí)行剪切動(dòng)作，并配合一個(gè)舵機(jī)和電源構(gòu)成了整個(gè)控制系統(tǒng)[4]。

當(dāng)觸動(dòng)開關(guān)檢測(cè)到果柄接觸后輸出信號(hào)，信號(hào)進(jìn)入Arduino Nano芯片，芯片輸出剪切信號(hào)給舵機(jī)，舵機(jī)進(jìn)行一次旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，帶動(dòng)剪切機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使剪切果柄實(shí)現(xiàn)摘果的目的。其控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

3.2 控制模塊設(shè)計(jì)

3.3 觸動(dòng)開關(guān)設(shè)計(jì)

考慮到控制要求、尺寸大小和成本造價(jià)，選用ESE22MV21T觸動(dòng)開關(guān)作為觸發(fā)器，此觸動(dòng)開關(guān)安裝于下刀片。安裝位置如圖6所示。

3.4 電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能柑橘采摘剪用Arduino Nano作為控制器，ESE22MV21T輕觸觸動(dòng)開關(guān)作為觸發(fā)器，LD-2701舵機(jī)作為執(zhí)行部件。其系統(tǒng)電路原理圖如圖7所示。

3.5 外接電源設(shè)計(jì)

為了保證該摘果器重量輕、能耗低，故采用電源與手持裝置分離的方式設(shè)計(jì)。電線長(zhǎng)1 140mm，重290g，電量為4 000mAh，額定電壓7.4V。配有充電接口、電源開關(guān)以及電壓過低報(bào)警裝置，可供電動(dòng)剪至少連續(xù)使用4h[7]。

電源續(xù)航時(shí)間計(jì)算：舵機(jī)最大功率為10.25W，控制器與開關(guān)最大功率和為0.5W，裝置功率10.75W，裝置切割一次時(shí)間0.32s，切割桔子的速度[V]=40個(gè)/min，電源容量4 000mAh額定電壓7.4V。

4 外觀及輔助裝置設(shè)計(jì)

4.1 外觀設(shè)計(jì)

為了讓使用者擁有良好的握持感，使用舒適，手持電動(dòng)剪外觀尺寸如圖8所示。

4.2 高層柑橘采摘裝置的設(shè)計(jì)

因人工獨(dú)自采摘高層柑橘時(shí)較困難，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的方便采摘高層柑橘的裝置。該裝置可將高層樹枝拉到方便采摘的位置，伸縮繩能固定當(dāng)前樹枝的狀態(tài)，騰出雙手，進(jìn)而繼續(xù)采摘。使用時(shí)，掛鉤1拉住樹枝，掛鉤2勾住收集小車，通過伸縮繩與可伸縮金屬桿調(diào)節(jié)拉過來(lái)的樹枝與人的距離。可伸縮金屬桿最大可伸長(zhǎng)350mm，伸縮繩最大可伸長(zhǎng)2 000mm，如圖9所示[8]。

5 總結(jié)

本套裝置的性能參數(shù)如下：可切割的柑橘果柄直徑<3.5mm;剪刀完成一次開合所需時(shí)間：0.32s;手持部分重量：180g;電源重量：290g;一次充滿電平均使用時(shí)長(zhǎng)：4h;充電時(shí)間：2h;高層柑橘采摘拉桿最高可到達(dá)高度：3m。

本套裝置在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，采用正弦機(jī)構(gòu)將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)變換為往復(fù)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)剪刀的擺動(dòng)。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，能實(shí)現(xiàn)力的高效傳遞，且占用空間小;在控制方面，利用安裝在刃口處的觸動(dòng)開關(guān)，當(dāng)觸碰到樹枝才執(zhí)行剪切動(dòng)作，避免無(wú)效剪切。

本套裝置的應(yīng)用前景：該電動(dòng)可控采摘剪裝置通過人工握持機(jī)身、自動(dòng)感應(yīng)剪切果柄，較好地解決了果農(nóng)長(zhǎng)時(shí)間手工采摘導(dǎo)致身體疲勞及效率低下的問題，能滿足普通果農(nóng)的采摘需求。有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可應(yīng)用于絕大多數(shù)品種的柑橘采摘，也可運(yùn)用于較細(xì)果木的枝葉修剪，配套輔助裝置中的高層柑橘采摘拉桿和收集小車，能很好地輔助人工采摘高層柑橘和運(yùn)輸柑橘。大批量生產(chǎn)時(shí)，成本低廉，且易于市場(chǎng)推廣和銷售。

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