一種胡柚高枝剪的設(shè)計與研究*

欒雨杰 ， 何勤杰 ， 朱 峻 ， 陳翔飛

（衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，浙江 衢州 324000）

0 引言

目前，胡柚主要依靠人工采摘，由于胡柚樹樹體高大，果農(nóng)在采摘過程中需要爬上樹或者借助梯子登高，使得人工采摘工作具有一定的危險性，且反復(fù)上下梯也降低采摘的效率，人工成本非常高。采摘是胡柚生產(chǎn)中費時費力的環(huán)節(jié)，在胡柚采摘期間的勞動力投入約占整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的50%~70%。針對上述問題，自動或者半自動采摘器[1-2]能夠提高水果采摘的工作效率，節(jié)省人工成本，提高果農(nóng)的經(jīng)濟效益。然而，我國胡柚種植大多位于丘陵山區(qū)，屬于坡地，因此合適的全自動大型采摘機械很少[3]，且由于成本高，操作復(fù)雜，維修保養(yǎng)費用高等，導(dǎo)致現(xiàn)有的大中型采摘機在胡柚種植區(qū)域難以適用。為此，國內(nèi)很多學(xué)者對小型水果采摘器做了大量的研究與試驗。左斌等[4]為解決高枝水果采摘器難的問題，設(shè)計出一種多自由度定位機構(gòu)的高枝水果采摘器，試驗結(jié)果表明該采摘器的采摘效率高，平均每個水果采摘時間為6 s。吳先煥等[5]通過分析果農(nóng)采摘水果的現(xiàn)狀，研制了半自動可調(diào)式水果采摘器，該采摘器降低了果農(nóng)的勞動強度和成本，可應(yīng)用在大規(guī)模的水果采摘中。蔡華春等[6]為解決水果采摘器價格高和便攜性差問題，基于氣動原理設(shè)計了一種可疊式水果采摘器，利用自鎖折疊機構(gòu)提升了采摘器的便捷性。黃世剛等[7]為解決采摘器效率低等問題，利用電機的正反轉(zhuǎn)提升了采摘器的專項功能，提高了采摘效率。

因此，以胡柚采摘的實際工作為需求，為了更好地提升采摘器的實際應(yīng)用性，本文設(shè)計了一種握力式胡柚高枝剪，使得果農(nóng)在地面上就可以輕松采摘到胡柚樹頂附近的胡柚，且后期保養(yǎng)、維修方便，勞動強度較低，果園采摘人員在簡單熟悉產(chǎn)品使用流程后，即可完成胡柚的采摘工作。本文所設(shè)計的高枝剪對所采摘的單果高度、大小限制少，適用范圍很廣，成本低，特別適用小型采摘園和個體農(nóng)戶的使用。

1 高枝剪設(shè)計方向與整體結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計方向

本文所設(shè)計的胡柚高枝剪首先是解決果農(nóng)無法站在地面上就能采摘胡柚的難題；其次是要求高枝剪結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，便于果農(nóng)攜帶，方便果農(nóng)在丘陵山區(qū)使用；最后是可以實現(xiàn)類似人工采摘的過程，將胡柚結(jié)蒂剪斷的同時，不傷害胡柚表面，保證采摘器不對胡柚造成損傷。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

高枝剪主要由手握手柄、高度調(diào)節(jié)裝置、傳動機構(gòu)、收集網(wǎng)以及剪刀等組成，如圖1所示。其中傳動機構(gòu)安裝在高度調(diào)節(jié)伸縮桿內(nèi)部，連接剪刀與手柄，主要是依靠手握力剪斷胡柚的枝條；高枝剪的主要作業(yè)目的是剪斷枝條，所以剪刀設(shè)計較為關(guān)鍵，在剪刀處設(shè)計類齒條夾持裝置，可以在剪枝時，夾住枝條；伸縮桿則是實現(xiàn)高枝剪的關(guān)鍵部件[5]，本文設(shè)計的伸縮桿主要由2節(jié)組成，根據(jù)胡柚樹的高低，實現(xiàn)不同高度的作業(yè)。

圖1 高枝剪整體結(jié)構(gòu)

2 主要功能部件的設(shè)計與工作原理

2.1 剪刀部件機構(gòu)

高枝剪剪刀部件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由刀片和帶有鋸齒狀的夾持件組成，刀片為一動一靜，且兩片刀片上分別有一個帶有鋸齒狀的夾持件，在剪斷枝條的同時可以夾住剪下來的枝條。握動手柄可以控制刀片的開合，靜刀片則與伸縮桿在一條直線上保持不動，刀刃形狀不是直線，而是圓滑的弧線[8]，且刃口單面呈楔形，能夠?qū)崿F(xiàn)滑切。因為滑切要比砍切省力，所以這種刀刃可以更方便操作。

圖2 剪刀部件

25~49歲的普通成年人的單手握力約為32.6 kg~57.7 kg，取平均值48.0 kg計算，重力加速度g=9.8 N/kg，則握力為：

胡柚果柄直徑統(tǒng)計分析表明，果柄直徑范圍大多為1.8 mm~5.4 mm，取最大直徑5.4 mm計算剪斷果柄所需要的最大剪切應(yīng)力。根據(jù)傳動機構(gòu)的杠桿原理要實現(xiàn)力的轉(zhuǎn)化[9]，在手柄處，施力臂與阻力臂的比值約為4。

因此普通成年人單手操作能夠產(chǎn)生的平均剪切應(yīng)力為：

計算結(jié)果大于胡柚枝的最大抗剪強度3.7 N/mm2。

2.2 高度調(diào)節(jié)裝置

胡柚樹的高度一般不超過5 m，采摘時采摘人員一般都是站立采摘，所以當(dāng)采摘桿達到3.5 m左右時，一般人均采摘得到。如圖3所示，在高枝剪上設(shè)計了高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，由一級套桿、二級伸縮桿以及滑套鎖緊機構(gòu)組成。如圖4所示，滑套鎖緊機構(gòu)由滑套和杠桿鎖緊機構(gòu)組成，在按鈕下方設(shè)計了滑套鎖緊機構(gòu)，二級伸縮桿上分布的四個限位孔在經(jīng)過滑套鎖緊機構(gòu)時，由于杠桿鎖緊機構(gòu)作用，限位孔依次被鎖死，伸縮桿可按需改變長度。

圖3 高度調(diào)節(jié)裝置

圖4 滑套鎖緊機構(gòu)

為保證高枝剪剪切的精度以及穩(wěn)定性，高度調(diào)節(jié)機構(gòu)的彎曲變形量不能過大[10]。胡柚重量相對于高枝剪自身重量而言很小[11]，因此，高枝剪幾乎只受自身重力影響，即當(dāng)高度調(diào)節(jié)機構(gòu)水平放置時彎曲變形量最大，如圖5所示。

圖5 高度調(diào)節(jié)機構(gòu)彎曲變形示意圖

彎曲應(yīng)力為：

式中，σ為彎曲應(yīng)力；L為彎矩；W為抗彎模量。

彎矩：

抗彎模量：

綜上可得，σ=175 MPa，遠遠小于 鋁合金（6061）的彎曲極限強度228 MPa。

2.3 手柄機構(gòu)

手柄用于果農(nóng)控制高枝剪的采摘工作，需具備一定的強度和便捷性。為此，基于人機工程學(xué)，采用高強度的塑性材料制作而成。如圖6所示，巧妙利用杠桿原理，保證果農(nóng)在剪一些較為粗大的胡柚枝時，無需費很大的力便能輕松完成剪枝任務(wù)。而且在手柄上設(shè)計復(fù)位彈簧，剪枝完成后保證手柄復(fù)位，為下次剪枝做準(zhǔn)備。

圖6 手柄

3 使用效果分析

1）本文設(shè)計的高枝剪在采摘胡柚時可通過夾持裝置將胡柚枝先夾住，然后利用剪刀切斷胡柚枝，被采摘的胡柚直接掉入收集裝置中，在提高采摘效率的同時，一定程度上保證了胡柚采摘的完好率。

2）高度調(diào)節(jié)裝置可以改變高枝剪的伸縮長度，實現(xiàn)了果農(nóng)在地面上進行不同高度的胡柚采摘工作，降低了采摘的勞動強度。

3）本文設(shè)計的高枝剪結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、操作靈活方便，并易于攜帶。

4 結(jié)論

本文通過研究胡柚采摘的工作特性，以其實際需求為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種胡柚采摘高枝剪，可根據(jù)果樹的高度調(diào)節(jié)高枝剪的高度，而且采摘后的胡柚可以直接進入收集袋，該高枝剪能夠滿足胡柚的采摘要求，操作簡單，不受地域的限制，適應(yīng)性強，有效提高了胡柚的采摘效率。而且該高枝剪在今后將與行走機器人或者機器視覺裝置進行融合，實現(xiàn)全自動的胡柚采摘，使其更好地為果農(nóng)服務(wù)。