手持式水果輔助采摘器的設(shè)計(jì)

手持式水果輔助采摘器的設(shè)計(jì)張緯哲漲斌;黃稼元【摘要】通過對(duì)果樹高處橘子、蘋果、梨和桃子等水果輔助采摘的功能要求分析,確定了輔助采摘器實(shí)現(xiàn)方案的功能結(jié)構(gòu)分解，進(jìn)而設(shè)計(jì)了由調(diào)節(jié)桿、采摘及收納等3個(gè)功能結(jié)構(gòu)模塊組成的手持式水果輔助采摘器.調(diào)節(jié)桿模塊用于采摘器長(zhǎng)度和角度的調(diào)節(jié)，采摘模塊用于水果的捕獲、果柄定位與剪切，收納模塊用于果實(shí)收納.樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，該機(jī)能克服現(xiàn)有水果輔助采摘器性能的不足,適宜于果農(nóng)在實(shí)際作業(yè)中應(yīng)用.%Throughtheanalysisofthefunctionalrequirementsoffruit-assistedpickingoforanges,apples,pearsandpeachesinfruittrees,thefunctionalstructuredecompositionoftheauxiliarypickerimplementationschemewasdetermined,andathreefunctionalstructuresmoduleincludingadjustmentrods,pickingandstorageweredesigned.Theadjustingrodmoduleisusedforadjustingthelengthandangleofthepicker,thepickingmoduleisusedforfruitcapturing,thehandlepositioningandcutting,andthestoragemoduleisusedforfruitstorage.Theprototypeexperimentshowsthatitcanovercomesomeoftheshortcomingsoftheexistingfruit-assistedpicker,anditcanbesuitableforthepracticalapplicationoffruitfarmersintheoperation.【期刊名稱】《新疆農(nóng)機(jī)化》【年(卷)，期】2018(000)006【總頁數(shù)】3頁(P15-17)【關(guān)鍵詞】水果;采摘器;手持式;設(shè)計(jì)【作者】張緯哲漲斌;黃稼元【作者單位】江西理工大學(xué)，江西贛州341000;江西銅業(yè)集團(tuán)公司德興銅礦，江西贛州341000;杭州電子科技大學(xué)，江西贛州|341000【正文語種】中文【中圖分類】S225.930引言隨著人們生活水平的不斷提高，柑子、橘子、梨、蘋果、桃子及石榴等水果需求量增大，種稙面積越來越大。這些長(zhǎng)在較高果樹上的水果，國(guó)內(nèi)果農(nóng)仍較多地采用傳統(tǒng)的人手采摘，但由于身高限制，往往需要借助梯子，或爬上果樹進(jìn)行采摘作業(yè)，從而勞作效率低，對(duì)人和果樹存在著一定的安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。目前，為了提高水果的采摘效率，國(guó)外已研制出了一些大型的果樹機(jī)械采摘裝備［1-2］。這些大型機(jī)械采摘裝備對(duì)果園的地面平整度有一定的要求，較適用于大型平原地帶的果園采摘，而對(duì)于小型或地形高低不平等環(huán)境復(fù)雜的果園不適宜。為提高小型或地形復(fù)雜果園的果樹采摘效率，市場(chǎng)上也已出現(xiàn)了一批手動(dòng)或電動(dòng)的水果輔助采摘器，如爪式采摘手［3］和剪式采摘手［4］等，這些輔助采摘手在一定程度上解決了果樹采摘的安全性與便利性問題。但仍存在著水果采摘捕獲定位操作較困難，或果柄拉拽式折切易造成水果損傷，或采摘后水果收納的效率較低等問題，難以在生產(chǎn)中得到較好的推廣。此外，針對(duì)不同類型的水果采摘，很多科研院校正在研制各類智能水果采摘器［5-6］,但目前基本上仍處于實(shí)驗(yàn)研制階段。為此通過調(diào)研，本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一款手持式果樹輔助采摘器，以克服現(xiàn)有水果輔助采摘器性能的不足，滿足實(shí)用化的需求。1功能要求與結(jié)構(gòu)分解1.1功能要求分析本文所涉及的水果輔助采摘器，相當(dāng)于人手的延伸。因此，對(duì)照人手采摘水果步驟，其具有的功能主要有：（1）采摘器能夠調(diào)整長(zhǎng)度與角度，以便夠著果樹上較高的水果；（2）水果捕獲抓取功能，以便后續(xù)的水果剪切定位；（3）果柄定位功能，使果柄定位于剪刀工作范圍內(nèi)；（4）果柄剪切功能，剪切刀鋒利，剪切用力??；（5）果實(shí)收納功能。既要保證收納效率，也不能造成果實(shí)損害。此外，考慮到野外的作業(yè)場(chǎng)所和生產(chǎn)成本，輔助采摘器所有功能結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)均采用人工手動(dòng)操作。因此，其結(jié)構(gòu)需具有輕巧和易操作的人機(jī)工程要求。1.2功能結(jié)構(gòu)分解根據(jù)上述采摘流程步驟，為實(shí)現(xiàn)輔助采摘器的功能要求，采摘器總體按調(diào)節(jié)桿模塊、采摘模塊及收納模塊進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)的模塊分解。其中，調(diào)節(jié)桿模塊用于采摘器長(zhǎng)度和角度的調(diào)節(jié)，采摘模塊用于水果的捕獲、果柄定位與剪切，收納模塊用于果實(shí)收納。其功能結(jié)構(gòu)分解及對(duì)應(yīng)的采摘流程功能見圖1。圖1采摘器功能結(jié)構(gòu)與采摘流程分解示意2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)采摘器功能與結(jié)構(gòu)分解，設(shè)計(jì)的采摘器總體結(jié)構(gòu)見圖2。其主要由調(diào)節(jié)桿、采摘及收納3個(gè)功能模塊組成。其中，調(diào)節(jié)桿模塊主要由伸縮桿和角度調(diào)節(jié)頭組成，角度調(diào)節(jié)頭與采摘模塊連接；采摘模塊主要由果實(shí)捕獲機(jī)構(gòu)、果柄定位機(jī)構(gòu)及剪切機(jī)構(gòu)組成；收納模塊主要由收納器與收納箱組成，收納器與采摘模塊連接，果實(shí)通過收納器進(jìn)入地面的收納箱。3個(gè)功能模塊結(jié)構(gòu)中，采摘模塊是采摘器的主體，因而是采摘器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與關(guān)鍵模塊。圖2輔助采摘器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.采摘模塊2.調(diào)節(jié)桿模塊3.收納模塊2.1調(diào)節(jié)桿模塊調(diào)節(jié)桿模塊結(jié)構(gòu)見圖3。其伸縮桿用于輔助采摘器的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)，主要根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有眾多的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)桿進(jìn)行選型設(shè)計(jì)；角度調(diào)節(jié)頭見圖4,用于采摘模塊采摘時(shí)的角度調(diào)節(jié)，由上、下調(diào)節(jié)塊組成，分別與采摘模塊、調(diào)節(jié)桿固定連接。上、下調(diào)節(jié)塊通過螺栓螺母連接，旋松螺母，即可調(diào)整上、下調(diào)節(jié)塊的相對(duì)角度，即調(diào)整采摘模塊與調(diào)節(jié)桿之間的相對(duì)角度。圖3調(diào)節(jié)桿模塊結(jié)構(gòu)1.采摘模塊2.角度調(diào)節(jié)頭3.伸縮桿調(diào)節(jié)頭圖4角度調(diào)節(jié)頭結(jié)構(gòu)1.調(diào)節(jié)螺栓2.調(diào)節(jié)頭固定螺栓3.角度調(diào)節(jié)頭2.2采摘模塊采摘模塊結(jié)構(gòu)見圖5，由水果套取捕獲機(jī)構(gòu)、果柄索定位機(jī)構(gòu)及果剪式剪切機(jī)構(gòu)組成。圖5采摘模塊設(shè)計(jì)1.果實(shí)套取捕獲環(huán)機(jī)構(gòu)2.果柄索定位機(jī)構(gòu)3.果剪式剪切機(jī)構(gòu)4.動(dòng)力傳遞索5.末端滑動(dòng)套6.定位索現(xiàn)有的爪式采摘手和剪式采摘手均存在著果實(shí)捕獲較為困難，果實(shí)易損傷、且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜等不足。為此，本設(shè)計(jì)中，果實(shí)捕獲采用圓環(huán)套取方案。由于套取環(huán)內(nèi)徑較大，相對(duì)來講，果實(shí)捕獲較易；捕獲中，由于套取環(huán)無需與果實(shí)接觸，也就不易對(duì)果實(shí)造成損傷；同時(shí)，套取環(huán)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，易制作，成本低。實(shí)際應(yīng)用中，套取環(huán)還可以做出內(nèi)徑不同的系列，以適應(yīng)不同的水果。水果被捕獲后，將果柄剪切，水果才能采摘下來。套取環(huán)捕獲水果后，水果的果柄不一定正好定位在果剪的工作范圍內(nèi)，因此，需要有定位機(jī)構(gòu)將果柄定位到果剪的工作范圍中。本設(shè)計(jì)中，采用索定位的機(jī)構(gòu)方案（圖5），其主要由定位索、末端滑動(dòng)套等組成。定位索設(shè)計(jì)為彈性索，初始狀態(tài)時(shí)，前端定位索位于捕獲套取環(huán)的索槽中，后端與末端滑動(dòng)套連接，末端滑動(dòng)套安裝在調(diào)節(jié)桿上。當(dāng)水果套取捕獲后,操作人員一只手拉動(dòng)末端滑動(dòng)套，定位索收縮，將果柄拉入定位到果剪工作范圍內(nèi)，果柄剪切后，松開末端滑動(dòng)套，定位索在自身的彈性作用下，恢復(fù)到初始狀態(tài)。果柄剪切采用果剪式剪切機(jī)構(gòu)方案（圖5）。其主要由果剪刀頭、動(dòng)力彈性傳遞索及末端握把等構(gòu)成。果剪刀頭設(shè)有復(fù)位彈簧；動(dòng)力彈性傳遞索一端與果剪柄連接，另一端與末端握把連接；末端握把安裝在調(diào)節(jié)桿上。初始狀態(tài)時(shí)，果剪兩刀片張開;果柄剪切作業(yè)時(shí)，握捏末端握把，通過傳遞索，果剪兩刀片嚙合，剪切果柄；果柄剪切后，松開末端握把，動(dòng)力傳遞索復(fù)原，果剪兩刀片在復(fù)位彈簧作用下，回復(fù)到初始的張開狀態(tài)。2.3收納模塊收納模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖2，收納模塊主要由波紋式果實(shí)收納網(wǎng)與收納箱組成，收納網(wǎng)上端與采摘模塊的果實(shí)套取環(huán)連接，果實(shí)通過收納網(wǎng)下滑至地面的收納箱。收納網(wǎng)為中空彈性節(jié)狀網(wǎng)兜，果柄剪切后的果實(shí)在重力作用下，因網(wǎng)兜彈性波紋節(jié)的作用，能有效阻緩自由落體運(yùn)動(dòng)，從而防止果實(shí)滑落過程中引起的較大碰撞，造成果實(shí)損傷。3小結(jié)經(jīng)調(diào)研、功能需求分析與設(shè)計(jì)后，對(duì)設(shè)計(jì)的輔助采摘器進(jìn)行了制作與采摘試驗(yàn)（圖6）。試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的輔助采摘器，能輕易地捕獲果樹高處的水果，果柄定位與剪切操作簡(jiǎn)便、效果佳，水果收納簡(jiǎn)單且不易損傷水果，克服了現(xiàn)有水果輔助采摘器性能的不足，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的功能目標(biāo)要求。此外，所設(shè)計(jì)的輔助采摘器成本極為低廉，非常有利于今后在果園的推廣應(yīng)用。圖6樣機(jī)采摘試驗(yàn)參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】SandersKF,OrangeHarvestingSystemsReview[J].BiosystemsEngineering,2005,90（2） :115-125.TorregrosaA,etal.,MechanicalharvestingoforangesandmandarinsinSpain[J].BiosystemsEngineering,2009，（104）：18-24.段文婷，何家成，彭銅杰等.便攜電動(dòng)式水果