張緯哲，張 斌，黃稼元

（1江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000；2.江西銅業(yè)集團(tuán)公司德興銅礦；3.杭州電子科技大學(xué)）

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，柑子、橘子、梨、蘋(píng)果、桃子及石榴等水果需求量增大，種稙面積越來(lái)越大。這些長(zhǎng)在較高果樹(shù)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(shù)進(jìn)行采摘作業(yè)，從而勞作效率低，對(duì)人和果樹(shù)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(shù)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(shù)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(shù)采摘的安全性與便利性問(wèn)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(wèn)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(guò)調(diào)研，本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一款手持式果樹(shù)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(shù)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?。唬?）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(jiàn)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(jiàn)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(guò)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)

2.1 調(diào)節(jié)桿模塊

調(diào)節(jié)桿模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(jiàn)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(guò)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)

圖4 角度調(diào)節(jié)頭結(jié)構(gòu)

2.2 采摘模塊

采摘模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)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)

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(lái)講，果實(shí)捕獲較易；捕獲中，由于套取環(huán)無(wú)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(lái)。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(kāi)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(kāi)；果柄剪切作業(yè)時(shí)，握捏末端握把，通過(guò)傳遞索，果剪兩刀片嚙合，剪切果柄；果柄剪切后，松開(kāi)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(kāi)狀態(tài)。

2.3 收納模塊

收納模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)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(guò)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(guò)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(shù)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)