惠 佳，王核心，許亞軍

（陜西省寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電信息學(xué)院，陜西 寶雞721000）

0 引言

水果是人類(lèi)生存不可或缺的食物，菠蘿更是水果中的優(yōu)品，又稱(chēng)鳳梨，為著名熱帶水果，其營(yíng)養(yǎng)豐富，含大量的維C，品質(zhì)優(yōu)異，深受人們的喜愛(ài)，需求量也在不斷增長(zhǎng)。菠蘿為常年生水果，產(chǎn)量大，然而菠蘿的采收卻是一項(xiàng)繁重的工作，其采摘作業(yè)季節(jié)性強(qiáng)、耗時(shí)費(fèi)力、費(fèi)用高，因此保證果實(shí)適時(shí)采摘、降低收獲作業(yè)費(fèi)用是果農(nóng)增收的重要途徑[1]。

菠蘿生長(zhǎng)的環(huán)境密集，大面積機(jī)械化采摘會(huì)破壞菠蘿的表面及其柱體后續(xù)的生長(zhǎng)。因此，目前我國(guó)菠蘿的采摘大多數(shù)還是依靠人工，機(jī)械化程度較低。菠蘿的葉子布滿(mǎn)芒刺，且十分堅(jiān)硬，人工采摘時(shí)很容易扎破采摘者的手，且采摘效率較低，此外，密集的菠蘿株也不方便采摘后菠蘿的運(yùn)輸?；谏鲜鲈颍沟梦覈?guó)菠蘿成本居高不下，僅采摘這一環(huán)節(jié)的費(fèi)用就占到總成本的50%～70%，且采摘時(shí)間較為集中[2]。

為進(jìn)一步提升我國(guó)菠蘿采摘的自動(dòng)化程度和效率，增加菠蘿種植戶(hù)的收入和種植熱情，本設(shè)計(jì)基于多方面考慮，設(shè)計(jì)出了采摘效率高、運(yùn)輸便捷且與工作人員之間易于配合的菠蘿采摘機(jī)械手。該機(jī)械手即可避免農(nóng)戶(hù)在采摘菠蘿過(guò)程中扎破手指，同時(shí)利用腳蹬的三輪車(chē)又能碼列整齊，實(shí)現(xiàn)方便運(yùn)輸，從而大大提高了采摘的效率。該菠蘿采摘機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)可為我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展高自動(dòng)化水平菠蘿采摘機(jī)提供重要參考。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 整體設(shè)計(jì)方案介紹

可伸縮移動(dòng)式菠蘿采摘機(jī)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，其由三輪小車(chē)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)和機(jī)械手臂兩部分組成，根據(jù)菠蘿的生長(zhǎng)特點(diǎn)，該采摘裝置在工作過(guò)程中，采摘者騎上三輪車(chē)，并用雙腳蹬踏腳蹬使三輪車(chē)前進(jìn)，同時(shí)雙手抓扶三輪車(chē)箱上的橫向欄桿，配合座椅與圍欄之間連接的轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)三輪車(chē)運(yùn)動(dòng)方向的控制。此外三輪車(chē)車(chē)廂內(nèi)可放置一至兩個(gè)果筐，在機(jī)械手完成菠蘿采摘后，可將菠蘿直接放入果筐。

圖1 菠蘿采摘裝置

1.2 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)

菠蘿采摘設(shè)備中的核心機(jī)構(gòu)-機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)方案圖2所示，圖2（a）為機(jī)械手臂的三維裝配圖，從該圖中可以了解該機(jī)械手臂的工作原理，圖2（b）為機(jī)械手臂的二維圖，采摘爪的結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)菠蘿相關(guān)參數(shù)設(shè)定[2]。由圖2中可知，該機(jī)械手臂由球軸承、支撐桿、魚(yú)眼軸承、控制桿、直線(xiàn)軸承、采摘爪、扶手以及采摘扳機(jī)等多個(gè)零件裝配而成，其中球軸承為三輪車(chē)與機(jī)械手臂的鏈接機(jī)構(gòu)，而魚(yú)眼軸承則是鏈接直線(xiàn)軸承和支撐桿，同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的空間方向的移動(dòng)。采摘爪中有一重要部件為推桿，其通過(guò)高韌性金屬絲與控制桿末端的扳機(jī)相連，拉動(dòng)扳機(jī)則推桿前后運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)卡爪的開(kāi)合。

采摘手臂的工作原理為：其主體采摘部分為一支機(jī)械采摘手臂，采摘手臂通過(guò)一些列軸承和支撐桿實(shí)現(xiàn)與三輪車(chē)的連接。在其工作過(guò)程中，農(nóng)戶(hù)將三輪車(chē)?？吭诓烧线m位置后，雙手扶握機(jī)械手臂手柄，機(jī)械手臂通過(guò)魚(yú)眼軸承和球軸承實(shí)現(xiàn)上下左右個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)械手爪為張開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)機(jī)械手爪抓著目標(biāo)菠蘿之后，農(nóng)戶(hù)手拉把手內(nèi)的扳機(jī)，此時(shí)機(jī)械手爪閉合并抓緊菠蘿，同時(shí)位于機(jī)械手爪下方的刀片相向運(yùn)動(dòng)，對(duì)菠蘿的根部進(jìn)行剪切，最終實(shí)現(xiàn)菠蘿與其根部的分離。完成采摘后機(jī)械手臂上抬，將菠蘿放入果筐中，并蹬踏三輪車(chē)前進(jìn)，開(kāi)始下一個(gè)菠蘿的采摘工作。

圖2 機(jī)械采摘手臂結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 伸縮扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為方便采摘人員坐在三輪車(chē)上原地采摘四周的菠蘿，借鑒滑塊及汽車(chē)上的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，采用球軸承、魚(yú)眼軸承及直線(xiàn)軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)伸縮和擺動(dòng)。圖3（a）所示的為球軸承，其與支撐桿相連接，不但可使支撐桿做360°整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由于軸承套與球頭之間存在一定的間隙，因此該球軸承還可以實(shí)現(xiàn)支撐桿有小角度范圍內(nèi)的往復(fù)擺動(dòng)，這樣的設(shè)計(jì)使得采摘菠蘿的范圍進(jìn)一步增大。圖3（b）為魚(yú)眼軸承，該魚(yú)眼軸承鏈接直線(xiàn)軸承和支撐桿，由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可使控制桿實(shí)現(xiàn)上下方向運(yùn)動(dòng)，這樣的設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足不同高度的菠蘿株的采摘。圖3（c）為直線(xiàn)軸承，該直線(xiàn)軸承由兩部分構(gòu)成，其下部與魚(yú)眼軸承相連接，而上部則通過(guò)軸孔與控制桿相連接（間隙配合）。控制桿穿過(guò)軸孔，并沿其軸向可實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)伸縮，以實(shí)現(xiàn)不同距離處的菠蘿的采摘，同時(shí)也方便將剪斷的菠蘿放回到車(chē)廂的果筐內(nèi)，碼放整齊。球軸承、魚(yú)眼軸承以及直線(xiàn)軸承的結(jié)合，可以大大增加采摘爪的伸縮高度及采摘半徑，進(jìn)一步提升了農(nóng)戶(hù)的采摘效率。

圖3 球軸承、魚(yú)眼軸承及直線(xiàn)軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.2.2 夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

因?yàn)椴ぬ}的特殊生長(zhǎng)方式（果柄在下，果實(shí)在上），所以在采摘時(shí)需要將菠蘿抱緊，不然采摘時(shí)容易掉落損壞果實(shí)。根據(jù)這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)該夾緊機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程為：雙手扶握扶手的同時(shí)，一只手拉動(dòng)扳機(jī)，此時(shí)控制桿內(nèi)部的牽引線(xiàn)（連接扳機(jī)和推桿）便會(huì)運(yùn)動(dòng)，并拉動(dòng)推桿，推桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中拉桿上的彈簧發(fā)生變形并伴隨著拉桿向后（向著扶手的方向）移動(dòng)，此時(shí)，與拉桿和采摘爪相連的連桿機(jī)構(gòu)發(fā)生逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，采摘爪實(shí)現(xiàn)回扣，夾緊菠蘿。此外，考慮到菠蘿在采摘中易被夾扁損壞，因此特意在采摘爪的內(nèi)表面設(shè)計(jì)了一層彈性硅膠墊，從而達(dá)到了菠蘿采摘過(guò)程中保護(hù)表面的目的。見(jiàn)圖4。

1.2.3 剪切機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)械手臂的采摘爪下方面對(duì)面安裝有剪切機(jī)構(gòu)-圓弧形刀片，當(dāng)拉動(dòng)扳機(jī)時(shí)，推桿回縮，內(nèi)部的彈簧被壓縮，采摘爪在抱握菠蘿的同時(shí)，由于刀片與采摘爪為緊固連接，因此下方的刀片也隨之夾緊，兩刀片逐漸貼合直至將菠蘿切斷。在菠蘿被拉回到車(chē)廂放入果筐時(shí)，松開(kāi)扳機(jī)，此時(shí)彈簧釋放彈性，帶動(dòng)推桿向前做回復(fù)運(yùn)動(dòng)，在連桿機(jī)構(gòu)開(kāi)張下，刀片也隨之張開(kāi)。當(dāng)卡爪到達(dá)指定位置時(shí)，位于推桿處的限位塊的阻擋了推桿繼續(xù)向前的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)推桿停止運(yùn)動(dòng)，同時(shí)采摘爪也位于張開(kāi)的最大位置。見(jiàn)圖5。

圖5 刀片結(jié)構(gòu)圖

1.3 運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

菠蘿采摘機(jī)械手臂在工作過(guò)程中安裝在一個(gè)三輪小車(chē)之上，此處主要是考慮節(jié)省成本，降低價(jià)格，適用于更多的中小型果農(nóng)，因此設(shè)計(jì)的腳蹬式三輪車(chē)方案如圖6所示，主要用途是裝載菠蘿采摘機(jī)械手臂，同時(shí)方便在菠蘿地中運(yùn)動(dòng)以及承載果筐并運(yùn)輸菠蘿。該三輪小車(chē)在設(shè)計(jì)上與常見(jiàn)的拉貨用三輪車(chē)不同，為反向設(shè)計(jì)，農(nóng)戶(hù)在進(jìn)行菠蘿采摘的過(guò)程中，首先登踏三輪小車(chē)進(jìn)入菠蘿田，在前進(jìn)的過(guò)程中，農(nóng)戶(hù)無(wú)需操作機(jī)械手臂，雙手扶握三輪車(chē)的欄桿，同時(shí)雙腳登踏三輪小車(chē)上的腳蹬，使得三輪車(chē)實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。該三輪車(chē)在座椅和圍欄之間的還采用了轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)，當(dāng)三輪車(chē)需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，農(nóng)戶(hù)用手推動(dòng)扶手向著需要轉(zhuǎn)動(dòng)的方向增加推力，此時(shí)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，三輪小車(chē)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

1.4 3D打印實(shí)物

采用3D打印技術(shù)，根據(jù)三維數(shù)字化軟件PRO/E的建模自動(dòng)、快速、直接和比較精確地將其模型打印出來(lái)，不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具、機(jī)床或任何模具，具有較高的精度和很高的復(fù)雜程度，可以制造出采用傳統(tǒng)方法制造不出來(lái)的、非常復(fù)雜的魚(yú)眼軸承、球軸承制件。不用剔除邊角料，提高了材料的利用率，通過(guò)摒棄生產(chǎn)線(xiàn)而降低了成本。同時(shí)3D打印材料材質(zhì)輕便宜，不會(huì)增加采摘工的勞動(dòng)強(qiáng)度，制作成本較為低廉，購(gòu)買(mǎi)成本不高，操作運(yùn)作也方便輕巧。3D打印的實(shí)物如圖6所示。

圖6 可伸縮菠蘿采摘機(jī)械裝置實(shí)物圖

2 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了可伸縮移動(dòng)式的菠蘿采摘機(jī)械裝置，而經(jīng)過(guò)操作實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，可以完成預(yù)期的采摘效果，設(shè)計(jì)方案合理。該菠蘿采摘裝置分別采用了球軸承、支撐桿、魚(yú)眼軸承、控制桿、直線(xiàn)軸承、采摘爪、扶手以及采摘扳機(jī)等多個(gè)零件裝配而成，實(shí)現(xiàn)了其可伸縮可周向移動(dòng)，大大提高了工人的采摘效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。