桂望鵬 李軍舟 秦慧敏 熊逸 鄧世明 王澤夫

摘要：為了提高采摘水果效率和減輕工人勞動強度，本文設(shè)計了一種輔助人工便攜式水果采摘器，由伸縮桿、手柄、夾具、電機、網(wǎng)兜組成。該裝置創(chuàng)新性地改變加緊夾具的動力。傳統(tǒng)的夾具裝置都是靠人力來實現(xiàn)加緊，人手的力氣越大，夾得越緊。但本裝置采用彈簧的彈力來實現(xiàn)加緊，降低工人的勞累程度;電機割莖明顯提高采摘效率，高效省力地完成任務(wù);融合類似雨傘架的伸縮桿裝置提高其實用性，對于不同高度的水果可任意調(diào)整其桿長;同時，桿內(nèi)的鋼絲繩通過自動收繩裝置來進行自動調(diào)整。該裝置適用于采摘有1-2 cm莖長、果實較軟、易受損傷的小水果，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、操作方便、減輕勞動負擔(dān)、提高采摘效率等優(yōu)點。

Abstract： In order to improve the efficiency of fruit picking and reduce the labor intensity of workers， this paper designed a kind of artificial artificial fruit picker， which consists of telescopic rod， handle， clamp， motor and net pocket. The device innovatively changes the power of the clamping fixture. The traditional fixtures are all tightened by manpower. The greater the strength of the man-power， the tighter the grip. However， the device uses the spring force to achieve tightening， reducing the worker's fatigue; the motor cutting stem significantly improves the picking efficiency， and the task is completed efficiently and labor-savingly; the telescopic rod device similar to the umbrella stand improves the practicability， and can be used for fruits of different heights. The rod length is arbitrarily adjusted; at the same time， the wire rope in the rod is automatically adjusted by the automatic rope collecting device. The device is suitable for picking small fruits with stem length of 1-2 cm， soft fruit and easy to be damaged， and has the advantages of simple structure， low cost， convenient operation， reduced labor burden and improved picking efficiency.

關(guān)鍵詞：水果采摘;電動刀片切割;防護網(wǎng)兜;發(fā)條彈簧;伸縮桿

Key words： fruit picking;electrical blade cutting;protective net pocket;clockwork spring;telescopic rod

中圖分類號：TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）17-0102-03

0? 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，其中果樹業(yè)是農(nóng)業(yè)的重要組成部分，果樹產(chǎn)值在我國農(nóng)業(yè)中僅次于糧、菜位居第三位。如果全部都靠人力摘取的話，勞動強度大，而且會極大地影響效率，甚至由于水果的采摘期短，不一定能保證水果能在一定時間采摘完畢，所以機械采摘的開發(fā)利用具有巨大的經(jīng)濟效益和市場前景。目前應(yīng)用于果園的輔助性采摘主要有兩種形式：一種是機械全自動采摘;另一種是機械輔助半自動采摘[1]。機械全自動采摘即采用機器人對果園果樹進行自動采摘，但由于有些地方環(huán)境惡劣，地面崎嶇不平，所以不適合機器人的移動和運作。故機械輔助半自動采摘成了我們首要研究的話題，也就是人與機械是否可能聯(lián)手進行快速、精準(zhǔn)的采摘操作。本裝置主要采用鋼絲繩-連桿實現(xiàn)夾具打開和閉合，并用電機驅(qū)動刀片切斷果莖。彈簧力提供夾緊力，實現(xiàn)快捷省力地采摘。伸縮桿幫助完成任意高度的采摘工作。夾頭上附有收集網(wǎng)罩，一次可以摘取水果十個左右。總體而言，本設(shè)計基于以人為本的設(shè)計理念，以減輕勞動工人的勞累程度、提高工作效率為目的，創(chuàng)新地融合和應(yīng)用各種常見裝置，實現(xiàn)一款新型的小型水果采摘器。

1? 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外的機械采摘研究以機器人為主，主要用于番茄、黃瓜、草莓、葡萄、蘋果、柑橘和蘑菇等采集，以及育苗生產(chǎn)和作物管理等[2]。其中最為突出的為美國，圖1為佛羅里達大學(xué)研究的橙子采摘機器人，其結(jié)構(gòu)包含有兩個相互獨立的機器人，一個負責(zé)尋找橙子的位置，另一個負責(zé)抓取。日本Kawamura等人研制出番茄采摘機器人，其運動裝置由4個車輪構(gòu)成，能在田間行走，而且利用機器人上的光傳感器和設(shè)置在地頭土埂的反射板，可檢測前方是否有土埂障礙[3]。西班牙工業(yè)自動化研究所也開發(fā)了一種人機協(xié)作型的采摘機器人Agribot[4]。人機協(xié)作型是指機器人的導(dǎo)航和目標(biāo)定位由操作人員來完成，相比之前的機器視覺尋找，人工定位準(zhǔn)確度更高。但這些仍不能滿足目前機械采摘的要求，再加上工作環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，目前采摘機器人的智能化水平還沒有達到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，離實用化和商品化還有一定的距離。而我國在移動機器人定位、導(dǎo)航等方面還仍在研究階段。

對于機械輔助半自動采摘方式，大致可分為如下三種形式：振搖式、撞擊式和切割式[6]。振搖式是利用外力使樹體或樹枝發(fā)生振動，使果實產(chǎn)生加速度，從而掉落。撞擊式是通過撞擊部件直接沖撞果枝;切割式是將樹枝或果柄切斷使果實與果樹分離。其中振搖式是美國早期研究的重點，并在歐美國家中得到了發(fā)展和普遍應(yīng)用。但其采摘的損傷率高，不適用于采摘易損傷的水果。

我國先后研制出與手扶拖拉機配套的機械振動式山楂采果機、氣囊式采果器和手持電動采果器[7]。雖然在保護果實不受損傷的方面還沒完善，但其效率得到了明顯的提高。隨后幾年我國又開始研究切割型采摘器，如圖2，從此水果采摘從人力切割上升到了機械裝置采摘的高度，達到了省時省力、對果實損傷小的效果。之后也有了各種輔助工具，如：用于提高工作位置的升降平臺，用于收集摘取的水果的網(wǎng)罩。除此之外由于各種水果大小之間的差異以及種植區(qū)域地理位置的不同，會對采摘機械提出不同的要求，這就需要采摘機械具有一定的針對性，這就是目前制約采摘機械發(fā)展的最關(guān)鍵的問之一。

國內(nèi)一些小型水果采摘器有很多，各有特點。一種小型水果主要由伸縮桿、彈性綿、卡果器組成，伸縮桿整體，材料用輕質(zhì)且結(jié)實的鋁合金制成，而中間的下果器則由高彈性面料構(gòu)成，這樣既能使果子從高處慢慢滑下又能保護果子不受磕碰[8]。這種采摘器主要特點是采摘完畢就可以立即收納在腰間。但是由于體積龐大，還需佩戴才能工作，使用起來十分麻煩。另外一種已獲專利的小型水果高空框裝剪刀式采摘器，其創(chuàng)新點是除了采摘水果外，還可以同時測出水果的重量便于裝袋。其裝置通過稱重傳感器可以實時的將水果的重量傳遞到顯示屏上進行顯示[9]。

后續(xù)研發(fā)出的一種可換采摘頭的裝置解決了采摘器功能單一、效率不高的問題，具有采摘頭換接方便、長度伸縮自如、可收集計數(shù)、成本低等特點，適用于農(nóng)村小型果園的水果采摘[10]。此裝置可以很好實現(xiàn)對不同水果的采摘，也具有良好的實用功能。本文設(shè)計也包含上述采摘器的所有功能，同時采用電機切割進一步提高了工作效率。

除此以外，還有兩種較好的水果采摘裝置：一種是采用自動行走智能采摘水果裝置，能實現(xiàn)完全自動化。該裝置設(shè)有一個移動底座放置在地面上，并設(shè)有自動行走裝置[11]。此大型智能設(shè)備適用于大規(guī)模果園，但是對于中小規(guī)模的果園和個體農(nóng)戶而言，成本太高，不實用。小規(guī)模的果園更適用于類似與本設(shè)計的小型機械式采摘器;另外一種比較類似與本產(chǎn)品的采摘機械手，包括采摘機械手、半自適應(yīng)無級調(diào)節(jié)伸縮桿和無級傳力手柄組成，采摘機械手適用于采摘小型水果，如蘋果、桃子等;半自適應(yīng)無級調(diào)節(jié)伸縮桿的桿部延長或收縮后由自鎖機構(gòu)將桿體長度固定，自鎖機構(gòu)由偏心輪和脹緊塊兩部分組成[12]。此裝置的設(shè)計與結(jié)構(gòu)具有很大的參考意義，實用性也較強。但缺陷是沒有收納裝置，而且靠轉(zhuǎn)動夾頭扭斷果柄，可能存在果柄不斷的情況。

2? 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

本研究所設(shè)計的小型水果采摘器的總體結(jié)構(gòu)分為三部分：夾頭、伸縮桿、手柄。如圖3，這個三個主要部分構(gòu)成一個完整的采摘裝置。在手柄向后拉的過程中，拉力通過鋼絲繩傳遞到伸縮桿末端，繼而帶動夾頭張開;當(dāng)手柄松開時，鋼絲繩在內(nèi)部彈簧的作用下復(fù)原。夾頭也隨之閉合，然后接通電源，電機開始工作，切斷水果的莖。

2.2 工作原理

在摘水果的時候，首先按住收繩裝置按鈕，調(diào)整伸縮桿到合適的高度，然后松開收繩裝置按鈕，鎖死繩長。打開電源總開關(guān)，電機開始帶動刀片轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時說明裝置無故障，可以進行采摘工作。按下手柄，帶動桿內(nèi)的鋼絲繩向后運動，壓縮彈簧。夾頭在鋼絲繩的帶動下被打開。此時由于傳動桿關(guān)閉觸發(fā)開關(guān)，電路斷路，電機停止工作。等到水果的莖大致落到夾頭中心時，松開手柄，莖被加緊。此時，控制電機的觸發(fā)開關(guān)被接通，電機開始工作。旋轉(zhuǎn)刀片切斷果實的莖，即果實被摘下來。再次拉動手柄，夾頭松開果實的殘莖，果實掉入網(wǎng)罩中。這樣就完成了一次完整的采摘工作。可以接著采摘下一個果子，等到網(wǎng)罩的水果較滿時，便可以進行裝袋處理。

3? 主要部件設(shè)計夾頭、伸縮桿和手柄是此水果采摘器的三個主要零部件，分別承擔(dān)著采集和收集、傳動、產(chǎn)生動力的作用。

3.1 夾頭

夾頭主要由連桿結(jié)構(gòu)組成。傳動桿3運動帶動連桿運動實現(xiàn)夾具的張開和閉合。固定桿4和套筒5是連成一體的，但是功能有所不同。固定桿4主要是作為支點用來連接連桿2;套筒5用來和伸縮桿連接。圖中所示的6位置是用來安裝電機的。與其連接的位置7是刀片工作空間，刀片采用普通雙刃刀片。網(wǎng)罩，如圖3中所示，用來盛裝水果，并在網(wǎng)罩里面敷上一層硅膠，用來防止水果收到劇烈的撞擊。

3.2 夾頭電路系統(tǒng)

如圖5所示，此采摘器的電路部分主要集中于夾頭以及第三節(jié)套筒，為了降低重心，也為了避免線路延伸到手柄處，特將電池位置設(shè)置在第三節(jié)套筒的末端。首先我們采用充電鋰電池，它的優(yōu)點在于體積可以做的很小，充放電相對安全，很耐用。

電路整體電壓電流小，采用的電線可以很細，故設(shè)計把電線埋在采摘器的表面，如圖6。夾頭的活動關(guān)節(jié)部位電流流通順序為：電線—金屬插銷—電線，這樣既保證了電路正常也避免了直接用電線長時間會造成電線斷裂。在夾頭部位電線分成兩路（正極和負極），這樣做的目的是為了保證電路通路的同時不會短路。

3.3 伸縮桿

伸縮桿由三節(jié)組成，適合摘取不同高度的果實。在桿的內(nèi)部有一個彈簧2，此彈簧用來實現(xiàn)夾具的閉合。收繩裝置3是在伸縮桿調(diào)整長度時，控制鋼絲的長度隨著桿的長度變化而變化。這個裝置上有一個按鈕，只有在按住時，才能改變鋼絲的長度，否則鋼絲的長度被固定。而且，在收桿時，由于這個裝置里設(shè)有發(fā)條彈簧，可以實現(xiàn)自動收繩。彈頭4是在每一節(jié)桿伸長之后用來固定桿長的，是模仿雨傘的伸縮桿結(jié)構(gòu)而設(shè)計的。槽6是用來放置收繩裝置，并且可以讓其在溝槽里滑動。這主要是考慮到，在鋼絲繩固定死后，如果要拉動手柄，收繩裝置可以隨著鋼絲繩滑動一段距離。

3.4 手柄

套桿裝置1是用來伸縮桿長的。支撐把手2作用是提供一個固定的機架，作為支撐點。鋼絲繩4與收繩裝置連接，起到傳動作用。閉口端子5連接鋼絲繩的末端，并將其固定在活動把手6上?；顒影咽?由操作者的手來扳動，提供拉力。

4? 適用水果特點

由于此裝置的自身提點，它是針對一類具有鮮明特征的水果而研發(fā)的，其適用范圍有限，是一款專用產(chǎn)品。適用的水果范圍如下：櫻桃，芒果，棗，荔枝，獼猴桃，車?yán)遄樱》?，小橘子，小橙子等。這些水果都具有一些相似的特點。

具有這些特點的水果一般都是小水果，但是目前市場上的小水果更受顧客青睞。因此這款產(chǎn)品對采摘小型水果而言十分有幫助，市場前景廣闊，將受到大量的水果種植者的喜愛。

5? 結(jié)論

該機械式小型水果采摘器采用電動和人力共同控制，在連桿機構(gòu)的作用下，將鋼絲繩的平動轉(zhuǎn)化為夾具的轉(zhuǎn)動閉合。通過尺寸和形狀方面的修改，該裝置達到盡可能的減輕質(zhì)量，提高使用舒適度，便于攜帶。此裝置通過結(jié)合雨傘伸縮桿的裝置實現(xiàn)對不同高度水果的采摘，使其在實際操作中相當(dāng)實用。伸縮桿創(chuàng)新性地融合由發(fā)條彈簧構(gòu)成的收繩裝置，實現(xiàn)自動收繩。網(wǎng)罩通過覆蓋一層硅膠保護柔軟的水果不會受到強烈的撞擊。電機的加入使得采摘過程更加的快捷、方便、新型化。

本采摘器在今后的調(diào)試與實驗中，逐步完善并改進使用舒適度，提高其在實際操作中的實用性;在改進的基礎(chǔ)上，采摘器將滿足我國南方丘陵地區(qū)的采果條件。

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作者簡介：桂望鵬（1998-），男，湖北黃岡人，本科生;劉昌明（通訊作者）（1983-），男，山東威海人，副教授。