宋紅　任夢(mèng)陽(yáng)　劉歡　范鑫　刁鶴軒

【摘??要】為了更好的輔助果農(nóng)高效、高質(zhì)量的采摘收集果子，本文提出一種采、集一體化的小型采摘裝置，在保護(hù)果樹枝葉的情況下，它通過采摘、收集、輸送和伸縮四個(gè)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了采、集一體化，做到了最大范圍的保護(hù)果子和果樹。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該裝置能夠有效提高果子采摘效率和質(zhì)量，操作簡(jiǎn)便快捷，實(shí)用性強(qiáng)，同時(shí)減輕了果農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了果農(nóng)在采摘收集過程中的安全。

1?緒論

在我國(guó)果農(nóng)采摘的果子包括蘋果、山楂、棗等多種果子，面對(duì)產(chǎn)量高、生長(zhǎng)密集、果型小，同時(shí)果柄與樹枝的連接較為松弛的果子，基于不同高度的果樹或者果子，國(guó)內(nèi)大多數(shù)的地方對(duì)其進(jìn)行采摘時(shí)常常通過人工結(jié)合裝置輔助的方法采摘，比如在人工無法觸及到的地方常常借助凳子、桿子、地面鋪布等裝置輔助采摘收集，目前果子的采摘收集主要存在以下問題：（1）人身?yè)p傷的不安全隱患。成年的果樹大多都生長(zhǎng)比較高大，造成人手夠不到的區(qū)域，同時(shí)有些果樹（如棗樹）的樹干和枝條上生有利刺。因此采用人工徒手進(jìn)行果子采摘時(shí)，鑒于身高的限制，人手采摘結(jié)合梯子、桿子（木桿或竹竿等）等其他裝置進(jìn)行作業(yè)時(shí)，存在果農(nóng)摔落跌倒、被樹枝和利刺劃傷等人身?yè)p傷的隱患，并且采摘費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不適于大批量采摘。（2）裝置不完善、收集效率和質(zhì)量低。梯子、桿子（木桿或竹竿等）、地面鋪布等采摘收集裝置，一方面，不同高度的果樹和果子需要不同長(zhǎng)短的桿子擊打，因此，采摘收集裝置不能滿足多樣化的采摘高度需求，且使用較為費(fèi)力;另一方面，用桿子擊打下來的果子摔落并散落在地上，使果子可能被擊打、摔落損傷，影響果子質(zhì)量，降低果子保存壽命，進(jìn)而影響果子銷量，且地面散落和鋪布會(huì)造成果子收集低效、不方便。（3）藥物采摘危害人體。使用稀釋的乙烯利對(duì)果樹進(jìn)行噴灑，通過乙烯利催熟果子使其落下，這種方法雖然省時(shí)省力，但乙烯利對(duì)人的皮膚、眼睛有刺激作用，對(duì)粘膜有酸蝕作用，乙烯利遇明火、高熱可燃，其粉體與空氣可形成爆炸性混合物，?當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí)，遇火星會(huì)發(fā)生爆炸，受高熱分解放出有毒的氣體，容易危害采摘者的身體健康，同時(shí)乙烯利催熟會(huì)影響果子的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和口感。

針對(duì)國(guó)內(nèi)果子采摘收集裝置的弊端和特點(diǎn)，本文提出一種采、集一體化的小型采摘果子裝置，在保護(hù)果子和果樹的條件下，更好的輔助果農(nóng)高效、高質(zhì)量的采摘收集果子。

2?采、集一體化的采摘裝置設(shè)計(jì)

圖1?采、集一體化采摘裝置原理示意圖

采摘裝置通過收集結(jié)構(gòu)將采摘機(jī)構(gòu)采摘的果子經(jīng)收集部的底部連接的輸送軟管輸送至地面容器中。如圖1采、集一體化采摘裝置的工作原理示意圖，裝置內(nèi)置12V電機(jī)，以及可以重復(fù)性的充電的鋰電池，其有效工作時(shí)間4-5小時(shí)，采用300r/min減速電機(jī)作為動(dòng)力源，連接連軸器帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)外部包裹海綿，用塑料封裝，起到保護(hù)果實(shí)的作用。外部傘狀結(jié)構(gòu)作為收集果子的裝置，采用連桿機(jī)構(gòu)將集棗裝置方便收納，再安裝輸送軟管將棗從收集裝置直接傳送到地面高效、高質(zhì)量收集。為方便果子的采摘和收集，裝置主要包括采摘結(jié)構(gòu)、收集結(jié)構(gòu)、輸送裝置和伸縮裝置四大部分組成。

圖2?采摘結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

裝置工作時(shí)收集結(jié)構(gòu)呈傘狀，能夠增大對(duì)果子的收集面，避免直接落地造成損壞。將通過采摘機(jī)構(gòu)采摘的果子通過由傘骨機(jī)構(gòu)、傘布和輸送軟管組成的收集結(jié)構(gòu)收集后通過收集部的底部連接的輸送軟管將收集部收集的果子輸送至地面容器中。其中傘布選用棉布、混紡布、POE或者PVC塑料布作為主要材料。通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)葉片旋轉(zhuǎn)將果子打落，打落的果子落入收集部，從而實(shí)現(xiàn)果子的采摘，這樣不需要人工進(jìn)行采摘和撿拾，也不需要費(fèi)力擊打，加快了采摘進(jìn)度，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，省時(shí)省力，適應(yīng)于大批量采摘;同時(shí)，使用者采摘過程中不接觸果樹，避免了人工徒手采摘帶來的危險(xiǎn)。使用者可以根據(jù)棗樹的高度調(diào)節(jié)伸縮桿的長(zhǎng)度以滿足不同樹高的要求，從而不需要準(zhǔn)備不同長(zhǎng)度的長(zhǎng)桿，適應(yīng)性強(qiáng)。

采摘完成后，通過開關(guān)控制裝置停止工作后手動(dòng)向下拉滑動(dòng)套將收集部收攏，且當(dāng)該裝置電量不足時(shí)，可以通過充電插口充電。

2.1?采摘結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在采集裝置中主要通過旋轉(zhuǎn)葉片來采果子，并將采摘的果子通過桿體上的收集部分進(jìn)行收集，防止直接落地對(duì)果子造成傷害。如圖2所示采摘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，聯(lián)軸器位于桿體頂端，旋轉(zhuǎn)葉片和電機(jī)分別位于聯(lián)軸器的上端和下端，電機(jī)保護(hù)殼位于電機(jī)外。

聯(lián)軸器的上端和旋轉(zhuǎn)葉片通過螺母和螺栓連接，下端與電機(jī)的輸出軸連接，裝置的電機(jī)采用額定電壓為12V，額定轉(zhuǎn)速為300r/min的微型減速電機(jī)進(jìn)行動(dòng)力輸出，旋轉(zhuǎn)葉片和收集部之間的電機(jī)通過傳動(dòng)連接。在桿體下方的伸縮桿頂部焊接固定片通過螺釘與電機(jī)連接，防止在裝置工作時(shí)電機(jī)發(fā)生位移或掉落的情況，確保了該裝置的可靠性。在電機(jī)外部設(shè)置了能夠?qū)ζ淦鸬奖Ｗo(hù)作用的電機(jī)保護(hù)殼，能夠有效避免外力撞擊或水進(jìn)入電機(jī)而影響電機(jī)的正常工作，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

2.2?收集結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用傘狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘部分果子的收集，如圖3的收集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖和圖4傘骨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖所示，該收集裝置主要由傘骨機(jī)構(gòu)組成，第一傘骨對(duì)第一傘布起支撐作用，在收集裝置桿體上方設(shè)置有用以連接固定傘骨連接套的固定塊以及下方的滑動(dòng)套，第二傘骨支撐第二傘布且分別與第一傘骨和第二傘骨之間的第一連接傘骨及第二傘骨和傘骨連接套之間的第二連接傘骨通過連接件鉸接。其中，第二傘骨由通過連接件連接在一起的兩段傘骨組成，一段與滑動(dòng)套通過連接件固定連接，另一段與第一傘骨通過連接件鉸接。

圖3?收集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

收集部的底部連接的可拆卸輸送軟管便于收集的果子輸送至地面容器中，并選擇可伸縮塑料軟管材料，一方面，由于塑料軟管質(zhì)量輕，不會(huì)給裝置本身增加過多的重量，同時(shí)，能夠及時(shí)地將收集在收集部中的果子輸送至放置在地面上的容器內(nèi)，不需要人工撿拾果子，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率;另一方面，塑料軟管不會(huì)在果子下落的過程中對(duì)果子造成損傷，且方便拆卸和收納。

圖4?傘骨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5?伸縮桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3?伸縮桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于果樹的高度不同，因此我們?cè)诓?、集裝置上設(shè)計(jì)了能夠改變裝置長(zhǎng)短的伸縮裝置，使用者可以根據(jù)果樹的高度來調(diào)節(jié)伸縮桿的長(zhǎng)度以滿足對(duì)采摘不同樹高的果子的要求，從而增加裝置的適應(yīng)性。如圖5所示伸縮裝置結(jié)構(gòu)示意圖中，伸縮桿位于傘骨機(jī)構(gòu)下方的桿體上，主要包括調(diào)節(jié)套管、第一桿體和第二桿體三部分。

通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)供電的電池為伸縮桿的使用提供動(dòng)力輸出，并由圖1中桿體外側(cè)的開關(guān)控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)供電回路的通與斷。其中第一桿體和第二桿體分別位于調(diào)節(jié)套管的兩端，三者之間通過套管壁上的內(nèi)外螺紋通過螺紋連接，而且可以根據(jù)螺紋連接的長(zhǎng)度來改變伸縮桿的長(zhǎng)度。

3?采、集一體化的采摘裝置驗(yàn)證

為了驗(yàn)證采集一體化裝置完成采摘任務(wù)的質(zhì)量和效率，我們構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展采摘作業(yè)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別選用2棵樹冠高度為2-3米左右，果密度較為接近的棗樹，第一組是棍棒為參照裝置的人工采摘組，并可以借助梯子類工具采集高處棗作業(yè)，第二組是采集一體化為試驗(yàn)裝置的電動(dòng)采摘組。

3.1?實(shí)驗(yàn)被試

為了驗(yàn)證采摘裝置采摘棗的質(zhì)量和效率，在西安石油大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)本科學(xué)生里選擇年齡20-21歲的3名均熟悉采摘棗經(jīng)歷的男生作為被試用戶。實(shí)驗(yàn)前告知被試實(shí)驗(yàn)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，取得被試同意，被視需要在正式?shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本設(shè)定使用情景，實(shí)驗(yàn)人員盡量不在被試視線所及范圍內(nèi)進(jìn)行錄制，以達(dá)到被試最原本和真實(shí)的使用狀態(tài)，中途不干涉和引導(dǎo)。

3.2?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和任務(wù)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為每組被試在規(guī)定10分鐘內(nèi)完成：1.采摘棗，2.收集棗入筐兩項(xiàng)任務(wù)，每位被試參與所有的使用階段，且在正式實(shí)驗(yàn)開始前，分別了解各自裝置的結(jié)構(gòu)部件和使用方法。實(shí)驗(yàn)人員用視頻采集設(shè)備記錄被試的使用行為軌跡，并采用秒表方法記錄完成任務(wù)的時(shí)間。用人工記數(shù)的方法連續(xù)記錄被試處于：1采摘棗，2匯集棗入筐的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄采集棗入筐的個(gè)數(shù)。同時(shí)，由于物理或人為原因造成被損壞棗的個(gè)數(shù)也將會(huì)被記錄。

3.3?實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集完畢后，采用人工計(jì)數(shù)和稱重的方法進(jìn)行采、集棗行為績(jī)效分析，從有效棗重量和無效棗數(shù)量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，其中有效棗重量指的是入筐且無損壞棗的重量，無效棗數(shù)量指的是被物理或人為損壞的棗數(shù)量。采摘作業(yè)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

表1?采摘作業(yè)對(duì)比試驗(yàn)

通過表?1?可以看出：在采摘初期，人工采摘組的體力較為充足，分工篩檢、收集大量落在地面的有效棗，隨著采摘樹冠高度的增加，徒手采摘需要借助梯子等輔助工具，輔助工具準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、次數(shù)多，加之勞動(dòng)強(qiáng)度不斷增大，采摘能力明顯下降，并棗果散落地面數(shù)量增加，地面采集棗果中人工踩踏棗果頻率加大，采集能力也降低;電動(dòng)采摘組樹上采摘能力一直穩(wěn)定并能及時(shí)有效收集棗果，少量落地棗果由人工篩檢收集，電動(dòng)采摘組不僅效率穩(wěn)定，采集質(zhì)量高，自動(dòng)省力的優(yōu)勢(shì)越來越明顯，電動(dòng)采摘組的有效棗共計(jì)數(shù)量明顯多余人工采摘組數(shù)量，無效棗共計(jì)數(shù)量也少于人工采摘組。

4?結(jié)論

果園采摘對(duì)比試驗(yàn)表明，隨著采摘的進(jìn)行，?采、集一體化電動(dòng)采摘的優(yōu)越性愈加顯現(xiàn)，采摘和收集的效率和質(zhì)量明顯高于人工采摘，高枝采摘的優(yōu)越性更加明顯，效率大約是人工采摘的?2?倍，?采、集一體化裝置的結(jié)構(gòu)輕巧，操作容易，可實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量棗果的電動(dòng)化采摘。

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作者簡(jiǎn)介：

宋紅，1977年，女，漢，陜西渭南，博士生，講師，研究方向?yàn)橛脩趔w驗(yàn)設(shè)計(jì)、交互式產(chǎn)品形態(tài)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法研究，并結(jié)合石油石化行業(yè)特色，針對(duì)有桿抽油系統(tǒng)的動(dòng)液面預(yù)測(cè)和工況診斷開展科研工作。

（作者單位：西安石油大學(xué)）