李新輝, 徐洪, 楊相煜, 張海南, 呂葉成, 楊越

（1.浙江師范大學(xué) 行知學(xué)院，浙江 金華321004；2.金華市技師學(xué)院，浙江 金華321004）

0 引 言

櫻桃在20世紀(jì)初被引入我國，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)成為我國水果的重要組成部分，深受國人的喜愛[1]。櫻桃的采摘一直是困擾果農(nóng)的問題，目前在果園中運(yùn)用廣泛櫻的桃采摘方式主要有全自動化機(jī)械采摘和人工采摘兩種[2-3]。

全自動機(jī)械采摘主要分為以下2種：1）采摘機(jī)器人是利用三維視覺傳感器識別定位，控制機(jī)械手完成采摘；2）櫻桃采摘車是在櫻桃樹四周圍起擋板，利用激震器激烈晃動櫻桃樹，從而使所有成熟的櫻桃都會散落下到擋板中。這類設(shè)備適合規(guī)模大、地面較平整、果樹種植規(guī)范的果園。我國南方的果園大部分處于丘陵地帶，受地形限制，很難實現(xiàn)全自動化機(jī)械采摘。成年的櫻桃樹較高，人工采摘時需爬樹或借助樓梯和高架等設(shè)備，存在采摘速度慢、采摘困難和安全隱患多等問題[2,4-6]。

對此，本文提出了一種雙齒輪聯(lián)動櫻桃采摘器，它是輔助人工采摘櫻桃的小型便攜式機(jī)械采摘裝置，實現(xiàn)人站在地面采摘高處的櫻桃，提高采摘效率，消除安全隱患。

1 方案設(shè)計

櫻桃果不僅比較脆弱，而且若不小心使果柄與果實分離，則容易失水，不利于櫻桃的保鮮，會降低果園的經(jīng)濟(jì)效益。為使櫻桃果柄與果實不會分離，采摘方法如圖1所示。采摘者需一只手抓住樹枝，另一只手抓住櫻桃果柄，向生長的反方向推掐，使果柄與樹枝分離，完成采摘。

因此采摘器模仿人工采摘“先夾緊樹枝再推掐果柄”的動作，實現(xiàn)采摘的果柄與果實不會分離，采摘器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

采摘器的采摘工作如圖3所示，操作者在采摘時需將采摘頭抵在櫻桃果柄底部，夾持臂張開在櫻桃樹枝條兩側(cè)。夾持臂先夾緊樹枝條，采摘頭再往前推出，櫻桃果實會掉入到收集網(wǎng)中，模仿人工采摘“先夾緊樹枝再推掐果柄”的動作，采摘的果柄與果實不會分離。

圖2 采摘器結(jié)構(gòu)圖

2 基本原理與主要結(jié)構(gòu)

2.1 手持部分與齒輪齒條部分

圖3 采摘器工作原理

手持部分的基本形狀類似于剪刀把手，如圖4所示。固定把手與伸縮桿連接，活動把手與固定把手間用鉸鏈連接，活動把手與內(nèi)部的鋼索連接，拉桿與操控箱內(nèi)的齒條相接。

圖1 采摘方法

圖4 手持部分與齒輪齒條機(jī)構(gòu)示意圖

圖5 凸輪、不完全齒輪、小齒輪三者聯(lián)接圖

齒條與小齒輪嚙合。當(dāng)活動把手閉合時，會帶動鋼索松開、拉緊，當(dāng)鋼索拉緊時，拉動與之連接的拉桿，拉桿帶動齒條，齒條帶動小齒輪轉(zhuǎn)動。

凸輪、不完全齒輪和小齒輪三者之間 通 過“D”字軸聯(lián)接，聯(lián)接圖如圖5所示。小齒輪轉(zhuǎn)動能帶動凸輪和不完全齒輪轉(zhuǎn)動。

2.2 采摘頭推出和收回動作

操作者先將采摘頭抵在櫻桃果柄底部，再閉合手持部分的活動把手，小齒輪轉(zhuǎn)動帶動不完全齒輪轉(zhuǎn)動，不完全齒輪與齒條框進(jìn)入嚙合狀態(tài)，齒條框向上運(yùn)動，帶動采摘頭向前運(yùn)動，推向櫻桃柄與樹枝連接處，將櫻桃從樹枝上頂下。當(dāng)完成采摘后，松開活動把手，上述機(jī)構(gòu)在相應(yīng)的彈簧作用下完成復(fù)位。采摘頭動作如圖6所示。

圖6 采摘頭動作

2.3 夾持臂夾緊與張開動作

操作者將采夾持臂張開在櫻桃樹枝條兩側(cè)，閉合手持部分的活動把手，小齒輪轉(zhuǎn)動帶動凸輪轉(zhuǎn)動。凸輪轉(zhuǎn)動帶來的曲線變化帶動擺桿夾緊，完成對櫻桃樹枝條的夾持；當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過一定角度后，進(jìn)入休止?fàn)顟B(tài)，夾持臂保持夾緊狀態(tài)。松開活動把手，上述機(jī)構(gòu)在相應(yīng)的彈簧作用下完成復(fù)位，凸輪反向轉(zhuǎn)動，夾持臂在回程彈簧作用下會回到張開狀態(tài)。夾持臂動作如圖7所示。

2.4 時序設(shè)計

為實現(xiàn)夾持臂要先夾緊樹枝條，采摘頭再往前推出的動作，進(jìn)行了如圖8所示的時序設(shè)計。

初始階段，夾持臂的擺桿與凸輪接觸點在凸輪的基圓上，夾持臂處于張開狀態(tài)；不完全齒輪與齒條框處于不嚙合狀態(tài)，采摘頭處于回收狀態(tài)。

操作者在采摘時可將此狀態(tài)的采摘期的采摘頭抵在櫻桃果柄底部，夾持臂張開在櫻桃樹枝條兩側(cè)。

圖7 夾持臂動作

圖8 先夾緊再推出動作

初始階段轉(zhuǎn)向只夾緊階段：操作者閉合手持部分的活動把手會帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而凸輪和不完全齒輪會同時轉(zhuǎn)動。在凸輪轉(zhuǎn)動角度在45°內(nèi)，凸輪處于推行程，凸輪推動夾持臂的擺桿，使夾持臂夾緊；而此時，不完全齒輪尚未進(jìn)入嚙合，采摘頭不動作，實現(xiàn)了“先夾緊”的動作。

凸輪轉(zhuǎn)動角度在45°時，齒條框與不完全齒輪開始嚙合。

只夾緊階段轉(zhuǎn)向推出階段：在當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動角度在45°～90°時，凸輪處于休止?fàn)顟B(tài)，夾持臂保持夾緊狀態(tài)；不完全齒輪與齒條框在進(jìn)入嚙合狀態(tài)，采摘頭推出。

操作者在采摘時需將采摘頭抵在櫻桃果柄底部，夾持臂張開在櫻桃樹枝條兩側(cè)，閉合手持部分的活動把手，夾持臂會先夾緊樹枝條，采摘頭再往前推出，櫻桃果實會掉入到收集網(wǎng)中，操作者看到櫻桃掉在收集網(wǎng)后，松開手持部位的活動把手，在彈簧作用下齒條帶動齒輪、凸輪往反方向旋轉(zhuǎn)，機(jī)構(gòu)復(fù)位。

2.5 行程放大結(jié)構(gòu)

為了能順利采摘，對齒條的行程進(jìn)行了放大。如圖9所示，齒輪分度圓的半徑為5 mm,而不完全齒輪的分度圓半徑為15 mm，齒輪與不完全齒輪是同步轉(zhuǎn)動的，即兩者轉(zhuǎn)過的角度相同，這樣，使采摘頭的移動量放大成了齒條移動量的3倍。

3 樣機(jī)制作

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，加工制作了如圖10 所示的樣機(jī)。整個采摘器質(zhì)量約0.65 kg，尺寸為1200 mm×95 mm×44 mm。樣機(jī)工作如圖11、圖12所示。

圖9 行程放大原理圖

在樣機(jī)的實驗過程中，采摘低處的櫻桃不使用采摘器更快，但采摘高處的櫻桃，操作站在地面就能采摘高處的櫻桃，節(jié)省了人爬樹時間或搬梯子和爬采摘頭的時間。同一個人使用采摘器采摘高處櫻桃1 kg約使用5 min，爬樹采摘約使用8 min，借助梯子采摘約15 min，使用采摘器采摘高處櫻桃效率高。

圖10 樣機(jī)實物圖

圖11 樣機(jī)夾持頭工作圖

圖12 樣機(jī)工作圖

4 結(jié) 論

雙齒輪聯(lián)動櫻桃采摘器可以實現(xiàn)對櫻桃的高效率采摘，降低櫻桃采摘工人的勞動強(qiáng)度和采摘難度，達(dá)到省時省力的效果。該裝置產(chǎn)品體積小、易操作、質(zhì)量輕，使用者可以輕松上手進(jìn)行櫻桃的高效率采摘。該產(chǎn)品既可應(yīng)用于工作量大的采摘基地，也可用于觀光農(nóng)業(yè)中果園游客的體驗項目。