蔣明華 錢偉紅 姚勝昶 朱 超

（蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 吳江 215200）

1 研究現(xiàn)狀

隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)各類水果需求量也在不斷增加，我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，在2018年水果總產(chǎn)量高達(dá)2.57億噸，其中園林水果產(chǎn)量達(dá)1.76億噸，位居世界首位[1]。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，因采摘效率低來不及采摘、采摘過程造成水果損傷、成熟期判斷不準(zhǔn)確造成誤采等因素，我國(guó)水果采摘作業(yè)過程的平均損耗率超過20%，僅因此項(xiàng)造成的年經(jīng)濟(jì)損失就超千億元。在水果種植過程中，采摘修枝對(duì)時(shí)間要求較為集中，短期內(nèi)勞動(dòng)強(qiáng)度較大，對(duì)高空水果的采摘修枝作業(yè)，更是伴有一定危險(xiǎn)性。[2]水果采摘作業(yè)所需勞動(dòng)力占整個(gè)水果生產(chǎn)作業(yè)所需勞動(dòng)力的50%-70%。[3]目前，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家種植業(yè)土地集中，規(guī)?；?jīng)營(yíng)程度高，主要采用大型水果收割機(jī)械進(jìn)行采摘和修枝作業(yè)。而我國(guó)多以家庭為單位的小面積種植為主，不適用大型水果采摘機(jī)械作業(yè)。[4]

水果種植過程，必不可少的都會(huì)涉及到采摘、修枝環(huán)節(jié)。由于植物在生產(chǎn)過程中的趨光性，掛果枝條多在果樹頂端，而且我國(guó)現(xiàn)有果樹大部分為喬木植物，高度較高，對(duì)于這類高枝水果的采摘，傳統(tǒng)方式為攀爬至樹上采摘，或者利用梯凳或其他采摘平臺(tái)使采摘者能夠上升到觸及水果的位置，還有是利用一些采摘工具手動(dòng)采摘，對(duì)于以上方式，采摘效率低下，甚至對(duì)對(duì)采摘作業(yè)者安全構(gòu)成較大風(fēng)險(xiǎn)隱患。隨著我國(guó)老齡化程度的提高，勞動(dòng)力成本不斷攀升，設(shè)計(jì)一款便攜，操作簡(jiǎn)單的高空水果采摘修枝裝置，對(duì)于降低水果種植業(yè)采摘成本，提升采摘效率，減少果農(nóng)作業(yè)強(qiáng)度和更好地保障其作業(yè)安全具有重要意義。

2 采摘修枝裝置設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

對(duì)于一些高枝的果實(shí)，目前市面上主要是用桿子來采摘，較為傳統(tǒng)的是用竹竿，在竹竿的頭部用刀具刻出V形槽，通過V形槽扭轉(zhuǎn)折斷果柄達(dá)到采摘的目的。還有部分果農(nóng)會(huì)采用較為先進(jìn)的伸縮桿，其頂部折斷果柄的部分通過剎車線連接下面的把手，按壓把手達(dá)到采摘的目的。這兩種方法因需果農(nóng)長(zhǎng)時(shí)間舉著工具而造成小臂肌肉酸痛，影響果農(nóng)正常作業(yè)，降低采摘效率。

圖1所示的三爪水果采摘桿為目前市面上常見的水果采摘工具，該工具具有對(duì)水果保護(hù)性好，使用較方便的優(yōu)點(diǎn)，但其在采摘過程中需要手動(dòng)按壓把手，于長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)容易手臂酸痛，影響采摘效率；同時(shí)，經(jīng)三爪緊扣住的果實(shí)，不利于果實(shí)自動(dòng)脫落，影響后續(xù)水果收集，進(jìn)一步對(duì)采摘效率產(chǎn)生影響。[5]針對(duì)上述情況，考慮到剪切方式利于收集，采摘效率高且除采摘之外還可作為日常修枝使用，因此確定以剪刀頭為主要工作方式，確定剪切式、可伸縮桿、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案。

圖1 三爪水果采摘桿結(jié)構(gòu)

2.2 整體結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的便攜式高空采摘修枝裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要分為頭部驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、中部桿長(zhǎng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、尾部控制結(jié)構(gòu)三大部分組成。

圖2 便攜式高空采摘修枝裝置整體結(jié)構(gòu)圖

頭部驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由靜刀片、動(dòng)刀片、連桿、電機(jī)支架、圓盤、電動(dòng)機(jī)、伸縮桿組成。

圖3 頭部驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

中部桿長(zhǎng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2所示，桿身主要由上桿、中桿、下桿三段桿組成。各桿采用薄壁方管，外截面均為正方形。桿與桿之間有彈性凸起物固定。常見的果樹屬于灌木或喬木，其高度通常在2 m～6 m，綜合考慮到使用者高度，手臂長(zhǎng)度及采摘角度等因素，設(shè)計(jì)桿長(zhǎng)為2.0 m，上、中、下桿長(zhǎng)均為0.7 m，兩處在到達(dá)最大伸長(zhǎng)位置時(shí)重合長(zhǎng)度為50 mm。

尾部控制結(jié)構(gòu)如圖4所示，在手柄處有控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)按鈕及調(diào)速旋鈕，在手柄末端還設(shè)有外接電源充電接口，手柄內(nèi)置可充電電池，手柄處結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖4 尾部控制結(jié)構(gòu)圖

2.2 工作原理

其工作原理如下：當(dāng)果梗置于動(dòng)刀片和靜止之間時(shí)，啟動(dòng)手柄上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)按鈕，電機(jī)帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，圓盤聯(lián)動(dòng)連桿，將動(dòng)力傳遞給動(dòng)刀片，動(dòng)刀片在連桿作用下完成一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)，完成剪切運(yùn)動(dòng)。調(diào)速旋鈕還可以對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行一定程度調(diào)節(jié)，滿足剪切果柄時(shí)不同轉(zhuǎn)矩要求。

3 功能的實(shí)現(xiàn)

該裝置既可作為修枝工具，也可通過在刀具下方添加網(wǎng)兜，從而作為采摘工具使用。該裝置主要可實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀具剪切、桿身伸縮、驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行及調(diào)速等功能。

3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀具剪切

刀具的剪切機(jī)構(gòu)采用四桿機(jī)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行改良，將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過連桿轉(zhuǎn)化為剪切運(yùn)動(dòng)，控制刀具完成如下采摘作業(yè)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 四桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖

圖中圓形代表電動(dòng)機(jī)軸所連接的圓盤。桿①是虛擬的，圓盤上凸起圓柱體與圓盤圓心的距離可作為桿①。桿②是真實(shí)桿，一端連接在圓盤的凸圓柱上，另一端連接在刀具末端。桿③為刀具的單片，其中支點(diǎn)被固定在桿④的一端，末尾連接桿②，桿②的運(yùn)動(dòng)可帶動(dòng)刀具運(yùn)動(dòng)。刀具的另一單片被固定在伸縮桿頭上，所以控制一片刀具運(yùn)動(dòng)即可達(dá)到剪斷果柄的目的。桿④也是虛擬的，通過采摘桿與支架的固定，達(dá)到固定刀具和電動(dòng)機(jī)圓盤的目的。在此結(jié)構(gòu)下，只需要電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，即可驅(qū)動(dòng)桿②運(yùn)動(dòng)，從而使刀具進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，刀具運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖6所示。

圖6 刀具的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

3.2 桿身的伸縮

因采摘作業(yè)地點(diǎn)和工具存放點(diǎn)的不同，所以采摘工具一定要攜帶方便，對(duì)于便攜性方面，采用市面上類似于折疊傘伸縮桿結(jié)構(gòu)，桿身輕薄，方便收縮伸長(zhǎng)，便于攜帶。

桿連接處結(jié)構(gòu)如圖7所示，桿1與桿2之間通過彈性凸起物固定，彈性凸起物固定在桿1上，并有一部分露出在桿1上端，如圖8所示。在桿2下部相應(yīng)位置開有小孔，當(dāng)伸縮到該位置時(shí)，彈性凸起物會(huì)進(jìn)入小孔從而阻止桿2繼續(xù)往上伸縮。當(dāng)需要將桿2收縮時(shí)，只需用手按下彈性凸起物，即可將桿2往下收縮回與桿1重合位置。

圖7 桿連接處結(jié)構(gòu)圖

3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反電動(dòng)及調(diào)速

圖8 桿頂端的彈性凸起物

電動(dòng)機(jī)用于帶動(dòng)圓形鋸盤切割果梗，果梗不算太硬，要求的功率不是很大，但當(dāng)鋸片靠近水果的果梗時(shí)，水果會(huì)有遠(yuǎn)離刀片方向的運(yùn)動(dòng)，為了順利切下水果就需要電動(dòng)機(jī)具有較高的轉(zhuǎn)速。為了達(dá)到節(jié)能安全、使用方便的目的，該電動(dòng)機(jī)選用直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能好和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)。所謂“調(diào)速性能”是指電動(dòng)機(jī)在一定負(fù)載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)可以在重負(fù)載條件下，實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無級(jí)調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。起動(dòng)力矩大，可以均勻而經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

電機(jī)主要由電路板及其旋鈕和按鈕控制。按住按鈕時(shí)，電路接通，電動(dòng)機(jī)正常工作；手松開時(shí)，電路立即斷開。這樣的按鈕可以在電源漏電、電路短路等狀況下保證使用者的安全。旋鈕對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，主要利用了單片機(jī)內(nèi)置的FTM模塊，在旋轉(zhuǎn)旋鈕的時(shí)候發(fā)送不同的PMW波，以達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的高空采摘修枝裝置，采用伸縮剪切機(jī)構(gòu)，應(yīng)用電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)采摘。本項(xiàng)目意義主要有以下幾點(diǎn)：

（1）融合了市面上現(xiàn)有的各種采摘工具的優(yōu)點(diǎn)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能上的創(chuàng)新；

（2）切實(shí)改善了果農(nóng)采摘的作業(yè)環(huán)境，使采摘更加方便，成本更低；

（3）自主設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)各部件尺寸，體現(xiàn)創(chuàng)新和學(xué)以致用理念。

本文運(yùn)用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種便攜高空采摘工具。通過制作實(shí)物，證明該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可有效提高采摘效率。