王旖旎 李逢振 吳玉紅

（湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421005）

0 前言

隨著生活水平的提高，水果已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畋夭豢缮俚氖称贰，F(xiàn)在的水果一般都在園中大量種植，一到成熟收獲的季節(jié)，水果采摘也就成了人們最常見(jiàn)也較繁重的勞作方式之一。除了部分水果可通過(guò)人工方法降低樹(shù)高易采摘外，還有相當(dāng)部分水果生長(zhǎng)在較高的樹(shù)上。水果生長(zhǎng)的自然位置高，不利于人工直接采摘，很多時(shí)候免不了使用梯子或人爬上果樹(shù)后用手摘取[1-2]，這種采摘水果的方式，可以最大限度地降低水果的破損率[4]，但是對(duì)于作業(yè)人員來(lái)說(shuō)存在很大的安全隱患，而且采摘強(qiáng)度較大，采摘效率較低。因此水果采摘技術(shù)越來(lái)越受到人們普遍關(guān)注，尤其是高空采摘，采摘設(shè)備具有極大的市場(chǎng)需求。就目前上市的采摘設(shè)備來(lái)看，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）便攜式采摘器能完成水果摘取，但不具備果實(shí)采摘完后進(jìn)行傳輸?shù)难b置，作業(yè)過(guò)程仍需大量體力，且采摘距離也受限制。2）組合式采摘器可對(duì)各種角度、不同距離的水果進(jìn)行采摘。但是，最后在水果收集時(shí)，速度緩慢，且不能保證水果不被碰傷，同時(shí)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不便攜帶和操作。3）采摘機(jī)器人適應(yīng)各種高度，效率也高，但價(jià)格昂貴，不易維修和保養(yǎng)。4）大型采摘裝置笨重，移動(dòng)、存放較困難，成本高，采摘時(shí)水果表皮易被碰傷。

為此，通過(guò)研究創(chuàng)新，該文設(shè)計(jì)了一種可升降水果采摘裝置，安全、經(jīng)濟(jì)、高效、方便[7]。

1 可升降的水果采摘裝置的設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)高空采摘設(shè)備操作簡(jiǎn)單、輕巧方便的特點(diǎn)，采用伸縮桿為主體，配以重量輕、抓取范圍可調(diào)的夾頭，實(shí)現(xiàn)不同高度和不同大小水果的采摘。該文設(shè)計(jì)的可升降水果采摘裝置如圖1、圖2所示，主要包括夾頭、伸縮桿、握桿和轉(zhuǎn)桿等4個(gè)部分。伸縮桿通過(guò)螺紋連接方式套設(shè)在握桿內(nèi)部，伸縮桿和握桿內(nèi)部設(shè)置有轉(zhuǎn)桿，轉(zhuǎn)桿上端連接夾頭，下端與握桿連接。

圖1 可升降水果采摘器的立體圖

圖2 可升降水果采摘器的剖視圖

1.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.2.1 握桿的設(shè)計(jì)

如圖3所示，握桿是水果采摘裝置的握持部，位于裝置中下部，包括固定桿和活動(dòng)桿，固定桿與活動(dòng)桿之間通過(guò)軸承連接。

握桿設(shè)置成空心結(jié)構(gòu)，內(nèi)有伸縮桿和轉(zhuǎn)桿。采摘水果時(shí)，作業(yè)人員通過(guò)握住固定桿，用手轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)桿，即可帶動(dòng)轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行水果采摘作業(yè)。

固定桿和活動(dòng)桿外表面均設(shè)置有橡膠墊，能夠在工作時(shí)起到防滑作用。

1.2.2 伸縮桿的設(shè)計(jì)

伸縮桿在高空采摘作業(yè)時(shí)起著關(guān)鍵性的作用。它通過(guò)螺紋連接方式套設(shè)在握桿內(nèi)部，如圖3所示。在采摘過(guò)程中針對(duì)不同的采摘高度，先旋轉(zhuǎn)伸縮桿，使得伸縮桿沿著握桿縱向移動(dòng)，第一轉(zhuǎn)桿在夾頭的帶動(dòng)下，沿著第二轉(zhuǎn)桿縱向移動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)置能夠使得采摘裝置任意伸長(zhǎng)或者縮短，從而適應(yīng)不同的采摘高度，將水果從樹(shù)上取下。

圖3 伸縮桿和握桿的剖視圖

1.2.3 轉(zhuǎn)桿的設(shè)計(jì)

伸縮桿和握桿內(nèi)部設(shè)置有轉(zhuǎn)桿。轉(zhuǎn)桿上部連接夾頭，下部與握桿連接，在握桿的帶動(dòng)下能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，并且?guī)?dòng)夾頭內(nèi)的相關(guān)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)桿包括第一轉(zhuǎn)桿和第二轉(zhuǎn)桿。第一轉(zhuǎn)桿下部呈矩形體，上部外表呈圓柱體，內(nèi)孔呈矩形體。第二轉(zhuǎn)桿兩端呈矩形體，中部呈圓柱體。

第二轉(zhuǎn)桿活動(dòng)套設(shè)在第一轉(zhuǎn)桿內(nèi)部，可隨時(shí)跟著伸縮桿的伸縮上下移動(dòng)，以適應(yīng)不同的采摘高度。

第二轉(zhuǎn)桿與夾頭內(nèi)部的第二齒輪和第三齒輪固定連接，第二轉(zhuǎn)桿一轉(zhuǎn)動(dòng)，第二齒輪和第三齒輪跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，2個(gè)齒輪起著主動(dòng)輪的作用。

第一轉(zhuǎn)桿與握桿下方的活動(dòng)桿固定相接，活動(dòng)桿一轉(zhuǎn)動(dòng)，第一轉(zhuǎn)桿跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)相連的第二轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2.4 夾頭的設(shè)計(jì)

夾頭是水果采摘裝置的核心部件。其結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括夾頭殼體、第三齒輪、第二齒輪、傳動(dòng)桿、齒桿和刀片。

圖4 夾頭的結(jié)構(gòu)圖

夾頭殼體是一個(gè)空心圓柱體，第三齒輪、第二齒輪、傳動(dòng)桿、齒桿和刀片均安裝在其內(nèi)部。

第三齒輪在夾頭殼體底部位置，被第二轉(zhuǎn)桿穿過(guò)。

第二齒輪位于第三齒輪上端。第二齒輪與第二轉(zhuǎn)桿、第三齒輪和第二齒輪上前后左右4個(gè)位置，分別貫穿有活動(dòng)桿，如圖7所示?；顒?dòng)桿上端呈矩形體，能夠用來(lái)夾緊水果。下端呈圓柱體，當(dāng)?shù)谌X輪和第二齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，活動(dòng)桿能夠向圓心位置移動(dòng)。

圖7 活動(dòng)桿的結(jié)構(gòu)示意圖

第二齒輪和第三齒輪上均設(shè)置有軌道105a，如圖6所示。其中軌道設(shè)置有4個(gè)，分別位于第二齒輪和第三齒輪前后左右4個(gè)位置，軌道一端靠近第二齒輪和第三齒輪邊緣，另一端靠近圓心位置。軌道呈弧形，其中活動(dòng)桿穿過(guò)軌道。

圖6 第二齒輪和第三齒輪的俯視圖

第二齒輪和第三齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能夠帶動(dòng)活動(dòng)桿沿著弧形軌道由邊緣向中間移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)抓取范圍，適應(yīng)不同尺寸大小的水果，抓取并夾緊水果。

傳動(dòng)桿有2根，分別位于第二齒輪左右兩端，且傳動(dòng)桿上下兩端均連接有第一齒輪，下端的第一齒輪與第二齒輪嚙合，上端的第一齒與齒桿嚙合。

齒桿一側(cè)設(shè)置有齒，且有齒一端與第一齒輪嚙合。齒桿設(shè)置有2個(gè)，分別滑動(dòng)安裝在夾頭殼體上端，2個(gè)齒桿之間固定連接有刀片，如圖5所示。

圖5 刀片安裝結(jié)構(gòu)圖

采用以上結(jié)構(gòu)，當(dāng)采摘水果時(shí)，在切斷水果與果樹(shù)連接的同時(shí)，還能將水果夾緊，防止水果落地造成損傷，有效地保證水果的完好率?；诟呖詹烧鳂I(yè)，該水果采摘裝置要滿足整體結(jié)構(gòu)輕便，避免頭重腳輕，同時(shí)又不遮擋操作者的視線等要求。各部分的選材也很重要，盡量采用輕質(zhì)材料制成。夾頭殼體采用透明的的亞克力板或其他透明塑料材質(zhì)制作，夾持元件（活動(dòng)桿）采用密度較輕的塑料材質(zhì)制成。為了防止活動(dòng)桿抓取水果時(shí)破壞水果表皮，在活動(dòng)桿內(nèi)側(cè)可增加一層薄橡膠墊。伸縮桿和握桿的固定桿均采用1mm厚304不銹鋼管做成，中間空心可以減輕重量，使操作者在采摘水果時(shí)不易產(chǎn)生疲勞，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也方便攜帶。握桿的活動(dòng)桿和轉(zhuǎn)桿均由304不銹圓鋼做成，這樣既美觀又實(shí)用。

1.3 工作原理

使用該裝置采摘水果時(shí)，先根據(jù)水果所在高度，旋轉(zhuǎn)伸縮桿，使得采摘裝置處于一個(gè)合適的長(zhǎng)度，然后對(duì)準(zhǔn)需要采摘的水果，將水果套在夾頭內(nèi)部。

緊接著轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)桿，此時(shí)轉(zhuǎn)桿跟著轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)?shù)谌X輪和第二齒輪在第二轉(zhuǎn)桿的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)4個(gè)活動(dòng)桿由外向中間移動(dòng)，從而抓取并夾緊水果。與此同時(shí)，第二齒輪帶動(dòng)傳動(dòng)桿下端的第一齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，第一齒輪再通過(guò)傳動(dòng)桿進(jìn)一步帶動(dòng)傳動(dòng)桿上端的第一齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與第一齒輪嚙合的齒桿再帶動(dòng)刀片在水平方向上前后移動(dòng)，從而切斷水果與果樹(shù)之間的連接，進(jìn)行水果的采摘作業(yè)。

2 產(chǎn)品特色

與現(xiàn)有采摘技術(shù)相比，該水果采摘裝置具有以下特色：1）采摘水果時(shí)將水果套在夾頭內(nèi)，在刀片切斷水果與果樹(shù)之間聯(lián)系的同時(shí)，通過(guò)夾頭內(nèi)的活動(dòng)桿將水果夾住，實(shí)現(xiàn)夾緊與切斷同時(shí)操作，從而可以防止水果掉落地面造成損傷，在一定程度上保證了水果的完好率，提高了經(jīng)濟(jì)效益。2)設(shè)置伸縮桿[6,8]，并且將伸縮桿與握桿之間通過(guò)螺紋連接，使得采摘裝置在采摘不同高度的水果時(shí)，都能夠極其方便、靈活，既保證了作業(yè)人員的安全[5]，又降低了勞動(dòng)強(qiáng)度[8]。3）完全利用機(jī)械傳動(dòng)進(jìn)行水果采摘，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單[2]，攜帶操作方便[3]，節(jié)省了時(shí)間，提高了效率。4）裝置各部分用材合理，整體舒適美觀。

3 結(jié)論

水果采摘是一個(gè)季節(jié)性較強(qiáng)的工作。為了滿足水果種植戶的需求，該文針對(duì)當(dāng)前水果高空采摘這一技術(shù)難題，該文設(shè)計(jì)的可升降水果采摘裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，攜帶操作方便，果園、山地、丘陵等多種環(huán)境生長(zhǎng)的高大喬木水果樹(shù)，且采摘單果個(gè)頭較大的硬質(zhì)水果時(shí)都能適用。使用該水果采摘裝置既能降低采摘人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免安全事故，提高采摘效率，又能保證水果完好率，提高經(jīng)濟(jì)效益，具有很好的實(shí)用意義。經(jīng)預(yù)測(cè)，其應(yīng)用市場(chǎng)和推廣前景廣闊。