便攜式水果采摘器的設計

黃佳生，盧清華，鄒家勤

（佛山科學技術學院機電工程學院，廣東佛山 528200）

目前果園的采摘主要有兩種形式：一種是機械全自動采摘[1]；一種是機械輔助半自動采摘[2]。機械全自動采摘即采用機器人對果園果樹進行自動采摘。由于我國南方地區的果園多數處于丘陵地帶，地面崎嶇不平，地勢起伏，環境的復雜性高，使得其不適合利用機器人進行采摘工作，同時也考慮到采摘效率及經濟性等問題，因而目前南方地區多數果園采用機械輔助半自動采摘的方式進行采摘。

圖1 一種輕型枇杷采摘器

1 機械輔助半自動采摘的研究情況

機械輔助半自動采摘即人與采摘機械配合進行相應的采摘任務。目前，采摘機械主要可以分為電動式采摘機械和機械式采摘機械兩大類。

（1）電動式采摘機械一般采用微型直流電機和電磁吸盤作為驅動裝置。如：趙亞平等[3]研制一種輕型枇杷采摘器（圖1），采用微型直流電機作為驅動，通過兩級齒輪減速箱的減速，再將動力傳遞給偏心機構，實現采摘切割裝置中動刀片的往復運動，從而將枇杷的莖部剪斷。馬質璞等[4]利用電磁通電產生吸力的特點，設計一種新型單果采摘器（圖2），該采摘器由電磁剪刀結構、伸縮桿和收集網3個部分組成，通過開關裝置控制電磁剪刀結構中電磁吸盤的通電與斷電，對鐵塊產生吸引，帶動剪刀的閉合，完成剪切的采摘動作。

（2）機械式采摘機械通過繩或連桿等將驅動力傳遞到采摘機械的末端，驅動剪切裝置，進行剪切。如：陳燕等[5]研制一種純人力控制的荔枝采摘器（圖3），利用一個導向機構將枝葉撥開，定刀片鉤住果梗，再扳動手柄，使得動刀片旋轉將果梗切斷，果實落入導向機構中，沿果道滑下。張健等[6]設計一種芒果采摘機械手（圖4），能對芒果進行分級采摘。采摘機械末端采用一個U型槽的結構，通過其來判斷果實是否達到采摘的要求。當果實符合采摘要求時，果柄落入U型槽后實施剪切。

圖2 一種新型單果采摘器

圖3 荔枝采摘器

圖4 芒果采摘機械手

目前，電動式和機械式的采摘機械仍存在采摘方式單一、操作復雜、易損傷果實等。基于這樣的研究現狀，通過分析果農的采摘方式和果樹的生長特點，設計一種操作簡單、便于攜帶、通用性強且能最大限度保護果實不損傷的機械式采摘器。

2 總體結構與工作原理

2.1 總體結構

便攜式水果采摘器整體結構如圖5所示，在彈簧的作用下，可動塊可繞著其固定軸轉動，與采摘器的支架，在鋼絲繩的作用下，可動塊在自然的狀態下處于果籃的另一側。

2.2 工作原理

開始采摘前，可動塊處于原始狀態；采摘時，操作者將采摘的果實套入采摘器中，同時按壓操作手柄限位孔上的凸起，使得可動塊解除鎖死，并在執行末端兩側的兩個扭簧的作用力下，迅速向采摘器的另一端合攏，因而可動塊上的刀片和采摘器上的刀片得以閉合。在下刀片的沖擊下，將果柄切斷，使果實與果樹分離，果實掉入網兜中。拉動操作手柄，使得操作手柄向后運動，當操作手柄的限位孔與桿上的凸起重合時，可動塊恢復到原始位置，可動塊和操作手柄的位移被限制，即完成果實的一次采摘。采摘過程如圖5所示。

圖5 采摘器的采摘過程示意圖

根據初步的調查，果園的果樹高度一般控制在3～5m之間，為滿足不同高度果樹的采摘，操作桿采用可調節長度的伸縮桿，即操作桿為2段結構，通過調節上下段操作桿的相對位置來實現伸縮。

3 主要部件設計

采摘器的整體結構如圖6所示，采摘器主要分為執行末端、操作手柄和操作桿3個部分。采摘器采用純人力進行操作，3個部分通過簡單機械結構進行連接，如圖7執行末端中的連接處，其執行末端可動塊與操作手柄通過繩子進行連接。

3.1 采摘器執行末端的設計

在設計采摘器的執行末端時，應考慮到質量輕、強度高、不易損傷果實，控制簡單以及便于拆卸與更換等幾個方面。基于以上幾個方面的考慮，執行末端的主體結構選用鋁合金材料進行制作，而一些受力較小或不受力的部件則采用工程塑料制作，網兜采用尼龍制作而成，從而最大限度減小其質量。

圖6 采摘器整體機構示意圖

執行末端的具體結構如圖7所示，具有兩把刀片，一把刀片與執行末端主體結構的頂部連接在一起即上刀片，當果實成熟時，果梗容易與樹干脫離、掉落，因此通過控制操作桿使得上刀片與果梗發生相對位移，并給果梗施加一定的作用力使得其與果樹分離，掉入果籃中，完成采摘任務；另一把刀片位于可動塊的上端，這把刀主要是與主體結構上的刀配合形成一個半圓的剪切裝置，利用兩端扭簧產生的彈力，使得其迅速向上刀片靠攏、閉合，將果梗剪斷，果實與果樹分離，完成采摘。

圖7 執行末端的機構示意圖

執行末端中的柔性擋板和柔性刀擋板均采用2～4mm的硅膠片制作而成。柔性刀擋板分別位于上、下刀片的頂部，其主要起到一個分隔的作用，在采摘過程中將刀具與果實等分隔開，避免刀具鋒利的刀口與果實直接接觸，造成果實的損傷。柔性擋板均勻的分布于上、下刀片的下端即果籃中，其主要起到一個保護和限位的作用，相鄰柔性擋板之間具有一定間隙。采摘過程中，果梗容易落入其間隙中，位移被限制，易于剪切，也避免果梗的移動導致剪切質量。將采摘的果實從果籃倒出時，柔性擋板會在果實的作用下，向外翻并分別將上、下刀片擋住，避免果實與刀片接觸，造成果實的損傷。

繩子固定點通過繩子與采摘器后端的操作手柄連接配合，控制可動塊剪切和復位的動作。連接處具有一個鎖死裝置和卡槽，通過其能與不同長度的伸縮桿配合連接為一體，實現不同高度的水果采摘。

3.2 操作手柄

操作手柄用于操作者控制采摘器的工作，須具有一定的強度和便捷性。為控制采摘的整體質量，操作手柄采用高強度的塑性材料制作，長200mm、寬130mm、高120mm，具體結構如圖8所示。限位孔是與操作桿上的鎖緊裝置配合，限制操作手柄的移動，從而限制可動塊的位移。

圖8 操作手柄的結構示意圖

鎖緊裝置的內部結構如圖9所示，由螺旋彈簧和物塊組成。操作手柄被往后拉到達鎖緊裝置時，彈簧首先被壓縮且凸起的物塊被擠進操作桿中，當限位孔到達物塊的位置時，物塊在彈簧的作用下凸起與限位孔配合，從而限制操作手柄的位移。按下物塊即可解除手柄的限制。

圖9 鎖緊裝置

線槽一用于存儲多余的控制線，根據采摘的需求，采摘器需要搭配不同長度的操作桿，同時操作桿也需要伸縮，因此會導致控制線出現多余，影響操作。為解決這一問題而設計了線槽一，操作者可將多余控制線繞在線槽一中。線槽二的作用主要在于將控制線拉直，使其保持直線的狀態，避免控制線的松弛導致采摘器的剪切。手柄即為操作者控制采摘器動作的操作點。

4 結論

該采摘器采用機械式的連接和人力控制，通過驅動繩連接控制端與動作端，從而減少采摘器的質量，提高其操作的舒適性和攜帶的便攜性。可根據采摘果樹的高度，搭配不同長度的操作桿，且利用硅膠的柔軟性對果實加以保護，增強采摘器的通用性和對果實的保護能力。本采摘器可以在今后的試驗和調試中，加以改進并與機械手和行走裝置等融合，形成新的采摘機器人[7]，實現全自動的機器采摘，使其更好為果農服務。