小型單手柑橘采摘裝置＊

吳柯依，胡雨杭

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小型單手柑橘采摘裝置＊

吳柯依，胡雨杭

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

隨著農業技術的發展，我國柑橘產量逐年增高，但與之不匹配的是，我國柑橘采摘仍以人工采摘為主。在采摘過程中，為了防止橘皮被撕破，果農采用雙手剪的方式進行采摘，效率不高。對此，設計了一種新型的單手柑橘采摘裝置，提高果農的采摘效率。該設計通過導桿機構、多桿增力機構等機構的組合，將手腕的轉動轉變為剪刀的剪切動作，實現單手采摘柑橘的功能；通過調整剪刀架的相對位置，比較快速地實現左右手互換，方便不同用手習慣的操作者使用；通過人因分析及設計，降低采摘過程中的肌體疲勞，使采摘工作更加舒適、安全、高效。

柑橘；采摘裝置；調節桿；剪切機構

1 作品背景及意義

隨著科技的發展，我國農業發展水平不斷提高，各種農作物的產量不斷增加。以柑橘為例，近幾年我國柑橘產業持續發展，柑橘產量和種植面積逐年增加，我國的柑橘種植面積和年產量常年位居世界第一。而我國的柑橘種植仍以手工采摘為主，未實現大規模自動化采收，給農戶們的采收帶來了繁重的勞動。此外，現行采摘需雙手配合使用，采摘范圍相對較小，且在采摘的同時無法進行如提籃等其他工作，也限制了采摘效率的提高?；谝陨媳尘埃卷椖拷M設計了這一款小型單手柑橘采摘裝置。

2 作品方案設計

裝置為單手佩戴裝置，手腕轉動時通過機構帶動剪刀完成采摘水果的動作。裝置采用八桿增力機構，通過對桿件長度的設計，可以實現較大的增力效果，定性好，同時，也能很好地滿足我們的功能要求，操作方便，加工也不復雜。

轉動剪切方案參考果農普遍使用的果柄剪，刀片前端呈月牙形，以防止剪切時果柄向外滑動。有兩塊刀片，一塊為固定刀片，另一塊為活動刀片，工作時活動刀片繞支點轉動，完成剪切。經過對刀片形狀的修改，使其能很好地滿足果農對采摘功能的要求，便于加工，同時方便整體機構的設計。產品方案設計如圖1所示。

3 作品整體介紹

裝置使用流程如下：用戶將裝置佩戴完畢后，轉動調節機構，使裝置處于合適的初始位置；調整完畢后，用戶確定橘子的位置，單手握住橘子，轉動手腕，剪下橘子，橘子落入手中，將橘子放在籃子中后，完成采摘；反向轉動手腕，裝置復位，用戶進行下一次采摘。由于人手大小的差異，裝置佩戴在不同人手上時，連接滑塊在滑軌上的初始位置會發生變化，造成使用不適甚至影響功能的正常實現，因此，設計調節桿調節連接滑塊的初始位置。具體流程如圖2所示。

圖1 產品方案設計圖

圖2 采摘流程

4 作品機構設計

4.1 第一級傳動機構

第一級傳動機構為導桿機構，其作用是將人手腕的轉動作為原動力傳輸給下一級機構中，手腕固定套通過固定綁帶固定在手臂上，手掌底板通過固定手套固定在手掌上。調節桿兩端分別與手腕固定套以及手掌底板上的連接滑塊鉸接。為了不限制手腕轉動與左右擺動，鉸接處采用魚眼軸承進行連接。當手掌繞手腕轉動時，帶動連接滑塊滑動，將手腕的轉動輸入至第二級傳動機構。

4.2 第二級傳動機構

各桿之間采用銷進行鉸接，連接滑塊下方開槽，且安裝有兩個直線軸承與光軸配合，可以減少滑塊的滑動摩擦力。工作時，第一級傳動機構的連接滑塊滑動，帶動桿逆時針轉動，另一桿順時針轉動，通過桿推動滑塊（連活動刀片）滑動，將動力傳遞至剪切機構。

4.3 剪切機構

剪切機構的作用是將果梗剪短，為曲柄滑塊機構，機構由固定刀片、活動刀片、連接桿以及刀架滑塊組成。多連桿增力機構將動力傳至刀架滑塊后，刀架滑塊滑動帶動活動刀片逆時針轉動，完成剪切。活動刀片利用杠桿原理對傳入的動力進行第三級放大。為了實現用戶握住橘子時橘梗自然落入剪切機構內的功能，裝置對刀片的形狀進行了設計。刀片的基本形狀參考果農使用的月牙形狀的剪刀，防止剪切時果梗向外滑動；同時將固定刀片做成反“S”狀，以增大剪切機構的張口，方便果梗進入剪切機構。

4.4 調節機構

調節機構的作用是調節連接滑塊的初始位置，為雙向螺旋傳動機構。

5 作品人因設計

5.1 輕量化設計

為了降低裝置的質量，對作品進行了輕量化設計。

對于精度與強度要求不高的零件，采用工程塑料制作。而對于有精度與強度要求的金屬件，在滿足精度與強度的要求下，采用質量較輕的鋁合金制作，并盡可能多地去除無用材料。最終，裝置的整體質量為300 g，與市場上通用尺寸的果枝剪質量相當。

5.2 左右手互換功能設計

為了適應左右手互換的功能，設計了左右手互換的功能，從而使裝置能夠根據佩戴的手的不同自由切換形態。其中，手掌底板與底座之間采用凸臺與凹槽的配合進行定位，并采用擋片進行限位，刀架底板與手掌底板之間通過定位銷進行定位與限位。設計左右手互換的功能，除了適應不同用手習慣的人群以外，也方便裝置的生產與銷售。對于廠家而言，裝置無需成套生產，簡化了生產流程；對于用戶而言，可根據自己需要購買任意數量裝置，而無需成套購買。

5.3 作品疲勞程度仿真

為了對比用戶使用本設計采摘與傳統采摘方式之間疲勞程度的區別，項目利用Jack軟件對采摘進行了整體作業分析，并與傳統采摘方式整體作業分析的仿真結果進行對比。由仿真結果可知，作品采摘方式將采摘負荷集中在單邊肩關節以及腕關節，而傳統的采摘方式在雙邊肩關節、腕關節均有負荷，因此，用本設計采摘的采摘總負荷減少。而單手采摘方式雖然增加了腕關節的負荷，但腕關節在此采摘過程中處于安全狀態。

6 尺寸計算

本裝置以人機工程學中人群手部的平均尺寸數據為依據進行設計，主要以男性人群尺寸為標準，以適應于大部分人使用，在部分需要人與機械協同的部件尺寸上設計了調節機構使裝置貼合人手。

通過查閱相關數據，確定手部與柑橘的相關平均尺寸，具體如表1所示。

表1 手部與柑橘的相關平均尺寸

類型手掌寬度手掌長度柑橘直徑桔梗直徑 尺寸/mm967860～803

7 項目效益分析

原采摘流程所需時間，經實地測算為6.05 s；本作品單手采摘流程所需時間，經實地測算為3.75 s；可得出采摘效率提升38%.

裝置除了直接簡化采摘流程，提高采摘效率以外，使用單手代替雙手采摘，也擴大了采摘范圍，采摘范圍擴大100%，間接提高了采摘效率。

8 項目創新點

本作品創新之處主要體現在以下3個方面：①巧妙地對多連桿機構進行組合，在有限的空間里將手腕的轉動轉化為刀具的剪切，實現單手采摘柑橘的功能，提高采摘效率；②裝置可實現左右手使用狀態的切換，滿足不同用手習慣用戶的需求；③作品對裝置進行一系列人因設計，使裝置佩戴舒適，降低采摘過程中的肌體疲勞。

9 應用前景

本作品針對柑橘采摘過程中出現的問題，設計出一種可以單手采摘柑橘的裝置，減少人的工作量，提高了采摘效率，節約采摘成本。本裝置也可采摘其他的帶梗水果，諸如蘋果、梨等都可以使用，裝置的使用范圍廣。目前市場上未見同類產品，也未見與本作品相似的發明專利，而本產品設計簡單巧妙，生產銷售方便，市場前景廣闊。此外，作品人機協同采摘的理念可廣泛應用于其他水果的采摘過程之中，為其他小型輔助采摘設備的設計提供參考。

［1］唐增寶，常建娥.機械設計課程設計［M］.武漢：華中科技大學出版社，2007.

［2］彭文生，李志明.機械設計［M］.第2版.北京：高等教育出版社，2008.

［3］黎明發，張開銀.材料力學［M］.北京：科學出版社，2007.

［4］成大先.機械設計圖冊［M］.北京：化學工業出版社，2008.

［5］楊家軍.機械創新設計技術［M］.北京：科學出版社，2008.

［6］朱金生，凌云.機械設計使用機構運動仿真圖解［M］.第2版.北京：電子工業出版社，2013.

國家大學生創新創業訓練計劃（編號：201810497046）

2095－6835（2019）03－0084－02

S225.93

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.084

〔編輯：張思楠〕