適應椰子樹和檳榔樹攀爬的彈性爬樹機設計研究

蘇 明，韓慧敏，宋延沛

（海南科技職業大學，海南 海口571126）

1 背景

棕櫚科植物是海南熱帶農業的主要產品，其果實因含有豐富營養成分或口味獨特而深受人們喜受，如椰子、檳榔等，椰子、檳榔在全國各大旅游景點都有銷售，需求量較大。棕櫚科植物如椰子樹或檳榔樹樹干不分枝且高度較高，高度達10～15m，葉簇生于莖頂，果實懸掛于樹葉下，當果實成熟需要采摘時，需人工徒手沿樹干攀爬至樹干頂端進行采摘果實，但徒手攀爬難度較大，危險性高，在攀爬過程中難以保障采摘人員的生命安全。研究人員針對人工徒手攀爬的缺陷設計爬樹機來代替人工完成攀爬工作，可以有效避免采摘人員在攀爬時因攀爬不慎而發生摔傷事故，同時降低采摘勞動強度，提高采摘安全性和工作效率，保障采摘人員的人身安全。

目前，現有爬樹機固定套設的結構形式，將爬樹機機架套設在樹干上，然后采用動力裝置沿著樹干的豎直方向運動，人站在機架上即可完成攀爬作業，減輕了攀爬作業的強度，提高安全性，提高采摘果實的效率。但由于椰子樹或檳榔樹受生長氣候和地形環境的影響，造成樹干直徑大小不一，爬樹機在攀爬工作的過程中，不能根據樹干直徑的變化特點自動調整夾樹直徑的大小，容易造成爬樹機在攀爬過程中出現被卡死或打滑的現象，導致其存在爬樹功能不強、實用性差和針對性較低的問題。

2 彈性爬樹機的設計方案

彈性爬樹機包括主動輪機構、自動調整輪機構、平衡輪機構和機架組成如圖1所示。機架呈大于半圓的弧形結構，同時機架設置為張口式結構，即機架分為左機架和右機架，左機架與右機架之間鉸接，在鉸接處設置有用于固定左機架與右機架的多個固定構件，固定構件即左機架設置有鉸接板，鉸接板上設置有通孔，右機架上設置有與通孔相對應的螺紋孔，螺栓穿過帶有通孔內的鉸接板，將其與螺紋孔轉動連接。在機架上分別間隔設置有平衡機構、主動輪機構、自動調整輪機構，平衡機構、主動輪機構和自動調整輪機構設置在同一水平面且角度間距為120°，主動輪機構的主動輪設置在機架中間部位，平衡機構的平衡輪和自動調整輪機構的調整輪分別設置在主動輪的左右兩側。

平衡機構包括U形結構的平衡輪座和朝向機架中心的平衡輪，平衡輪座安裝在機架上，平衡輪活動設置在平衡輪座上，如圖1（b）10和20所示。

主動輪機構包括U形結構的主動輪座、電動機和朝向機架中心的主動輪，如圖1（b）7和19所示，主動輪座和電動機均安裝在機架上，主動輪活動設置在主動輪座上，電動機通過傳動機構與主動輪連接，傳動機構采用齒輪或鏈條傳動，其傳動穩定性好，電動機通過控制電路與控制器連接。

自動調整輪機構包括均朝向機架中心的活動軸、支座、調整輪及彈簧，如圖2和如圖3所示，支座安裝在機架上，支座與活動軸活動連接，支座設計為U形結構，增加支座對活動軸的支撐點，提高活動軸運動時的穩定性，在活動軸的一端上設置有U形結構的調整輪座，調整輪活動設置在調整輪座上；在支座上設置有螺栓固定板、調節螺栓、軸上活動板和軸上固定板，螺栓固定板豎直安裝在支座上，調節螺栓與螺栓固定板轉動連接，調節螺栓的末端緊貼著軸上活動板，軸上活動板活動安裝在活動軸上且位于螺栓固定板的右側，軸上固定板固定在活動軸上且位于軸上活動板的右側，彈簧一端安裝在軸上活動板，彈簧另一端安裝在軸上固定板上。

圖1

圖2

圖3

3 彈性爬樹機工作原理

彈性爬樹機工作時，在電動機帶動下主動輪轉動攀爬。彈性爬樹機通過自動調整輪機構、主動輪機構和平衡機構的配合使用，平衡機構的平衡輪、主動輪機構的主動輪和自動調整輪機構的調整輪所構成的三個支撐點，三個支撐點分布在不同的方向上；自動調整機構的調整輪通過活動軸在彈簧的推力作用下，活動軸帶動調整輪朝機架中心位置做往返運動，以此來增大或縮小夾樹直徑的大小，克服了彈性爬樹機在爬樹時不能自動調整夾樹直徑大小而被卡死或打滑的缺陷，解決了彈性爬樹機爬樹能力差和不實用的問題，增強彈性爬樹機的適應能力和實用性。

在彈性爬樹機在攀爬前，機架張開，將其套設在樹干上，通過固定構件將機架的左機架和右機架固定，通過控制器啟動電動機，電動機帶動整個彈性攀爬機沿樹干的軸向進行攀爬。

彈性爬樹機在攀爬的過程中，當樹干直徑變大時，樹干推動調整輪向外移動，安裝有調整輪的活動軸也向外移動，固定安裝在活動軸上的軸上固定板向外擠壓彈簧，彈簧的彈力逐漸變大，彈簧反向作用于調整輪上，使得調整輪有更大的夾緊力夾緊樹干；當樹干直徑變小時，彈簧帶動活動軸及活動軸上的軸上固定板向里移動，調整輪緊貼著樹干。克服了彈性爬樹機在爬樹時不能自動調整夾樹直徑大小而被卡死或打滑的缺陷，解決了彈性爬樹機爬樹能力差和不實用的問題，增強彈性爬樹機的適應能力和實用性。

4 特 色

本方案設置自動調整輪、主動輪和平衡輪形成三個120度方向分布夾緊樹干，由于彈性力的作用，自動調整輪調整夾緊直徑的變化，樹干直徑變大爬樹機夾緊直徑也跟著變大，樹干直徑變小爬樹機夾緊直徑也跟著變小，保證爬樹機在樹干大小不均勻時能順利攀爬上樹。