可伸縮式菠蘿采摘機械裝置的結構設計

惠 佳，王核心，許亞軍

（陜西省寶雞職業技術學院機電信息學院，陜西 寶雞721000）

0 引言

水果是人類生存不可或缺的食物，菠蘿更是水果中的優品，又稱鳳梨，為著名熱帶水果，其營養豐富，含大量的維C，品質優異，深受人們的喜愛，需求量也在不斷增長。菠蘿為常年生水果，產量大，然而菠蘿的采收卻是一項繁重的工作，其采摘作業季節性強、耗時費力、費用高，因此保證果實適時采摘、降低收獲作業費用是果農增收的重要途徑[1]。

菠蘿生長的環境密集，大面積機械化采摘會破壞菠蘿的表面及其柱體后續的生長。因此，目前我國菠蘿的采摘大多數還是依靠人工，機械化程度較低。菠蘿的葉子布滿芒刺，且十分堅硬，人工采摘時很容易扎破采摘者的手，且采摘效率較低，此外，密集的菠蘿株也不方便采摘后菠蘿的運輸。基于上述原因，使得我國菠蘿成本居高不下，僅采摘這一環節的費用就占到總成本的50%～70%，且采摘時間較為集中[2]。

為進一步提升我國菠蘿采摘的自動化程度和效率，增加菠蘿種植戶的收入和種植熱情，本設計基于多方面考慮，設計出了采摘效率高、運輸便捷且與工作人員之間易于配合的菠蘿采摘機械手。該機械手即可避免農戶在采摘菠蘿過程中扎破手指，同時利用腳蹬的三輪車又能碼列整齊，實現方便運輸，從而大大提高了采摘的效率。該菠蘿采摘機械裝置的設計可為我國進一步發展高自動化水平菠蘿采摘機提供重要參考。

1 設計方案

1.1 整體設計方案介紹

可伸縮移動式菠蘿采摘機總體設計方案如圖1所示，其由三輪小車運輸機構和機械手臂兩部分組成，根據菠蘿的生長特點，該采摘裝置在工作過程中，采摘者騎上三輪車，并用雙腳蹬踏腳蹬使三輪車前進，同時雙手抓扶三輪車箱上的橫向欄桿，配合座椅與圍欄之間連接的轉軸，實現三輪車運動方向的控制。此外三輪車車廂內可放置一至兩個果筐，在機械手完成菠蘿采摘后，可將菠蘿直接放入果筐。

圖1 菠蘿采摘裝置

1.2 機械手臂的設計

菠蘿采摘設備中的核心機構-機械手臂的設計方案圖2所示，圖2（a）為機械手臂的三維裝配圖，從該圖中可以了解該機械手臂的工作原理，圖2（b）為機械手臂的二維圖，采摘爪的結構尺寸根據菠蘿相關參數設定[2]。由圖2中可知，該機械手臂由球軸承、支撐桿、魚眼軸承、控制桿、直線軸承、采摘爪、扶手以及采摘扳機等多個零件裝配而成，其中球軸承為三輪車與機械手臂的鏈接機構，而魚眼軸承則是鏈接直線軸承和支撐桿，同時實現機械手臂的空間方向的移動。采摘爪中有一重要部件為推桿，其通過高韌性金屬絲與控制桿末端的扳機相連，拉動扳機則推桿前后運動，最終實現卡爪的開合。

采摘手臂的工作原理為：其主體采摘部分為一支機械采摘手臂，采摘手臂通過一些列軸承和支撐桿實現與三輪車的連接。在其工作過程中，農戶將三輪車停靠在采摘合適位置后，雙手扶握機械手臂手柄，機械手臂通過魚眼軸承和球軸承實現上下左右個方向的運動，此時機械手爪為張開狀態，當機械手爪抓著目標菠蘿之后，農戶手拉把手內的扳機，此時機械手爪閉合并抓緊菠蘿，同時位于機械手爪下方的刀片相向運動，對菠蘿的根部進行剪切，最終實現菠蘿與其根部的分離。完成采摘后機械手臂上抬，將菠蘿放入果筐中，并蹬踏三輪車前進，開始下一個菠蘿的采摘工作。

圖2 機械采摘手臂結構圖

1.2.1 伸縮扭轉機構的設計

為方便采摘人員坐在三輪車上原地采摘四周的菠蘿，借鑒滑塊及汽車上的轉向機構，采用球軸承、魚眼軸承及直線軸承來實現伸縮和擺動。圖3（a）所示的為球軸承，其與支撐桿相連接，不但可使支撐桿做360°整周回轉運動，同時由于軸承套與球頭之間存在一定的間隙，因此該球軸承還可以實現支撐桿有小角度范圍內的往復擺動，這樣的設計使得采摘菠蘿的范圍進一步增大。圖3（b）為魚眼軸承，該魚眼軸承鏈接直線軸承和支撐桿，由于其特殊的結構特點，可使控制桿實現上下方向運動，這樣的設計可以滿足不同高度的菠蘿株的采摘。圖3（c）為直線軸承，該直線軸承由兩部分構成，其下部與魚眼軸承相連接，而上部則通過軸孔與控制桿相連接（間隙配合）。控制桿穿過軸孔，并沿其軸向可實現前后移動伸縮，以實現不同距離處的菠蘿的采摘，同時也方便將剪斷的菠蘿放回到車廂的果筐內，碼放整齊。球軸承、魚眼軸承以及直線軸承的結合，可以大大增加采摘爪的伸縮高度及采摘半徑，進一步提升了農戶的采摘效率。

圖3 球軸承、魚眼軸承及直線軸承結構設計圖

1.2.2 夾緊機構的設計

因為菠蘿的特殊生長方式（果柄在下，果實在上），所以在采摘時需要將菠蘿抱緊，不然采摘時容易掉落損壞果實。根據這一特點，設計該夾緊機構的工作過程為：雙手扶握扶手的同時，一只手拉動扳機，此時控制桿內部的牽引線（連接扳機和推桿）便會運動，并拉動推桿，推桿運動過程中拉桿上的彈簧發生變形并伴隨著拉桿向后（向著扶手的方向）移動，此時，與拉桿和采摘爪相連的連桿機構發生逆時針運動，采摘爪實現回扣，夾緊菠蘿。此外，考慮到菠蘿在采摘中易被夾扁損壞，因此特意在采摘爪的內表面設計了一層彈性硅膠墊，從而達到了菠蘿采摘過程中保護表面的目的。見圖4。

1.2.3 剪切機構的設計

機械手臂的采摘爪下方面對面安裝有剪切機構-圓弧形刀片，當拉動扳機時，推桿回縮，內部的彈簧被壓縮，采摘爪在抱握菠蘿的同時，由于刀片與采摘爪為緊固連接，因此下方的刀片也隨之夾緊，兩刀片逐漸貼合直至將菠蘿切斷。在菠蘿被拉回到車廂放入果筐時，松開扳機，此時彈簧釋放彈性，帶動推桿向前做回復運動，在連桿機構開張下，刀片也隨之張開。當卡爪到達指定位置時，位于推桿處的限位塊的阻擋了推桿繼續向前的運動，此時推桿停止運動，同時采摘爪也位于張開的最大位置。見圖5。

圖5 刀片結構圖

1.3 運輸機構的設計

菠蘿采摘機械手臂在工作過程中安裝在一個三輪小車之上，此處主要是考慮節省成本，降低價格，適用于更多的中小型果農，因此設計的腳蹬式三輪車方案如圖6所示，主要用途是裝載菠蘿采摘機械手臂，同時方便在菠蘿地中運動以及承載果筐并運輸菠蘿。該三輪小車在設計上與常見的拉貨用三輪車不同，為反向設計，農戶在進行菠蘿采摘的過程中，首先登踏三輪小車進入菠蘿田，在前進的過程中，農戶無需操作機械手臂，雙手扶握三輪車的欄桿，同時雙腳登踏三輪小車上的腳蹬，使得三輪車實現直線運動。該三輪車在座椅和圍欄之間的還采用了轉軸設計，當三輪車需要轉彎時，農戶用手推動扶手向著需要轉動的方向增加推力，此時轉軸旋轉，三輪小車實現轉彎。

1.4 3D打印實物

采用3D打印技術，根據三維數字化軟件PRO/E的建模自動、快速、直接和比較精確地將其模型打印出來，不需要傳統的刀具、夾具、機床或任何模具，具有較高的精度和很高的復雜程度，可以制造出采用傳統方法制造不出來的、非常復雜的魚眼軸承、球軸承制件。不用剔除邊角料，提高了材料的利用率，通過摒棄生產線而降低了成本。同時3D打印材料材質輕便宜，不會增加采摘工的勞動強度，制作成本較為低廉，購買成本不高，操作運作也方便輕巧。3D打印的實物如圖6所示。

圖6 可伸縮菠蘿采摘機械裝置實物圖

2 結束語

本文設計了可伸縮移動式的菠蘿采摘機械裝置，而經過操作實驗的驗證，可以完成預期的采摘效果，設計方案合理。該菠蘿采摘裝置分別采用了球軸承、支撐桿、魚眼軸承、控制桿、直線軸承、采摘爪、扶手以及采摘扳機等多個零件裝配而成，實現了其可伸縮可周向移動，大大提高了工人的采摘效率，減輕了勞動強度。