可充電便攜式水果采摘機的設計

陳艷 田克耘

摘要? ? 針對當前我國果園采摘作業效率低、勞動量大、機械化程度低等問題，設計了一種可充電便攜式水果采摘機。該采摘機利用點動開關控制電機運轉，通過四連桿機構和曲柄滑塊結構，將旋轉運動轉化為往復性剪切運動，實現果柄剪切，具有質量小、成本低廉、操作簡單、人工勞動量低、工作效率高等優點。

關鍵詞? ? 采摘機;連桿機構;便攜式;設計原理

中圖分類號? ? S225? ? ? ? 文獻標識碼? ? A? ? ? ? 文章編號? ?1007-5739（2019）10-0129-02

1? ? 水果采摘作業現狀

水果采摘作業所用勞動力占整個生產過程所用勞動力的33%～50%，采摘作業較為復雜，季節性較強[1]，若使用傳統采摘機器，不僅易對水果造成破壞，而且工作效率低，而現代大型采摘機器（圖1）成本昂貴，通常果農也不予考慮[2]。目前，國內主要基于人工手持剪刀進行采摘（圖2），采摘效率低下，很大程度上浪費了勞動力。

2? ? 設計總體構思

2.1? ? 設計目標

旨在設計一種可充電便攜式水果采摘機，能夠降低手工握力剪枝和現有機器附蓄電池等局限性，同時提高對操作手臂的安全保護性能，實現低成本高質量的采摘功能。

2.2? ? 方案描述

本設計主要采用連桿機構實現采摘剪枝動作，具體是由電機作為動力源，帶動曲柄滑塊機構實現由旋轉運動轉化為直線運動，滑塊帶動四連桿實現將直線往復運動轉化為搖桿旋轉剪切，從而完成水果采摘工作。

爪式或切割式采摘手容易損傷果皮，導致采摘質量下降;而便攜式采摘機通過人工單手握持采摘，不易破壞果皮，且在采摘過程中不易造成果實掉落[2]。采摘過程中，通過一鍵按鈕實現啟動保護與整機聯動，操作簡便。

3? ? 詳細設計與制作

3.1? ? 總體結構

便攜式水果采摘機結構如圖3所示，包括電控部分、機械聯動部分。電控部分包括充放電電路板、控制開關等。機械聯動部分包括曲柄滑塊機構、四連桿機構。

3.2? ? 工作原理

3.2.1? ? 電控部分。使用時先將可充電電路板上的電源保護開關打開（電源保護開關可以在本產品停止工作30 s后自動斷電，減小電流損耗，可充電電路板上配有指示燈供電量顯示），使可充電電路板輸入電流，電池輸出電壓是3.7 V，經可充電電路板轉換為5 V，可充電電路板輸出至升壓模塊，將 5 V電壓升為12 V供電動機使用。

3.2.2? ? 機械聯動部分。當按下點動開關，電動機通電正常工作，并帶動曲柄滑塊機構中的曲柄做圓周運動，通過連桿將運動傳遞給滑塊，使滑塊在導軌上做往復直線運動，通過滑塊上的銷軸與四連桿機構相連，帶動四連桿機構運動，借助弧形槽結構進行運動軌跡約束，將滑塊直線往復運動轉化為周期性轉動，同時前端刀頭鉸接位置處進行支撐，從而實現剪刀做剪枝伸張運動。

3.3? ? 主要設計參數

電機轉速60 r/min，采摘水果規格0.25～0.30 kg，整機長度210 mm，整機寬度88 mm，整機高度24 mm，整機質量<1 kg，采摘量約20個/min，機構運動速度0.019 m/s，運行功率 62.8 W。

3.4? ? 主要部件設計

采摘裝置在設計時應考慮質量輕、穩定性強、方便采摘、易于拆卸更換。基于上述考慮，整機材料選用有機玻璃。中間鏤空的設計可以減輕整個裝置的自重，易于握持，方便拆卸更換。機械傳動裝置最初采用有機玻璃，但在實際操作過程中發現電機所連桿件因力臂過短，材料強度不夠而難以帶動前端桿件運動，故該連桿采用鍍鉻碳鋼，可更好地傳遞剪切力。在刀刃設計過程中，采用弧線刃口。與直線刃口相比，弧線刃口刀具在剪切過程中，不論枝莖粗細以及果枝在刃口的位置，都具有較大的滑切角，利于切削。在滑塊導軌設計中，四連桿與滑塊通過鉸鏈連接，分別在弧形槽和直槽中做往復運動，實現運動的轉換，從而實現剪切[3-4]。樣機三維模型圖見圖4，實物圖如圖5所示。

4? ? 結論

可充電便捷式水果采摘機利用機電一體化，通過電機驅動，帶動剪刀自動剪枝，克服手工握力剪枝和現有市場上剪枝器攜帶大型蓄電池的局限性，具有操作簡單、方便攜帶、采摘過程中保護果實等優點。通過創新設計，裝置具有如下特點：①利用曲柄滑塊機構和四連桿機構實現可靠的機械式剪切方案;②利用現有圓弧刀刃進行有效剪切，自適應果枝大小，工作穩定;③采用鋰離子聚合物可充電電池，體積小重量輕，放置于剪刀握柄處，有效地提高了空間利用率，突破了現有電動剪刀需另配大型蓄電池的局限性;④剪刀刀頭以及充電電池具有可更換性，本體結構使用壽命長;⑤環保、無污染;⑥與傳統手動剪刀相比，有效保護操作者手臂，降低勞動強度，性價比高，實用性高。該裝置適用于小型果園，成本低、體積小、實用性強、應用面廣，可實現提高采摘效率、降低人工勞動強度等目的，值得推廣應用。

5? ? 參考文獻

[1] 藍峰，蘇子昊，黎子明，等.果園采摘機械的現狀及發展趨勢[J].農機化研究，2010，32（11）：249-252.

[2] 周建華，李向國，李育鑫，等.手持便攜式蘋果采摘裝置設計[J].現代制造技術與裝備，2018（7）：1-3.

[3] 曹祖偉，胡文泉，戚厚軍.一種新型蘋果采摘裝置設計[J].南方農機，2018，49（21）：59.

[4] 王杰，閆肖肖.水果采摘裝置的發展[J].科技創新與應用，2018（30）：78-79.

作者簡介? ?陳艷（1989-），男，湖北荊州人，助教。研究方向：起重運輸機設計制造。

收稿日期? ?2019-02-19