采、集一體化的采摘裝置設計與應用

宋紅　任夢陽　劉歡　范鑫　刁鶴軒

【摘??要】為了更好的輔助果農高效、高質量的采摘收集果子，本文提出一種采、集一體化的小型采摘裝置，在保護果樹枝葉的情況下，它通過采摘、收集、輸送和伸縮四個部分的結構設計實現了采、集一體化，做到了最大范圍的保護果子和果樹。實驗結果證明該裝置能夠有效提高果子采摘效率和質量，操作簡便快捷，實用性強，同時減輕了果農勞動強度，保證了果農在采摘收集過程中的安全。

1?緒論

在我國果農采摘的果子包括蘋果、山楂、棗等多種果子，面對產量高、生長密集、果型小，同時果柄與樹枝的連接較為松弛的果子，基于不同高度的果樹或者果子，國內大多數的地方對其進行采摘時常常通過人工結合裝置輔助的方法采摘，比如在人工無法觸及到的地方常常借助凳子、桿子、地面鋪布等裝置輔助采摘收集，目前果子的采摘收集主要存在以下問題：（1）人身損傷的不安全隱患。成年的果樹大多都生長比較高大，造成人手夠不到的區域，同時有些果樹（如棗樹）的樹干和枝條上生有利刺。因此采用人工徒手進行果子采摘時，鑒于身高的限制，人手采摘結合梯子、桿子（木桿或竹竿等）等其他裝置進行作業時，存在果農摔落跌倒、被樹枝和利刺劃傷等人身損傷的隱患，并且采摘費時費力，不適于大批量采摘。（2）裝置不完善、收集效率和質量低。梯子、桿子（木桿或竹竿等）、地面鋪布等采摘收集裝置，一方面，不同高度的果樹和果子需要不同長短的桿子擊打，因此，采摘收集裝置不能滿足多樣化的采摘高度需求，且使用較為費力;另一方面，用桿子擊打下來的果子摔落并散落在地上，使果子可能被擊打、摔落損傷，影響果子質量，降低果子保存壽命，進而影響果子銷量，且地面散落和鋪布會造成果子收集低效、不方便。（3）藥物采摘危害人體。使用稀釋的乙烯利對果樹進行噴灑，通過乙烯利催熟果子使其落下，這種方法雖然省時省力，但乙烯利對人的皮膚、眼睛有刺激作用，對粘膜有酸蝕作用，乙烯利遇明火、高熱可燃，其粉體與空氣可形成爆炸性混合物，?當達到一定濃度時，遇火星會發生爆炸，受高熱分解放出有毒的氣體，容易危害采摘者的身體健康，同時乙烯利催熟會影響果子的營養價值和口感。

針對國內果子采摘收集裝置的弊端和特點，本文提出一種采、集一體化的小型采摘果子裝置，在保護果子和果樹的條件下，更好的輔助果農高效、高質量的采摘收集果子。

2?采、集一體化的采摘裝置設計

圖1?采、集一體化采摘裝置原理示意圖

采摘裝置通過收集結構將采摘機構采摘的果子經收集部的底部連接的輸送軟管輸送至地面容器中。如圖1采、集一體化采摘裝置的工作原理示意圖，裝置內置12V電機，以及可以重復性的充電的鋰電池，其有效工作時間4-5小時，采用300r/min減速電機作為動力源，連接連軸器帶動旋轉結構，旋轉結構外部包裹海綿，用塑料封裝，起到保護果實的作用。外部傘狀結構作為收集果子的裝置，采用連桿機構將集棗裝置方便收納，再安裝輸送軟管將棗從收集裝置直接傳送到地面高效、高質量收集。為方便果子的采摘和收集，裝置主要包括采摘結構、收集結構、輸送裝置和伸縮裝置四大部分組成。

圖2?采摘結構的設計

裝置工作時收集結構呈傘狀，能夠增大對果子的收集面，避免直接落地造成損壞。將通過采摘機構采摘的果子通過由傘骨機構、傘布和輸送軟管組成的收集結構收集后通過收集部的底部連接的輸送軟管將收集部收集的果子輸送至地面容器中。其中傘布選用棉布、混紡布、POE或者PVC塑料布作為主要材料。通過驅動機構帶動旋轉葉片旋轉將果子打落，打落的果子落入收集部，從而實現果子的采摘，這樣不需要人工進行采摘和撿拾，也不需要費力擊打，加快了采摘進度，減輕了勞動強度，省時省力，適應于大批量采摘;同時，使用者采摘過程中不接觸果樹，避免了人工徒手采摘帶來的危險。使用者可以根據棗樹的高度調節伸縮桿的長度以滿足不同樹高的要求，從而不需要準備不同長度的長桿，適應性強。

采摘完成后，通過開關控制裝置停止工作后手動向下拉滑動套將收集部收攏，且當該裝置電量不足時，可以通過充電插口充電。

2.1?采摘結構的設計

在采集裝置中主要通過旋轉葉片來采果子，并將采摘的果子通過桿體上的收集部分進行收集，防止直接落地對果子造成傷害。如圖2所示采摘結構設計，聯軸器位于桿體頂端，旋轉葉片和電機分別位于聯軸器的上端和下端，電機保護殼位于電機外。

聯軸器的上端和旋轉葉片通過螺母和螺栓連接，下端與電機的輸出軸連接，裝置的電機采用額定電壓為12V，額定轉速為300r/min的微型減速電機進行動力輸出，旋轉葉片和收集部之間的電機通過傳動連接。在桿體下方的伸縮桿頂部焊接固定片通過螺釘與電機連接，防止在裝置工作時電機發生位移或掉落的情況，確保了該裝置的可靠性。在電機外部設置了能夠對其起到保護作用的電機保護殼，能夠有效避免外力撞擊或水進入電機而影響電機的正常工作，延長電機的使用壽命。

2.2?收集結構的設計

在裝置結構設計中采用傘狀結構實現對采摘部分果子的收集，如圖3的收集結構設計示意圖和圖4傘骨結構設計示意圖所示，該收集裝置主要由傘骨機構組成，第一傘骨對第一傘布起支撐作用，在收集裝置桿體上方設置有用以連接固定傘骨連接套的固定塊以及下方的滑動套，第二傘骨支撐第二傘布且分別與第一傘骨和第二傘骨之間的第一連接傘骨及第二傘骨和傘骨連接套之間的第二連接傘骨通過連接件鉸接。其中，第二傘骨由通過連接件連接在一起的兩段傘骨組成，一段與滑動套通過連接件固定連接，另一段與第一傘骨通過連接件鉸接。

圖3?收集結構設計

收集部的底部連接的可拆卸輸送軟管便于收集的果子輸送至地面容器中，并選擇可伸縮塑料軟管材料，一方面，由于塑料軟管質量輕，不會給裝置本身增加過多的重量，同時，能夠及時地將收集在收集部中的果子輸送至放置在地面上的容器內，不需要人工撿拾果子，減輕了勞動強度，提高了工作效率;另一方面，塑料軟管不會在果子下落的過程中對果子造成損傷，且方便拆卸和收納。

圖4?傘骨結構設計

圖5?伸縮桿結構設計

2.3?伸縮桿結構的設計

由于果樹的高度不同，因此我們在采、集裝置上設計了能夠改變裝置長短的伸縮裝置，使用者可以根據果樹的高度來調節伸縮桿的長度以滿足對采摘不同樹高的果子的要求，從而增加裝置的適應性。如圖5所示伸縮裝置結構示意圖中，伸縮桿位于傘骨機構下方的桿體上，主要包括調節套管、第一桿體和第二桿體三部分。

通過驅動機構供電的電池為伸縮桿的使用提供動力輸出，并由圖1中桿體外側的開關控制驅動機構供電回路的通與斷。其中第一桿體和第二桿體分別位于調節套管的兩端，三者之間通過套管壁上的內外螺紋通過螺紋連接，而且可以根據螺紋連接的長度來改變伸縮桿的長度。

3?采、集一體化的采摘裝置驗證

為了驗證采集一體化裝置完成采摘任務的質量和效率，我們構建了實驗平臺開展采摘作業的對比實驗，分別選用2棵樹冠高度為2-3米左右，果密度較為接近的棗樹，第一組是棍棒為參照裝置的人工采摘組，并可以借助梯子類工具采集高處棗作業，第二組是采集一體化為試驗裝置的電動采摘組。

3.1?實驗被試

為了驗證采摘裝置采摘棗的質量和效率，在西安石油大學工業設計專業本科學生里選擇年齡20-21歲的3名均熟悉采摘棗經歷的男生作為被試用戶。實驗前告知被試實驗任務和實驗目的，取得被試同意，被視需要在正式實驗前對實驗樣本設定使用情景，實驗人員盡量不在被試視線所及范圍內進行錄制，以達到被試最原本和真實的使用狀態，中途不干涉和引導。

3.2?實驗設計和任務

實驗設計為每組被試在規定10分鐘內完成：1.采摘棗，2.收集棗入筐兩項任務，每位被試參與所有的使用階段，且在正式實驗開始前，分別了解各自裝置的結構部件和使用方法。實驗人員用視頻采集設備記錄被試的使用行為軌跡，并采用秒表方法記錄完成任務的時間。用人工記數的方法連續記錄被試處于：1采摘棗，2匯集棗入筐的實驗數據，記錄采集棗入筐的個數。同時，由于物理或人為原因造成被損壞棗的個數也將會被記錄。

3.3?實驗結果和分析

實驗數據收集完畢后，采用人工計數和稱重的方法進行采、集棗行為績效分析，從有效棗重量和無效棗數量兩個指標進行數據統計分析，其中有效棗重量指的是入筐且無損壞棗的重量，無效棗數量指的是被物理或人為損壞的棗數量。采摘作業對比試驗結果如表1所示.

表1?采摘作業對比試驗

通過表?1?可以看出：在采摘初期，人工采摘組的體力較為充足，分工篩檢、收集大量落在地面的有效棗，隨著采摘樹冠高度的增加，徒手采摘需要借助梯子等輔助工具，輔助工具準備時間長、次數多，加之勞動強度不斷增大，采摘能力明顯下降，并棗果散落地面數量增加，地面采集棗果中人工踩踏棗果頻率加大，采集能力也降低;電動采摘組樹上采摘能力一直穩定并能及時有效收集棗果，少量落地棗果由人工篩檢收集，電動采摘組不僅效率穩定，采集質量高，自動省力的優勢越來越明顯，電動采摘組的有效棗共計數量明顯多余人工采摘組數量，無效棗共計數量也少于人工采摘組。

4?結論

果園采摘對比試驗表明，隨著采摘的進行，?采、集一體化電動采摘的優越性愈加顯現，采摘和收集的效率和質量明顯高于人工采摘，高枝采摘的優越性更加明顯，效率大約是人工采摘的?2?倍，?采、集一體化裝置的結構輕巧，操作容易，可實現高效率、高質量棗果的電動化采摘。

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作者簡介：

宋紅，1977年，女，漢，陜西渭南，博士生，講師，研究方向為用戶體驗設計、交互式產品形態與創新設計方法研究，并結合石油石化行業特色，針對有桿抽油系統的動液面預測和工況診斷開展科研工作。

（作者單位：西安石油大學）