便攜式菠蘿采摘裝置

鄧有為 薛世睿 鄭偉光 覃培烊 劉鐘源

摘要：文章設計一款可實現輔助人工作業的便攜式菠蘿采摘裝置。本裝置主要由操控單元、動力傳動單元和切割單元組成，動力的輸出大小采用了操控單元中的電機調節機構實現，動力采用直流電機驅動，利用柔性軸將電機的動力傳遞給切割單元，后切割處理采用把手操作機構定位將莖切開，實現采摘功能。該裝置以半自動的工作模式改變了傳統人工作業的方式；有效地避免了采摘過程中菠蘿植株對人的傷害，極大地提高了采摘效率。關鍵詞：便攜式；菠蘿采摘裝置；半自動化；控制單元 1.引言由于菠蘿成熟期跨度較長，且植株高度參差不齊，果實大小不一，因此難以實現菠蘿的大規模機械化采摘。目前，國內缺乏有效的采摘工具，故以人工采摘為主。在現有機械無法有效地幫助收割的情況下，筆者結合菠蘿的生長特點，設計出一種價格低廉，操作簡單的便攜式輔助采摘裝置[1]。2.方案設計2.1總體思路為解決采摘工作強度大，菠蘿葉易傷人的問題，筆者從人機工程角度考慮，力求結構簡單，操作方便，設計了一款便攜式輔助采摘裝置，其設計思路如圖2-1所示。 2.2傳動方案設計菠蘿成熟期跨度較長，植株高度參差不齊，果實大小不一，且菠蘿葉片較密，較硬，易出現機構卡死的現象。從機構精簡的角度出發，為更好地避免上述問題，故采用柔性軸傳動。以一根較長的桿作為整個裝置的主體支撐結構，將柔性軸的一端與驅動部分相連，另一端通過操作桿的限位裝置進行限位和固定，直接與刀片相連。3.結構設計綜合考慮，將本裝置設計為三個單元，即操控單元a、動力傳動單元b和切割單元c。動力傳動單元b采用柔性軸驅動方案。總體結構示意圖如圖3-1所示。 3.1操作單元操控單元包括電機調節機構（可背負于操作者身上）和把手操作機構：電機調節機構包括安裝于底板上的額定功率為2kw的直流電機和電源控制器，直流電機和電源控制器通過線路相連接；把手操作機構包括總長為1.2m的可調節的操縱桿（由于菠蘿植株平均間距為0.5m，從節省空間資源角度考慮，選取總長為1.2m的伸縮桿），操縱桿的前端固裝有方框形刀座，刀座置于水平的上U型板、下U型板的后端，操縱桿前端還設有使上U型板、下U型板置于其內的果實護框，菠蘿果實平均大小為15cm×15cm×25cm，故果實護框設計為20cm×20cm×30cm，且果實護框的上端口和前端口敞開而后端口和下端口封閉，保證菠蘿可安全停留在護框內；上、下U型板的前端叉口向前伸出果實護框的前端口，U型板的叉口間距可調節，方便匹配菠蘿莖的粗細。該裝置的把手操作機構具有一定的伸縮性，以單位面積內采摘菠蘿的數量為衡量標準。按照成年男性平均170cm的身高為例，其臂展長約170cm，單臂長L_1約60cm；臂力F_1約300-600N；菠蘿的平均質量G_2約1.5kg；該裝置的質量G_1約2kg；裝置記為L。根據目前主要的“雙行式”種植方式測算，一棵菠蘿植株平均占地面積為0.5m^2。因此，根據公式3-1和公式3-2，即可得出單位面積內采摘菠蘿的數量x。 2.以均布載荷計算經計算，最終確定該裝置最短為0.7m，最長為1.2m。采摘數量分別為10和18個（人體單臂長計算在內）。3.2動力傳動單元動力傳動單元包括柔性軸、傘齒輪組和刀軸，刀軸豎直設于刀座前端面的上、下U型板之間，刀軸通過刀座上的上、下軸承座就位安裝，刀軸底端伸出下U型板外；傘齒輪組包括設于果實護框底部且相互嚙合的主、從動傘齒輪，從動傘齒輪安裝于刀軸的底端，與主動傘齒輪相對于果實護框后端上設置一水平的軸套；為配合伸縮桿工作，采用長度約為2m的柔性軸，柔性軸的輸入端連接直流電機的轉軸，柔性軸的輸出端通過軸套進入果實護框內與主動傘齒輪連接。3.3切割單元切割單元包括刀盤、刀軸、上、下U型板，刀盤通過可調節高度結構水平安裝于上U型板下方的刀軸頂端，刀盤的切割范圍處于上、下U型板前端的叉口處，果實護框前端口外的上、下U型板的前端叉口具有可調節伸出長度的結構且均向前上方傾斜一個角度，上、下U型板的叉口之間設有隔開菠蘿葉進而輔助刀盤對菠蘿莖進行切割的隔葉架。4.工作過程調節上、下U型板前端叉口的伸縮長度，手握操縱桿將采摘裝置前伸，上U型板定位菠蘿果實，通過操縱桿上的操作按鍵啟動直流電機，柔性軸帶動刀盤切斷菠蘿莖，菠蘿掉落到下U型板上進而跌落至果實護框內，關閉直流電機，手握操縱桿將采摘裝置撤出，從而完成一次采摘過程。采摘過程之中，電源控制器可根據切割菠蘿莖阻力的不同實時調節直流電機的輸出功率，改變直流電機的轉速進而控制刀盤的轉速，以保證采摘效率，提高續航能力。5.創新點（1）采用柔性軸傳動，最大限度地避免了操作空間狹小引起的傳動困難的問題，避免了復雜的機械傳動，使結構簡單輕巧，方便操作。（2）采用按鍵控制切割，提高了能源利用率，增強了續航能力。（3）根據實際情況調節角度大小及操作桿長度，避免使用者者長期彎腰工作產生的腰肌勞損。（4）添加刀頭及果實保護裝置，避免菠蘿掉落產生損傷。6.結束語實際實驗表明：該裝置具有結構簡單、操作方便、可靠性高和通用性強的特點；可適用于大部分果型的采摘工作，有效地降低勞動強度，同時提高了采摘效率。參考文獻[1]孫恒，陳作模.機械原理[M].第六版.北京：高等教育出版社.2000.[2]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].第七版.北京：高等教育出社.2000.[3]陳娟，彭海峰.柔性軸FSM控制技術綜述[J].吉林：長春工業大學.