一種便攜式水果采摘裝置設(shè)計(jì)

王順溈 張 凱 劉華雷

（常熟理工學(xué)院，江蘇 常熟215500）

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，果樹(shù)業(yè)是農(nóng)業(yè)的重要組成部分，果樹(shù)產(chǎn)值在我國(guó)農(nóng)業(yè)(種植)中僅次于糧、菜，居第三位。2018 年我國(guó)水果總產(chǎn)量達(dá)2.57 億噸，其中園林水果產(chǎn)量1.76 億噸，位居世界第一位[1]。水果的采摘期短，短期內(nèi)勞動(dòng)強(qiáng)度大。特別是高枝水果的采摘，還伴隨著一定的危險(xiǎn)性[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在水果生產(chǎn)作業(yè)中，收獲采摘需投入的勞動(dòng)力占整種植過(guò)程的50%～70%[3]。目前，歐美等國(guó)家由于以大農(nóng)場(chǎng)為主，主要采用大型水果收割機(jī)進(jìn)行水果采摘，不適應(yīng)我國(guó)以家庭為單位的小面積水果種植[4]。隨著我國(guó)勞動(dòng)力成本的不斷提高，研發(fā)便攜、操作簡(jiǎn)單的輔助水果采摘裝置，對(duì)于提高水果采摘效率，降低人力成本具有重要的意義。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

本文設(shè)計(jì)水果采摘裝置主要由伸縮器，采摘器，輸送裝置，收集裝置四部分組成，如圖1 所示。

其中伸縮器由多根套在一起的同心不銹鋼外管和內(nèi)管組成，可實(shí)現(xiàn)手持桿的自由伸縮。采摘機(jī)構(gòu)由箱體，刀片，電動(dòng)機(jī)，四桿機(jī)構(gòu)組成。箱體內(nèi)壁上裝有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)一側(cè)箱蓋開(kāi)合。相鄰內(nèi)壁上裝有一滑塊使其與兩箱蓋上的連桿連接，從而帶動(dòng)兩側(cè)箱蓋同時(shí)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)剪切水果果柄的目的。箱體底部為不封閉結(jié)構(gòu)。輸送裝置由彈性軟布帶構(gòu)成，軟布帶與采摘機(jī)構(gòu)箱體底部不封閉結(jié)構(gòu)連接，另一端通入收集裝置中，從而保證果實(shí)從高處安全順利的傳送至收集裝置中。水果收集框?yàn)楸嘲问剑谂c輸送裝置的彈性軟布帶相連接，周邊是用具有彈性的繩子編制而成，底下托盤(pán)用軟橡膠制成，這樣采摘進(jìn)入框內(nèi)的水果不至于撞擊對(duì)水果造成損壞，有彈性的編制邊框可以容納更多的水果。

圖1 采摘器整體結(jié)構(gòu)圖

2 工作參數(shù)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是指用曲柄和滑塊來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的平面連桿機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中與機(jī)架構(gòu)成移動(dòng)副的構(gòu)件為滑塊，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接曲柄和滑塊的構(gòu)件為連桿，如圖2 所示。

圖2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

此裝置將減速馬達(dá)作為曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的機(jī)架部分，曲柄安裝在減速馬達(dá)上，曲柄旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為滑塊的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在滑塊與翻蓋之間用連桿連接，使得滑塊的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成翻蓋的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。在兩翻蓋的接觸邊緣上都裝有鋒利的刀片，用以翻蓋閉合時(shí)將水果從樹(shù)枝上剪切下來(lái)。要保證翻蓋能夠順利開(kāi)合切落水果且不出現(xiàn)死點(diǎn)位置，滑塊的最近行程位置就不能逾越翻蓋的轉(zhuǎn)動(dòng)中心位置，且滑塊的最遠(yuǎn)行程位置也要保證能使翻蓋張開(kāi)得當(dāng)。通過(guò)多次計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，取曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心到翻蓋轉(zhuǎn)動(dòng)中心距離為80mm，曲柄長(zhǎng)度為8mm，連桿1 長(zhǎng)度為60mm，連桿2 長(zhǎng)度為43mm，翻蓋轉(zhuǎn)動(dòng)中心到翻蓋上連桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心距離為30mm。經(jīng)計(jì)算，滑塊行程S 為16mm，滿足翻蓋開(kāi)合的行程要求。

2.2 剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3 所示，圖中各零部件材料除減速馬達(dá)之外均為3D打印耗材ABS，重量為103g。對(duì)于成熟水果而言，直徑一般為80～100mm，質(zhì)量約為0.18～0.26kg。因此，對(duì)于翻蓋底座的尺寸為140×140mm，翻蓋打開(kāi)的極限開(kāi)口距離為130 mm。該剪切機(jī)構(gòu)只需將水果置入刀口內(nèi)側(cè)，便可使翻蓋閉合進(jìn)行水果剪切，且不會(huì)對(duì)水果造成夾取損壞。

圖3 剪切機(jī)構(gòu)

2.3 收集網(wǎng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

水果與樹(shù)枝分離后，如果把采摘工具放置到水平位置再拿取水果，就會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間。如圖4 所示，在采摘機(jī)構(gòu)下方直接套一個(gè)長(zhǎng)網(wǎng)兜，國(guó)柄被剪斷后水果順著長(zhǎng)網(wǎng)兜從高處落到收集籃里，網(wǎng)兜具有一定的收縮性，可對(duì)水果下降時(shí)進(jìn)行減速，以免損傷水果。

圖4 三維示意圖片

圖5 實(shí)物圖片

3 使用操作步驟

如圖5 所示，根據(jù)目視情況，按動(dòng)控制電門(mén)，打開(kāi)翻蓋，將水果對(duì)準(zhǔn)放置采摘機(jī)構(gòu)當(dāng)中。再按動(dòng)控制電門(mén)，使得翻蓋上的刀口剪短水果枝。水果剪落后，掉入剪切機(jī)構(gòu)下方的長(zhǎng)網(wǎng)兜當(dāng)中，順著長(zhǎng)網(wǎng)兜滑落到收集籃中。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，本裝置每分鐘可以采集15～20 個(gè)果子。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種輔助便攜水果采摘工具。通過(guò)制作實(shí)物，證明該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，采集過(guò)程中可以對(duì)果實(shí)進(jìn)行保護(hù)，提高了采集的效率。