零損傷真空水果采摘裝置結構設計

謝繼文　梅欣欣　林葉隆　樸宗道

摘? ?要：本文針對人工采摘水果效率低、采摘困難的問題，設計了一款人工輔助零損傷真空抽氣水果采摘機。介紹了人工輔助真空水果采摘機的工作原理，分別對采摘機構、控制機構、抽氣機構以及供能機構做了詳細的分析，繪制二維零件圖、裝配圖，并利用三維軟件對部分工作零件進行實體建模和整機大體裝配。

關鍵詞：水果? 人工輔助? 真空抽氣采摘? 結構設計

中圖分類號：U295.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）03（b）-0036-02

我國是世界第一大水果生產國，也是世界第一大水果消費國。為滿足對水果的消費需求，現(xiàn)如今全國很多地方都有大型的水果種植園。帶來巨大的水果產量的同時，也為水果成熟時的收獲帶來了巨大的難題。但我國水果采摘作業(yè)機械化程度低，另一方面還受到采摘環(huán)境的限制，因此水果采摘作業(yè)對輔助人工采摘簡易機械有廣泛的需求。對于那些植株較高、采摘較為困難的水果，設計一款輔助采摘水果的裝置，將大大地方便采摘工人的采摘作業(yè)、提高采摘效率。為此，我們設計了一個零損傷真空水果采摘裝置，該機械裝置具有結構簡單、操作容易、采摘方便的優(yōu)點。它能在提高采摘效率的同時最大程度上減少機械采摘過程對水果的損傷，以延長水果保存的時間。

1? 裝置的組成和工作原理

1.1 結構組成

圖1為零損傷真空水果采摘裝置結構原理圖。整體機構結構由手推車、水果筐、伸縮桿、吸盤機械手、供電箱（放電瓶或汽油機）、三通閥、軟管（連接作用）、氣泵、低壓桶、高壓桶等組成。

1.2 連接方式

伸縮桿三通閥末端同低壓桶進氣口相連，氣泵進氣口與低壓桶出氣口相連，氣泵出氣口與高壓桶相連，給氣泵通電，打開三通閥抽氣口，通過氣泵和單向閥，將伸縮管中空氣經過低壓桶再經過氣泵抽進高壓桶儲存，而低壓桶連接的伸縮桿處于低壓狀態(tài)，從而形成氣壓差采摘水果，而高壓桶出氣口與三通閥另一個連接口（下有三通閥圖）相連，采摘完水果后關閉三通閥抽氣開關，打開與高壓桶連接的出氣口開關，用氣壓將水果放置筐中。

1.3 核心裝置結構

汽油機或小型充電電瓶，為真空抽氣。

真空抽氣泵：進行抽氣實現(xiàn)真空環(huán)境。

低高壓桶：維持低壓真空和高壓環(huán)境。

手持固定部分：能控制抽氣的開關并可固定手持。

伸縮式機械桿：桿件簡單自如地進行伸縮。

采摘執(zhí)行部分：實現(xiàn)各個方向水果準確安全的采摘。

1.4 工作原理

由小型汽油機或電瓶帶動氣泵抽取箱體內氣體，降低箱體內氣壓，手動將伸縮桿末端機械手部分對準需要采摘的水果，手動打開伸縮桿內控制開關，利用氣壓差產生的力吸附水果拉扯采摘，縮短伸縮桿或將水果端放在收集筐內，利用氣壓或手動關閉控制開關，使伸縮桿連通外界空氣，消除氣壓差，水果自末端落下，往復使用。其技術關鍵為：利用電動或燃油機帶動真空氣泵，通過真空氣泵對低壓桶、高壓桶的作用制造壓強差，利用大氣壓強的作用實現(xiàn)水果無損傷采摘。

2? 整體設計方案介紹

2.1 伸縮桿設計及材料選擇

利用三段不銹鋼伸縮桿尺寸分別為90cm、70cm、80cm實現(xiàn)手持桿的伸縮，連接處添加纖維摩擦材料或橡膠類材料實現(xiàn)任意長短的伸縮固定。手端直徑3cm遞減，且預留一段可拆卸，防止整體過短或者過長，便于達到過高過低處水果采摘。

2.2 吸盤機械手

利用吸盤機械手在負壓狀態(tài)下吸附水果，可更換中部孔的大小采摘不同種類的水果。吸盤機械手最外層由鐵皮或3D打印漏斗形架子，中間層是泡沫層，再往里就是膠皮層包裹層，最里層是網布包裹海綿層和水果親密接觸，以保證不損傷水果，經過試驗我們發(fā)現(xiàn)是零損傷。

2.3 氣壓桶設計

氣壓大小根據(jù)使用環(huán)境設置，采取不同大小的氣壓桶，兩側各有一約φ2cm通氣孔分別與其他裝置相連，綜合考慮到經濟和安全系列問題，并進行實際試驗，發(fā)現(xiàn)實際操作過程中，無必要將低壓桶體內抽至完全真空狀態(tài)，高壓桶壓強也不會過大，故壁厚可適當減小，厚度設計為2.5mm左右，選材為白鋼201，節(jié)省成本安全可靠。

3? 設計創(chuàng)新及優(yōu)點

3.1 設計創(chuàng)新點

（1）汽油機與真空泵的結合使用，既解決電源問題又提供便利。

（2）真空抽氣的運用，減少對水果的傷害，便于采摘。

（3）收縮桿與抽氣管的組合設計，簡化外觀又滿足使用需要。

（4）開關的巧妙設計，靈活地實現(xiàn)對水果抓放。

3.2 設計優(yōu)點

本設計從低成本、實用型、適用性廣出發(fā)，結構簡單、控制操作容易，降低工人勞動強度和生產費用，提高勞動生產率和產品質量，打破了以往機器人研究往高深化方向的觀念，完成了小型輔助人工采摘水果機械的設計。除此之外，還解決了傳統(tǒng)手工作業(yè)的弊端。即一是采摘過程中工作者的人身安全問題（手工采摘時手臂容易被樹枝劃傷或擦破，高處作業(yè)時，還可能會摔傷）得到了較好的解決;二是保證了水果的質量，避免了單手采摘時容易出現(xiàn)脫蒂，易出現(xiàn)抽芯果，還有高枝水果容易掉在地上造成內外傷、影響水果的外觀、不利于保鮮儲藏、從而最終造成降低經濟收入等問題。此外，本設計采用了汽油機和真空泵結合，由汽油機直接供能，避免了插電不方便的問題，解決在實際水果采摘過程中遠離電源的局限性。使本設計產品的適用范圍更廣，即使在偏遠的山林果園中也能長時間地提供電能，以保證真空泵的正常工作。

4? 結語

真空抽氣水果采摘裝置作為人工輔助采摘機械裝置的一種，因此具有人工輔助采摘裝置的普遍發(fā)展前景。（1）基于它具有結構簡單、操作方便的特點，因此它的成本比較低，便于推廣普及。（2）基于現(xiàn)如今國內的現(xiàn)狀，因此急需要類似于真空抽氣采摘裝置這一類的人工輔助機械來解決采摘難題，我們相信未來輔助裝置會逐漸替代效率低下的人工采摘方式，那就意味著將來人工輔助裝置將會有巨大的發(fā)展空間，具有廣闊的市場。實現(xiàn)采摘作業(yè)的自動化是未來發(fā)展的方向，它源于實際的生產活動中，不僅能解決農業(yè)活動中的采摘效率低的問題，還能推動我國農業(yè)機械化向智能化的轉變。（3）本設計能應對復雜的采摘環(huán)境，不管是地勢較為平坦還是較為陡峭的山間水果種植園，都能夠使用此設計產品，考慮到采摘裝置的使用人群因此操作較為簡單、易上手，適用于廣大的人群。（4）本產品作為一款簡單的人工輔助采摘裝置，可與其他的裝置組合使用，組合后的復雜裝置又能更多地解決其他的采摘問題，使之未來具有更多的發(fā)展空間，以不同的樣貌呈現(xiàn)在世人面前，具有更多的可能性。（5）利用抽氣形成真空環(huán)境，再利用大氣壓強的設計點為以后裝置適用在其他的領域提供一種新的思路，不僅僅是運用在水果采摘方面。它不僅只局限在農業(yè)生產過程中，為來它也可適用在日常生活中。

參考文獻

[1] 邱昆.章魚吸盤高吸附性能研究及仿生吸盤設計[D].吉林大學，2016.

[2] 陳志華，翁凱，劉紅波，等.不銹鋼在空間網格結構上的研究現(xiàn)狀及工程應用[J].工業(yè)建筑，2012（5）：55-62，54.

[3] 趙艷妮.多唇邊式真空吸盤的設計研究[D].昆明理工大學，2009.