一種便攜式高空采摘修枝裝置設(shè)計

蔣明華 錢偉紅 姚勝昶 朱 超

（蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 吳江 215200）

1 研究現(xiàn)狀

隨著人們生活水平的不斷提高，對各類水果需求量也在不斷增加，我國是農(nóng)業(yè)大國，在2018年水果總產(chǎn)量高達2.57億噸，其中園林水果產(chǎn)量達1.76億噸，位居世界首位[1]。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，因采摘效率低來不及采摘、采摘過程造成水果損傷、成熟期判斷不準確造成誤采等因素，我國水果采摘作業(yè)過程的平均損耗率超過20%，僅因此項造成的年經(jīng)濟損失就超千億元。在水果種植過程中，采摘修枝對時間要求較為集中，短期內(nèi)勞動強度較大，對高空水果的采摘修枝作業(yè)，更是伴有一定危險性。[2]水果采摘作業(yè)所需勞動力占整個水果生產(chǎn)作業(yè)所需勞動力的50%-70%。[3]目前，歐美等發(fā)達國家種植業(yè)土地集中，規(guī)模化經(jīng)營程度高，主要采用大型水果收割機械進行采摘和修枝作業(yè)。而我國多以家庭為單位的小面積種植為主，不適用大型水果采摘機械作業(yè)。[4]

水果種植過程，必不可少的都會涉及到采摘、修枝環(huán)節(jié)。由于植物在生產(chǎn)過程中的趨光性，掛果枝條多在果樹頂端，而且我國現(xiàn)有果樹大部分為喬木植物，高度較高，對于這類高枝水果的采摘，傳統(tǒng)方式為攀爬至樹上采摘，或者利用梯凳或其他采摘平臺使采摘者能夠上升到觸及水果的位置，還有是利用一些采摘工具手動采摘，對于以上方式，采摘效率低下，甚至對對采摘作業(yè)者安全構(gòu)成較大風(fēng)險隱患。隨著我國老齡化程度的提高，勞動力成本不斷攀升，設(shè)計一款便攜，操作簡單的高空水果采摘修枝裝置，對于降低水果種植業(yè)采摘成本，提升采摘效率，減少果農(nóng)作業(yè)強度和更好地保障其作業(yè)安全具有重要意義。

2 采摘修枝裝置設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

對于一些高枝的果實，目前市面上主要是用桿子來采摘，較為傳統(tǒng)的是用竹竿，在竹竿的頭部用刀具刻出V形槽，通過V形槽扭轉(zhuǎn)折斷果柄達到采摘的目的。還有部分果農(nóng)會采用較為先進的伸縮桿，其頂部折斷果柄的部分通過剎車線連接下面的把手，按壓把手達到采摘的目的。這兩種方法因需果農(nóng)長時間舉著工具而造成小臂肌肉酸痛，影響果農(nóng)正常作業(yè)，降低采摘效率。

圖1所示的三爪水果采摘桿為目前市面上常見的水果采摘工具，該工具具有對水果保護性好，使用較方便的優(yōu)點，但其在采摘過程中需要手動按壓把手，于長時間作業(yè)容易手臂酸痛，影響采摘效率；同時，經(jīng)三爪緊扣住的果實，不利于果實自動脫落，影響后續(xù)水果收集，進一步對采摘效率產(chǎn)生影響。[5]針對上述情況，考慮到剪切方式利于收集，采摘效率高且除采摘之外還可作為日常修枝使用，因此確定以剪刀頭為主要工作方式，確定剪切式、可伸縮桿、電機驅(qū)動的設(shè)計方案。

圖1 三爪水果采摘桿結(jié)構(gòu)

2.2 整體結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的便攜式高空采摘修枝裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要分為頭部驅(qū)動結(jié)構(gòu)、中部桿長調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、尾部控制結(jié)構(gòu)三大部分組成。

圖2 便攜式高空采摘修枝裝置整體結(jié)構(gòu)圖

頭部驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由靜刀片、動刀片、連桿、電機支架、圓盤、電動機、伸縮桿組成。

圖3 頭部驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖

中部桿長調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2所示，桿身主要由上桿、中桿、下桿三段桿組成。各桿采用薄壁方管，外截面均為正方形。桿與桿之間有彈性凸起物固定。常見的果樹屬于灌木或喬木，其高度通常在2 m～6 m，綜合考慮到使用者高度，手臂長度及采摘角度等因素，設(shè)計桿長為2.0 m，上、中、下桿長均為0.7 m，兩處在到達最大伸長位置時重合長度為50 mm。

尾部控制結(jié)構(gòu)如圖4所示，在手柄處有控制電機正反轉(zhuǎn)按鈕及調(diào)速旋鈕，在手柄末端還設(shè)有外接電源充電接口，手柄內(nèi)置可充電電池，手柄處結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖4 尾部控制結(jié)構(gòu)圖

2.2 工作原理

其工作原理如下：當果梗置于動刀片和靜止之間時，啟動手柄上的電機驅(qū)動按鈕，電機帶動圓盤轉(zhuǎn)動，圓盤聯(lián)動連桿，將動力傳遞給動刀片，動刀片在連桿作用下完成一定角度范圍內(nèi)擺動，完成剪切運動。調(diào)速旋鈕還可以對電機轉(zhuǎn)速進行一定程度調(diào)節(jié)，滿足剪切果柄時不同轉(zhuǎn)矩要求。

3 功能的實現(xiàn)

該裝置既可作為修枝工具，也可通過在刀具下方添加網(wǎng)兜，從而作為采摘工具使用。該裝置主要可實現(xiàn)電機驅(qū)動刀具剪切、桿身伸縮、驅(qū)動電機正反點動運行及調(diào)速等功能。

3.1 電機驅(qū)動刀具剪切

刀具的剪切機構(gòu)采用四桿機構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)進行改良，將電動機的旋轉(zhuǎn)運動通過連桿轉(zhuǎn)化為剪切運動，控制刀具完成如下采摘作業(yè)。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

圖5 四桿機構(gòu)簡化示意圖

圖中圓形代表電動機軸所連接的圓盤。桿①是虛擬的，圓盤上凸起圓柱體與圓盤圓心的距離可作為桿①。桿②是真實桿，一端連接在圓盤的凸圓柱上，另一端連接在刀具末端。桿③為刀具的單片，其中支點被固定在桿④的一端，末尾連接桿②，桿②的運動可帶動刀具運動。刀具的另一單片被固定在伸縮桿頭上，所以控制一片刀具運動即可達到剪斷果柄的目的。桿④也是虛擬的，通過采摘桿與支架的固定，達到固定刀具和電動機圓盤的目的。在此結(jié)構(gòu)下，只需要電動機驅(qū)動圓盤轉(zhuǎn)動，即可驅(qū)動桿②運動，從而使刀具進行運動，刀具運動狀態(tài)如圖6所示。

圖6 刀具的運動狀態(tài)

3.2 桿身的伸縮

因采摘作業(yè)地點和工具存放點的不同，所以采摘工具一定要攜帶方便，對于便攜性方面，采用市面上類似于折疊傘伸縮桿結(jié)構(gòu)，桿身輕薄，方便收縮伸長，便于攜帶。

桿連接處結(jié)構(gòu)如圖7所示，桿1與桿2之間通過彈性凸起物固定，彈性凸起物固定在桿1上，并有一部分露出在桿1上端，如圖8所示。在桿2下部相應(yīng)位置開有小孔，當伸縮到該位置時，彈性凸起物會進入小孔從而阻止桿2繼續(xù)往上伸縮。當需要將桿2收縮時，只需用手按下彈性凸起物，即可將桿2往下收縮回與桿1重合位置。

圖7 桿連接處結(jié)構(gòu)圖

3.3 驅(qū)動電機正反電動及調(diào)速

圖8 桿頂端的彈性凸起物

電動機用于帶動圓形鋸盤切割果梗，果梗不算太硬，要求的功率不是很大，但當鋸片靠近水果的果梗時，水果會有遠離刀片方向的運動，為了順利切下水果就需要電動機具有較高的轉(zhuǎn)速。為了達到節(jié)能安全、使用方便的目的，該電動機選用直流電動機。直流電動機具有調(diào)速性能好和啟動轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點。所謂“調(diào)速性能”是指電動機在一定負載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動機的轉(zhuǎn)速。直流電動機可以在重負載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。起動力矩大，可以均勻而經(jīng)濟地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

電機主要由電路板及其旋鈕和按鈕控制。按住按鈕時，電路接通，電動機正常工作；手松開時，電路立即斷開。這樣的按鈕可以在電源漏電、電路短路等狀況下保證使用者的安全。旋鈕對電動機轉(zhuǎn)動速度的控制，主要利用了單片機內(nèi)置的FTM模塊，在旋轉(zhuǎn)旋鈕的時候發(fā)送不同的PMW波，以達到改變電動機轉(zhuǎn)速的目的。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的高空采摘修枝裝置，采用伸縮剪切機構(gòu)，應(yīng)用電動機作為驅(qū)動機構(gòu)，實現(xiàn)半自動采摘。本項目意義主要有以下幾點：

（1）融合了市面上現(xiàn)有的各種采摘工具的優(yōu)點，并進行結(jié)構(gòu)和功能上的創(chuàng)新；

（2）切實改善了果農(nóng)采摘的作業(yè)環(huán)境，使采摘更加方便，成本更低；

（3）自主設(shè)計驅(qū)動四桿機構(gòu)各部件尺寸，體現(xiàn)創(chuàng)新和學(xué)以致用理念。

本文運用曲柄搖桿機構(gòu)設(shè)計了一種便攜高空采摘工具。通過制作實物，證明該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可有效提高采摘效率。