柑橘類水果采摘機器的設計與應用探討

桑 晶 ，盧 彬 ，楊淑琴

（南京機電職業技術學院，江蘇 南京 211135）

隨著社會的不斷進步，我國的各種機械化水平不斷提高，機械自動化已經不斷延伸發展到各個領域，這就為國家的全面發展提供了巨大的推動力[1]。農業在這樣的時代背景下，也出現了巨大的技術革新，諸多農業現代化裝備問世，極大地推動了我國農業自動化的程度。在農業生產中果蔬采摘是勞動力消耗巨大的環節之一，這一環節對勞動力的要求很高，為了能夠解放勞動力實現自動化[2]，就需要設計生產出功能更加全面、使用更加便利的機械設備。此外這些機器設備的設計與生產，不應當僅僅局限于果蔬的采摘，應當將這些技術延伸到整個作物生長過程，實現對農作物整個生長過程的實時監控，從而更大程度上實現農作物的增產，并且將勞動力從中解放出來。

針對果蔬采摘行業，進行作業的對象是果蔬，生長環境十分復雜，進行機械生產時需要考慮的問題較多。例如對果樹進行采摘時，要對樹葉之中的果實進行精準采摘，因為有些果實質地較軟，一旦發生磕碰就很難進行售賣和保存。因此與傳統的人工采摘相比較，機械化采摘還有諸多問題需要克服，例如對果實的精準跟蹤、適宜的采摘力度、更高的分揀效率等等。

由此可以看出要想設計好柑橘類水果采摘機器，需要從多方面進行考慮，從而設計出更能夠適應實際采摘環境的采摘機器。

1 國內外機械化現狀對比

1.1 國外采摘機械化現狀

目前國外的機械式采摘比較成熟，主要的采摘方式有震搖、撞擊、切割三種類型，其中震搖主要是通過搖動果樹的枝干來促使果實掉落，撞擊是通過物理撞擊來使果實被震落，切割則是通過將植物枝干或者果實與枝干連接點進行切割，從而實現果實的分離。

在日本的諸多地區，果樹種植情況與我國類似，并且由于地形的緣故很多機器都不能有效使用[3]。因此日本早在20世紀90年代就開始進行了采摘機械化的相關研究，并且設計出了自走式采摘車，這一采摘車在設計上很好地克服了地形上的困難，做出了抓地力與爬坡能力較強的設計。此外還在設計中采用了車輪正反轉機構，提升了車輪的回轉能力，從而有效地適應了當地的地形。

在自動化信息化不斷發展的背景下，國外的研究方向逐漸指向了機器人采摘[4]，早在20 世紀70 年代，美國就已經開始了對機器人采摘的研究。此后在不斷的發展之下，其他的眾多發達國家都對采摘機器人進行了深入研究，從而出現了眾多成功的采摘機器人。其中有很多機器人已經植入了人工智能系統，在進行采摘時更加智能化。對于采摘機器人而言，需要在多個方面進行設計，首先是機械臂的設計，其次是行動系統，最后是視覺系統，只有通過各個系統的有效配合，才能夠實現機器人對果樹果實的精準采摘。但是在現階段的研究中，有很多的工作機械設備是不能夠實現的，影響采摘機器人采摘成功率和采摘效率的有很多種，并且這些因素都是很難進行避免的外界因素。在機械臂的研究上，美國已經設計出了能夠與人手靈敏度相似的機械臂，但是在其他的技術方面還有很多的不足，并且由于技術上的制約，采摘機器人的生產成本巨大，不利于實際的生產。

1.2 國內采摘機械化現狀

在我國，關于機械化采摘的研究早在20 世紀就已經開始了[5]，但是研制出的方法并未徹底實現自動化，仍然需要人力的輔助。雖然相對于傳統的人力采摘，已經有了一定程度的技術進步，但是在采摘效率上還遠遠不能滿足實際需求。后來逐漸演變出了一種剪枝采摘器，但是在這樣的反復剪切下不利于果樹的生長，并且隨著各種技術的嘗試，經歷了與國外技術發展相似的經歷[6]。各種技術的實際效果不夠理想，難以滿足實際要求。與國外不同的是，我國創新研制出了吹氣式采摘機，但是采摘效果不夠理想從而被市場淘汰。在這些設計的基礎之上，經過不斷的探索研究終于研制出了一款名為 LG-1 型多功能果園作業機的多功能的采摘機器，并且還具備修剪、噴藥、運輸等功能。這一機械設備的研制成功，標志著我國的果園采摘進入了多功能作業時代，這項技術在實際使用中呈現出了諸多的優勢，極大地提高了果園采摘的采摘效率。

2 柑橘類水果采摘機器的設計

2.1 功能目標

在進行設計時，所要滿足的功能目標主要有以下5 點：①攜帶方便；②制作成本低；③能夠對果實進行有效分揀；④能夠對人工采摘起到輔助作用；⑤操作簡便。

2.2 設計思路簡介

該可分揀摘果器主要面向的是高空枝頭果實的采摘，通過利用操作桿來對果實進行剪切，并讓果實順著管道緩慢下落，最后通過管口的分揀裝置進行分揀，下落到相對應的儲存框中。在這一過程中，為了有效降低果實之間的碰撞，需要在管道的出口進行加裝緩沖裝置，從而有效避免果實出現磕碰。為了適應不同的果實高度，在設計時對操作桿和輸果帶的長度進行了可調節設計，從而有效保證了出果口不會發生果實碰傷。利用該思路設計出的分揀摘果器，不僅在操作上十分簡便，而且還能夠有效保證果實質量。

2.3 采摘機器的結構組成與功能

該可分揀摘果器，組成結構十分簡單，主要是由操作桿、剪刀、輸果帶、分揀裝置、出果口高度調整裝置、果框、小車構成。操作桿與剪刀負責對果實進行摘除，輸果帶負責緩沖果實的下落防止產生碰傷，分揀裝置則是要將果實根據大小來進行分揀，出果口高度調整裝置則是為了防止果實下落出現碰傷，果框與小車是為了果實的儲存與運輸。

3 結構設計過程

3.1 果框的固定

由于在進行實際操作時，會由于地面不平整使得行進時可能會造成顛簸，如果不對果框進行固定，很容易導致果框進行抖動使果實出現碰傷。在進行設計時選用了角鐵進行固定，為了提高設計的通用性，在角鐵的固定上使用了可以滑動的結構，從而能夠更好地適應不同大小果框的固定。

3.2 可分揀裝置的設計

在分揀裝置上，利用箱體底部的口徑大小來實現，具體表現為果實落下后進入分揀裝置中，在分揀裝置中底部設有不同口徑的空洞，并且有一定的傾斜度，這就使果實在下滑過程中會順著不同的孔洞下落從而實現了分揀工作。為了防止出現大量果實的聚集，還加裝了兩個有一定角度的立板，最后固定蓋板。

4 具體制作過程

4.1 果框與軟管的固定

果框的固定需要在小車上進行角鐵的安裝，利用打孔機進行打孔，最后利用螺絲釘實現固定。首先要將管口進行一定的切割，然后利用鐵絲與膠槍將剪刀固定在管口，最后將軟管加裝在直角管底部完成安裝。

4.2 分揀裝置的制作

分揀裝置的制作相對復雜，需要利用激光切割技術對材料進行切割，然后得到相應大小的空洞，最后將準備好的隔板進行固定完成安裝，操作簡單，并且成本較低，可以實現流水線生產。

5 產品特色與前景

該產品在設計與生產上都具有很強的簡便性，在實際操作中也十分簡單易行，并且能夠極大地提高采摘效率。這也是目前國內唯一的自動分揀采摘裝置，有利于進一步的生產應用。在我國的果樹種植行業內，有很多都是分散種植，不適合采用大型機器進行采摘。因此這項新型的采摘裝置就很好地解決了這一問題，并且這一裝置的生產成本低，能夠進行大規模應用。這項技術不僅可以有效提高采摘效率，還能夠快速實現流水線生產，并且適應我國的行業狀況，具有很好的市場前景。

6 結語

隨著社會的不斷進步，越來越多的科學技術為我們的生產生活帶來便利，這些都離不開科研人員的辛苦研究，在他們不斷地創新之下完成了越來越多的產品設計。在本文中所提出的新型柑橘類水果采摘機器有著諸多的優勢，能夠在未來為我國農業的發展提供更多的便利，從而有效推動農業的不斷發展和相關技術的革新。