便攜式喬木類水果采摘裝置設計與試驗

鄧成剛， 胡志剛， 張嘯風， 翟紅蕾， 蔣亞軍

（1. 武漢輕工大學，湖北 武漢 430023； 2. 湖北交通職業技術學院，湖北 武漢 430079；3. 墨爾本大學，帕克維爾 3010，澳大利亞； 4. 武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

0 引言

隨著人們生活水平的提高和改善性需求的增長，我國的水果行業已成為萬億級的產業，在農業經濟占據著重要的地位。數據顯示，我國水果產量持續增長，從2011 年的21 019 萬t 增至2020 年的近28 692.36 萬t，年平均增長率近4%，其中蘋果、橘子、梨等喬木類水果的產量占主要份額[1]。水果采摘作業所用勞動力占整個生產過程所用勞動力的33%～50%，而目前我國的水果采摘主要是以人工為主，由于采摘作業比較復雜且季節性差異明顯，人工采摘效率低、勞動量大，特別是采摘高枝水果時困難更加突出[2]。隨著人口老年化且農村勞動力逐漸向社會其他行業轉移，勞動力不足導致采摘人工成本升高，從而導致水果價格上升、競爭力下降[3-4]。使用機械不僅可以提高效率，節省大量勞動力成本，而且可以提高果園的經濟效益，但是國內外的大型機械價格高，并不適合在我國占大多數的中小型果園的實際情況，故在果園中使用大型機械并不常見[5-6]。市場上出現了許多的采摘器，產品各有特點，價格也不盡相同，但多數裝置使用中末端執行器容易對水果造成損傷，影響后期運輸及儲存[7-8]。因此，本文設計一種方便、省力、安全、高效、便攜，力求讓果農買得起、用得起的喬木類水果采摘輔助裝置，以解決現有問題。

1 采摘裝置結構與工作原理

1.1 結構組成及特點

便攜式喬木類水果采摘裝置結構如圖1 所示，主要由4 部分構成：撥動式刀頭、4 節可調節伸縮桿、棘輪式可折疊支撐桿（省力桿）和螺旋式收集器。刀頭部分通過曲柄連桿機構的撥桿撥動，使果梗滑過刀刃，完成剪切，為了方便收集，設計了螺旋平緩式收集器，最大程度地減少了對水果的損傷。

圖1 采摘裝置結構Fig. 1 Structure of harvesting device

1.2 工作原理

采摘裝置結構簡單，當工作時開啟電源，刀頭靠近目標果實，按壓控制開關，電機帶動撥桿撥動，撥桿撥動果梗滑過刀刃，完成果實的剪切。為了使撥桿每次準確回位，用中間繼電器和位置微動開關控制電路，按壓一次開關，撥桿撥動一次，并且在V 型刀刃下方，安裝了一個微動開關，只要果梗觸碰了它，撥桿自行撥動完成剪切，實現了手動和自動一體的任意切換。果實剪切下來落到收集管中通過人工輔助進入背部的收集桶中，根據果樹的高度可自主調節伸縮桿，提高效率的同時降低了對果樹和水果的損傷。

2 關鍵部件設計

2.1 采摘刀頭

水果的采摘成功率是衡量采摘裝置性能優劣的重要指標，所以采摘刀頭是整個采摘器最重要的部件。使用曲柄連桿機構代替剪刀，當目標果實果梗進入導向片后，觸發微型直流電機，通過蝸桿帶動蝸輪的減速器增大扭力，然后帶動曲柄連桿機構的撥桿撥動，撥桿撥動果梗滑過刀刃，完成果實的剪切。機構主要由微型直流電機、蝸桿帶蝸輪的減速器、撥桿、連桿、曲柄、V 型刀刃、微動開關、萬向節及固定套筒等組成，如圖2 所示。

圖2 采摘刀頭主體部分結構Fig. 2 Structure of main part of picking cutter head

2.1.1 曲柄連桿機構設計

在曲柄轉動一周的過程中，有兩次與連桿共線，這時撥桿分別處于兩極限位置。在兩個極位時，原動件所在兩個位置之間的夾角稱為極位夾角θ。當K=1 時，θ=0°，機構無急回特性；當K>1 時，θ>0°，機構有急回特性。K值越大，急回特性越明顯，在工業中一般取1≤K≤ 2，故選擇K=1.4，則極位夾角為

結合電機的外部結構及刀頭部功能尺寸，選擇機架長度LAD=45 mm，撥桿長度LCD=53 mm，撥桿擺動角φ=45°，計算出曲柄長度LAB及連桿長度LBC。

由圖3 中量取LAC2=56.1 mm，LAC1=39.5 mm，即

圖3 曲柄連桿機構模型Fig. 3 Crank link mechanism model

綜合式（1）和式（2）解方程得LAB=8.3 mm，LBC=47.8 mm。

2.1.2 刀頭剪切功率計算

為保證所設計的刀頭能夠較好地完成切割果柄的工作，對刀頭切割過程進行理論計算及校核。刀頭剪切力的計算

蝸輪蝸桿減速機構是一種動力傳達機構，利用齒輪的速度轉化器，將電機的回轉數減少到所需要的回轉數，并得到較大扭矩，所以綜合考慮，選擇取蝸桿z1=1，蝸輪z2=64，則i=64。因為

由上述所知，搖桿長度r=0.053 m，通過查表得出蝸桿傳動總效率為η=0.75，再考慮采摘效率剪切極限響應頻率為60 次/min，得到M=4.24 N?m ，P=35.50 W。

2.1.3 電動機選擇

根據采摘器工作區域環境，選擇充電可替換式電池更加符合野外工作的客觀條件，選擇12 V 直流電動機，再根據電機額定電流、功率、轉速及轉矩等要求，選用寧波甬城汽車零部件有限公司生產制造的YC1237A型12 V 直流電動機。

2.1.4 控制系統設計

為了方便剪切，防止因撥桿沒有回到初始位置，影響下一次剪切工作，采摘器電路接線如圖4 所示。工作時閉合總開關QF，當目標果實果梗進入刀頭導向片后，按壓手柄開關SB，觸發微型直流電機，電機帶動撥桿撥動，撥桿撥動果梗滑動刀刃，完成果實的剪切。為使刀頭的撥桿每次剪切后都能準確回位，用中間繼電器K1 和位置微動開關SQ2 來控制電路，微動開關SQ2安裝在撥桿的極限位置（即初始位置）。當按壓一次開關SB 時，撥桿完成剪切后繼續運動，當觸發微動開關SQ2 后立刻停止，待下一次按壓開關SB 時繼續運動，周而復始。為了減輕工人勞動強度，在刀頭導向片V型刀刃下方，安裝了一個微動開關SQ1，只要果梗觸碰了它，撥桿自行撥動完成剪切，實現了手自一體的任意切換。

圖4 電路接線Fig. 4 Circuit wiring

2.2 伸縮桿結構設計

采摘裝置主要針對生長在果樹枝丫高處的水果，依據GB 10 000?88《中國成年人人體尺寸》，選取18～60 歲男性、18～55 歲女性50 百分位的人體模型尺寸。

在喬木類水果樹中，蘋果是落葉喬木，有較強的極性，通常生長旺盛，樹冠高大，樹高可達15 m，栽培條件下一般高3～5 m[10]。為了方便采摘，并減輕果農的工作強度，根據人機工程學相關知識，確定桿子最大長度達到3 m，滿足采摘條件。伸縮桿采用強度高、質量輕的航空鋁管材質，4 節式可伸縮，最短整體的長度只有1.2 m，方便攜帶，可以調節到隨意長度適應不同高度的果實采摘。

采摘裝置中伸縮桿是受力最大的部件，所以應對伸縮桿的剛度進行靜應力分析。

2.2.1 伸縮桿受力計算

如圖5 所示，由平衡方程

圖5 伸縮桿受力及強度計算Fig. 5 Stress and strength calculation of telescopic rod

由此計算可得出伸縮桿手部受力由常規的托舉力變為斜向下方向的推力，與人體實際操作受力相符合。

2.2.2 伸縮桿強度計算

考慮到裝置在使用過程中，伸縮桿A-A 處連接省力機構，故A-A 為危險截面，需要校核彎曲強度。伸縮桿置于水平狀態時彎曲應力最大，所以以水平方向進行校核。

根據實際測量獲得FA=5 N，L=1 750 mm，G=4 N，L=250 mm。

得出MA=9.75 N·m。

比較橫斷面處外管D1=30 mm、d1=28 mm 與內管D2=28 mm、d2=26 mm 的強度，需對內管進行彎曲強度計算。

得出WZ= 858.8 mm3，σm= 11.35 MPa<[σ]=60 MPa。

該伸縮桿彎曲強度符合要求。

2.3 支撐桿結構設計

棘輪式可折疊支撐桿（省力桿）安裝在收集器背帶上，方便拆卸，利用杠桿省力原理，將支撐點向前移動，增大力矩來達到省力效果。相比手和胳膊，人的背部承受的力量更大，通過將手上的力分散到背上，符合人機工程學。另外在頂部安裝了平衡器，通過平衡器的彈簧收縮，使操作更加輕松便捷。

作為水果采摘裝置中受力最大的機構，對支撐桿進行強度計算。如圖6 所示，鉸接頭處為80 N 的棘輪扳手實物接頭，A-A 截面處外層圓管為Φ22 mm、厚1.5 mm 的不銹鋼，內部為Φ19 mm 的扳手實心手柄桿，所以A-A 截面的外部圓管部分為薄弱環節，對A-A 截面進行彎曲強度校核。

圖6 支撐架橫桿強度計算Fig. 6 Supporter intensity computation

經測試獲得相關參數：

該支撐桿彎曲強度符合要求，所以橫桿其他截面的強度值均滿足彎曲強度要求。

2.4 收集器設計

收集器主要由柔性管道、背帶（內含工字鋁合金）、內置螺旋式收集筒等組成。其中柔性管道進口在刀頭的下方，出口固定在伸縮桿操作按鈕的前面，并在末端形成U 型，使水果被剪斷果梗后自然下落穿過通道到達人手邊，最后通過人工放置到肩膀上的收集筒管道入口中，完成喬木類水果收集作業。收集筒采用內置螺旋式滾落設計，坡度平緩，箱內安裝管道，鋪滿海綿，水果掉落時不會因碰撞產生損壞，并且巧妙地利用空間，一次可以裝20～30 個水果。收集筒外部連接背帶，設計有輕便工字鋁合金架，安裝省力機構，符合人機工程學，攜帶方便。另外，收集筒裝滿不需取下，直接將外側的出口打開就可使水果落入收集箱中。

3 驗證試驗

試驗于2021 年9 月在湖北省武漢市江夏區某農莊果園進行，由于湖北地區不適合規模種植蘋果，所以試驗對象是黃花梨。梨樹高大，平均3.5 m 左右，枝較開張，葉較大，平均單果質量200 g。在10 min 的時間內，從果樹下方沿樹冠向上采摘，采用傳統手工采摘，高處果實可以借助梯子，從勞動者的手碰觸黃花梨開始計時，到采摘的果實放入隨身攜帶的布袋結束，為一個采摘周期；在同樣的時間內，采用喬木類水果采摘裝置，在將刀片貼近目標黃花梨時開始計時，果實放入收集桶代表一個切割采摘周期完成。每組重復采摘試驗10 次，分別記錄單果的采摘時間（表1）及每分鐘內采摘果實的數目（表2）。

表1 采摘時間統計Tab. 1 Average picking time

表2 采摘數目統計Tab. 2 Amount of picking

試驗結果表明，黃花梨采摘作業中，采摘裝置單果平均采摘時間為3.34 s，采摘速度未因果實生長在高處而發生顯著變化；而傳統手工采摘方式，隨著低處果實的摘完，高處果實需要借助梯子，并且梯子移動并不方便，故采摘果實越多，體力消耗越大，效率越低，所耗時間越長。

利用喬木類水果采摘裝置采摘100 個黃花梨，在室溫20 °C 室放置24 h，然后按SB/T 10891?2012《預包裝鮮梨流通規范》，評定果實新鮮度和完整度。

對采摘黃花梨表面損傷情況進行評定，其中達到一級鮮梨標準占32%，達到二級鮮梨標準占47%，達到三級鮮梨標準占18%，總體采摘合格率97%。試驗表明，使用喬木類水果采摘器采摘黃花梨，對果實碰撞損傷小，損傷率低，滿足果農采摘需求，采摘效果好。

4 結論

（1）介紹了一種便攜式喬木類水果采摘裝置。闡述了裝置結構、工作原理及設計，利用蝸輪蝸桿機構和曲柄搖桿機構的組合，結合電路控制系統來實現手動、自動自由切換的工作方式，并確定了刀頭部分零件的尺寸參數、剪切力及電機型號。

（2）在湖北省武漢市江夏區某農莊果園進行喬木類水果采摘裝置性能的田間試驗，結果表明，該裝置總體采摘合格率97%，采摘速度未因果實生長在高處而發生顯著變化，水果順著收集器中平緩的螺旋管道滾落，可以最大程度地減小果實的損傷，方便果農采摘，大大提升采摘效率。

（3）產品質量小，特別適合于喬木類高處水果的采摘，方便拆裝，價格低廉，利用棘輪式可折疊支撐桿，可萬向角度固定，降低勞動強度，減少人工成本。

（4）下一步研究可從優化裝置結構和材料入手，在保證零件強度的情況下，進一步降低裝置整體質量，使設計更加簡單，降低生產成本，真正達到使果農買得起、用得起的目的。