新型扭轉(zhuǎn)式蘋果輔助采摘裝置設計

吳連申 劉友輝 顧鵬 石愛峰 石寶存

摘 要：針對現(xiàn)有輔助采摘工具效率低下、操作不便等問題，提出了一種新型的扭轉(zhuǎn)式蘋果輔助采摘裝置。該裝置通過手柄控制實現(xiàn)抓取動作，借助電機進行扭轉(zhuǎn)采摘，蘋果通過管道運輸進入收集箱，完成整套采摘蘋果過程。該裝置將扭轉(zhuǎn)采摘結構，減速傳輸機構以及防蘋果互撞收納結構相結合，極大的提高了采摘效率、降低了勞動成本以及保障了蘋果的質(zhì)量。

關鍵詞：蘋果采摘；輔助裝置；機構設計；高效

中圖分類號：S225.93 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）18-0067-03

1 引言

水果是果農(nóng)的重要經(jīng)濟來源，在果實類水果的采摘中，人們需要借助梯子對高處的水果進行采摘，并不時地移動梯子來采摘不同位置的水果，極其麻煩?，F(xiàn)在許多果樹的高度往往超過人的高度，由于果園地面的不平整，采摘時借助的板凳、短梯等工具不僅有安全隱患還影響了采摘效率。因此采摘作業(yè)是一項勞動強度大，消耗時間長，具有一定風險性的作業(yè)。

我國水果采摘機械發(fā)展緩慢，在此領域起步較晚，隨著國外技術的不斷創(chuàng)新與提高，我國在此方面也在不斷進步。由于地域性，生產(chǎn)模式等各方面的限制，經(jīng)濟性、操作簡單、適合山上作業(yè)已經(jīng)成為了我國果農(nóng)們關注的重點。目前在我國采摘器主要分三種：機械手式采摘器、刀片式采摘器和套筒采摘器。國外的采摘形式主要分為兩種：機械式采摘[1]和機器人采摘[2]。但這些采摘方式都存在著一些技術或?qū)嵱眯苑矫嫔系膯栴}，不能夠滿足當前果農(nóng)們的需求。所以研究開發(fā)適合目前生產(chǎn)實際的水果采摘機械不僅很大程度上減輕勞動強度，提高生產(chǎn)效率，而且具有廣闊的市場與應用前景[3]。

2 方案設計分析

在當今水果業(yè)快速發(fā)展的背景下，簡易而不便的采摘裝置已難以滿足大型果園的采摘效率需求，為減輕果農(nóng)采摘負擔，提高采摘效率，特設計此簡便、輕松的蘋果采摘裝置。實現(xiàn)裝置果實采摘、傳送、收集一體化的目的。

本產(chǎn)品為一個小型采摘輔助裝置，通過扭轉(zhuǎn)、傳送、接收，實現(xiàn)蘋果整個采摘過程，針對不同高度的蘋果，可通過伸縮裝置調(diào)節(jié)桿的長度。該裝置采用手柄控制三爪卡手抓取蘋果，并借助滾輪保持蘋果與卡爪自適應，固定后再通過電機旋轉(zhuǎn)摘取，最后通過運輸管道將蘋果傳送至收集箱。將采摘收集一體化，提高蘋果采摘效率。伸縮桿裝置確保了本產(chǎn)品對各種高度的果樹較強的適應能力，具有高效率、高質(zhì)量、采摘省力的優(yōu)點，極其適合推廣使用。

3 裝置設計結構分析

3.1 伸縮裝置

該裝置由粗細兩管組成，并通過螺旋套借助螺紋連接，可以使桿進行伸縮。為確保在實現(xiàn)抓取的前提下完成伸縮功能，安裝收線器并與鋼絲繩連接安裝在粗管下端，鋼絲繩一端連接收線器，另一端通過細管上方內(nèi)部滑輪后連接在粗管底端把手固定端處。當本產(chǎn)品需要伸縮時，放松螺旋套對桿進行伸縮，而此時的鋼絲可通過收線器來匹配、彌補伸縮桿長度的變化量。

3.2 旋轉(zhuǎn)式采摘機械手

如圖1所示，三爪卡手的上端裝有滾輪，用于抓取時蘋果與卡爪自適應，使得蘋果不被卡抓尖抓傷；三爪卡手的下端裝有橫桿，用于三爪卡手放開時，將蘋果被橫桿從三爪卡手內(nèi)部推出；三爪卡手的另一端與細鋼絲連接，六根細鋼絲通過一圓環(huán)片收攏；機械手下方接有同步輪，通過同步帶以及另一個同步輪與電機連接實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。同步輪下端裝有軸套和雙列角接觸軸承，并用空心牙管穿過，用以使得鋼絲可以進入管道；使用推力軸承將旋轉(zhuǎn)運動分離，但是可以傳遞拉力。考慮到實際加工時，對六根旋轉(zhuǎn)的細鋼絲繩固定難度，特在推力軸承下方安裝六孔限位片、軸套、六孔定位片，使用一個螺釘和吊環(huán)螺母串接起來。借助六孔限位片，將散亂的鋼絲合理散開，經(jīng)過一定距離后，將六根鋼絲條固定在六孔定位片上。其中的軸套是為了將限位片與定位片分開，便于實際加工。

三爪卡手的加工設計與分析：為實現(xiàn)采摘裝置對蘋果的抓取、拉扭采摘功能，根據(jù)現(xiàn)有三爪卡手進行改造加工。 當三爪卡手開始抓取蘋果時，若卡手沒有將蘋果包裹一半以上，蘋果將借助滾輪從卡手中彈出，防止卡手只將蘋果抓一般指尖壓傷蘋果；若卡手將蘋果包裹一半以上，蘋果可借助滾輪用以被完全包裹，安全采摘。

為確保三爪卡手對蘋果完成抓取，采摘后，松開抓手，蘋果能夠從卡手中掉入硬管中，特在爪手中間底部加工橫桿，用以將蘋果從卡手中自然推出?？紤]到蘋果直徑D=80～ 100mm，令r=40mm，L=32mm，橫桿L2=20mm，L3=15mm，d2=20mm。以下是針對橫桿能否將蘋果推出卡手的校核分析，如圖2所示：蘋果被抓取時，經(jīng)過實際測量，橫桿頂部相互之間的距離為2mm。當卡手在放松狀態(tài)下，相互間的距離為4.5mm。而蘋果的底部平面寬度約為4.5mm，因此橫桿足以將蘋果推出，確保蘋果掉落至硬管，實現(xiàn)傳送。為確保采摘省力，在此添加電機帶動旋轉(zhuǎn)，通過拉伸扭轉(zhuǎn)復合應力的作用，扭轉(zhuǎn)剪切應力相對于拉應力提高了30%[4]。

3.3 驅(qū)動裝置

該裝置如圖3所示，通過在細管的上部打孔安裝固定電機架進行安裝，在電機架的上部安放直流電機，在電機架的下方細管打孔，將直流電機的線從孔傳入，一直到達粗管底端與電源和開關相連。在電源的上部打孔，用來固定開關。為保證電線的可伸縮性，將電線以螺旋形態(tài)裝入伸縮管中，以保持電線與伸縮桿伸縮保持一致。直流電機的選擇：

原始數(shù)據(jù)：皮帶有效拉力F=15N，電機同步輪轉(zhuǎn)速n=2000r/min，電機同步輪直徑D=15mm，皮帶傳動效率η1 =0.96，電機同步輪效率η2=0.97，卡爪同步輪效率η3=0.95，滾動軸承效率η4=0.99。

3.3.1 確定卡爪所需功率Pw

皮帶線速度v=m/s。

所需功率Pw=FV=15*1.57=23.55W。

3.3.2 確定傳動總效率η

η=η1η2η3η4=0.99x0.97x0.96x0.95=0.88。

3.3.3 選擇電機功率Ped

所需電機輸出功率==26.76W。

查手冊取電機額定功率Ped=30W，對于Ped=30w的直流電機型號如見表1、表2：

3.4 傳送管道

如圖4所示，該裝置由承接硬管、軟管和傳送硬管組成，并通過卡箍連接。所述軟管位于倆硬管中間。

3.4.1 承接硬管的設計

承接硬管上管口沿著軸線切開作為擋板，保證果實掉落至硬管中。硬管的中端設置兩個相同的減速裝置，用于降低蘋果下落的速度，硬管的內(nèi)部還設有氣泡膜。所述的減速裝置由一腰形板，氣墊，皮筋組成。該減速裝置中的腰形板借助合頁固定于硬管內(nèi)側，用以實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。腰形板表面粘有氣泡膜用以對蘋果的保護；板上接有皮筋并借助皮筋復位。當把手按下的時候，三爪卡手抓住蘋果，然后按動電機驅(qū)動按鈕，電機旋轉(zhuǎn)，使得蘋果從樹枝上被扭下來，松開把手，蘋果下落至硬管的擋板處，沿著硬管滾到減速裝置處的氣墊上。由于腰形板受彈簧的拉力，所以使得蘋果在腰形板處減速至第二個減速腰形板上，再次減速后掉入之伸縮管中，用以防止蘋果下落時損壞減速裝置的加工與校核。

3.4.2 伸縮軟管的選擇

為防止蘋果沿管道下降時受到磨損，我們管道中間部位選擇使用PU聚氨酯軟管。該系列軟管采用螺旋彈性鋼絲牢固植入管壁，使外部流動性最優(yōu)化，內(nèi)部平滑，使流動特性最優(yōu)化，重量輕且具伸縮性，同時具有耐高壓，真空和壓縮，高的軸向強度，高抗張強度，和抗撕裂強度；良好的低溫伸縮性，彎曲半徑小，不易紐結。當蘋果沿管道滾落時，因PU聚氨酯管的柔軟性，蘋果可以無損的沿管道滾落到箱體。同時因其材質(zhì)良好，管道不會因為自身重力以及蘋果下落過程中對管道的壓力作用，導致管道下垂，從而使蘋果下降過程中速度到達到0，到達不了箱體?；驹诓烧^程當中，PU聚氨酯管會沿一定的半拋物線從伸縮桿頂端垂到地面，而不會出現(xiàn)大于半拋物線情況。PU聚氨酯管質(zhì)量較輕，人長時間托舉過程當中，不會對人的手臂造成多大負擔。

3.4.3 傳送硬管設計

該硬管內(nèi)部鋪有氣泡膜，用以對蘋果下落時的緩沖與保護。硬管上端通過卡箍與軟管連接，下端接入裝有水的箱體中。為保證蘋果從傳送硬管中順利掉入水中并浮出，特在硬管底部設計安裝半圓弧管道。

3.5 箱體設計

箱體（如圖5所示）內(nèi)部放有氣泡膜，后用油布包裹。箱子底部鋪有厚海綿，當蘋果從高處落下，通過管到內(nèi)部不斷緩沖，然后掉入海綿上。海綿給蘋果一個緩沖力，用以避免蘋果落下時的碰撞損傷。

為便于在果園中箱子的移動，特構建一個可移動框架，將箱子放入框架中。用以確保果園采摘移動的靈活性，同時也可提高搜集箱高度，減少傳送時間并降低伸縮桿長度以減輕重量。在框架與箱子的接觸部分安裝有十字滑臺，這使得管道可以在箱子內(nèi)部前后左右自由移動，這也避免的蘋果之間的相互碰撞，可以通過控制滑動來控制蘋果下落之后的位置。

3.6 總體實物圖

最終的實物展示如圖6所示。

4 創(chuàng)新特色

（1）采用拉扭結合的采摘方式，使得采摘過程更省力，且不損傷枝條。

（2）卡爪借助滾輪保證了蘋果與卡爪自適應。

（3）使用管道運輸，提高采摘效率。

（4）利用水來收集蘋果，使得蘋果不會受到傷害。

5 結語

該拉扭式蘋果采摘裝置，采用電機旋轉(zhuǎn)采摘方式，使得采摘即省力又不損傷樹木枝干；在卡爪下部裝有傳送和減速裝置使得蘋果的質(zhì)量和采摘效率得到極大的提高；設計裝有滑輪的收集箱儲存裝置，不僅大幅度提高了收集的便利性和儲存量，也不用再擔心眾多蘋果的搬用問題；該裝置還裝有伸縮桿，根據(jù)蘋果的高低進行伸縮桿的調(diào)節(jié)，這樣也可以解決果農(nóng)們不斷彎腰和踩梯子的煩惱。所以該裝置使得目前果農(nóng)們存在的問題都得以解決，非常適合現(xiàn)在摘蘋果市場的需求，大大提高了采摘蘋果的效率，保證了蘋果的質(zhì)量，也極大的減輕了果農(nóng)們的體力負擔，具有極大的社會和經(jīng)濟價值，以及廣闊的市場與應用前景。

參考文獻

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[3]趙占峰，葛松林，韓鵬飛.我國水果業(yè)發(fā)展中存在的問題及對策[J].煙臺果樹，2006，（2）：1-3.

[4]王賢民，霍仕武.機械設計[M].北京大學出版社，2012.