一種便攜式水果采摘收集裝置及使用方法分析

莫梓鈞　汪國(guó)棟　褚振華　鄭興偉

摘 要 便攜式水果采摘收集裝置采用的剪切動(dòng)力源為電磁鐵，可裝配在不同的收集裝置上，可采摘多種不同的水果，裝置結(jié)構(gòu)新穎，制作成本低，可大大提高水果采摘效率?；诖?，對(duì)該裝置的設(shè)計(jì)背景、設(shè)計(jì)介紹、設(shè)計(jì)原理零件構(gòu)成和工圖展示、初步模型制作及操作步驟、創(chuàng)新意義、發(fā)展前景、長(zhǎng)遠(yuǎn)構(gòu)思及待開(kāi)發(fā)功能實(shí)物展示等進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，以此來(lái)全面展示該裝置及其使用方法方法。

關(guān)鍵詞 水果采摘裝置;便攜式;電磁鐵

中圖分類(lèi)號(hào)：S225 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.30.081

1 設(shè)計(jì)背景

我國(guó)是水果生產(chǎn)大國(guó)和消費(fèi)大國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水果的種植面積不斷增加，產(chǎn)量也在不斷提高，對(duì)水果采摘的要求也在不斷提高。因此，提高水果采摘作業(yè)機(jī)械化水平，可有效降低水果采摘成本，提升我國(guó)水果在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

當(dāng)前，市場(chǎng)上有很多水果采摘輔助裝置，主要分為機(jī)械裝置和機(jī)器人兩類(lèi)。對(duì)機(jī)械裝置進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，以采摘蘋(píng)果為例，大多數(shù)機(jī)械裝置以機(jī)械臂為基礎(chǔ)，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)采摘，但這種方式對(duì)于機(jī)械臂的精確度以及使用方便度提出了較高要求，且不便于隨身攜帶[1-2]。為了解決上述技術(shù)難點(diǎn)，利用機(jī)電原理對(duì)市面裝置進(jìn)行改裝，提出以下設(shè)計(jì)方案。

2 設(shè)計(jì)介紹

本裝置是一種便攜式的水果采摘收集裝置。采摘裝置主要包括機(jī)械剪和操縱桿。機(jī)械剪的握力臂內(nèi)側(cè)安裝有電磁鐵，機(jī)械剪中部安裝有夾緊力傳感器，用于檢測(cè)剪刀口的夾緊力。操縱桿上端與機(jī)械剪中部固定連接，下部設(shè)有信號(hào)指示燈和操縱開(kāi)關(guān)，信號(hào)指示燈與夾緊力傳感器連接，用于顯示夾緊力是否足夠。操縱開(kāi)關(guān)設(shè)有普通按鈕和電性按鈕，普通按鈕用于使機(jī)械剪的剪刀口預(yù)合攏，電性按鈕與電磁鐵電連接，用于給電磁鐵通電、產(chǎn)生磁性?shī)A緊力，使機(jī)械剪的剪刀口在磁性作用下完全合攏。本裝置的剪切裝置安裝有電磁鐵，具有較大剪切力度，能一次性剪切水果枝條，收集裝置將水果自動(dòng)分隔，防止水果擠壓。

3 設(shè)計(jì)原理

3.1 電流的磁效應(yīng)

本團(tuán)隊(duì)利用電磁鐵，電磁鐵通電后產(chǎn)生磁性，吸引鐵塊加速與其碰撞（完全非彈性碰撞），完成剪刀對(duì)水果梗的剪切。

3.2 剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)原理

改裝后的剪刀可抽象理解為力學(xué)理想模型。在電磁鐵強(qiáng)大磁力作用下，附著在剪刀剪尾的鐵塊繞剪刀的中心軸做角加速度越來(lái)越大的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)著改裝后剪刀的動(dòng)刃迅速與靜刃靠近。在極短的時(shí)間內(nèi)，剪尾的電磁鐵與鐵塊碰撞黏合，剪刀動(dòng)刃與靜刃互相摩擦而過(guò)，達(dá)到剪斷蘋(píng)果梗、實(shí)現(xiàn)采摘的目的[3-5]。

3.3 能量的轉(zhuǎn)化

通電后電磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸引鐵塊加速碰撞黏合，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

4 零件結(jié)構(gòu)與工圖展示

本裝置構(gòu)件分三個(gè)部分，即采摘部分，機(jī)械控制部分和收集部分，零件的整體裝置三維模型圖如圖1所示。

裝置的采摘部分見(jiàn)圖2，主要通過(guò)電路開(kāi)關(guān)控制電磁鐵磁性，利用電磁鐵閉合過(guò)程帶動(dòng)剪刀進(jìn)行水果采摘。操縱桿上方的機(jī)械剪是主要工具，機(jī)械剪可使用很鋒利的合金刀具（刀口朝上，保證剪刀開(kāi)口時(shí)刀刃不會(huì)劃傷水果）。

裝置的機(jī)械控制部分見(jiàn)圖3。操縱桿可以自由伸縮，桿頭將與剪刀焊接在一起，桿部底端由一塊輕便的鋰電池和控制開(kāi)關(guān)組成，可通過(guò)操縱開(kāi)關(guān)完成頂端剪刀的使用，可自動(dòng)方便地旋轉(zhuǎn)采摘水果。旋轉(zhuǎn)臺(tái)可以360°自由旋轉(zhuǎn)，收集裝置也會(huì)跟著機(jī)械裝置一起旋轉(zhuǎn)，使采摘下的水果順利落入水果籃。

5 初步模型制作及操作過(guò)程

5.1 裝置的制作過(guò)程

1）將剪刀靜刃末端鋸斷一小節(jié)，將電磁鐵焊接于靜刃末端;2）加溫使塑料熔化，澆鑄于焊接部位，增加其牢固性;3）在剪刀臂上塑料部分鉆孔，孔洞大小與金屬細(xì)桿頂端桿粗細(xì)匹配;4）將改裝后的剪刀插入金屬桿頂端，用膠水固定，再將一根細(xì)鐵棒一端與金屬桿焊接，另一端與剪刀靜刃剪尾焊接，構(gòu)成三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu);5）用導(dǎo)線(xiàn)與電磁鐵末端導(dǎo)線(xiàn)連接，將導(dǎo)線(xiàn)與電磁繼電器相連，再用一段導(dǎo)線(xiàn)將電磁繼電器與鋰電池相連;6）連接完畢后，將導(dǎo)線(xiàn)用膠帶固定在金屬細(xì)桿上，避免導(dǎo)線(xiàn)纏繞，再將電磁繼電器與鋰電池固定在金屬細(xì)桿末端;7）將細(xì)鐵絲彎曲成圓圈狀，并且套入布袋袋口，用膠水將鐵絲與袋口固定，把鐵絲圈固定在剪刀口下端，使得水果能落入鐵絲圈，并且順著布袋滾入地面收集箱。初步制作的采摘收集模型如圖4所示。

5.2 本裝置模型操作步驟

1）將折疊的金屬細(xì)桿伸直，將盤(pán)卷的長(zhǎng)布袋解開(kāi)，把布袋末端放入收集箱內(nèi);2）雙手緊握金屬細(xì)桿末端，右手大拇指搭放在電磁繼電器開(kāi)關(guān)上，雙手自由移動(dòng)，移向待采摘的水果樹(shù)梢;3）發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，緩緩移動(dòng)金屬細(xì)桿，使得水果梗處于剪刀動(dòng)刃與靜刃之間，保持平衡，此時(shí)右手大拇指將電磁繼電器開(kāi)關(guān)推至開(kāi)始位置，電磁鐵與鐵塊發(fā)生碰撞后，再將電磁繼電器開(kāi)關(guān)推回原位，水果沿長(zhǎng)布袋滾落入收集箱內(nèi)。至此，一次采摘操作完成。

5.3 本裝置模型需要改進(jìn)之處

1）改裝的剪刀焊接電磁鐵與鐵塊，質(zhì)量增加，而采摘過(guò)程中果農(nóng)雙手緊握金屬細(xì)桿末端，果農(nóng)的手臂、金屬細(xì)桿、改裝的剪刀構(gòu)成費(fèi)力杠桿，長(zhǎng)時(shí)間采摘費(fèi)力，不利于提高采摘效率，剪刀的材質(zhì)、電磁鐵與鐵塊的體積大小有待改進(jìn)。2）剪刀刀刃偏長(zhǎng)，使得理想中的剛體模型的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，由角動(dòng)量守恒，使得刀刃角加速度偏小，即角動(dòng)能偏小，進(jìn)一步影響剪刀的力度，影響采摘效果，刀刃的長(zhǎng)度與厚度有待改進(jìn)。3）電池體積大小、安裝位置、電流強(qiáng)度有待改進(jìn)，電池固定于金屬細(xì)桿上增加了果農(nóng)采摘負(fù)擔(dān);電流強(qiáng)度偏小，剪切較粗的水果梗略有不便。

6 創(chuàng)新意義

本項(xiàng)目的便攜式水果采摘收集裝置較好地解決了現(xiàn)有水果采摘裝置存在的問(wèn)題。其剪切裝置安裝有電磁鐵，具有較大剪切力度，能一次性剪斷水果梗。機(jī)械裝置通過(guò)電磁鐵產(chǎn)生磁性吸引鐵塊，大大簡(jiǎn)化了機(jī)械臂的復(fù)雜制作與安裝程序。利用電力采摘水果，電力取代了人力，采摘輕松，可幫助果農(nóng)加快采摘速率、降低采摘成本。該裝置能實(shí)現(xiàn)多種常見(jiàn)水果采摘，如蘋(píng)果、梨子、柿子、櫻桃等，其收集裝置可將水果自動(dòng)分隔，防止水果擠壓導(dǎo)致表面損傷，減小因采摘失誤導(dǎo)致的損失。機(jī)械裝置便攜簡(jiǎn)單，沒(méi)有傳統(tǒng)機(jī)械采摘裝置的齒輪和軸承等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，成本低廉且維護(hù)方便，可隨身攜帶，可大量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低，性?xún)r(jià)比高。機(jī)械裝置維護(hù)方便，只需定期更換電池以及對(duì)剪刀進(jìn)行簡(jiǎn)單維護(hù)。

7 發(fā)展前景

目前，市場(chǎng)上的很多水果輔助采摘裝置都存在以下缺陷。1）水果枝條較為堅(jiān)硬，韌性較強(qiáng)，使用普通的切割裝置往往難以一次性切斷，造成切割不徹底，需要反復(fù)切割，影響采摘效率。2）水果所在位置較高，采摘裝置的機(jī)械臂較長(zhǎng)，剪切裝置需要精確對(duì)準(zhǔn)水果枝條，其精確度難以滿(mǎn)足實(shí)際使用需求，采摘者需要手動(dòng)調(diào)整機(jī)械臂，調(diào)整效果不佳。3）采摘裝置普遍體積較大，重量較重，不便于隨身攜帶，難以在地勢(shì)較為崎嶇的水果產(chǎn)區(qū)展開(kāi)采摘作業(yè)。4）水果收集裝置中堆積大量水果，空間較為狹窄，水果之間相互擠壓，容易導(dǎo)致水果表面損傷甚至破損變形，發(fā)霉變質(zhì)。

針對(duì)這些缺陷，利用低成本的材料設(shè)計(jì)出了此高性能的便攜式水果采摘機(jī)械，在現(xiàn)今水果采摘工作量大、采摘時(shí)間長(zhǎng)、采摘成本高的背景下，有著顯著優(yōu)勢(shì)和較高的社會(huì)價(jià)值，可以幫助果農(nóng)加快采摘速率、降低水果采摘成本、減小因采摘不及時(shí)而導(dǎo)致的損失。

8 長(zhǎng)遠(yuǎn)構(gòu)思及待開(kāi)發(fā)功能

8.1 實(shí)現(xiàn)能量的充分利用

水果離地面具有一定高度，有重力勢(shì)能，水果從樹(shù)梢滾入收集箱的過(guò)程中，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。將長(zhǎng)布袋改為類(lèi)似軟管的結(jié)構(gòu)，其中加入一些擋板裝置，水果滾下時(shí)，沖開(kāi)擋板，擋板發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，切割磁感線(xiàn)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，可達(dá)到磁生電的效果。將產(chǎn)生的電能收集到蓄電池中，用于供應(yīng)小部分采摘用的電能，不僅能使水果到達(dá)收集箱時(shí)的速度大幅度減小，水果之間的碰撞程度減輕，避免水果之間因碰撞而受損，而且能將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成電能回收利用，充分體現(xiàn)節(jié)約環(huán)保理念。

8.2 自制電磁鐵，用鎳代替鐵芯

從市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)的電磁鐵質(zhì)量較大，增加了機(jī)械裝置質(zhì)量，對(duì)采摘過(guò)程有一定影響。對(duì)此，本團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用“鐵芯插入通電螺線(xiàn)管產(chǎn)生磁性”的原理，除去金屬銅導(dǎo)線(xiàn)表面絕緣塑料，用絕緣漆涂于銅線(xiàn)表面，減小銅線(xiàn)質(zhì)量，將銅線(xiàn)纏繞在鎳芯上，即制得簡(jiǎn)易“電磁鐵”[6]。

8.3 實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化

將機(jī)械裝置固定于電動(dòng)小車(chē)上，收集箱置于車(chē)內(nèi)，用電力控制伸縮的金屬桿代替原來(lái)的金屬細(xì)桿，金屬桿可繞車(chē)上一固定軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，以便調(diào)整方向;電池和電磁繼電器安置于車(chē)內(nèi)。果農(nóng)坐在車(chē)上操作機(jī)械裝置即可，大大提高了工作效率。

8.4 采用螺旋緩沖軌道和自動(dòng)分隔海綿網(wǎng)

用螺旋緩沖軌道來(lái)替代布袋，同時(shí)在螺旋軌道中加入自動(dòng)分隔海綿網(wǎng)，保護(hù)蘋(píng)果完好。同時(shí)，蘋(píng)果下落的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，動(dòng)能再轉(zhuǎn)化為一小部分的內(nèi)能和大部分的電能，并且切割磁感線(xiàn)，磁生電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鐵裝置的供電，從而有效利用能源[7]。

8.5 采用不同的收集裝置

本水果采摘機(jī)械裝置可以靈活安裝各式收集裝置，如籃子、箱車(chē)、背包等，方便攜帶，可減輕果農(nóng)負(fù)擔(dān)。

8.6 采用夾緊力傳感器

夾緊力傳感器可用于檢測(cè)剪切口的夾緊力，當(dāng)夾緊力超過(guò)設(shè)定值后指示燈綠燈亮，提示可以剪切，操作者按下操縱開(kāi)關(guān)，完成一次采摘;若夾緊力未達(dá)到設(shè)定值，紅燈亮起，提示操作者暫時(shí)不能采摘。這時(shí)操作者需要調(diào)整機(jī)械剪的位置或方向，使夾緊力達(dá)到預(yù)設(shè)值。

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（責(zé)任編輯：趙中正）