背負式水果采摘機設計

發布時間：2018-07-21所屬分類：農業論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要:針對我國當前水果園采摘作業需要勞動力多、采摘效率低、機械化采摘困難等問題，設計了一款操作簡便、結構輕便且通用性強的背負式水果采摘機。該水果采摘機主要由執行結構(剪刀頭)、傳動機構(萬向軸承、拉伸鋼絲)、支撐機構(伸縮桿、背負式減負衣)、控制

　　摘要:針對我國當前水果園采摘作業需要勞動力多、采摘效率低、機械化采摘困難等問題，設計了一款操作簡便、結構輕便且通用性強的背負式水果采摘機。該水果采摘機主要由執行結構(剪刀頭)、傳動機構(萬向軸承、拉伸鋼絲)、支撐機構(伸縮桿、背負式減負衣)、控制機構(切割控制手柄)、輔助機構(接果籃，緩速袖帶)等構成。采摘時通過按動伸縮桿內嵌彈珠機構的小鋼珠來調整支撐桿的長度，利用人體合理站位和轉動萬向軸承來調整剪刀頭的位置，按動切割控制手柄使剪刀機構運動切斷果柄，果實在自重的作用下掉入緩速袖帶后減速滑落到集果袋中從而完成采摘作業。該采摘機結構簡單、成本低廉、具有較強的通用性和可操作性，適用于大部分果園采摘，能順利高效地采摘果實，極大地降低了勞動強度，提高了采摘效率。

　　關鍵詞:采摘機;剪刀機構;接果籃;可伸縮桿;緩速袖帶

　　我國不僅是水果生產大國，同時也是消費大國，果園種植業的發展對果園機械提出了更高的要求[1]。研究表明，在整個水果種植生產過程中，采摘果實所耗費的勞動力占耗費勞動力總體的35%～45%[2]，并且采摘作業受季節性影響也很大。目前，我國農業勞動力普遍缺乏，生產成本不斷提高，因此也降低了果農種植的積極性，制約了果園種植業的長遠發展。為了節約人力物力，提高果農的經濟收入，開發適用我國國情的水果采摘機械具有重要的意義。

　　當前對水果采摘的研究大多集中在機械式采摘、機電結合式采摘、機器人智能化采摘等方面[3]。我國南方果園大部分處于丘陵地帶，工作環境相對復雜，目前采摘機的智能化水平還達不到農業生產的要求，加之電氣元件對工作環境的要求較高，檢修維護周期短，器件工作可靠度相對較低，機電結合式采摘機械很難完全發揮其作用。此外，我國的果園主要為分散栽培，分戶管理的小規模生產種植，果農的技術素質偏低，大型機械式采摘器在此種種植形式下也不適用。為適應我國的實際種植情況，采摘設備需要簡易高效、通用可靠、成本低廉，因此機械輔助的半自動采摘機成為目前采摘器的主要研究方向。

　　目前使用的半自動輔助機械式采摘器多為借助電氣元件進行調控，使用電池供電[4]。采摘時對外界的環境傷害大，可靠性低，通用性差，檢修維護周期短。為此，我們設計了一種新型的背負式水果采摘機。該機采摘時對外界環境傷害小，綠色清潔，攜帶輕便，工作省力可靠，通用性強，采摘效率高，適用于我國絕大多數果園的水果采摘。

　　1采摘機的總體結構與功能設計

　　1.1總體結構

　　背負式水果采摘機總體結構如圖1所示。

　　

　　背負馬甲的外延平臺固結萬向軸承，伸縮桿可繞萬向軸承實現外延平臺上半球面上無死角旋轉。電動機末端的剪刀機構在回位彈簧的作用下始終處于張開狀態。接果籃下接緩速袖帶并與背負馬甲后的集果籃連接，緩速袖帶上口大、下口小，中部設置若干緩速頸口。背負式減負裝置主要由背負馬甲構成，背負馬甲下端由剛性較大的鋁合金材料貼身制成。

　　1.2工作原理背負式水果采摘機的采摘機械手由采果剪刀機構、接果籃和伸縮桿3部分組成。采果剪刀機構和接果籃機構依次安裝在伸縮桿上，伸縮桿內嵌彈珠機構安裝在第1節管的上部位置，控制繩索接在剪刀機構的滑塊上，開始采摘前剪刀機構處于原始狀態。采果機械手工作時將伸縮桿調到合適的高度，然后工作人員通過改變站位對準果柄，拉動與滑塊相連的繩索，使活動剪刀片向固定剪刀片合攏，實現剪刀剪切動作，剪下的果實落入接果籃中，在重力的作用下果實進入緩速袖帶，通過緩速袖帶的減速作用使果實平穩地落在背負馬甲后的集果籃中，然后在回位彈簧的作用下使活動剪刀片復位。由于采摘果實是直接剪斷果實的果柄并不與果實表面接觸而擠壓果實，所以特別適合采摘軟質果實或無外果皮包裹的果實。

　　1.3采摘流程果實采摘流程如圖2所示。

　　

　　2主要部件設計

　　2.1采摘剪刀設計

　　采摘剪刀機構由固定剪刀片、活動剪刀片、連桿和滑塊等構件組成一個曲柄滑塊機構，附加回位彈簧起到剪刀復位的作用。機構中的活動剪刀片和固定剪刀片與固定板鉸接，固定板上開有滑塊滑動的槽口，通過拉動與滑塊連接的蠅索使活動剪刀片繞鉸鏈支點轉動，使活動剪刀片向固定剪刀片合攏，完成剪切果柄或剪斷掛果果枝的動作。采摘剪刀結構如圖3所示。

　　

　　2.2接果籃機構設計

　　采摘剪刀正下方是接果籃機構，設計的接果籃應質量輕、強度高，對水果沒有碰撞損傷，便于拆卸更換�；�于上述考慮，將接果籃設計為下底圓直徑100mm、上頂圓直徑150mm、高為80mm的圓臺型，最大承載質量5kg，材料選用亞克力板，上圓開口，中間鏤空，底部開口與緩速袖帶連接。接果籃結構如圖4所示。

　　

　　2.3可伸縮桿機構設計

　　可伸縮桿需承受水果的質量及其下落的沖擊力，因此其應具有較高的強度、剛度和硬度，同時還要要求其質量輕。支撐桿的材料選用質量輕且強度高的中空鋁合金管材，外徑29mm、內徑25mm、上伸縮桿長1500mm，下伸縮桿長度為500mm，最大采摘高度≥4m，上下伸縮桿成直線狀態，通過彈珠機構鎖定位置�？缮炜s桿結構如圖5所示。

　　

　　2.4伸縮桿彈珠機構設計

　　伸縮桿共設置2節可動伸縮，攜帶時縮為1節，便于攜帶，現場采摘時可根據果實枝條所在的高度，按動鋼球將第2節桿伸出，用以調節剪刀的工作高度。伸縮桿的彈出采用彈珠機構，利用簧片的彈力卡住鋼球在外管管內移動，當鋼球接觸到外管上的定位孔時鋼球即嵌入到該孔內，內管不能再伸出，內管定位固定。伸縮桿彈珠結構如圖6所示。

　　

　　2.5緩速袖帶機構設計

　　緩速袖帶上袖口連接接果籃，下袖口連接集果籃，用于將剪斷果柄的果實緩速平穩地收集到集果籃中，要求果實既不能卡在袖口內，也不能緩速效果不明顯，果實不能因與緩速袖口內壁碰撞和摩擦而產生破損。緩速袖帶要柔性好，輕巧易展開，不易彎曲盤結。

　　基于上述考慮，將緩速袖口設計為上袖口圓直徑100mm，下袖口圓直徑80mm，最大長度2.5m的形狀，材料采用輕便廉價的尼龍縫制。內壁設置3個緩速圓口，緩速圓口由松緊帶構成，圓口直徑依次分別設置為170mm、150mm、120mm，圓口在緩速袖口內的位置如圖7所示。使用時可根據采摘果實的高度將緩速袖口中部堆疊(非向內設置緩速圓口部分)，并用長尾夾夾緊堆疊部分使其縮短，以保證下袖口懸空正對集果籃。緩速袖帶結構如圖7所示。

　　

　　2.6背負式減負裝置

　　設計背負式減負裝置由彈力衣、工作架和球鉸鏈構成。工作架由20cm×20cm的兩塊相互垂直的鋁合金板構成，置于彈力衣腰部，由布帶和金屬線固定在彈力衣上，球鉸鏈固定于工作架上。當操作者使用采摘剪時，可將球鉸鏈的一端插入采摘剪末端的套筒中，將采摘剪固定在工作架上，讓身體承受工作時的大部分力，手臂只負責控制采摘剪的運動。背負式減負裝置結構如圖8所示。

　　

　　3采摘剪刀機構運動學和受力分析

　　3.1運動學分析采摘剪刀機構運動學分析如圖9所示。

　　

　　

　　剪刀機構為曲柄滑塊機構，其中滑塊是主動件，由人手拉動繩索使滑塊向下移動，滑塊的速度和加速度影響可以忽略不計。由上述公式可知，參數R、L決定了剪刀機構的結構尺寸，S決定了滑塊的槽口長度尺寸，α或β角決定了剪刀的張口大小和剪刀口的剪力大小。

　　剪刀的初始位置是剪刀口的最大張口位置，而滑塊的最大位移，即桿2與桿3在一直線上時，剪刀口合攏，剪刀剪斷果柄或掛果果枝時的位移。

　　在該機構中，用手向下拉動固定在滑塊上的繩索時，剪刀運動為工作行程，當拉動滑塊使活動剪刀片與連桿成一直線時，滑塊行程S為最大值，此時也是滑塊上移的死點位置，滑塊的反行程驅動則改由彈簧力作用，同時放松手拉繩索。

　　3.2受力分析

　　活動剪刀桿受力分析如圖10所示，設手拉繩索的力為F1，其作用在滑塊上可分解為F11和F12兩個力，F11的大小可表示為:F11=F1cosβ;F12=F1sinβ(5)式中:F1為手拉繩索的力，其是驅動滑塊向下移動的力，也是活動剪刀復位彈簧的彈簧拉力。F32的大小可表示為:

　　

　　式中:F32為剪刀剪切果柄或掛果果枝的剪力;R為活動剪刀端部鉸鏈點距固定鉸鏈點距離;x為果柄接觸活動剪刀接觸點距固定鉸鏈點的距離。

　　

　　4結束語

　　試驗表明，背負式水果采摘機結構簡單、成本低廉、可靠性高、有較強的通用性和可操作性，而且機構運動分析和參數計算容易。使用該機采摘水果時無需動力，手工操作，綠色環保，可廣泛應用于高枝果實的采摘，其與傳統的人字梯或上樹的采摘方式相比更安全，而且可降低勞動強度，提高采摘效率和經濟效益。

　　參考文獻:

　　[1]宋健.茄子采摘機器人結構參數的優化設計與仿真[J].機械設計與制造，2008，46(6):166-168.

　　[2]SANDERSKF.Orangeharvestingsystemsreview[J].BiosystemsEngineering，2005，90(2):115-125.

　　[3]段潔利，陸華忠，王慰祖，等.水果采收機械的現狀與發展[J].廣東農業科學，2012，39(16):189-192.

　　[4]何家成，段文婷，李鳳佳，等.手持式電動水果采摘機設計[J].安徽農業科學，2013，41(25):10557-10559