手持式水果輔助采摘器的設計

張緯哲，張 斌，黃稼元

（1江西理工大學，江西 贛州 341000；2.江西銅業集團公司德興銅礦；3.杭州電子科技大學）

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，柑子、橘子、梨、蘋果、桃子及石榴等水果需求量增大，種稙面積越來越大。這些長在較高果樹上的水果，國內果農仍較多地采用傳統的人手采摘，但由于身高限制，往往需要借助梯子，或爬上果樹進行采摘作業，從而勞作效率低，對人和果樹存在著一定的安全作業風險。

目前，為了提高水果的采摘效率，國外已研制出了一些大型的果樹機械采摘裝備[1-2]。這些大型機械采摘裝備對果園的地面平整度有一定的要求，較適用于大型平原地帶的果園采摘，而對于小型或地形高低不平等環境復雜的果園不適宜。

為提高小型或地形復雜果園的果樹采摘效率，市場上也已出現了一批手動或電動的水果輔助采摘器，如爪式采摘手[3]和剪式采摘手[4]等，這些輔助采摘手在一定程度上解決了果樹采摘的安全性與便利性問題。但仍存在著水果采摘捕獲定位操作較困難，或果柄拉拽式折切易造成水果損傷，或采摘后水果收納的效率較低等問題，難以在生產中得到較好的推廣。此外，針對不同類型的水果采摘，很多科研院校正在研制各類智能水果采摘器[5-6]，但目前基本上仍處于實驗研制階段。

為此通過調研，本項目組設計了一款手持式果樹輔助采摘器，以克服現有水果輔助采摘器性能的不足，滿足實用化的需求。

1 功能要求與結構分解

1.1 功能要求分析

本文所涉及的水果輔助采摘器，相當于人手的延伸。因此，對照人手采摘水果步驟，其具有的功能主要有：（1）采摘器能夠調整長度與角度，以便夠著果樹上較高的水果；（2）水果捕獲抓取功能，以便后續的水果剪切定位；（3）果柄定位功能，使果柄定位于剪刀工作范圍內；（4）果柄剪切功能，剪切刀鋒利，剪切用力小；（5）果實收納功能。既要保證收納效率，也不能造成果實損害。

此外，考慮到野外的作業場所和生產成本，輔助采摘器所有功能結構的驅動均采用人工手動操作。因此，其結構需具有輕巧和易操作的人機工程要求。

1.2 功能結構分解

根據上述采摘流程步驟，為實現輔助采摘器的功能要求，采摘器總體按調節桿模塊、采摘模塊及收納模塊進行功能結構的模塊分解。其中，調節桿模塊用于采摘器長度和角度的調節，采摘模塊用于水果的捕獲、果柄定位與剪切，收納模塊用于果實收納。其功能結構分解及對應的采摘流程功能見圖1。

圖1 采摘器功能結構與采摘流程分解示意

2 結構設計

根據采摘器功能與結構分解，設計的采摘器總體結構見圖2。其主要由調節桿、采摘及收納3個功能模塊組成。其中，調節桿模塊主要由伸縮桿和角度調節頭組成，角度調節頭與采摘模塊連接；采摘模塊主要由果實捕獲機構、果柄定位機構及剪切機構組成；收納模塊主要由收納器與收納箱組成，收納器與采摘模塊連接，果實通過收納器進入地面的收納箱。3個功能模塊結構中，采摘模塊是采摘器的主體，因而是采摘器設計的重點與關鍵模塊。

圖2 輔助采摘器總體結構設計

2.1 調節桿模塊

調節桿模塊結構見圖3。其伸縮桿用于輔助采摘器的長度調節，主要根據人機工程學原理，對市場上現有眾多的長度調節桿進行選型設計；角度調節頭見圖4，用于采摘模塊采摘時的角度調節，由上、下調節塊組成，分別與采摘模塊、調節桿固定連接。上、下調節塊通過螺栓螺母連接，旋松螺母，即可調整上、下調節塊的相對角度，即調整采摘模塊與調節桿之間的相對角度。

圖3 調節桿模塊結構

圖4 角度調節頭結構

2.2 采摘模塊

采摘模塊結構見圖5，由水果套取捕獲機構、果柄索定位機構及果剪式剪切機構組成。

圖5 采摘模塊設計

現有的爪式采摘手和剪式采摘手均存在著果實捕獲較為困難，果實易損傷、且結構較為復雜等不足。為此，本設計中，果實捕獲采用圓環套取方案。由于套取環內徑較大，相對來講，果實捕獲較易；捕獲中，由于套取環無需與果實接觸，也就不易對果實造成損傷；同時，套取環結構非常簡單，易制作，成本低。實際應用中，套取環還可以做出內徑不同的系列，以適應不同的水果。

水果被捕獲后，將果柄剪切，水果才能采摘下來。套取環捕獲水果后，水果的果柄不一定正好定位在果剪的工作范圍內，因此，需要有定位機構將果柄定位到果剪的工作范圍中。本設計中，采用索定位的機構方案（圖5），其主要由定位索、末端滑動套等組成。定位索設計為彈性索，初始狀態時，前端定位索位于捕獲套取環的索槽中，后端與末端滑動套連接，末端滑動套安裝在調節桿上。當水果套取捕獲后，操作人員一只手拉動末端滑動套，定位索收縮，將果柄拉入定位到果剪工作范圍內，果柄剪切后，松開末端滑動套，定位索在自身的彈性作用下，恢復到初始狀態。

果柄剪切采用果剪式剪切機構方案（圖5）。其主要由果剪刀頭、動力彈性傳遞索及末端握把等構成。果剪刀頭設有復位彈簧；動力彈性傳遞索一端與果剪柄連接，另一端與末端握把連接；末端握把安裝在調節桿上。初始狀態時，果剪兩刀片張開；果柄剪切作業時，握捏末端握把，通過傳遞索，果剪兩刀片嚙合，剪切果柄；果柄剪切后，松開末端握把，動力傳遞索復原，果剪兩刀片在復位彈簧作用下，回復到初始的張開狀態。

2.3 收納模塊

收納模塊結構設計見圖2，收納模塊主要由波紋式果實收納網與收納箱組成，收納網上端與采摘模塊的果實套取環連接，果實通過收納網下滑至地面的收納箱。

收納網為中空彈性節狀網兜，果柄剪切后的果實在重力作用下，因網兜彈性波紋節的作用，能有效阻緩自由落體運動，從而防止果實滑落過程中引起的較大碰撞，造成果實損傷。

3 小結

經調研、功能需求分析與設計后，對設計的輔助采摘器進行了制作與采摘試驗（圖6）。試驗表明，所設計的輔助采摘器，能輕易地捕獲果樹高處的水果，果柄定位與剪切操作簡便、效果佳，水果收納簡單且不易損傷水果，克服了現有水果輔助采摘器性能的不足，實現了設計的功能目標要求。此外，所設計的輔助采摘器成本極為低廉，非常有利于今后在果園的推廣應用。

圖6 樣機采摘試驗