手持便攜式蘋果采摘裝置設計

周建華 李向國 李育鑫 徐銘澤

（河海大學 機電工程學院，常州213022）

蘋果是世界性果品，由于其生態適應性較強，果品營養價值高，耐貯性好，供應周期長，世界上很多的國家都將其列為主要消費果品而大力推薦[1]。據聯合國糧農組織統計，2012年全球蘋果收獲面積為484.3萬hm2，比2011年增加1.3%；產量為7637.9萬t，比2011年提高0.3%[2]。我國是蘋果栽培面積最大和產量最高的國家，分別占世界總面積和總產量的42.5%和48.4%[3]。根據國家統計局的資料，2002年我國蘋果產量為1924萬t（FAO數據為2050萬t），其中富士1404萬t，國光145萬t，蘋果產量占全國水果產量的27%，遠遠高于世界平均比例[4]。

隨著我國蘋果種植技術的提高，我國蘋果產量呈上升趨勢[5]。國民對水果旺盛的需求為果園種植業創造了巨大的市場，果園種植業具有廣闊的發展前景。與此同時，水果采摘季節性強，費用高且勞動量大，傳統人工采摘的方式易造成果實損傷，同時采摘不及時將會導致經濟損失[6]。蘋果采摘作業質量的好壞會對產品的后續加工和儲存產生直接的影響，從而最終影響市場價格和經濟效益[7]。為了節約人力、物力，提高果農的經濟效益，研究采摘機械，對于降低人工勞動強度和采摘成本、保證水果及時采收具有重大的意義[8]。

水果采摘分為機械式采摘和機器人智能化采摘，果園的機械式采摘主要有撞擊式、切割式和振搖式三種類型[9]。振搖式和撞擊式是根據產生振動形式的不同而劃分的，目前國外用得最多的是振搖式采收機，如圖1所示[10]。而我國南方果園大部分處于丘陵地帶，由于工作環境的復雜性，目前采收機的智能化水平達不到農業生產的要求。同時，我國果園主要是分散栽培、分戶管理的小農經濟性的種植方式，生產規模小，農民的技術素質偏低，大型機械式采收機成本過高，在此種種植形式下難以適用。而目前傳統的切割式由于刀片裸露在外面，往往容易在采摘過程中損傷果實，如圖2所示。從農業機器人研究可以看出，農業機器人可以代替人類完成某些農業生產活動，但要達到實用普及的程度，還有一些問題需要解決[11]。通過分析以上原因，筆者提出一種便攜式水果采摘裝置設計，它采用切割式原理，人可以手持操作進行采摘，同時切割刀片在采摘過程中不會損傷果實，從而達到保護果實、操作輕便以及提高采摘效率等目的。

圖1 振搖式大型采收機

圖2 切割式采摘器

1 設計目標與實現方案

1.1 設計目標

本研究旨在設計一種手持便攜式蘋果采摘裝置。所設計的采摘裝置要能夠適應復雜的采摘環境，具有操作簡單、質量輕、保護果實和手持方便的特點。

1.2 實現方案描述

首先將蘋果套入采摘套筒中。然后，按動手柄并通過連接的拉繩帶動刀刃進行剪切，將果實根莖剪斷，使其落入收集套筒中。最后，剪刀通過扭簧恢復原位等待下一次剪切。

采摘套筒采用罐式結構，因為在采摘過程中，爪式或切割式采摘手易損傷蘋果表皮，導致采摘質量下降，而罐式結構可以內含剪刀，不易破壞水果果皮，且在采摘過程中不易造成果實掉落。采摘套筒與桿之間通過拉簧能夠進行小幅的角度調整，使剪切裝置始終處于水平狀態，以便更好地進行剪切動作，使采摘手能夠適應復雜的采摘環境。收集套筒通過設置特殊形狀的槽口使其易于拆卸，方便取出果實。

2 詳細設計與制作描述

2.1 總體結構

蘋果采摘裝置如圖3所示，包括采摘套筒和采摘桿兩部分，其分別如圖4、圖5所示。采摘套筒部分包括套筒、剪切裝置和收集裝置。采摘桿部分包括伸縮桿、手柄和調整裝置。具體結構如圖6、圖7所示，包括手柄、伸縮桿、扭簧、固定刀片、旋轉刀片、拉繩、采摘套筒和收集套筒。剪切裝置、收集裝置和調整裝置將在下文中展開詳細介紹。

圖3 蘋果采摘裝置立體圖

圖4 采摘套筒部 分立體圖

圖5 采摘桿 部分立體圖

圖6 采摘裝置左視圖

圖7 套筒上部空間后視圖

采摘前剪刀與伸縮桿處于原位。采摘時，操作者將蘋果套入采摘套筒中，通過調整機構在障礙物的作用下使套筒角度調整，使果實根莖位于剪刀中間。按動手柄使拉繩帶動剪刀運動，將根莖剪斷。蘋果在重力作用下落入收集套筒。然后，剪刀在扭簧作用下恢復原位，套筒在拉簧作用下恢復原位，完成采摘工作，等待下一次剪切。手柄與剪刀通過拉繩連接，拉繩借用剎車線原理，使伸縮桿在伸縮過程中不需要調整就可以直接進行采摘工作。此外，還可以將收集套筒底部去除，連上輸送管道，可以連接收集箱，一次采摘多果，提高采摘效率。

2.2 工作原理

2.2.1 剪切裝置

剪切裝置如圖8所示，由旋轉刀片、固定刀片和扭簧組成。旋轉刀片如圖9所示，固定刀片如圖10所示。

拉繩一端通過螺栓螺母固定在旋轉刀片孔一內，旋轉刀片孔三與固定刀片孔四、套筒通過螺栓連接，螺栓起到旋轉軸的作用；固定刀片通過孔五、孔六，以螺栓連接的方式固定在套筒上。扭簧套在螺栓上，一段卡在固定刀片上，另一端通過孔二卡在旋轉刀片上，使得扭簧能夠在旋轉刀片動作時產生扭力，從而使刀片在完成剪切動作后能夠恢復原始的刀刃張開狀態[12-13]。

圖8 剪切裝置立體圖

圖9 旋轉刀片立體圖

圖10 固定刀片立體圖

2.2.2 收集裝置

收集裝置由采摘套筒和收集套筒組成。采摘套筒裝置如圖11所示，收集套筒如圖12所示。采摘套筒高度為169mm，內徑為120mm，分為上、中、下三部分，上部分是容納剪切裝置的空間，中間部分是采摘空間，采摘時將蘋果套入中間部分，下部分是連接部分，即套筒通過四個凸起與收集套筒連接，易于拆卸。人們可根據需求在套筒底部接上不同容量的收集套筒，即增長收集套筒長度，或將收集套筒底部去除，套上布兜或輸送管道，實現一次采摘多果，提高采摘效率。

圖11 采摘套筒立體圖

圖12 收集套筒立體圖

2.2.3 調整裝置

調整裝置由連接件、拉簧和伸縮桿組成。連接件如圖13所示，套筒與桿連接圖如圖14所示。

圖13 連接件立體圖

圖14 套筒與桿左視圖

連接件通過孔七、孔九與采摘套筒以螺栓方式連接，伸縮桿通過孔八、孔十以螺栓方式與連接件連接，拉簧一端通過掛鉤鉤在采摘套筒的孔里，另一端通過掛鉤鉤在伸縮桿的孔里，使伸縮桿與連接件之間能夠進行小幅的角度調整，使剪切裝置始終處于水平狀態，以便更好地進行剪切動作。另外，在每次采摘動作完成后，伸縮桿在拉簧作用下復位，使其能夠適應復雜的采摘環境。

2.3 主要部件設計

采摘裝置在設計時應考慮質量輕、強度高，對水果沒有碰撞損傷，且方便拆卸更換。

基于上述考慮，套筒設計為內徑120mm圓筒形，材料選用為塑料。中間鏤空的設計可以減輕整個裝置的自重，易于手持。套筒與伸縮桿、剪刀等連接采用可拆卸連接，方便更換。

剪切裝置開始采用滑塊剪刀，但在實際操作過程中發現兩刀片同時運動，會由于與連接桿件的摩擦阻力過大而難以運動。故采用一片固定、另一片旋轉的方式來完成剪切動作。一方面降低了阻力，另一方面減小了剪切裝置的整體體積，使得采摘套筒更為小巧。

調整裝置利用拉簧的拉力，使伸縮桿與連接件之間能夠進行小幅的角度調整，并且在每次采摘動作完成后，伸縮桿在拉簧作用下復位，更加適應復雜的采摘環境。

伸縮桿承受水果質量，需具有高強度和硬度，還要輕盈，便于手握省力。因此，支撐桿材料選用質量小且強度高的不銹鋼，直徑20mm，長度為0.92～1.42m，最大采摘高度為3m。總體重量為1.15kg，人手持較為輕便。手柄使得人采摘更為省力。

3 結論

本裝置設計旨在實現蘋果采摘機械化功能，具有操作簡單、質量輕、采摘過程中保護果實等優點。通過創新設計，裝置具有如下特點：采摘手采用罐式結構，使剪刀內含，并將剪刀與采摘空間隔離開來，保護水果；在采摘套筒與伸縮桿之間加入拉簧，使其可以進行小幅的角度調整，避開樹枝等障礙物，能夠適應復雜的采摘環境。收集套筒模塊化可更換，可根據需求在套筒底部接上不同容量的收集套筒，適應不同環境。收集套筒通過特殊形狀的槽口實現可拆卸化，便于拆裝，能很方便取出果實。本裝置適合南方小型種植園，成本低，人手持操作，從而實現提高采摘效率、現摘鮮賣等目的。