多功能果實采摘器設計

郭雄　鄧庭超　謝智琛　鄧雄明　彭康雙

[摘要]為了降低粵西地區喬木類水果采摘的工作強度，提高采摘效率，本文通過分析粵西地區喬木果樹生長環境，設計了一種適合在野外環境下通過鋰電池驅動電機運轉的輔助型果實采摘設備。在分析其工作原理的基礎上，制成實驗樣品。該采摘器由伸縮桿、控制開關、行程開關、果袋、直流電機、剪刀片等組成，采摘時，打開電源開關，按動切割鍵，驅動電機帶動剪刀片剪切果梗。裝置原型在實際運行中，能采摘與收集高樹果實。結果表明，該采摘器能夠有效降低勞動強度，提高采摘效率，且通用性強，有望得到廣泛應用，服務社會。[關鍵詞]果實采摘器;控制機構;采摘效率

中圖分類號：S225

文獻標識碼：A

DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20190430

粵西地區地形多以丘陵、臺地、平原為主，規模小、坡地多，行間郁蔽嚴重，通行困難，大型機具更難以人園，機械采收難度大"。目前粵西地區多以人工采摘為主，采摘成本較高且效率相對較低。同時粵西地區在果實成熟期易受惡劣天氣影響，如若無法迅速采摘，極易給果農帶來經濟損失。

據調查，目前各國都有公司或研發機構對自動化采摘進行研發，但距離轉化成品還有一定的距離，其主要原因是自動識別率低、采摘精確度不高致使效率低。同時目前市場上已有的輔助采摘器，盡管價格低廉，但是采摘效率有限，不很好地降低工作人員的勞動強度。

本文以研究實用化的便攜式果實采摘器為目標，通過對采摘工作環境和特性進行深入分析，針對其適用地形，利用Pro/Engineer軟件對果實采摘器進行三維設計和仿真裝配，設計出由電力驅動的果實采摘器，能夠基本解決采摘勞動強度大、效率低等問題，在未來具有一定的發展前景。

1采摘器設計要求

粵西地區果園規模小、果樹種植間距小、地形不平整，不適于大型果樹采摘機器進人。根據采摘環境及采摘要求，采摘器需要達到以下工作要求：

（1）采摘器制作需要成本低，結構安全性、可靠性高。

（2）采摘器需要能在戶外工作，需要具備高續航性，同時重量應該較輕。

（3）采摘器需要具備便攜性，應具備可伸縮桿。

（4）為確保采摘水果的質量，需具備柔性管道使果實滑落至果籃。

2采摘器整體結構及工作原理

基于上述要求，本項目設計的采摘器將采用電力驅動，通過點動開關控制電機的通斷，進而控制刀片的運動，完成剪切運動。

采摘器結構示意見圖1。采摘器主要由執行機構、控制機構、伸縮及運輸機構組成。其中執行機構包含固定刀片、活動刀片、傳動桿、法蘭盤、電機支架、電機;控制機構由總開關、行程開關、鋰電池組、控制開關、線纜等組成;伸縮及運輸機構主要由3節大小不一的鋁管及網制管道組成，其可根據不同高度需求，進行高度調節。

3關鍵機構設計及參數計算

3.1執行機構的設計

在調查中發現，市場現有的果實采摘器主要分為往復剪切刀片式、三爪拖拽式、往復鋸片式。本項目設計的采摘器采用往復剪切刀片式結構。

執行機構中，固定刀片、電機通過電機支架固定，法蘭盤安裝在電機輸出軸上，通過螺栓將傳動桿與其連接，活動刀片與傳動桿連接，當電機啟動后，活動刀片也隨之旋轉。固定刀片、活動刀片、傳動桿、法蘭盤四者組成曲柄搖桿機構，使電機旋轉一周，刀具完成一個周期的剪切運動。同時在剪刀開口最大位置處設置行程開關，用于實現自動復位，通過手柄處設置行程開關實現采摘啟動”。其運動原理圖見圖2。

3.2控制機構的設計

控制機構包含1個總開關、2個行程開關。其中行程開關1用于實現位置檢測（包含公共地1、常閉2、常開3），行程開關2用于采摘控制（包含公共地11、常閉22、常開33），其原理見圖3。接線時，將1與電源正極相接，11與電源負極相接，2與22相接，3與33相接。剪刀張開時，行程開關1檢測到位信號，電路斷開;控制開關2，電路再次導通，松開開關，剪刀閉合實現采摘。

?3.3電機選型及參數計算

為保證具有足夠的剪切力，實現果柄的切斷動作，需要關注電機及剪切運動部分的力學分析。設計的實際張開尺寸見圖4，其中采摘切口最小為10.1mm，長度為46.9mm，切口最外緣距離旋轉中心距離為53.4mm，電機驅動軸偏心盤中心距為6mm。

為保證切口任何位置的有效性，以最大距離53.4mm為阻力進行計算，根據經驗和實測結果可知，剪刀切割力為40N時可切斷正常果實果梗，以力矩最小時為保險驅動力進行計算，即偏心輸人力矩為最大6mm，力臂按照最小進行計算，即18.9mm，得到果柄繞剪刀轉軸阻力矩：M1=53.4mmx40N=2136Nmm;以最大力臂換算得到電機所需力矩：F1=M1+18.9mmx6mm≈678Nmm。

查閱電機廠家手冊可知，采用步進電機，需選用57系列電機，其重量為1～1.2kg，重量不夠合理，同時尺寸較大并需要單獨設計驅動電路。選用普通型直流電機，其力矩也難以達到。

綜合考慮上述因素及性價比后，選用了型號為XD一WS37GB3650的直流減速電機，其具有體積小、轉速低、可調速且力矩大等特點，同時重量僅為210g。在電壓為12V、轉速為30r/min的情況下，其輸出力矩約為800Nmm，得到力矩裕度R=（800-678）+678≈0.18>0）。

3.4鋰電池及的選擇

為保證采摘器能在戶外長時間運行，采摘器必須擁有高續航性。根據電機功率及電壓要求，設計選取容量為2500mA的電池，能夠確保其在滿電情況下設備能夠連續運轉4～7h，在考慮其環保性及重量后，選用鋰電池，而非鉛酸電池。

4樣機試制及實驗

制作好的樣機實驗圖見圖5。在完成了整體樣機設計及三維仿真分析后，對其進行了試制，隨后在廉江某果園進行了實驗。在采摘時，打開總開關，隨后按下控制開關，活動刀片即完成一個周期的剪切運動，果實也完整地隨著管道滑落到果籃。實驗結果表明，該采摘器能夠很好地完成剪切工作，同時果實滑落到果籃后外表皮并無破損。

5論

該采摘器能夠較好地完成預定的工作目標，其采用大容量鋰電池，通過電力進行驅動，直流減速電機能提供較大扭矩使執行機構完成剪切動作。執行機構構造簡單緊湊，加工方便，如若后期進行工業化生產，則其低廉的價格易被果農接受。同時在實驗中所發現的問題，也會在后期的調試中進一步進行解決和完善。

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