仿推剪手自一體水果采摘器

向雨晴 幸子倩 于水心

摘 ?要：針對目前水果市場存在的水果采摘效率低、工作量大、水果質(zhì)量難以保證等問題，對市面上的主要采摘方式及采摘器械進行深入研究調(diào)查，基于推剪原理，設(shè)計了一個外形簡約，結(jié)構(gòu)合理，方便高效的手自一體蘋果采摘器。該裝置既可以通過電機帶動切割蘋果根莖將蘋果從果樹上采摘下來也可以采取手動方式，極大程度上的減少了工人的勞動強度，有效的提高了采摘效率。

關(guān)鍵詞：水果采摘器;仿推剪;手自一體

1 前言

國內(nèi)大部分水果采摘方式是手動采摘，需要采摘工人多次攀登上樹，費時費力又存在危險，大幅度增加了中小型果園的經(jīng)濟成本。而市面上現(xiàn)有的一些水果采摘器都是靠手動夾持，不斷來回做功容易疲勞且效率低下[2-3]。同時量產(chǎn)水果采摘中存在著大量問題，例如勞動工作量大、作業(yè)范圍廣、觸碰力度控制要求高等等，所以提高水果采摘效率、降低采摘成本同時保障水果質(zhì)量是目前水果采摘亟需解決的問題。

2 現(xiàn)狀分析

隨著生產(chǎn)工業(yè)化的迅猛發(fā)展，很多勞工都開始轉(zhuǎn)向工業(yè)或其他行業(yè)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)勞動力極其短缺[4]，勞動成本逐步提高。而采摘作業(yè)是水果生產(chǎn)過程中最為耗時、費力的一個重要環(huán)節(jié)[5]。由于目前市場上水果種類眾多且特點各異，設(shè)計一種適用于所有水果的采摘裝置很難實現(xiàn)，所以主要針對現(xiàn)有的蘋果采摘所存在的問題進行了詳細(xì)調(diào)查，并且發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的果園采摘工作中，絕大多數(shù)果園仍舊采用人工采摘的方式，這種方式耗時耗力，采摘效率低下，據(jù)統(tǒng)計，采摘作業(yè)所用勞動力占整個生產(chǎn)過程所用勞動力的33%～50%[6]。隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，水果市場的需求不斷變大，即使目前市面上已有多種采摘工具，但形式單一，功能性不強。

3 外形設(shè)計方案

3.1 整體形狀

擬設(shè)計的手自一體水果采摘器主要由4個模塊構(gòu)成，分別為握柄模塊，支撐模塊，采摘模塊和收集模塊。在實際的采摘過程中，采摘者只需要手持采摘器將刀頭對準(zhǔn)蘋果根莖，便可實現(xiàn)采摘和收集。整個采摘器，結(jié)構(gòu)新穎，設(shè)計合理。整體采用手自一體化設(shè)計，能自動剪切，也能應(yīng)對電池沒電等意外情況快速切換手動模式。

3.2 刀頭部分

如圖1所示，刀頭部分基于推剪的原理，刀片左右移動以達到切割的效果，相比于普通的剪刀式刀頭，此設(shè)計，在保證切割范圍的同時，縮短了行程，是普通剪刀式刀頭行程的1/4，既節(jié)省了時間，也減輕了勞動強度。

3.3連接部分

連接部分采用了關(guān)節(jié)式設(shè)計，能在一定范圍內(nèi)調(diào)整刀頭的角度，以適應(yīng)不同角度的水果，使采摘更靈活，增強了采摘裝置的柔性化。

3.4手持部分

在需要手握的地方考慮到工作的特殊環(huán)境、工人手中經(jīng)常出汗，且連續(xù)工作時間長，所以伸縮桿和手柄部分都有防滑墊設(shè)計，防止在采摘水果過程中手出汗打滑，也使握桿較柔軟，手持姿勢盡量保證舒適，手在握到手柄上時不會有硌手現(xiàn)象。

3.5收集部分

如圖2所示，水果收集部分運用布筒與背簍的結(jié)合，在刀頭的下方有個布筒，布筒順著伸縮桿直通背簍，當(dāng)水果掉下來的時候可以順著布筒一直到背簍。布筒里設(shè)置多級緩沖，防止水果磕破。另外，入口處板為活動板，通過調(diào)節(jié)板的仰角以減小不同高度下落水果的速度。

3.6材料選擇

工作時工作者與此水果采摘器形成費力杠桿結(jié)構(gòu)。蘋果等水果梗韌性大，較難切除，因此位于頂端的刀頭部分應(yīng)選擇輕薄、耐磨、硬度高的鋒利刀片，來減輕工作者的勞動強度;支撐模塊可能承受質(zhì)量較大的水果，造成同時工作者體力有限，需選用輕巧、強度大、硬度大的材料;握柄部分外層應(yīng)選用貼合人手的舒適材料。

4 尺寸設(shè)計

4.1長度尺寸

支撐模塊長度是采摘器能否采摘到蘋果的一大重要決定模塊，因為蘋果是落葉喬木，通常樹木可高至15米，但栽培樹木一般只高3-5米左右，而當(dāng)前果園的蘋果樹普遍都是人為種植，所以高度也大約為3-5米左右。而從事采摘事業(yè)的人員多為男性，年齡范圍在18～60歲內(nèi)，手持采摘器作業(yè)時支撐模塊底部大約與肘高平齊，根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)的中國成年人人體尺寸[7]，肘高在92.5～112.8cm范圍內(nèi)。據(jù)調(diào)查研究，人眼在垂直平面內(nèi)的最佳視角為視平線以上35度左右，仰頭舒適角度40度左右。結(jié)合以上數(shù)據(jù)，將采摘器支撐部分設(shè)計為可收縮桿，伸縮范圍H為1.8-2.2米。

4.2 握把寬度設(shè)計

抓握空間與最大握力值的關(guān)系如圖8所示，從圖中可看出握把寬度在76mm左右較為合適，因此將未施力時的最大寬度設(shè)計為80mm。

4.3 刀頭設(shè)計

據(jù)實際調(diào)查與觀察，一個蘋果的寬度一般低于100mm，所以為保證采摘行程的有效性，如圖9所示，采摘器的刀頭部分寬度應(yīng)大于100mm，刀刃間距應(yīng)遠(yuǎn)大于蘋果梗直徑以便快速精準(zhǔn)的找到剪切點，提高采摘效率。所以設(shè)計寬度為120mm，間距C為15mm。且為防止蘋果與繁茂枝葉遮擋住刀頭部分，將刀頭與蘋果和枝葉的顏色區(qū)分開，根據(jù)對比色原理，將刀頭部分設(shè)置為黃色，便于刀頭精準(zhǔn)定位，提高采摘效率

5結(jié)論

隨著社會的進步，人工費越來越貴，所以采摘器成為果農(nóng)們提高生產(chǎn)效率必不可缺的東西。新式采摘器的出現(xiàn)能大大節(jié)省人力物力，提高效率。目前市場上采摘器形式單一，功能性不強，所以實際應(yīng)用并不廣泛，針對此現(xiàn)象設(shè)計的仿推剪手自一體水果采摘器有手動和自動兩種模式，應(yīng)用范圍廣，功能性強，能減輕果農(nóng)壓力，造價低，結(jié)構(gòu)簡單，能進行大規(guī)模生產(chǎn)和推廣，若能和高效營銷策略相結(jié)合，能有效解決采摘困難，資源浪費等問題。該產(chǎn)品對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展具有良好的推進作用。而且該產(chǎn)品可以在刀頭上進行改良，使其適用于更多種類，更大范圍的采摘活動，具有良好的應(yīng)用前景，可為實現(xiàn)水果采摘機械化奠定基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] ?王旭，王鳳仙，王東利，田園，劉茳，王鑫.人工輔助水果采摘器的設(shè)計研究——基于礦業(yè)學(xué)院實踐教學(xué)成果的展示[J].呼倫貝爾學(xué)院學(xué)報，2018，26（05）：133-135+118.

[2] ?鐘宇，余維田，宗華.我國農(nóng)用水果采摘器市場分析——以便攜式水果采摘器為例[J].現(xiàn)代營銷（下旬刊），2018（08）：88.

[3] ?徐銘辰，牛媛媛，余永昌.果蔬采摘機器人研究綜述[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（31）：11024-11027+11057.