手持背負式水果采摘機的設計

吳永金　王濤　劉帆　王良　車曉毅

摘? 要：針對我國南方地區果園地勢特殊及水果采摘效率不高的問題，采用手持背負式，設計了一種輔助人工的水果采摘設備，通過試驗采摘分析，表明該設備采摘效率較高，設備省時省力且采摘效果良好，滿足設計要求。

關鍵詞：手持背負式? 水果采摘? 效率

中圖分類號：S225.93 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）08（a）-0061-03

Abstract： Aiming at the special situation of orchard in the southern part of China and the low efficiency of fruit picking， a hand-held backpack was designed to assist the artificial fruit picking equipment，through the test and picking analysis， it shows that the equipment has high picking efficiency， saves time and labor， and has good picking effect， which meets the design requirements.

Key Words： Hand-held backpack; Fruit picking; Efficiency

中國作為一個水果生產大國，我國每年的水果產量在一億噸以上，其中以蘋果、梨、橙等采摘作業為主的水果產量占到了世界前三[1]。采摘作業所消耗的勞動力占到了整個生產過程的33%～50%[2]。由于我國水果主要分布在南方地區，南方果園多數處于丘陵地帶，地面崎嶇不平，地勢起伏，環境的復雜性高，所以在果實的實際采摘中，大多采用人工采摘。而現在許多果樹的高度往往超過人的高度，甚至有的果樹高度接近4m，所以需要借助板凳、矮梯等工具上樹采摘[3]。由于地形和工具的局限，使得果農在采摘過程中，不僅伴隨著安全隱患，而且采摘工作量大且效率低。因此，針對我國水果采摘存在問題，設計了一種省時省力、攜帶方便、操作簡單、作業范圍廣、采摘收集于一體的輔助人工采摘的手持背負式水果采摘機，可采摘水果有柑橘、梨子、蘋果等。

1? 手持背負式水果采摘機的結構組成

手持背負式水果采摘機按結構功能可分為采摘裝置、收集裝置、背負裝置、伸縮裝置、電機調速裝置、采摘頭角度調節裝置6個部分，主要包括鉤桿、鋸片、機殼、皮帶輪、同步帶、電機、電機機殼、連桿、滑塊、背帶、拉桿、手柄、伸縮桿、舵機調速儀、電調、電池、萬向軸承、腰帶、伸縮軟管（如圖1所示）。其中，收集裝置固定安裝在采摘裝置下方，采摘裝置安裝在伸縮桿頂端，伸縮桿與腰帶通過萬向軸承連接，伸縮桿可實現無死角旋轉。

工作原理：開始采摘前，根據果樹的品種、枝條的粗細來調節電機的轉速，根據采摘者的體形來調節背帶、腰帶。采摘時，根據果實不同的位置，調節伸縮桿，通過拉桿快速調節采摘頭的角度，用鉤桿快速鉤取果實的果梗，果梗順著鉤桿滑向鋸片，直至被切斷。完成果實的采摘后，果實脫落，掉入軟管，經由柔性伸縮管緩沖、減速、導向，最終被輸送到收集箱。

2? 功能與結構設計

2.1 采摘

目前驅動方式主要有人力和電力驅動兩種，采摘方式主要有剪切式和鋸斷式兩種。莊逸鋒等人[4]設計的背負式水果采摘機，采用人力驅動方式、剪切式采摘方式，結構簡單、成本低，但人力驅動消耗人的體力，剪刀有回程，工作連續性較差，沒有限位結構，易劃傷果實。許書菡[5]設計的便攜式摘果器，采用電力驅動方式、剪切式采摘方式，省力，結構較簡單、成本較低，但沒有限位結構，仍易劃傷果實。周燕等人[6]設計的便攜式手持水果采摘機，采用電力驅動方式、鋸斷式采摘方式，結構較簡單、成本低，有限位結構，但鋸片較難接觸到果梗，進行采摘動作。

該設計采用電力驅動方式、鋸斷式采摘方式，并設計有鉤桿，如圖2所示。鉤桿不僅具有導向限位作用，還可以從樹枝中鉤出果梗，便于切割。

2.2 收集

果實的采摘質量、采摘效率很大一部分取決于收集裝置。何家成等人[7]設計的手持式電動水果采摘機，在采摘裝置下，設計一個收集筐，果實下落高度小，很好地保證了采摘質量，但收集一定量的果實后，會增加負重，從而影響采摘效率。馬質璞等人[8]設計的一種新型單果采摘器，利用長網兜將采摘好的果實輸送至地面，有緩沖效果且效率高，但網兜易與樹枝纏繞，樹枝也可穿過網兜，劃傷果實，不僅給采摘帶來不便，也會影響采摘質量。

為此，該設計的收集裝置選用伸縮軟管，其結構為用帆布包覆螺旋鐵絲，從而形成通管，如圖3所示。此伸縮軟管重量輕、伸縮比大、緩沖性能好，使得采摘動作更靈活、采摘質量更高，能夠實現采摘收集一體化。

2.3 背負

長時間進行水果采摘作業，如果只靠手部工作，很容易造成手部的疲勞。為了減小手部的勞動量，設計了背負裝置。背負裝置采用背帶和腰帶相結合方式（如圖1所示），并增設手柄，充分利用腰部和背部的力量，很大程度上減小手臂支撐的力量，從而達到了減輕使用者身體局部疲勞、便于長時間工作。

2.4 伸縮

果實生長高度不一，低則略高于地面，高可達3m，較低位置的果實人工可輕松完成采摘動作，而高于2m，一般需要借其他工具。為此，該設計設有伸縮裝置，既能采摘高處果實，又不影響低處果實的采摘。伸縮裝置采用直徑不等的薄壁不銹鋼管，通過螺旋夾緊連接，結構如圖4所示，螺旋固定套與外管固定連接，當壓套往下旋時，使螺旋固定套夾緊內管，從而達到固定作用。

2.5 電機調速

由于水果種類不同，以及水果枝條粗細不一，所需要的切割力矩或切割速度也不同，對于一臺機器只有單種切割力矩或切割速度來說，采摘的是細枝條水果，切割力矩或切割速度過大，顯然浪費電能，影響作業時間;而采摘粗枝條水果，切割力矩或切割速度過小，則無法完成切割。為此，該設計增加了電機調速裝置，以實現電機調速功能?？紤]到重量輕、性價比高因素，電機調速裝置選用舵機調速儀和電調，共同調節控制電機轉速。

2.6 采摘頭角度調節

水果采摘時，一般需要保留適當長度的果梗，則采摘時應該盡量使采摘頭與果梗垂直，一可便于切割采摘保留合適的果梗長度，二則便于觀察。但是果實分布的高度不同，如圖5（a）所示，在采摘水果時，采摘頭與果梗會形成一個夾角α，在低處采摘水果時，夾角α較大，能保證切割點B高于果梗最長點A，使得采摘后的果梗長度不過長，但是當采摘高處的水果時，夾角α過小，無法保持近似垂直狀態，會使得切割點B高于果梗最長點A，使得采摘后的果梗長度過長。為此，如圖5（b）所示，本設計設有采摘頭角度調節裝置，調節采摘頭角度，能同時滿足高、低處水果采摘的要求。如圖6所示，采摘頭角度調節裝置包括連桿、滑塊、拉桿。其中，采摘頭、連桿、滑塊以及伸縮桿構成曲柄滑塊機構，通過拉桿拉支滑塊，實現采摘頭的角度調節，使采摘質量更好。

3? 試驗

該設計成品如圖7所示，設備使用配戴圖如圖8所示。該試驗以采摘橘子為例，針對生長在不同高度的橘子，使用手持背負式水果采摘機進行采摘，收集到收集箱中。試驗過程中，設備具有伸縮功能，可使刀頭在一定范圍內伸縮，工作范圍更廣，設備省力，采摘效率較高，采摘效果良好。

4? 結語

手持背負式水果采摘機采用背負式設計，電池驅動結合鉤桿、可調節刀頭、采摘收集一體化和伸縮功能，設備采摘效率較高，作業省時省力，能適應高低生長的水果采摘，可廣泛應用于南方地區的水果采摘。

參考文獻

[1] 農業部.2009年世界主要國家豆類、蔬菜、水果產量[J].世界農業，2012（1）：103-104.

[2] Sanders KF.Orange harvesting systems review[J].Biosystems Engineering，2005，90（2）：115-125.

[3] 趙紅.便攜式高空半球大范圍采摘裝置[J].農業裝備技術，2018，44（5）：10-16.

[4] 莊逸鋒，嚴斌，李曉錕，等.背負式水果采摘機設計[J].林業機械與木工設備，2018，46（5）：41-48.

[5] 許書菡.便攜式摘果器[J].中國新技術新產品，2016（19）：165-166.

[6] 周燕，馮宇鵬，李炎林，等.便攜式手持水果采摘機[J].南方農機，2017，48（24）：42-43.

[7] 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.

[8] 馬質璞，張抗，譚驥，等.一種新型單果采摘器的設計[J].機械設計與制造，2017（5）：252-255.