一種便攜式水果采摘裝置設計

王順溈 張 凱 劉華雷

（常熟理工學院，江蘇 常熟215500）

我國是農業大國，果樹業是農業的重要組成部分，果樹產值在我國農業(種植)中僅次于糧、菜，居第三位。2018 年我國水果總產量達2.57 億噸，其中園林水果產量1.76 億噸，位居世界第一位[1]。水果的采摘期短，短期內勞動強度大。特別是高枝水果的采摘，還伴隨著一定的危險性[2]。據統計，在水果生產作業中，收獲采摘需投入的勞動力占整種植過程的50%～70%[3]。目前，歐美等國家由于以大農場為主，主要采用大型水果收割機進行水果采摘，不適應我國以家庭為單位的小面積水果種植[4]。隨著我國勞動力成本的不斷提高，研發便攜、操作簡單的輔助水果采摘裝置，對于提高水果采摘效率，降低人力成本具有重要的意義。

1 結構設計與工作原理

本文設計水果采摘裝置主要由伸縮器，采摘器，輸送裝置，收集裝置四部分組成，如圖1 所示。

其中伸縮器由多根套在一起的同心不銹鋼外管和內管組成，可實現手持桿的自由伸縮。采摘機構由箱體，刀片，電動機，四桿機構組成。箱體內壁上裝有曲柄滑塊機構，帶動一側箱蓋開合。相鄰內壁上裝有一滑塊使其與兩箱蓋上的連桿連接，從而帶動兩側箱蓋同時運動，實現剪切水果果柄的目的。箱體底部為不封閉結構。輸送裝置由彈性軟布帶構成，軟布帶與采摘機構箱體底部不封閉結構連接，另一端通入收集裝置中，從而保證果實從高處安全順利的傳送至收集裝置中。水果收集框為背包形式，包口與輸送裝置的彈性軟布帶相連接，周邊是用具有彈性的繩子編制而成，底下托盤用軟橡膠制成，這樣采摘進入框內的水果不至于撞擊對水果造成損壞，有彈性的編制邊框可以容納更多的水果。

圖1 采摘器整體結構圖

2 工作參數設計及關鍵零部件設計

2.1 曲柄滑塊機構設計

曲柄滑塊機構是指用曲柄和滑塊來實現轉動和移動相互轉換的平面連桿機構。曲柄滑塊機構中與機架構成移動副的構件為滑塊，通過轉動副連接曲柄和滑塊的構件為連桿，如圖2 所示。

圖2 曲柄滑塊機構

此裝置將減速馬達作為曲柄連桿機構中的機架部分，曲柄安裝在減速馬達上，曲柄旋轉運動轉為滑塊的直線往復運動。在滑塊與翻蓋之間用連桿連接，使得滑塊的直線往復運動轉換成翻蓋的開合運動。在兩翻蓋的接觸邊緣上都裝有鋒利的刀片，用以翻蓋閉合時將水果從樹枝上剪切下來。要保證翻蓋能夠順利開合切落水果且不出現死點位置，滑塊的最近行程位置就不能逾越翻蓋的轉動中心位置，且滑塊的最遠行程位置也要保證能使翻蓋張開得當。通過多次計算和實驗，取曲柄轉動中心到翻蓋轉動中心距離為80mm，曲柄長度為8mm，連桿1 長度為60mm，連桿2 長度為43mm，翻蓋轉動中心到翻蓋上連桿轉動中心距離為30mm。經計算，滑塊行程S 為16mm，滿足翻蓋開合的行程要求。

2.2 剪切機構設計

如圖3 所示，圖中各零部件材料除減速馬達之外均為3D打印耗材ABS，重量為103g。對于成熟水果而言，直徑一般為80～100mm，質量約為0.18～0.26kg。因此，對于翻蓋底座的尺寸為140×140mm，翻蓋打開的極限開口距離為130 mm。該剪切機構只需將水果置入刀口內側，便可使翻蓋閉合進行水果剪切，且不會對水果造成夾取損壞。

圖3 剪切機構

2.3 收集網設計設計

水果與樹枝分離后，如果把采摘工具放置到水平位置再拿取水果，就會浪費大量時間。如圖4 所示，在采摘機構下方直接套一個長網兜，國柄被剪斷后水果順著長網兜從高處落到收集籃里，網兜具有一定的收縮性，可對水果下降時進行減速，以免損傷水果。

圖4 三維示意圖片

圖5 實物圖片

3 使用操作步驟

如圖5 所示，根據目視情況，按動控制電門，打開翻蓋，將水果對準放置采摘機構當中。再按動控制電門，使得翻蓋上的刀口剪短水果枝。水果剪落后，掉入剪切機構下方的長網兜當中，順著長網兜滑落到收集籃中。經實驗，本裝置每分鐘可以采集15～20 個果子。

4 結論

本文運用曲柄連桿機構設計了一種輔助便攜水果采摘工具。通過制作實物，證明該裝置結構簡單，操作方便，采集過程中可以對果實進行保護，提高了采集的效率。