一種振動式水果采摘機械臂設計

王順溈 劉華雷 徐添翼 金一峰 李乾寅 張 凱（常熟理工學院，江蘇 常熟215500）

1 概述

我國是水果生產大國，水果是很多地區農村經濟發展的支柱性產業。但是我國水果采摘機械化水平還處于起步階段。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%[1]。現如今市場上充斥著多種多樣的水果采摘裝置，國內市場上大多水果采摘裝置都是小型純機械結構，在采摘收集水果時還是需要大量勞動力，效率極低。

在國外果園大都在平原地區，因此以大型機械化生產為主。機械振動采摘機又可分為：機械推搖和機械撞擊兩種[2]。推搖式采摘器是通過振動器使果樹發生振動，從而使水果與果蒂發生分離。撞擊式是通過撞擊果樹使果實掉落。采用機械化采收不僅能減輕人們的勞動強度、節省人工成本、提高作業效率，而且能提高水果的經濟效益[3]。歐美等國外發達國家農業以大農場為主，采用振動式采摘機械較多。振動式采摘機械，現有結構原理所存在的缺點和不足之處：（1）需要人工操作機械臂，握住手把進而夾持樹干；（2）水果墜落后，或者直接墜落到地上，或者用大布料接，操作不是很方便；（3）機械手長時間振動后，容易出現滑落現象。國內的水果采摘結構主要是刀片輔助人工采摘裝置，升降采摘臺裝置等，與大型機械式采摘器相比，采摘效率較低。隨著我國逐漸進入老齡化社會，勞動力成本的提高，并且嚴重不足，采摘果實成上升，嚴重制約了我國種植業的發展。本文設計了一種機械臂結構，不再需要人工扶持加緊樹干，并且夾持更加緊固。另外，在機械臂上設計了水果收集裝置，提高了采摘效率。

2 結構設計方案

圖1 為機械臂整體結構，圖中未畫出固定于各個（轉下頁）連桿關節上的柔性帆布。此裝置的運動功能主要有兩個：第一，夾緊樹干；第二，張開收集帆布。實現這兩項功能的驅動器是電機2。該裝置的工作程序如下：首先，電機帶動與聯軸器3 相連接的蝸桿。當蝸桿驅動小齒輪17 時，帶動階梯軸18 轉動，階梯軸與夾持爪底座相配合，使左右兩個夾持爪11 夾緊或者松開。在階梯軸轉動過程中，帶動大齒輪的轉動通過齒輪組6 使連桿組10 發生伸縮動作。當機械臂夾緊樹干并且帆布張開后，振動器1 開啟，使夾持爪11 所夾的樹干進行振動，達到采摘果實的效果。下落的果實通過柔性帆布支撐起的傘狀布兜進行收集，接著順著布兜底下的孔洞經傳輸網道滾入收集框里，即完成一個采摘兼自動收集的工作流程。

圖1 機械臂整體結構

3 關鍵部件設計及原理

圖2 為夾持爪開合結構設計。夾持爪11 與機械臂底座通過階梯軸18 相配合。當電機工作，蝸桿帶動小齒輪17 轉動。小齒輪與階梯軸18 通過矩形銷16 相配合，階梯軸帶動其左右開合，實現夾緊和松開樹干的運動效果。

圖2 夾持爪開合結構

圖3 為齒輪組及夾持爪結構圖。圖3a 中，蝸桿帶動小齒輪17 轉動，小齒輪與階梯軸通過矩形銷16 配合，繼而帶動夾持爪轉動。在階梯軸上半部分的另一個鍵槽與弧形銷13 相配合，從而帶動大齒輪運動。大齒輪帶動一系列齒輪組使連桿逐漸張開或閉合。在設計結構時，夾持爪比被支撐起來的連桿先達到結構運動的最終點。該部分設計利用了扭力矩扳手原理。當夾持爪夾緊樹干時，阻力超越矩形銷的彈簧彈力，底座停止轉動。此時，大齒輪繼續轉動，帶動齒輪組將連桿逐漸抬起或落下。當被支撐起的連桿達到它終點時，此時絲杠齒輪螺母8 已到達絲杠頂端，完成連桿組的打開，不再往上端移動。由于矩形彈簧的作用，弧形銷被壓入矩形孔內，大齒輪不再轉動。彈簧14 起到過載保護，當電機堵轉過大，則會按壓下去打滑，保護電機。圖3b 中，每個夾持爪部分都有三組長齒輪9。長齒輪組驅動絲杠轉動，從而帶動絲杠螺母上下運動，兩個絲杠螺母中間的裝置與連桿組10 相連接。加入三組長齒輪組，目的是使每組絲杠螺母升降方向一致。

圖3 齒輪組及夾持爪結構圖

圖4 為機械臂上的連桿組，由三組平行四邊形機構組成。該部分設計模擬了雨傘張開和閉合的過程。當電機工作時，帶動絲杠齒輪螺母8 向上或者向下運動，通過平行四邊形的運動，使長桿伸出或收縮，即可實現收納裝置的展開或者收攏。

圖4 連桿組結構

4 結論

本文以蝸輪蝸桿及齒輪為傳動結構，設計出模仿雨傘張開收納運動的機械手，以四桿機構為骨架，設計出一種水果收集裝置。該裝置不再需要人工扶持，可直接通過操縱桿控制其夾住樹干和張開收集帆布的效果。本設計的目的是使機械臂振動采摘法的效率得到更大的提升，使采摘及收集一體化，操作更加的方便，再者極大縮小采摘裝置所占的空間體積。振動式水果采摘器結構簡單，可以用于采摘蘋果、梨、柿子等大而密集的水果，采摘效率高，工作方便，對樹干及果實的損傷小。