零損傷真空水果采摘裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

謝繼文　梅欣欣　林葉隆　樸宗道

摘? ?要：本文針對(duì)人工采摘水果效率低、采摘困難的問題，設(shè)計(jì)了一款人工輔助零損傷真空抽氣水果采摘機(jī)。介紹了人工輔助真空水果采摘機(jī)的工作原理，分別對(duì)采摘機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、抽氣機(jī)構(gòu)以及供能機(jī)構(gòu)做了詳細(xì)的分析，繪制二維零件圖、裝配圖，并利用三維軟件對(duì)部分工作零件進(jìn)行實(shí)體建模和整機(jī)大體裝配。

關(guān)鍵詞：水果? 人工輔助? 真空抽氣采摘? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U295.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）03（b）-0036-02

我國是世界第一大水果生產(chǎn)國，也是世界第一大水果消費(fèi)國。為滿足對(duì)水果的消費(fèi)需求，現(xiàn)如今全國很多地方都有大型的水果種植園。帶來巨大的水果產(chǎn)量的同時(shí)，也為水果成熟時(shí)的收獲帶來了巨大的難題。但我國水果采摘作業(yè)機(jī)械化程度低，另一方面還受到采摘環(huán)境的限制，因此水果采摘作業(yè)對(duì)輔助人工采摘簡(jiǎn)易機(jī)械有廣泛的需求。對(duì)于那些植株較高、采摘較為困難的水果，設(shè)計(jì)一款輔助采摘水果的裝置，將大大地方便采摘工人的采摘作業(yè)、提高采摘效率。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)零損傷真空水果采摘裝置，該機(jī)械裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易、采摘方便的優(yōu)點(diǎn)。它能在提高采摘效率的同時(shí)最大程度上減少機(jī)械采摘過程對(duì)水果的損傷，以延長水果保存的時(shí)間。

1? 裝置的組成和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

圖1為零損傷真空水果采摘裝置結(jié)構(gòu)原理圖。整體機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)由手推車、水果筐、伸縮桿、吸盤機(jī)械手、供電箱（放電瓶或汽油機(jī)）、三通閥、軟管（連接作用）、氣泵、低壓桶、高壓桶等組成。

1.2 連接方式

伸縮桿三通閥末端同低壓桶進(jìn)氣口相連，氣泵進(jìn)氣口與低壓桶出氣口相連，氣泵出氣口與高壓桶相連，給氣泵通電，打開三通閥抽氣口，通過氣泵和單向閥，將伸縮管中空氣經(jīng)過低壓桶再經(jīng)過氣泵抽進(jìn)高壓桶儲(chǔ)存，而低壓桶連接的伸縮桿處于低壓狀態(tài)，從而形成氣壓差采摘水果，而高壓桶出氣口與三通閥另一個(gè)連接口（下有三通閥圖）相連，采摘完水果后關(guān)閉三通閥抽氣開關(guān)，打開與高壓桶連接的出氣口開關(guān)，用氣壓將水果放置筐中。

1.3 核心裝置結(jié)構(gòu)

汽油機(jī)或小型充電電瓶，為真空抽氣。

真空抽氣泵：進(jìn)行抽氣實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境。

低高壓桶：維持低壓真空和高壓環(huán)境。

手持固定部分：能控制抽氣的開關(guān)并可固定手持。

伸縮式機(jī)械桿：桿件簡(jiǎn)單自如地進(jìn)行伸縮。

采摘執(zhí)行部分：實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向水果準(zhǔn)確安全的采摘。

1.4 工作原理

由小型汽油機(jī)或電瓶帶動(dòng)氣泵抽取箱體內(nèi)氣體，降低箱體內(nèi)氣壓，手動(dòng)將伸縮桿末端機(jī)械手部分對(duì)準(zhǔn)需要采摘的水果，手動(dòng)打開伸縮桿內(nèi)控制開關(guān)，利用氣壓差產(chǎn)生的力吸附水果拉扯采摘，縮短伸縮桿或?qū)⑺朔旁谑占饍?nèi)，利用氣壓或手動(dòng)關(guān)閉控制開關(guān)，使伸縮桿連通外界空氣，消除氣壓差，水果自末端落下，往復(fù)使用。其技術(shù)關(guān)鍵為：利用電動(dòng)或燃油機(jī)帶動(dòng)真空氣泵，通過真空氣泵對(duì)低壓桶、高壓桶的作用制造壓強(qiáng)差，利用大氣壓強(qiáng)的作用實(shí)現(xiàn)水果無損傷采摘。

2? 整體設(shè)計(jì)方案介紹

2.1 伸縮桿設(shè)計(jì)及材料選擇

利用三段不銹鋼伸縮桿尺寸分別為90cm、70cm、80cm實(shí)現(xiàn)手持桿的伸縮，連接處添加纖維摩擦材料或橡膠類材料實(shí)現(xiàn)任意長短的伸縮固定。手端直徑3cm遞減，且預(yù)留一段可拆卸，防止整體過短或者過長，便于達(dá)到過高過低處水果采摘。

2.2 吸盤機(jī)械手

利用吸盤機(jī)械手在負(fù)壓狀態(tài)下吸附水果，可更換中部孔的大小采摘不同種類的水果。吸盤機(jī)械手最外層由鐵皮或3D打印漏斗形架子，中間層是泡沫層，再往里就是膠皮層包裹層，最里層是網(wǎng)布包裹海綿層和水果親密接觸，以保證不損傷水果，經(jīng)過試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)是零損傷。

2.3 氣壓桶設(shè)計(jì)

氣壓大小根據(jù)使用環(huán)境設(shè)置，采取不同大小的氣壓桶，兩側(cè)各有一約φ2cm通氣孔分別與其他裝置相連，綜合考慮到經(jīng)濟(jì)和安全系列問題，并進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際操作過程中，無必要將低壓桶體內(nèi)抽至完全真空狀態(tài)，高壓桶壓強(qiáng)也不會(huì)過大，故壁厚可適當(dāng)減小，厚度設(shè)計(jì)為2.5mm左右，選材為白鋼201，節(jié)省成本安全可靠。

3? 設(shè)計(jì)創(chuàng)新及優(yōu)點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）汽油機(jī)與真空泵的結(jié)合使用，既解決電源問題又提供便利。

（2）真空抽氣的運(yùn)用，減少對(duì)水果的傷害，便于采摘。

（3）收縮桿與抽氣管的組合設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化外觀又滿足使用需要。

（4）開關(guān)的巧妙設(shè)計(jì)，靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)水果抓放。

3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

本設(shè)計(jì)從低成本、實(shí)用型、適用性廣出發(fā)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制操作容易，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)費(fèi)用，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，打破了以往機(jī)器人研究往高深化方向的觀念，完成了小型輔助人工采摘水果機(jī)械的設(shè)計(jì)。除此之外，還解決了傳統(tǒng)手工作業(yè)的弊端。即一是采摘過程中工作者的人身安全問題（手工采摘時(shí)手臂容易被樹枝劃傷或擦破，高處作業(yè)時(shí)，還可能會(huì)摔傷）得到了較好的解決;二是保證了水果的質(zhì)量，避免了單手采摘時(shí)容易出現(xiàn)脫蒂，易出現(xiàn)抽芯果，還有高枝水果容易掉在地上造成內(nèi)外傷、影響水果的外觀、不利于保鮮儲(chǔ)藏、從而最終造成降低經(jīng)濟(jì)收入等問題。此外，本設(shè)計(jì)采用了汽油機(jī)和真空泵結(jié)合，由汽油機(jī)直接供能，避免了插電不方便的問題，解決在實(shí)際水果采摘過程中遠(yuǎn)離電源的局限性。使本設(shè)計(jì)產(chǎn)品的適用范圍更廣，即使在偏遠(yuǎn)的山林果園中也能長時(shí)間地提供電能，以保證真空泵的正常工作。

4? 結(jié)語

真空抽氣水果采摘裝置作為人工輔助采摘機(jī)械裝置的一種，因此具有人工輔助采摘裝置的普遍發(fā)展前景。（1）基于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的特點(diǎn)，因此它的成本比較低，便于推廣普及。（2）基于現(xiàn)如今國內(nèi)的現(xiàn)狀，因此急需要類似于真空抽氣采摘裝置這一類的人工輔助機(jī)械來解決采摘難題，我們相信未來輔助裝置會(huì)逐漸替代效率低下的人工采摘方式，那就意味著將來人工輔助裝置將會(huì)有巨大的發(fā)展空間，具有廣闊的市場(chǎng)。實(shí)現(xiàn)采摘作業(yè)的自動(dòng)化是未來發(fā)展的方向，它源于實(shí)際的生產(chǎn)活動(dòng)中，不僅能解決農(nóng)業(yè)活動(dòng)中的采摘效率低的問題，還能推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化向智能化的轉(zhuǎn)變。（3）本設(shè)計(jì)能應(yīng)對(duì)復(fù)雜的采摘環(huán)境，不管是地勢(shì)較為平坦還是較為陡峭的山間水果種植園，都能夠使用此設(shè)計(jì)產(chǎn)品，考慮到采摘裝置的使用人群因此操作較為簡(jiǎn)單、易上手，適用于廣大的人群。（4）本產(chǎn)品作為一款簡(jiǎn)單的人工輔助采摘裝置，可與其他的裝置組合使用，組合后的復(fù)雜裝置又能更多地解決其他的采摘問題，使之未來具有更多的發(fā)展空間，以不同的樣貌呈現(xiàn)在世人面前，具有更多的可能性。（5）利用抽氣形成真空環(huán)境，再利用大氣壓強(qiáng)的設(shè)計(jì)點(diǎn)為以后裝置適用在其他的領(lǐng)域提供一種新的思路，不僅僅是運(yùn)用在水果采摘方面。它不僅只局限在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，為來它也可適用在日常生活中。

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