基于不完全齒輪傳動的新型高枝水果采摘器

于盛睿,林世明,裘友民,朱尚滏,劉 靈

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機電工程學(xué)院,江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國,水果是我國繼糧食、蔬菜之后的第三大種植作物,已成為許多地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。對于高枝水果,如梨子、蘋果、柑橘等,如何實現(xiàn)安全、可靠、高效的無損采摘一直是很多研究人員努力的方向。目前,我國的高枝類水果采摘仍以人工采摘為主,采摘作業(yè)所用勞動力占整個收獲過程的35%～45%[2]。傳統(tǒng)的人工采摘一般受制于果樹的高度,主要借助簡單工具或者攀爬等方式進行采摘,勞動強度大、效率低、采摘成本高,且存在人身安全隱患[3];其次,從果實采摘的工藝角度分析,單手采摘容易出現(xiàn)托蒂、抽心果等現(xiàn)象,甚至出現(xiàn)水果跌落損傷而影響經(jīng)濟收入[4]。因此,利用機械助力裝置實施水果采摘作業(yè)是克服傳統(tǒng)人工采摘弊端的有效方式[5]。目前,一些高校和科研機構(gòu)致力于研制高枝水果采摘機械與裝置[6],但距實用化仍有一定差距,表現(xiàn)為:有的采摘器直接抓取水果、強行拉斷果柄,容易對水果造成損傷,降低優(yōu)質(zhì)水果產(chǎn)量;有的采摘器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,質(zhì)量、體積較大,采摘過程費時費力,無法實現(xiàn)連續(xù)采摘,效率低下[7]。當(dāng)前應(yīng)用自動化程度更高的采摘機器人進行采摘已有部分應(yīng)用,是未來農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展方向,然而采摘機器人價格昂貴,在經(jīng)濟上對于一般小果農(nóng)種植戶難以承擔(dān)[8-10]。

為此,針對小果農(nóng)采摘作業(yè)所面臨的困境,結(jié)合經(jīng)濟性與實用性原則,設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)新穎、使用方便、無損收割、成本低廉的高枝水果采摘助力裝置,適用于中、小型果園,對于蘋果、桃子、鴨梨、杏、李子等近球形類水果均能采摘,解決水果樹木高大、高枝水果不易采摘、人工采摘費時費力等問題,實現(xiàn)高枝水果安全、可靠、高效的無損采摘目標(biāo)。

1 方案設(shè)計

1.1 采摘作業(yè)工藝分析

高枝水果的傳統(tǒng)采摘作業(yè)工藝,一般包括如下流程:①定位、切割果柄。首先由人工將摘果裝置定位至水果采摘作業(yè)區(qū);接著控制摘果裝置,實施果實與果柄的分離,實現(xiàn)采摘。②摘果裝置復(fù)位,為下一次采摘作業(yè)做好準(zhǔn)備;在完成一次摘果后,可由手持處的復(fù)位裝置控制摘果機構(gòu)復(fù)位,為第二次采摘做好準(zhǔn)備。③果實引流至地面,完成水果采摘。果實采摘后,經(jīng)過緩沖裝置收集至地面容器中。

1.2 功能需求分析

根據(jù)上述采摘工藝分析,為了實現(xiàn)高枝水果采摘目的,考慮高枝水果結(jié)果高度的不同,擬定新型高枝水果采摘器需要實現(xiàn)的功能主要包括以下4項:

1)切割機構(gòu)自動觸發(fā)采摘果實。通過傳統(tǒng)采摘作業(yè)流程分析,擬將傳統(tǒng)的人工定位、切割果柄的工藝過程通過一定的機構(gòu)設(shè)計,簡化為人工定位及自動觸發(fā)切割果柄的過程,省去人工切割果柄的工序,達到省力的目的,從而降低勞動強度、提高采摘效率。借鑒自行車腳撐支架的工作原理,設(shè)計一種自動觸發(fā)的切割機構(gòu)作為采摘機構(gòu),利用觸發(fā)桿、彈簧的聯(lián)合作用,通過觸發(fā)桿使彈簧回縮蓄能,產(chǎn)生剪切力,實現(xiàn)果柄的自動切割。

2) 遠程控制切割機構(gòu)的復(fù)位。采摘效率的高低取決于采摘器能否持續(xù)采摘,為提高采摘器的采摘效率,需考慮在手柄處設(shè)計遠程控制機構(gòu)來實現(xiàn)摘果裝置的復(fù)位,通過地面操作手柄,遠程控制切割機構(gòu)復(fù)位,為下一次切割作業(yè)做好準(zhǔn)備,滿足高枝水果的持續(xù)采摘需求。

3) 采摘器具有可伸縮性。采摘器采摘作業(yè)時應(yīng)能夠伸縮,以適應(yīng)不同的采摘高度,考慮設(shè)置連桿機構(gòu),實現(xiàn)可采摘高度在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié),從而擴大采摘器的采摘范圍[11]。

1.3 采摘作業(yè)流程

根據(jù)上述分析進一步對新型高枝水果采摘器采摘作業(yè)流程進行規(guī)劃,主要分為7個步驟,即果柄觸發(fā)、果柄切割、果柄分離、引流緩沖收集水果、刀頭遠程復(fù)位、伸縮桿長度調(diào)節(jié)及裝置收起復(fù)原,如圖1所示。

圖1 采摘作業(yè)流程

2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

新型水果采摘器主要由4個部分組成,即自動切割機構(gòu)、間歇嚙合機構(gòu)、伸縮連桿機構(gòu)和引流緩沖裝置,如圖2所示。

2.1 自動觸發(fā)切割機構(gòu)工作原理

自動觸發(fā)切割機構(gòu)主要包括觸發(fā)桿、動刀頭、定刀頭及彈簧等部件,如圖3所示。

工作時,動刀頭與觸發(fā)桿由一根軸連接在一起,實現(xiàn)同步運動。刀頭初始為圖3(a)狀態(tài),刀背處限位螺釘限制動刀頭上極限運動位置,此時彈簧處于拉伸狀態(tài);彈簧兩端與觸發(fā)桿一端,三點的連線為死點位置;當(dāng)果柄碰觸觸發(fā)桿,使觸發(fā)桿順時針轉(zhuǎn)過一個很小的角度,跨越死點,彈簧迅速收縮,帶動動刀頭斬向果柄,在定刀頭處達到加速度最大值,將果實與果柄斬斷,實現(xiàn)果實與果柄的分離;動刀頭旋轉(zhuǎn)后,觸發(fā)桿隨動刀頭一起旋轉(zhuǎn)運動,當(dāng)觸發(fā)桿運動到觸發(fā)桿限位螺釘處時,受觸發(fā)桿限位螺釘?shù)南拗?在圖3(b)的下極限運動位置處停止運動,完成一次切割過程。

1.末端手柄 2.伸縮連桿機構(gòu) 3.間歇嚙合機構(gòu)

(a) 切割初位置 (b) 切割末位置 (c) 俯視圖

2.2 間歇嚙合機構(gòu)工作原理

間歇嚙合機構(gòu)由一對不完全錐齒輪構(gòu)成,分別為主動輪與從動輪。主動輪通過長軸及支撐板固定在基板上,從動輪與動刀頭、觸發(fā)桿經(jīng)短軸連接在一起,由軸承座固定在基板上;通過缺齒,實現(xiàn)不完全錐齒輪主從動輪的間歇嚙合運動,如圖4所示。

刀頭切割時,與動刀頭連接的從動輪輪齒處于缺齒處,可實現(xiàn)動刀頭的旋轉(zhuǎn);刀頭復(fù)位時,主從齒輪的輪齒嚙合,按圖2中的末端手柄,通過扁頭連桿的帶動,主動輪逆時針旋轉(zhuǎn),帶動從動輪旋轉(zhuǎn),從而使動刀頭復(fù)位。主動輪的輪轂處外伸出一段懸臂梁,與扁頭連桿相連,在此懸臂梁的承受范圍之內(nèi),為主動輪提供旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩,實現(xiàn)其可控制的轉(zhuǎn)動。

2.3 伸縮連桿機構(gòu)工作原理

內(nèi)部伸縮連桿機構(gòu)主要由圓柱連桿、扁頭連桿、搭扣與滑塊組成,如圖5所示。

此外，投資公司對于專業(yè)風(fēng)控復(fù)合型人才的培養(yǎng)力度不足。因為風(fēng)險控制需要財務(wù)人員能夠熟悉企業(yè)各個環(huán)節(jié)的運作，根據(jù)自己的風(fēng)險防范意識整合所有的風(fēng)險可能性，為企業(yè)進行全面的風(fēng)險把控。但是，風(fēng)控人員不能夠全面了解整個業(yè)務(wù)的風(fēng)險因素，對于很多現(xiàn)代化技術(shù)手段缺乏了解，無形中增加了整體的風(fēng)險因素。

扁頭連桿帶有卡槽,相鄰卡槽的間距決定采摘器伸縮的單倍步長。圓柱連桿一端連接圖2中的末端手柄,扁頭連桿一端與圖中的主動輪4相連,形成一個四桿機構(gòu);按動圖2中的末端手柄,內(nèi)部連桿產(chǎn)生位移,將末端手柄的轉(zhuǎn)矩傳遞至圖4中的主動輪處,遠端控制間歇嚙合機構(gòu),實現(xiàn)復(fù)位。

1.圓柱連桿 2.搭扣 3.扁頭連桿 4.卡槽 5.滑塊

2.4 整機工作原理

新型高枝水果采摘器按照采摘作業(yè)工序可分為4個步驟:①手柄遠程控制切割裝置(刀頭機構(gòu))復(fù)位;②刀頭定位于切割果柄作業(yè)區(qū),果柄觸碰切割裝置的觸發(fā)桿;③觸發(fā)桿帶動切割裝置切割果柄;④水果引流至地面。圖6為新型高枝水果采摘器整機結(jié)構(gòu)。

切割前,彈簧處于拉伸狀態(tài),儲備了一定的彈性勢能,觸發(fā)桿的旋轉(zhuǎn)中心與彈簧的兩端在同一直線,切割裝置處于死點位置;此時主動輪和從動輪處于未嚙合狀態(tài),因此從動輪可隨動刀頭、觸發(fā)桿一起自由旋轉(zhuǎn)。

采摘過程中,按壓伸縮桿的搭扣,伸縮桿調(diào)整至需要高度,將切割機構(gòu)的刀頭伸至水果附近,使果柄進入切割作業(yè)區(qū);輕微向后移動刀頭,使果柄碰觸觸發(fā)桿并轉(zhuǎn)過一個很小的角度,觸發(fā)切割機構(gòu)將越過死點位置,彈簧釋放彈性勢能而迅速收縮,彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化成觸發(fā)桿和動刀頭的動能,觸發(fā)桿和動刀頭繞軸逆時針旋轉(zhuǎn),動刀頭切向果柄,果柄被切斷,實現(xiàn)果實與果樹分離,完成切割。

動刀頭完成一次切割運動后,不完全齒輪主從動輪此時處于臨界嚙合狀態(tài),按動末端手柄,內(nèi)部的連桿產(chǎn)生位移,傳遞轉(zhuǎn)矩至主動輪,主動輪旋轉(zhuǎn),兩齒輪主從動輪嚙合傳動,將帶動從動輪與動刀頭同步反向旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)遠程復(fù)位。果實在切割刀頭處與果柄分離,掉落至引流緩沖裝置,經(jīng)網(wǎng)兜引流緩沖,最后平穩(wěn)落入地面的緩沖箱中。復(fù)位完成后,主動輪和從動輪脫離嚙合,主動輪可以自由旋轉(zhuǎn),松開手柄后,主動輪逆時針旋轉(zhuǎn),切割裝置和復(fù)位裝置回到準(zhǔn)備切割的狀態(tài),采摘器繼續(xù)采摘下一水果。

1.基板 2.支撐板 3.扁頭傳動桿 4、15、17、29、30、32.螺釘 5.搭扣 6.彈簧壓緊按鈕 7.握桿 8.大手柄 9.小手柄 10.圓形傳動桿

3 試驗驗證

為了驗證高枝水果采摘器的采摘效果,選擇與傳統(tǒng)人工采摘、市面上在售的卡爪式小型采摘器及大型采摘器(自動化機械手)進行試驗對比,分別從采摘效率、采摘品質(zhì)、采摘器的成本等方面說明新型高枝水果器的優(yōu)越性。

在水果種植基地內(nèi),選取果樹高矮密度和生長情況相近的區(qū)域,以2h為限對上述采摘器進行采摘試驗對比。各組從果樹下方開始向樹冠方向采摘,一棵樹采摘完后,開始采摘下一棵樹。其中,人工組使用的采摘剪刀、卡爪式小型采摘器及新型高枝采摘器試驗如圖7所示。

(a) 采摘剪刀

(b) 卡爪式采摘器

(c) 新型高枝采摘器

3.1 采摘效率對比

以柑橘為采摘對象,每10min記錄1次各組的采摘水果情況,數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1、圖8所示。

表1 橘子采摘試驗數(shù)據(jù)對比

續(xù)表1

圖8 橘子采摘試驗對比

在梨園中,梨子的生長密度相比橘子稍小,樹的高度相對略高。規(guī)則不變,以120min為限,從果樹下層向樹冠方向依次采摘,數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2、圖9所示。

表2 梨子采摘試驗數(shù)據(jù)對比

續(xù)表2

圖9 梨子采摘試驗對比

1) 人工采摘:采摘下的水果需要放到地面指定的位置,且人手的范圍有限,試驗人員需要反復(fù)攀爬梯子,時間越長采摘效率越低。采摘后期,采摘人員很容易出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。

2) 卡爪采摘器:使用卡爪采摘器雖能解決人工頻繁上下梯子的問題,但采摘下來的水果卻無法有效地收集,需要采摘一次收集一次,采摘效率低。

3) 新型高枝采摘器:高枝采摘器憑借自身可伸長的優(yōu)勢,操作人員只需在地面小范圍移動便可輕松采摘到高枝處的水果,且高枝采摘器設(shè)有自動觸發(fā)切割機構(gòu)及引流緩沖裝置,觸發(fā)切割采摘下來的水果自動引流落入網(wǎng)兜中,無需人工收集,節(jié)省了采摘時間,因此可提高采摘效率。

4) 梨子與柑橘采摘相比:梨園和橘園的采摘效率不同,主要是由于兩種果樹的生長差異導(dǎo)致。在橘園中,橘子的生長高度較低,采摘器的主要優(yōu)勢在于省力、快捷。在梨園中,梨樹生長高度更高,果實分布較稀疏,人工采摘的弊端更加明顯,到了后期出現(xiàn)了明顯的疲憊感,攀爬不容易,而高枝采摘器的三段伸長量得到了更好的應(yīng)用,采摘效率保持穩(wěn)定。

綜合上述采摘試驗,將新型高枝采摘器與傳統(tǒng)人工、卡爪式采摘器對比,新型高枝采摘器的性能明顯占優(yōu),不僅操作快捷迅速、省力,而且省去了果實傳遞的過程,在120min內(nèi),效率約是人工采摘的2.4倍、卡爪采摘的1.7倍,總體效率約可以提升2.1倍左右。

3.2 采摘品質(zhì)對比

對新型高枝水果采摘器及其他輔助采摘裝置[5]進行采摘品質(zhì)測評,以果實表面無任何因裝置采摘不善造成表皮破損為標(biāo)準(zhǔn),達到標(biāo)準(zhǔn)即記為良品。不同采摘方式的良品率如圖10所示。試驗結(jié)果表明:新型高枝水果采摘器采果良品率高達98%,優(yōu)于其余采摘方式,可實現(xiàn)無損采摘。由于設(shè)計的高枝水果采摘器采用了引流緩沖裝置,解決了水果采摘過程中碰撞受傷的問題。

圖10 采摘器良品率試驗對比

3.3 采摘成本對比

以柑橘為采摘對象對4種采摘方式的成本分析可知:人工采摘成本最低,主要涉及人工采摘費用;其次是新型高枝采摘器(批量造價162元/臺)和卡爪采摘器二者造價相近,但高枝采摘器的采摘效果明顯優(yōu)于卡爪采摘器;大型采摘器(自動化機械手)造價成本最高,遠超于其他采摘方式,單臺機械手市場價達到3萬元/臺[5],眾多的小果農(nóng)在經(jīng)濟上難以承受。

4 結(jié)論

1) 新型高枝水果采摘器巧妙利用不完全斜齒輪的嚙合與非嚙合狀態(tài),實現(xiàn)切割機構(gòu)的遠端復(fù)位。當(dāng)不完全斜齒輪處于嚙合時,可實現(xiàn)齒輪相對運動不受干擾;非嚙合狀態(tài)時,可實現(xiàn)齒輪轉(zhuǎn)動。

2) 利用彈簧力保持機構(gòu)剪切、復(fù)位與平衡,通過觸發(fā)切割裝置,使得刀片旋轉(zhuǎn)切割果柄,利用彈簧的蓄能回縮產(chǎn)生剪切力,實現(xiàn)自動切割果柄,提高采摘效率。其斬斷果柄使水果和果樹的分離方式有利于保證水果品質(zhì),實現(xiàn)無損采摘。

3) 采摘器在切割完成后,通過手柄與連桿配合實現(xiàn)了遠端控制不完全斜齒輪復(fù)位,使刀頭遠程復(fù)位,即可實現(xiàn)連續(xù)采摘果實。

4) 機構(gòu)運行可靠性高,采摘操作簡單,適用于梨、蘋果、橘子等絕大多數(shù)近球形類高枝水果的采摘。其適用面廣,采摘效率高、省力,降低了勞動強度,極大地節(jié)省了采摘成本,價格低廉,我國眾多的小果農(nóng)們經(jīng)濟上能夠承擔(dān)得起,具有一定的實用性,因此具有廣闊的市場前景。