一種便攜式水果采摘收集裝置及使用方法分析

莫梓鈞　汪國棟　褚振華　鄭興偉

摘 要 便攜式水果采摘收集裝置采用的剪切動力源為電磁鐵，可裝配在不同的收集裝置上，可采摘多種不同的水果，裝置結構新穎，制作成本低，可大大提高水果采摘效率?；诖?，對該裝置的設計背景、設計介紹、設計原理零件構成和工圖展示、初步模型制作及操作步驟、創新意義、發展前景、長遠構思及待開發功能實物展示等進行了詳細說明，以此來全面展示該裝置及其使用方法方法。

關鍵詞 水果采摘裝置;便攜式;電磁鐵

中圖分類號：S225 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.30.081

1 設計背景

我國是水果生產大國和消費大國，隨著經濟的發展，水果的種植面積不斷增加，產量也在不斷提高，對水果采摘的要求也在不斷提高。因此，提高水果采摘作業機械化水平，可有效降低水果采摘成本，提升我國水果在國內外市場上的競爭力。

當前，市場上有很多水果采摘輔助裝置，主要分為機械裝置和機器人兩類。對機械裝置進行研究發現，以采摘蘋果為例，大多數機械裝置以機械臂為基礎，通過機械結構實現采摘，但這種方式對于機械臂的精確度以及使用方便度提出了較高要求，且不便于隨身攜帶[1-2]。為了解決上述技術難點，利用機電原理對市面裝置進行改裝，提出以下設計方案。

2 設計介紹

本裝置是一種便攜式的水果采摘收集裝置。采摘裝置主要包括機械剪和操縱桿。機械剪的握力臂內側安裝有電磁鐵，機械剪中部安裝有夾緊力傳感器，用于檢測剪刀口的夾緊力。操縱桿上端與機械剪中部固定連接，下部設有信號指示燈和操縱開關，信號指示燈與夾緊力傳感器連接，用于顯示夾緊力是否足夠。操縱開關設有普通按鈕和電性按鈕，普通按鈕用于使機械剪的剪刀口預合攏，電性按鈕與電磁鐵電連接，用于給電磁鐵通電、產生磁性夾緊力，使機械剪的剪刀口在磁性作用下完全合攏。本裝置的剪切裝置安裝有電磁鐵，具有較大剪切力度，能一次性剪切水果枝條，收集裝置將水果自動分隔，防止水果擠壓。

3 設計原理

3.1 電流的磁效應

本團隊利用電磁鐵，電磁鐵通電后產生磁性，吸引鐵塊加速與其碰撞（完全非彈性碰撞），完成剪刀對水果梗的剪切。

3.2 剛體的定軸轉動原理

改裝后的剪刀可抽象理解為力學理想模型。在電磁鐵強大磁力作用下，附著在剪刀剪尾的鐵塊繞剪刀的中心軸做角加速度越來越大的定軸轉動，帶動著改裝后剪刀的動刃迅速與靜刃靠近。在極短的時間內，剪尾的電磁鐵與鐵塊碰撞黏合，剪刀動刃與靜刃互相摩擦而過，達到剪斷蘋果梗、實現采摘的目的[3-5]。

3.3 能量的轉化

通電后電磁鐵產生磁場，吸引鐵塊加速碰撞黏合，將電能轉化為機械能。

4 零件結構與工圖展示

本裝置構件分三個部分，即采摘部分，機械控制部分和收集部分，零件的整體裝置三維模型圖如圖1所示。

裝置的采摘部分見圖2，主要通過電路開關控制電磁鐵磁性，利用電磁鐵閉合過程帶動剪刀進行水果采摘。操縱桿上方的機械剪是主要工具，機械剪可使用很鋒利的合金刀具（刀口朝上，保證剪刀開口時刀刃不會劃傷水果）。

裝置的機械控制部分見圖3。操縱桿可以自由伸縮，桿頭將與剪刀焊接在一起，桿部底端由一塊輕便的鋰電池和控制開關組成，可通過操縱開關完成頂端剪刀的使用，可自動方便地旋轉采摘水果。旋轉臺可以360°自由旋轉，收集裝置也會跟著機械裝置一起旋轉，使采摘下的水果順利落入水果籃。

5 初步模型制作及操作過程

5.1 裝置的制作過程

1）將剪刀靜刃末端鋸斷一小節，將電磁鐵焊接于靜刃末端;2）加溫使塑料熔化，澆鑄于焊接部位，增加其牢固性;3）在剪刀臂上塑料部分鉆孔，孔洞大小與金屬細桿頂端桿粗細匹配;4）將改裝后的剪刀插入金屬桿頂端，用膠水固定，再將一根細鐵棒一端與金屬桿焊接，另一端與剪刀靜刃剪尾焊接，構成三角形穩定結構;5）用導線與電磁鐵末端導線連接，將導線與電磁繼電器相連，再用一段導線將電磁繼電器與鋰電池相連;6）連接完畢后，將導線用膠帶固定在金屬細桿上，避免導線纏繞，再將電磁繼電器與鋰電池固定在金屬細桿末端;7）將細鐵絲彎曲成圓圈狀，并且套入布袋袋口，用膠水將鐵絲與袋口固定，把鐵絲圈固定在剪刀口下端，使得水果能落入鐵絲圈，并且順著布袋滾入地面收集箱。初步制作的采摘收集模型如圖4所示。

5.2 本裝置模型操作步驟

1）將折疊的金屬細桿伸直，將盤卷的長布袋解開，把布袋末端放入收集箱內;2）雙手緊握金屬細桿末端，右手大拇指搭放在電磁繼電器開關上，雙手自由移動，移向待采摘的水果樹梢;3）發現目標后，緩緩移動金屬細桿，使得水果梗處于剪刀動刃與靜刃之間，保持平衡，此時右手大拇指將電磁繼電器開關推至開始位置，電磁鐵與鐵塊發生碰撞后，再將電磁繼電器開關推回原位，水果沿長布袋滾落入收集箱內。至此，一次采摘操作完成。

5.3 本裝置模型需要改進之處

1）改裝的剪刀焊接電磁鐵與鐵塊，質量增加，而采摘過程中果農雙手緊握金屬細桿末端，果農的手臂、金屬細桿、改裝的剪刀構成費力杠桿，長時間采摘費力，不利于提高采摘效率，剪刀的材質、電磁鐵與鐵塊的體積大小有待改進。2）剪刀刀刃偏長，使得理想中的剛體模型的轉動慣量增大，由角動量守恒，使得刀刃角加速度偏小，即角動能偏小，進一步影響剪刀的力度，影響采摘效果，刀刃的長度與厚度有待改進。3）電池體積大小、安裝位置、電流強度有待改進，電池固定于金屬細桿上增加了果農采摘負擔;電流強度偏小，剪切較粗的水果梗略有不便。

6 創新意義

本項目的便攜式水果采摘收集裝置較好地解決了現有水果采摘裝置存在的問題。其剪切裝置安裝有電磁鐵，具有較大剪切力度，能一次性剪斷水果梗。機械裝置通過電磁鐵產生磁性吸引鐵塊，大大簡化了機械臂的復雜制作與安裝程序。利用電力采摘水果，電力取代了人力，采摘輕松，可幫助果農加快采摘速率、降低采摘成本。該裝置能實現多種常見水果采摘，如蘋果、梨子、柿子、櫻桃等，其收集裝置可將水果自動分隔，防止水果擠壓導致表面損傷，減小因采摘失誤導致的損失。機械裝置便攜簡單，沒有傳統機械采摘裝置的齒輪和軸承等復雜結構，成本低廉且維護方便，可隨身攜帶，可大量生產，生產成本低，性價比高。機械裝置維護方便，只需定期更換電池以及對剪刀進行簡單維護。

7 發展前景

目前，市場上的很多水果輔助采摘裝置都存在以下缺陷。1）水果枝條較為堅硬，韌性較強，使用普通的切割裝置往往難以一次性切斷，造成切割不徹底，需要反復切割，影響采摘效率。2）水果所在位置較高，采摘裝置的機械臂較長，剪切裝置需要精確對準水果枝條，其精確度難以滿足實際使用需求，采摘者需要手動調整機械臂，調整效果不佳。3）采摘裝置普遍體積較大，重量較重，不便于隨身攜帶，難以在地勢較為崎嶇的水果產區展開采摘作業。4）水果收集裝置中堆積大量水果，空間較為狹窄，水果之間相互擠壓，容易導致水果表面損傷甚至破損變形，發霉變質。

針對這些缺陷，利用低成本的材料設計出了此高性能的便攜式水果采摘機械，在現今水果采摘工作量大、采摘時間長、采摘成本高的背景下，有著顯著優勢和較高的社會價值，可以幫助果農加快采摘速率、降低水果采摘成本、減小因采摘不及時而導致的損失。

8 長遠構思及待開發功能

8.1 實現能量的充分利用

水果離地面具有一定高度，有重力勢能，水果從樹梢滾入收集箱的過程中，重力勢能轉化為動能。將長布袋改為類似軟管的結構，其中加入一些擋板裝置，水果滾下時，沖開擋板，擋板發生轉動，切割磁感線，產生感應電流，可達到磁生電的效果。將產生的電能收集到蓄電池中，用于供應小部分采摘用的電能，不僅能使水果到達收集箱時的速度大幅度減小，水果之間的碰撞程度減輕，避免水果之間因碰撞而受損，而且能將重力勢能轉化成電能回收利用，充分體現節約環保理念。

8.2 自制電磁鐵，用鎳代替鐵芯

從市場上購買的電磁鐵質量較大，增加了機械裝置質量，對采摘過程有一定影響。對此，本團隊計劃利用“鐵芯插入通電螺線管產生磁性”的原理，除去金屬銅導線表面絕緣塑料，用絕緣漆涂于銅線表面，減小銅線質量，將銅線纏繞在鎳芯上，即制得簡易“電磁鐵”[6]。

8.3 實現半自動化

將機械裝置固定于電動小車上，收集箱置于車內，用電力控制伸縮的金屬桿代替原來的金屬細桿，金屬桿可繞車上一固定軸自由轉動，以便調整方向;電池和電磁繼電器安置于車內。果農坐在車上操作機械裝置即可，大大提高了工作效率。

8.4 采用螺旋緩沖軌道和自動分隔海綿網

用螺旋緩沖軌道來替代布袋，同時在螺旋軌道中加入自動分隔海綿網，保護蘋果完好。同時，蘋果下落的重力勢能轉化為動能，動能再轉化為一小部分的內能和大部分的電能，并且切割磁感線，磁生電，實現對電磁鐵裝置的供電，從而有效利用能源[7]。

8.5 采用不同的收集裝置

本水果采摘機械裝置可以靈活安裝各式收集裝置，如籃子、箱車、背包等，方便攜帶，可減輕果農負擔。

8.6 采用夾緊力傳感器

夾緊力傳感器可用于檢測剪切口的夾緊力，當夾緊力超過設定值后指示燈綠燈亮，提示可以剪切，操作者按下操縱開關，完成一次采摘;若夾緊力未達到設定值，紅燈亮起，提示操作者暫時不能采摘。這時操作者需要調整機械剪的位置或方向，使夾緊力達到預設值。

參考文獻：

[1] 張莎，馮聰利，趙培.水果采摘裝置的現狀及發展趨勢[J].科技創新與應用，2019（7）：84-85.

[2] 藍峰，蘇子昊，黎子明，等.果園采摘機械的現狀及發展趨勢[J].農機化研究，2010，32（11）：249-252.

[3] 常有宏，呂曉蘭，藺經，等.我國果園機械化現狀與發展思路[J].中國農機化學報，2013，34（6）：21-26.

[4] 張曉光，周天，許彥章，等.水果采摘裝置的研究與開發[J].機床與液壓，2020，48（7）：86-88，71.

[5] 付榮利.果園采摘機械的現狀及發展趨勢[J].農業開發與裝備，2011（5）：17-19.

[6] 金旭星.果實采摘機械手的創新設計[J].農機化研究，2009，31（7）：139-141.

[7] 黃佳生，盧清華，鄒家勤.便攜式水果采摘器的設計[J].機電工程技術，2018，47（9）：142-144，186.

（責任編輯：趙中正）