一種便攜式高空采摘修枝裝置設計

蔣明華 錢偉紅 姚勝昶 朱 超

（蘇州信息職業技術學院,江蘇 吳江 215200）

1 研究現狀

隨著人們生活水平的不斷提高，對各類水果需求量也在不斷增加，我國是農業大國，在2018年水果總產量高達2.57億噸，其中園林水果產量達1.76億噸，位居世界首位[1]。據相關數據顯示，因采摘效率低來不及采摘、采摘過程造成水果損傷、成熟期判斷不準確造成誤采等因素，我國水果采摘作業過程的平均損耗率超過20%，僅因此項造成的年經濟損失就超千億元。在水果種植過程中，采摘修枝對時間要求較為集中，短期內勞動強度較大，對高空水果的采摘修枝作業，更是伴有一定危險性。[2]水果采摘作業所需勞動力占整個水果生產作業所需勞動力的50%-70%。[3]目前，歐美等發達國家種植業土地集中，規模化經營程度高，主要采用大型水果收割機械進行采摘和修枝作業。而我國多以家庭為單位的小面積種植為主，不適用大型水果采摘機械作業。[4]

水果種植過程，必不可少的都會涉及到采摘、修枝環節。由于植物在生產過程中的趨光性，掛果枝條多在果樹頂端，而且我國現有果樹大部分為喬木植物，高度較高，對于這類高枝水果的采摘，傳統方式為攀爬至樹上采摘，或者利用梯凳或其他采摘平臺使采摘者能夠上升到觸及水果的位置，還有是利用一些采摘工具手動采摘，對于以上方式，采摘效率低下，甚至對對采摘作業者安全構成較大風險隱患。隨著我國老齡化程度的提高，勞動力成本不斷攀升，設計一款便攜，操作簡單的高空水果采摘修枝裝置，對于降低水果種植業采摘成本，提升采摘效率，減少果農作業強度和更好地保障其作業安全具有重要意義。

2 采摘修枝裝置設計

2.1 方案設計

對于一些高枝的果實，目前市面上主要是用桿子來采摘，較為傳統的是用竹竿，在竹竿的頭部用刀具刻出V形槽，通過V形槽扭轉折斷果柄達到采摘的目的。還有部分果農會采用較為先進的伸縮桿，其頂部折斷果柄的部分通過剎車線連接下面的把手，按壓把手達到采摘的目的。這兩種方法因需果農長時間舉著工具而造成小臂肌肉酸痛，影響果農正常作業，降低采摘效率。

圖1所示的三爪水果采摘桿為目前市面上常見的水果采摘工具，該工具具有對水果保護性好，使用較方便的優點，但其在采摘過程中需要手動按壓把手，于長時間作業容易手臂酸痛，影響采摘效率；同時，經三爪緊扣住的果實，不利于果實自動脫落，影響后續水果收集，進一步對采摘效率產生影響。[5]針對上述情況，考慮到剪切方式利于收集，采摘效率高且除采摘之外還可作為日常修枝使用，因此確定以剪刀頭為主要工作方式，確定剪切式、可伸縮桿、電機驅動的設計方案。

圖1 三爪水果采摘桿結構

2.2 整體結構

所設計的便攜式高空采摘修枝裝置整體結構如圖2所示，主要分為頭部驅動結構、中部桿長調節結構、尾部控制結構三大部分組成。

圖2 便攜式高空采摘修枝裝置整體結構圖

頭部驅動結構如圖3所示，主要由靜刀片、動刀片、連桿、電機支架、圓盤、電動機、伸縮桿組成。

圖3 頭部驅動結構圖

中部桿長調節結構如圖2所示，桿身主要由上桿、中桿、下桿三段桿組成。各桿采用薄壁方管，外截面均為正方形。桿與桿之間有彈性凸起物固定。常見的果樹屬于灌木或喬木，其高度通常在2 m～6 m，綜合考慮到使用者高度，手臂長度及采摘角度等因素，設計桿長為2.0 m，上、中、下桿長均為0.7 m，兩處在到達最大伸長位置時重合長度為50 mm。

尾部控制結構如圖4所示，在手柄處有控制電機正反轉按鈕及調速旋鈕，在手柄末端還設有外接電源充電接口，手柄內置可充電電池，手柄處結構圖如圖2所示。

圖4 尾部控制結構圖

2.2 工作原理

其工作原理如下：當果梗置于動刀片和靜止之間時，啟動手柄上的電機驅動按鈕，電機帶動圓盤轉動，圓盤聯動連桿，將動力傳遞給動刀片，動刀片在連桿作用下完成一定角度范圍內擺動，完成剪切運動。調速旋鈕還可以對電機轉速進行一定程度調節，滿足剪切果柄時不同轉矩要求。

3 功能的實現

該裝置既可作為修枝工具，也可通過在刀具下方添加網兜，從而作為采摘工具使用。該裝置主要可實現電機驅動刀具剪切、桿身伸縮、驅動電機正反點動運行及調速等功能。

3.1 電機驅動刀具剪切

刀具的剪切機構采用四桿機構，并以此為基礎進行改良，將電動機的旋轉運動通過連桿轉化為剪切運動，控制刀具完成如下采摘作業。其結構簡圖如圖5所示。

圖5 四桿機構簡化示意圖

圖中圓形代表電動機軸所連接的圓盤。桿①是虛擬的，圓盤上凸起圓柱體與圓盤圓心的距離可作為桿①。桿②是真實桿，一端連接在圓盤的凸圓柱上，另一端連接在刀具末端。桿③為刀具的單片，其中支點被固定在桿④的一端，末尾連接桿②，桿②的運動可帶動刀具運動。刀具的另一單片被固定在伸縮桿頭上，所以控制一片刀具運動即可達到剪斷果柄的目的。桿④也是虛擬的，通過采摘桿與支架的固定，達到固定刀具和電動機圓盤的目的。在此結構下，只需要電動機驅動圓盤轉動，即可驅動桿②運動，從而使刀具進行運動，刀具運動狀態如圖6所示。

圖6 刀具的運動狀態

3.2 桿身的伸縮

因采摘作業地點和工具存放點的不同，所以采摘工具一定要攜帶方便，對于便攜性方面，采用市面上類似于折疊傘伸縮桿結構，桿身輕薄，方便收縮伸長，便于攜帶。

桿連接處結構如圖7所示，桿1與桿2之間通過彈性凸起物固定，彈性凸起物固定在桿1上，并有一部分露出在桿1上端，如圖8所示。在桿2下部相應位置開有小孔，當伸縮到該位置時，彈性凸起物會進入小孔從而阻止桿2繼續往上伸縮。當需要將桿2收縮時，只需用手按下彈性凸起物，即可將桿2往下收縮回與桿1重合位置。

圖7 桿連接處結構圖

3.3 驅動電機正反電動及調速

圖8 桿頂端的彈性凸起物

電動機用于帶動圓形鋸盤切割果梗，果梗不算太硬，要求的功率不是很大，但當鋸片靠近水果的果梗時，水果會有遠離刀片方向的運動，為了順利切下水果就需要電動機具有較高的轉速。為了達到節能安全、使用方便的目的，該電動機選用直流電動機。直流電動機具有調速性能好和啟動轉矩大的優點。所謂“調速性能”是指電動機在一定負載的條件下，根據需要，人為地改變電動機的轉速。直流電動機可以在重負載條件下，實現均勻、平滑的無級調速，而且調速范圍較寬。起動力矩大，可以均勻而經濟地實現轉速調節。

電機主要由電路板及其旋鈕和按鈕控制。按住按鈕時，電路接通，電動機正常工作；手松開時，電路立即斷開。這樣的按鈕可以在電源漏電、電路短路等狀況下保證使用者的安全。旋鈕對電動機轉動速度的控制，主要利用了單片機內置的FTM模塊，在旋轉旋鈕的時候發送不同的PMW波，以達到改變電動機轉速的目的。

4 結論

本文設計的高空采摘修枝裝置，采用伸縮剪切機構，應用電動機作為驅動機構，實現半自動采摘。本項目意義主要有以下幾點：

（1）融合了市面上現有的各種采摘工具的優點，并進行結構和功能上的創新；

（2）切實改善了果農采摘的作業環境，使采摘更加方便，成本更低；

（3）自主設計驅動四桿機構各部件尺寸，體現創新和學以致用理念。

本文運用曲柄搖桿機構設計了一種便攜高空采摘工具。通過制作實物，證明該裝置結構簡單，操作方便，可有效提高采摘效率。