可升降水果采摘裝置的設計

王旖旎 李逢振 吳玉紅

（湖南環境生物職業技術學院，湖南 衡陽 421005）

0 前言

隨著生活水平的提高，水果已經成為人們日常生活必不可少的食品。現在的水果一般都在園中大量種植，一到成熟收獲的季節，水果采摘也就成了人們最常見也較繁重的勞作方式之一。除了部分水果可通過人工方法降低樹高易采摘外，還有相當部分水果生長在較高的樹上。水果生長的自然位置高，不利于人工直接采摘，很多時候免不了使用梯子或人爬上果樹后用手摘取[1-2]，這種采摘水果的方式，可以最大限度地降低水果的破損率[4]，但是對于作業人員來說存在很大的安全隱患，而且采摘強度較大，采摘效率較低。因此水果采摘技術越來越受到人們普遍關注，尤其是高空采摘，采摘設備具有極大的市場需求。就目前上市的采摘設備來看，有以下幾個優點：1）便攜式采摘器能完成水果摘取，但不具備果實采摘完后進行傳輸的裝置，作業過程仍需大量體力，且采摘距離也受限制。2）組合式采摘器可對各種角度、不同距離的水果進行采摘。但是，最后在水果收集時，速度緩慢，且不能保證水果不被碰傷，同時結構較復雜，不便攜帶和操作。3）采摘機器人適應各種高度，效率也高，但價格昂貴，不易維修和保養。4）大型采摘裝置笨重，移動、存放較困難，成本高，采摘時水果表皮易被碰傷。

為此，通過研究創新，該文設計了一種可升降水果采摘裝置，安全、經濟、高效、方便[7]。

1 可升降的水果采摘裝置的設計

1.1 總體結構設計

根據高空采摘設備操作簡單、輕巧方便的特點，采用伸縮桿為主體，配以重量輕、抓取范圍可調的夾頭，實現不同高度和不同大小水果的采摘。該文設計的可升降水果采摘裝置如圖1、圖2所示，主要包括夾頭、伸縮桿、握桿和轉桿等4個部分。伸縮桿通過螺紋連接方式套設在握桿內部，伸縮桿和握桿內部設置有轉桿，轉桿上端連接夾頭，下端與握桿連接。

圖1 可升降水果采摘器的立體圖

圖2 可升降水果采摘器的剖視圖

1.2 關鍵部件設計

1.2.1 握桿的設計

如圖3所示，握桿是水果采摘裝置的握持部，位于裝置中下部，包括固定桿和活動桿，固定桿與活動桿之間通過軸承連接。

握桿設置成空心結構，內有伸縮桿和轉桿。采摘水果時，作業人員通過握住固定桿，用手轉動活動桿，即可帶動轉桿轉動，進行水果采摘作業。

固定桿和活動桿外表面均設置有橡膠墊，能夠在工作時起到防滑作用。

1.2.2 伸縮桿的設計

伸縮桿在高空采摘作業時起著關鍵性的作用。它通過螺紋連接方式套設在握桿內部，如圖3所示。在采摘過程中針對不同的采摘高度，先旋轉伸縮桿，使得伸縮桿沿著握桿縱向移動，第一轉桿在夾頭的帶動下，沿著第二轉桿縱向移動，這種結構的設置能夠使得采摘裝置任意伸長或者縮短，從而適應不同的采摘高度，將水果從樹上取下。

圖3 伸縮桿和握桿的剖視圖

1.2.3 轉桿的設計

伸縮桿和握桿內部設置有轉桿。轉桿上部連接夾頭，下部與握桿連接，在握桿的帶動下能夠轉動，并且帶動夾頭內的相關齒輪轉動。

轉桿包括第一轉桿和第二轉桿。第一轉桿下部呈矩形體，上部外表呈圓柱體，內孔呈矩形體。第二轉桿兩端呈矩形體，中部呈圓柱體。

第二轉桿活動套設在第一轉桿內部，可隨時跟著伸縮桿的伸縮上下移動，以適應不同的采摘高度。

第二轉桿與夾頭內部的第二齒輪和第三齒輪固定連接，第二轉桿一轉動，第二齒輪和第三齒輪跟著轉動，2個齒輪起著主動輪的作用。

第一轉桿與握桿下方的活動桿固定相接，活動桿一轉動，第一轉桿跟著轉動，帶動相連的第二轉桿轉動。

1.2.4 夾頭的設計

夾頭是水果采摘裝置的核心部件。其結構如圖4所示，包括夾頭殼體、第三齒輪、第二齒輪、傳動桿、齒桿和刀片。

圖4 夾頭的結構圖

夾頭殼體是一個空心圓柱體，第三齒輪、第二齒輪、傳動桿、齒桿和刀片均安裝在其內部。

第三齒輪在夾頭殼體底部位置，被第二轉桿穿過。

第二齒輪位于第三齒輪上端。第二齒輪與第二轉桿、第三齒輪和第二齒輪上前后左右4個位置，分別貫穿有活動桿，如圖7所示。活動桿上端呈矩形體，能夠用來夾緊水果。下端呈圓柱體，當第三齒輪和第二齒輪轉動時，活動桿能夠向圓心位置移動。

圖7 活動桿的結構示意圖

第二齒輪和第三齒輪上均設置有軌道105a，如圖6所示。其中軌道設置有4個，分別位于第二齒輪和第三齒輪前后左右4個位置，軌道一端靠近第二齒輪和第三齒輪邊緣，另一端靠近圓心位置。軌道呈弧形，其中活動桿穿過軌道。

圖6 第二齒輪和第三齒輪的俯視圖

第二齒輪和第三齒輪在轉動時，能夠帶動活動桿沿著弧形軌道由邊緣向中間移動，從而調節抓取范圍，適應不同尺寸大小的水果，抓取并夾緊水果。

傳動桿有2根，分別位于第二齒輪左右兩端，且傳動桿上下兩端均連接有第一齒輪，下端的第一齒輪與第二齒輪嚙合，上端的第一齒與齒桿嚙合。

齒桿一側設置有齒，且有齒一端與第一齒輪嚙合。齒桿設置有2個，分別滑動安裝在夾頭殼體上端，2個齒桿之間固定連接有刀片，如圖5所示。

圖5 刀片安裝結構圖

采用以上結構，當采摘水果時，在切斷水果與果樹連接的同時，還能將水果夾緊，防止水果落地造成損傷，有效地保證水果的完好率。基于高空采摘作業，該水果采摘裝置要滿足整體結構輕便，避免頭重腳輕，同時又不遮擋操作者的視線等要求。各部分的選材也很重要，盡量采用輕質材料制成。夾頭殼體采用透明的的亞克力板或其他透明塑料材質制作，夾持元件（活動桿）采用密度較輕的塑料材質制成。為了防止活動桿抓取水果時破壞水果表皮，在活動桿內側可增加一層薄橡膠墊。伸縮桿和握桿的固定桿均采用1mm厚304不銹鋼管做成，中間空心可以減輕重量，使操作者在采摘水果時不易產生疲勞，降低了勞動強度，同時也方便攜帶。握桿的活動桿和轉桿均由304不銹圓鋼做成，這樣既美觀又實用。

1.3 工作原理

使用該裝置采摘水果時，先根據水果所在高度，旋轉伸縮桿，使得采摘裝置處于一個合適的長度，然后對準需要采摘的水果，將水果套在夾頭內部。

緊接著轉動活動桿，此時轉桿跟著轉動。當第三齒輪和第二齒輪在第二轉桿的帶動下轉動時，帶動4個活動桿由外向中間移動，從而抓取并夾緊水果。與此同時，第二齒輪帶動傳動桿下端的第一齒輪轉動，第一齒輪再通過傳動桿進一步帶動傳動桿上端的第一齒輪轉動，與第一齒輪嚙合的齒桿再帶動刀片在水平方向上前后移動，從而切斷水果與果樹之間的連接，進行水果的采摘作業。

2 產品特色

與現有采摘技術相比，該水果采摘裝置具有以下特色：1）采摘水果時將水果套在夾頭內，在刀片切斷水果與果樹之間聯系的同時，通過夾頭內的活動桿將水果夾住，實現夾緊與切斷同時操作，從而可以防止水果掉落地面造成損傷，在一定程度上保證了水果的完好率，提高了經濟效益。2)設置伸縮桿[6,8]，并且將伸縮桿與握桿之間通過螺紋連接，使得采摘裝置在采摘不同高度的水果時，都能夠極其方便、靈活，既保證了作業人員的安全[5]，又降低了勞動強度[8]。3）完全利用機械傳動進行水果采摘，結構設計簡單[2]，攜帶操作方便[3]，節省了時間，提高了效率。4）裝置各部分用材合理，整體舒適美觀。

3 結論

水果采摘是一個季節性較強的工作。為了滿足水果種植戶的需求，該文針對當前水果高空采摘這一技術難題，該文設計的可升降水果采摘裝置結構簡單，攜帶操作方便，果園、山地、丘陵等多種環境生長的高大喬木水果樹，且采摘單果個頭較大的硬質水果時都能適用。使用該水果采摘裝置既能降低采摘人員的勞動強度，避免安全事故，提高采摘效率，又能保證水果完好率，提高經濟效益，具有很好的實用意義。經預測，其應用市場和推廣前景廣闊。