一種可移動式水果采摘收集裝置設計及使用方法

王麗娟劉志剛喜冠南彭超華

(1.南通科技職業學院機電與交通工程學院，江蘇 南通 226007；2.南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019)

1 設計背景

我國是水果生產大國，人們對水果的需求和品質都提出了很高的要求。如何對水果進行快速有效采摘以及在采摘過程中保護水果品質尤為重要。事實上，受制于傳統的果園管理和水果采摘、收集技術，果農在生產過程中損失的水果數量不計其數。在實踐中主要面臨問題有蘋果類水果生長過高以及分布不均勻導致不易采摘；桃子類多汁且脆硬水果在采摘過程中容易碰傷導致水果不易存儲，進而影響水果品質。

本文所設計的可移動水果采摘收集裝置，無損狀態下快速準確采摘水果的同時，在水果掉落的過程中對水果進行合理的減速，避免水果因過大的動能而造成表面碰傷。切實降低果農的勞作強度、降低過程成本、提高果園生產率、提高水果品質，促進我國的果園種植業的進步，追蹤世界前沿農業技術，推動我國水果采摘的機械化發展。

2 研究現狀

當前，我國市場上的水果采摘輔助裝置，主要分為機械裝置和機器人2類[1]。對機械裝置進行研究發現，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[2,3]。從20世紀90年代起，我國相關科研院所也逐漸開始對智能化水果采摘機器人及設備進行研究。結合我國的果園種植地理條件，我國南方的果園大多處于丘陵山區，屬于坡地，因此合適的采摘機械很少，在危險性方面的問題也更加突出。由于工作環境的復雜性，采摘機器人的發展仍未達到農業生產的要求，尤其是視覺識別與行走裝置，距離實用化和商品化還有一定距離[4]。

通過上文對水果機械采摘技術進行比較分析可知，國內外科研人員在該領域作了許多研究工作，但水果采摘是極其復雜的系統工程，目前仍有不少難題沒有解決。如，針對水果采摘的前端執行系統研究較多，但對末端存儲系統研究不足；前端執行系統以精密機械采摘手臂、采摘機器人為主，對于我國以自主分散經營為主的果農而言，實用性不盡如人意。

因此，操作簡單，實用性強并兼具采摘、緩沖收集水果、利于山地移動的可移動水果采摘收集裝置的相關研究顯得尤為重要。

3 設計介紹與工作原理

3.1 總體設計介紹

可移動式水果采摘收集裝置如圖1、圖2所示，由采摘器、承載小車、控制箱和收集箱組成，采摘器主要包含伸縮管、牽拉機構、剪切刀、柔性網筒，收集裝置主要由承載小車、控制箱和收集箱3大系統構成。

圖1 可伸縮單果采摘桿結構示意圖

圖2 可移動收集裝置示意圖

當確定采摘對象后，按壓采摘器手柄使得牽拉機構驅動剪切刀作業將切落水果墜于柔性網筒內，水果經由網筒滾落而下，從收集裝置采集口經由緩沖板落入收集箱轉筒，經歷第1次減速，旋轉電機控制帶動轉筒水平旋轉，轉筒將其內部的水果帶至緩沖板的掉落口，水果通過滑落軌道進入收集盒，對水果進行第2次減速，整個過程水果的動能較小，降低了水果之間互相碰傷的概率。該裝置操作簡單、價格低廉、結構新穎、實用性強，適用于不同高度的、多種類水果的采摘、收集作業。作業實施過程如流程圖3所示。

3.2 可伸縮采摘器的設計

可伸縮采摘器如圖4所示，采摘器主要包括伸縮管、牽拉機構、剪切刀、柔性網筒4個部分。伸縮管的一端鉸接有手柄，伸縮管的另一端插接有剪切刀，牽拉機構連接于伸縮管的管身，手柄經由牽拉機構與剪切刀連接；網筒連接于伸縮管的下側，并且網筒的一端開口與剪切刀相對，另一端開口沿伸縮管的管身延伸至手柄下方；按壓手柄使得牽拉機構驅動剪切刀作業將切落水果墜于柔性網筒內，并且水果經由網筒滾落而下，落入收集小車內[5]。

3.3 收集箱的設計

3.3.1 結構設計

收集箱的主要作用是蓄存落下的水果。收集箱中間設置緩沖板，緩沖板采用彈性塑料制成，上方鋪設有緩沖材料海綿。該緩沖板將收集箱分隔為2部分，緩沖板的上方為緩沖腔室，緩沖腔室的頂板設有采集口，采集口入口處裝有紅外計數器，緩沖板下方為收集盒。

緩沖板中央和收集盒的底板中央均設有通口，一立柱穿過通口安裝在收集箱內部，立柱的底端固定在承載小車上，立柱頂端設有法蘭，法蘭通過連接臂與若干上下開口的轉筒相連(樣機為四轉筒設計)，立柱內部設有旋轉電機，旋轉電機的輸出軸與法蘭相連，驅動其水平旋轉。緩沖板上還設有掉落口，掉落口與采集口不處于同一豎直直線上；掉落口連接一滑落軌道，滑落軌道的出口連接于收集盒內。示意圖如圖5、圖6所示。

圖3 水果采摘收集流程圖

圖4 可伸縮單果采摘桿結構示意圖

圖5 無頂蓋可移動收集裝置示意圖

圖6 可移動收集裝置側面示意圖

3.3.2 水果收集

開啟動力源后，設定旋轉電機步進運行速度，經由采摘器柔性網兜滑落的水果經緩沖板上方的采集口落入轉筒，接觸到緩沖板，紅外計數器計數，同時將信號傳輸至單片機，單片機控制旋轉電機帶動轉筒水平順時針旋轉90°，轉筒將其內部的水果帶至緩沖板的掉落口，水果通過滑落軌道進入收集盒，完成一次水果收集。同時，完成一次收集后，下一轉筒恰巧位于采集口下方，為下一次水果收集待命。整個收集部分的工作可以通過調速開關調整旋轉電機運行速度從而適當調整收集的速度，提高收集工作的效率。

3.3.3 水果滿倉取出

收集箱內部邊緣豎直安裝有滑動導軌，其上設有可上下滑動的滑塊軸承，滑塊軸承的外端安裝在收集盒的側面與連桿活動連接，連桿與推桿電機的輸出端活動連接，推桿電機與單片機電性相連。推桿電機在單片機信號的激勵下做水平方向的往復運動，而滑塊軸承在連桿的帶動下在滑動導軌上從動地做豎直往復運動，進而帶動收集盒的一端升起或落下。

采摘完成或收集盒滿倉時，通過推桿電機提供動力，連桿推動滑塊軸承工作，將收集盒升起，便于快速取出收集好的水果，大大提升了取出水果的便利性。

3.4 控制箱的設計

控制箱的主要作用為提供動力源、控制收集與取出水果。

3.4.1 動力源

采用蓄電池作為動力源。控制箱的外部設置太陽能電池板，將太陽能電池板與蓄電池電性相連，使其可以為蓄電池充電，動力源可以循環使用，符合當下節能環保的社會風潮。

3.4.2 控制系統

控制箱設有單片機，單片機與旋轉電機、推桿電機、紅外計數器和若干按鈕電性相連。按下啟動按鈕開啟動力源后，通過設置旋轉電機轉速按鈕設定合適的采集速度，當采摘水果觸發紅外計數器后，將其信號傳輸至單片機，單片機控制旋轉電機開啟，帶動轉筒水平順時針旋轉90°，轉筒將其內部的水果帶至緩沖板的掉落口，水果通過滑落軌道進入收集盒，完成一次水果收集。

推桿電機與單片機電性相連。推桿電機在單片機信號的激勵下做水平方向的往復運動，而滑塊軸承在連桿20的帶動下在滑動導軌上從動地做豎直往復運動，進而帶動收集盒的一端升起或落下。

3.5 承載小車的設計

上述收集箱與控制箱都設置在承載小車上，承載小車主要起到承載收集箱、控制箱與實現移動收集的作用。考慮到果園一般在丘陵山地等地區，承載小車設計為四輪結構，后部的車輪上設置有碟式剎車，由一手柄控制啟閉，手柄內帶有棘輪，可以控制檔位。如此，該水果收集裝置在采集水果的時候，不會因為地形有坡度而自行滑動，為采集活動帶來不便或額外損失。

4 使用效果分析

為驗證所設計的采摘收集裝置的使用效果，在蘋果園內選取果實密度與樹干高度相近的兩顆果樹進行采摘，展開試驗，將本文所設計的采摘收集裝置與傳統徒手采摘的效果進行對比與分析。

試驗人員為果園內工作人員，徒手采摘組2人為1組，采摘收集裝置組1人單獨操作，2組的采摘人員為同一人。徒手采摘組的采摘方法為1人徒手或借助剪刀進行采摘，1人進行果實收集與裝箱，對于高處的蘋果可借助梯子類工具進行采摘。采摘收集裝置組的采摘方法無需借助梯子類工具，單人獨立操作完成采摘與果實收集。采摘時間均為10min，采摘員自下而上進行采摘，每2min記錄1次數據，經統計，數據結果如表1和圖7所示。

表1 蘋果園采摘效果對比

圖7 蘋果園采摘效果對比

對比發現，在節省1個人力的情況下，采摘效率提高了1.96倍。對于果實生長高度較高的果實，無需借助梯子等工具，可伸縮采摘桿的優勢得到了充分發揮，可移動收集小車則節省了果實傳遞與裝箱的時間，采摘更加便捷輕松。基于此，可以認為本設計具有一定的合理性與可行性。

5 結論

本文所設計的可移動式水果采摘收集裝置體積小，可移動，便于攜帶；操作簡單，實用性強；減速緩沖，保護水果，提升品質；價格低廉，易于推廣；適用于不同高度的、多種類水果的采摘作業。其不僅能夠降低果農的勞作強度、降低過程成本、提高果園生產率、提高水果品質，還能促進我國的果園種植業的進步，追蹤世界前沿農業技術，推動我國水果采摘的機械化發展。

采摘者只需將采摘器伸縮桿調至合適長度至果實的果柄部位，按鈕手柄控制剪切刀頭，水果自動滾落至收集箱，操作簡單，無需冗余動作；對所采摘單果的大小、高度基本沒有限制，因此，適用范圍很廣，使用便利；另外，在水果滾落及收集過程中實施多重保護，減少水果磕碰，提升果品品質，是我國以自主分散經營為主的果農的首選，經濟效益及社會效益顯著。