基于公共利益的純機械拉線式水果采摘器設計

汪瑞 沈偉豪 宋吉明

關鍵詞：公共利益 純機械 采摘 創新設計 線

引言

隨著人們的精神生活品質和文化水平的穩步提高，飲食條件和食品質量的越發優越，消費水平也有了明顯提升，水果成為了必備的食品。繼糧食、蔬菜之后第三大農作物，水果成為了我國重要的經濟作物，在國民經濟中具有了重要的地位。自我國在1978年的農業優惠政策開始實行，我國果業得到飛躍成長。據《三農中國》欄目報道，蘋果仍然是我國最主要的食用水果品種，種植面積和產量均居世界第一位。我國雖然是世界第一大水果消費和出口國，但是，我國的水果采摘機械化水平還處于起步階段，水果收摘過程機械化規范程度低。機械化采摘帶來的成本過高，大部分果民無法承擔;人工采摘較為不便，目前雖然已經出現一些矮株化果園，但還是有部分水果需要依靠梯子才能實現采摘，具有一定的危險性，人工采摘的效率提升空間有限，采用機械化采摘可以提高效率。

一、產品的必要性分析

（一）對市場的重要性分析

目前我國果園機械化技術水平總體較低，由于各地區的地理環境和經濟發展水平的明顯差異，以及對如何發展我國果園彩照機械化的認識不同，不同地區的果園經營管理者的機械化產業水平仍然存在較大差異。現在我國市面上的大型水果電子采摘器具品種繁多，己經成功申請專利的僅二十個左右，每個產品各有特點，價格大相徑庭，人們有很多產品選擇的余地：電動、手動、自動。但是大多數產品體積比較笨重。隨著我國勞動力成本的不斷提高，只有大型果園才能有能力直接購買大型水果采摘機器。這種大型采摘機器價格都很貴，中小型水果種植戶不得不面對水果采摘機器成本過高的問題。幫助中小果農通過這種低成本的采摘裝置在有限時間內降低采摘強度和提高效率，成為企業急需解決的技術問題。這些具備高效、經濟、便攜、價格低廉等優勢的水果采摘機器在國際市場上還較少。目前市場上已開始出現的水果采摘器械相對落后，競爭力和舒適性都不強。

高空水果采摘器是一種輔助人工進行采摘的小型采摘裝置，市場上已有多種類型的產品銷售，對目前國內市場上現有產品及其性能分析見圖1所示。

圖1左邊產品通過果農按住握把，拉動鋼絲帶動機械手收縮，抓住水果。產品上端為三根手指能夠較好的抓住水果，但將水果摘下需要果農用力下拉，且沒有收集裝置，摘一個放一個需要消耗更多的時間。

圖1右邊產品通過將水果卡在兩齒間，下拉桿子使水果掉落。產品增加了收集裝置，但是收集時水果之間會產生碰撞，水果有可能會被撞壞，收集裝置空間有限，只能收集少量的水果，并且增加了采摘的困難度，需要更多的時間用于采摘。

通過對國內的采摘機械的研究，總結得出面積較大果園可以實施大機械化和智能化以降低勞動強度和提高效率。市場上現有的小型水果采摘器還存在很多問題，相比之下，純機械拉線式高空水果采摘器更適宜小型經營模式和旋游業中的農家摘果。結構簡單，適應能力強，價格適中。

（二）對果農的必要性分析

公共利益就是個人利益的集合，但是在一定空間里，人不是單獨存在的，是在特定集體中，要滿足個人利益，就要把個人利益融入公共利益中。公共利益的實現，就能直接或者間接的使個人利益得到滿足，在果樹種植生產中，保證果農個人利益也是實現公共利益的基礎。在水果采摘期，髙效、保質保量的采摘下水果，能夠提高果農的收入。一種不需要爬樹或者借助其他攀登設施，站在地上直接能夠可以摘到高處果樹上任何位置的水果采摘器是果農的基本需求。防止在采摘的過程中被蚊蟲叮咬或者樹枝劃破皮膚。在采摘園中無論大人小孩都可以操作采摘，且對人、果品、樹木造成無傷害，有效地節約采摘的成本，是果農的必要需求。

二、純機械拉線式高空水果采摘器的設計思路

基于以上對市場重要性和果農必要性的分析，再結合現有同類型產品的性能比較，針對功能單一、實際應用效果差、效率低等問題，創新設計了一款輔助人工采摘收集的純機械拉線式高空水果采摘器。該產品的機械設計流程圖如圖2示。

如圖2所示，同類產品對比發現，市場上現有的水果采摘工具尚且不能滿足果園大規模的采摘的需要，再加上對市場的充分調研，認清產品定位，準確了解果農的需求，最后決定進行機械創新設計。設計主要包括以下三個部分：創新功能、采摘系統和采摘原理。創新功能主要有采摘收集相結合和收縮旋轉相結合兩點，具備了這兩個結合才能有完善的采摘功能，提高采收的效率。采摘系統是運用剝線鉗原理，使得彈簧與齒輪先后作用，這樣更有利于采摘。采摘原理是具體把握人手力道及位置、握把形狀、線的粗細和機械手的相對運動分析，用純機械的方式來精確控制，最終形成純機械拉線式的高空水果采摘器。

三、機械拉線式高空水果采摘器的性能指標及價值

（一）性能指標

從人機關系的角度出發進行設計，設計出“拉線式”采摘器，從而較好地解決了問題。同時，我們也遵循“原理簡單、結構緊湊、控制方便、可操作性強、新穎”的設計理念，將創意設計逐步完善。

在背景分析的基礎上，我們提出了三項設計基本目標：一是結構簡單，體形小的機械機構方便多數果農進行采摘，方便攜帶和操作。二是成本低，做到物美價廉，整體結構設計舒適美觀。三是節能環保，在能方便果農采摘的前提下不使用電能。

設計流程如圖3所示，在對果農的需求進行分析的基礎上，進行功能設計，采摘器需要具備方便使用、效率高、成本適當這些特點。再進一步進行技術設計，三維建模形成采摘器的大致外觀，接下來就是加工制作和裝配調試階段，在調試的過程中反復進行優化，最后形成作品。

（二）主要價值

從目前的果樹采摘機器進行分析，對采摘機械進行價值分析。可以從核心價值、次要價值和附加值進行分析。

核心價值，從對市場和實地果農采摘過程中分析，獲得采摘機器最備受關注的是方便快捷，能夠提升果農的采摘效率。安全，果農在采摘過程中面臨著或大或小的采摘危險系數。功能，果樹在結果實的整個時段比較長，在果農最理想的工具是能夠通用，使機械具有價值空間不會閑置。機械拉線式水果采摘器的操作簡單，果農不會有任何的負擔。價格在果農能夠接受的范圍，并不會因為使用機械造成沒有利潤。

次要價值，外觀。農業方面的外觀設計一般都是被輕視的，并不是果農對外觀沒有需求。設計造型，考慮維修和維護的方便性，并不是裸露的造型，會使果農更方便更安全。

附加值，拉線功能對果農有很大的幫助，不添加此功能果農仍然可以繼續使用勞作。機械拉線式設計能夠減輕果農的勞動負擔，提高勞動效率，省時省力。

四、機械拉線式水果采摘器的設計方案

（一）結構設計

采摘器由采摘和收集兩部分組成，采摘部分由握把、旋轉機構、抓取機構組成，其結構如圖4所示;收集部分由傳送收集機構組成，其結構如圖5所示。

（二）抓取機構的設計

采摘器的抓取機構設計來源與人的手指，通過對手指的觀察分析、三維建模、理論分析計算以及實物調試不斷的進行改進。抓取機構的材料總共進行了兩次升級，最開始是準備采取金屬材質制作，但是經過分析發現金屬抓夾過于笨重，不符合果農對于采摘器輕巧便捷的需求，所以進行了第一次升級，將亞克力加工成方形，另加小零件進行限位，指關節之間用滾動軸承以及鋼絲進行連接，制作完成后的調試階段出現問題：由于機械手過重，不能很好地收緊，導致抓不住水果。最后，在經歷了前兩次失敗后，選擇運用3D打印技術進行制作，節省時間，大大減輕了抓夾的重量，設計與人的手指更相近，能夠更好地抓住水果，從亞克力材質到3D打印技術的變化如圖6所示。

3D 打印作為高端增材制造概念的一種延伸，與傳統減材工藝有一定區別。傳統減材工藝是在對材料進行鍛造后，應用適當的材料，制作成一定樣式的工藝產品。3D 打印技術則是在三維建模的基礎上，進行切片操作，使用 3D打印機按照順序依次制造產品。3D 打印技術創新應用可從根本上減少機械制造零件的前期準備、檢測及更換時間，也減輕了工作人員進行產品模擬制造所需要消耗的時間，以此實行零件產品大規模、快速生產，從而為產品質量與精度提供保障。此外，將 3D 打印技術合理應用于機械制造中，可有效增強各種零部件產品加工速度，使其優勢特征得到充分發揮。在產品生產加工中也能夠減少質量缺陷問題，控制劣質產品存在數量，保證其質量安全。3D打印技術的運用可以有效降低抓夾的制造成本，使得企業可以用較低的成本獲得較高的利潤。由于制作工藝較為復雜，傳統機械制造企業需要投入很高的人力、物力和財力和時間進行鍛造、打磨、拋光等，而使用 3D 打印技術，只要工作人員在計算機設備上事先設置好制造加工程序，就能夠自動完成加工制造目標，既提高了工作效率，也節約了生產成本。

（三）伸縮旋轉機構的設計

彈簧有以下幾點作用：一是控制機械的運動，如內燃機中的閥門彈簧、離合器中的控制彈簧等。二是吸收振動和沖擊能量，如汽車、火車車廂下的緩沖彈簧、聯軸器中的吸振彈簧等。三是儲存及輸出能量作為動力，如鐘表彈簧、槍械中的彈簧等。通過一系列分析，選用壓縮彈簧作為伸縮機構儲存及收縮能量的動力來源。載荷與變形之比稱為彈簧剛度，剛度越大，則彈簧越硬。彈簧在受載時能產生較大的彈性變形，把機械功或動能轉化為變形能，而卸載后彈簧的變形消失并回復原狀，將變形能轉化為機械功或動能。

通過理論分析計算得出彈簧以及齒輪的規格，三維建模模擬其運動以及實際的運動設計出雙線繞法，控制彈簧伸縮的線在運動前呈緊繃狀態，控制齒輪旋轉的線呈松弛狀態，拉動時彈簧先收縮，控制齒輪的線緊繃之后齒輪旋轉，采摘完成。抓取機構的伸展和收縮狀態如圖7所示。

（四）傳動方式的選擇

傳動方式主要有三種，第一種是連桿轉動，這種方式的優點是傳動時受到單位面積上的壓力較小，且有利于潤滑，所以磨損較輕，壽命較長;接觸面多為圓柱面或平面，制造加工簡單，易獲得較高的精度;低副承載能力強。缺點是慣性力難以平衡（構件作往復運動和平面運動），易產生動載荷;設計復雜;積累誤差（低副間存在間隙），效率低。第二種方式是齒輪齒條傳動，這種方式瞬間傳動比準確;傳動效率高;結構緊湊;可靠、穩定、壽命長。但是，由于制造精度較高，維修和維護成本也較高。第三種方式是線傳動，這種方式價格低廉;傳動效率高;空間小;易加工。承受載荷小和壽命短是其缺點。

綜合上述三種傳動方式的對比，線傳動對于實現裝置的功能來說更為適合，設計制造了“拉線式”水果采摘器。“拉線式”水果采摘器最大的特點是結構簡單，操作簡單，重量輕便，通用性，多功能，可以適用于樹冠上多方位，各種形狀，大小不一的果實的采摘。采摘機器的創新點主要在多功能，通用性。

五、創新點及應用

（一）主要創新點

1.采摘器的傳動、限位等使用純機械進行控制，更好地實現了機械手手指的彎曲，力的轉化等功能;控制精確，增加了機構的可靠性。

2.采摘部分利用線進行傳動，采用雙線繞法，實現裝置先收縮后旋轉的功能;將旋轉和伸縮相結合，設計新穎，實現了一繩兩用。

3.采摘器采用機械手彎曲、下移、旋轉的動作來采摘水果，達到可采摘多種水果的目的，采摘完成后，水果通過傳送機構到達收集裝置，實現收集;將采摘和收集相結合，節省了收集的時間。

4.結構簡單可靠，造價較低，易于復制生產，市場推廣度較高。

（二）推廣應用

1.人在采摘時，只需要按下握把，就能實現將水果摘下并收集的功能，操作簡單，適用于大多數果農進行使用。

2.采摘器利用線傳動，設計新穎，機械手采摘時動作多樣化，可采摘多種水果，應用范圍廣。

3.采摘器采用空心鋁管作為主要材料，使用3D打印技術，造價成本低，具有良好的市場推廣價值。

六、基于公共利益的果園機械化發展思路

（一）加強果園機械化發展的戰略支持實施現代果園管理機械化工程，既是提升當前我國現代果園農業管理機械裝備技術研發生產水平的重要戰略舉措，也是貫徹落實黨和政府關于加快解決“三農”突出問題，建設我國社會主義小康新農村的一條重要途徑。因此，各省市各類涉農企業科研項目中，都認為應優先考慮進行果園管理機械化工程技術與管理裝備的研發立項，為國家發展農業戰略的具體實施營造一個良好的外部環境。

（二）促進果園機械技術發展在充分發揮各級政府部門引導支持作用的同時，還建議應積極爭取國家技改資金、國家中小企業科技創新扶持基金、農業重點科技成果獎勵轉化金等資金，重點鼓勵支持一批農業技術含量高、市場前景好、對鄉村農戶增收帶動促進作用大的農業機械裝備生產企業與創新項目;農村相關農技龍頭企業也有需要通過建立相應的科技開發扶持基金，提高龍頭企業自我整合發展創新能力，積極參與農業關鍵技術項目攻關和新技術產品開發，提升農村果園農業機械化裝備生產技術水平。

（三）實施分區域發展戰略各地的自然條件和經濟社會發展條件差異很大，需要針對不同地區，提出不同區域果園機械化產業發展要求。對于經濟發達農村地區，在果園經營管理各個環節可以實現全程果園機械化;對于經濟發展水平落后的一些地區，可通過重點建設農業水果原料商品化加工處理的龍頭企業，在果園水果原料商品化加工處理的一些主要環節實現全程機械化。此外，為了積極探索不同地區水果原料商品化加工處理與水果機械化加工的融合發展新路子，應重點開展水果原料商品化加工處理和水果機械化加工處理工作的示范試點，以點帶面，形成一個具有綜合性的示范產業網絡。

（四）完善果園機械檢測標準與技術規程的制訂實施要加快實現我國由果園水果生產大國轉型到果園水果加工強國的轉變，最根本的一點就是必須要加快建立一個完善的果園企業機械化備和生產技術標準管理體系。因此，要積極探索采用相關國際標準，制訂、修訂和完善果園機械裝備和生產技術的相關國家標準和相關行業標準，鼓勵國內相關水果企業研究制訂一些高于相關國際標準的水果企業生產標準。同時還要加快建立產品質量標準檢測管理體系和產品質量合格認證管理體系。通過上述以下幾個關鍵方面的研究工作，使目前我國果園水果加工產業的質量標準與相關國際標準完全接軌。

結論

設計水果采摘器的初衷是為了可以幫助果農提高采摘的效率，使機械化采摘能夠進一步發展，從滿足個人利益以促進公共利益的實現，設計靈感來源于對采摘過程的觀察，我們實地采摘，不斷地感受采摘的過程，將動作逐步分解記錄，再結合專業知識進行理論分析，最終創新設計出該款采摘器。

純機械拉線式高空水果采摘器是一種實用性的設計，是一種解決果農采摘果樹高處困難的創新性設計，因其他用途的廣泛性。設計遵循兩大原則（1）簡單方便可操作性原則：果樹采摘機器目標人群是給文化水平相對較低的果農設計，不具有備專業的機械知識，因此首先的要求果樹采摘機器操作簡單不復雜，必須具備可靠性和操作間單兩大特點。（2）實用經濟型原則：在可操作的原則的基礎上，整個設計要控制成本。在我國水果產業是一個體經營為主，考慮到經濟實惠，果樹采摘機器的價格要適當，果農能夠接受的價格，這樣果樹采摘器才會惠于民。

我國是水果生產及消費大國，每當面臨水果收獲季節時，勞動力短缺，水果的采摘成為大問題。因此，對水果采摘裝置進行研究有極大的應用價值。水果采摘方法隨著科學技術的發展已上升到一個新的高度，機械化技術為水果采摘的高效發展提供了先進的方法，使得純機械的拉線式高空水果采摘成為可能，具有較好的應用前景，也為設計人員從事水果采摘器的設計、改進和新品開發提供了范本。通過有效地解決我國蔬菜豐收采摘期和生產關鍵季節以及農村勞動力糧食資源嚴重短缺等突出農業問題，進一步有效地實現了我國現代蔬菜農機化與產業化相結合，緩解了當前我國廣大農民投入農業糧食生產與農村市場經濟融合發展巨大壓力，進而有效地促進了我們中國家庭和國民經濟的健康穩定發展。