一種胡柚高枝剪的設計與研究*

欒雨杰 ， 何勤杰 ， 朱 峻 ， 陳翔飛

（衢州職業技術學院機電工程學院，浙江 衢州 324000）

0 引言

目前，胡柚主要依靠人工采摘，由于胡柚樹樹體高大，果農在采摘過程中需要爬上樹或者借助梯子登高，使得人工采摘工作具有一定的危險性，且反復上下梯也降低采摘的效率，人工成本非常高。采摘是胡柚生產中費時費力的環節，在胡柚采摘期間的勞動力投入約占整個生產環節的50%~70%。針對上述問題，自動或者半自動采摘器[1-2]能夠提高水果采摘的工作效率，節省人工成本，提高果農的經濟效益。然而，我國胡柚種植大多位于丘陵山區，屬于坡地，因此合適的全自動大型采摘機械很少[3]，且由于成本高，操作復雜，維修保養費用高等，導致現有的大中型采摘機在胡柚種植區域難以適用。為此，國內很多學者對小型水果采摘器做了大量的研究與試驗。左斌等[4]為解決高枝水果采摘器難的問題，設計出一種多自由度定位機構的高枝水果采摘器，試驗結果表明該采摘器的采摘效率高，平均每個水果采摘時間為6 s。吳先煥等[5]通過分析果農采摘水果的現狀，研制了半自動可調式水果采摘器，該采摘器降低了果農的勞動強度和成本，可應用在大規模的水果采摘中。蔡華春等[6]為解決水果采摘器價格高和便攜性差問題，基于氣動原理設計了一種可疊式水果采摘器，利用自鎖折疊機構提升了采摘器的便捷性。黃世剛等[7]為解決采摘器效率低等問題，利用電機的正反轉提升了采摘器的專項功能，提高了采摘效率。

因此，以胡柚采摘的實際工作為需求，為了更好地提升采摘器的實際應用性，本文設計了一種握力式胡柚高枝剪，使得果農在地面上就可以輕松采摘到胡柚樹頂附近的胡柚，且后期保養、維修方便，勞動強度較低，果園采摘人員在簡單熟悉產品使用流程后，即可完成胡柚的采摘工作。本文所設計的高枝剪對所采摘的單果高度、大小限制少，適用范圍很廣，成本低，特別適用小型采摘園和個體農戶的使用。

1 高枝剪設計方向與整體結構

1.1 設計方向

本文所設計的胡柚高枝剪首先是解決果農無法站在地面上就能采摘胡柚的難題；其次是要求高枝剪結構簡單，操作方便，便于果農攜帶，方便果農在丘陵山區使用；最后是可以實現類似人工采摘的過程，將胡柚結蒂剪斷的同時，不傷害胡柚表面，保證采摘器不對胡柚造成損傷。

1.2 整體結構

高枝剪主要由手握手柄、高度調節裝置、傳動機構、收集網以及剪刀等組成，如圖1所示。其中傳動機構安裝在高度調節伸縮桿內部，連接剪刀與手柄，主要是依靠手握力剪斷胡柚的枝條；高枝剪的主要作業目的是剪斷枝條，所以剪刀設計較為關鍵，在剪刀處設計類齒條夾持裝置，可以在剪枝時，夾住枝條；伸縮桿則是實現高枝剪的關鍵部件[5]，本文設計的伸縮桿主要由2節組成，根據胡柚樹的高低，實現不同高度的作業。

圖1 高枝剪整體結構

2 主要功能部件的設計與工作原理

2.1 剪刀部件機構

高枝剪剪刀部件的結構如圖2所示，主要由刀片和帶有鋸齒狀的夾持件組成，刀片為一動一靜，且兩片刀片上分別有一個帶有鋸齒狀的夾持件，在剪斷枝條的同時可以夾住剪下來的枝條。握動手柄可以控制刀片的開合，靜刀片則與伸縮桿在一條直線上保持不動，刀刃形狀不是直線，而是圓滑的弧線[8]，且刃口單面呈楔形，能夠實現滑切。因為滑切要比砍切省力，所以這種刀刃可以更方便操作。

圖2 剪刀部件

25~49歲的普通成年人的單手握力約為32.6 kg~57.7 kg，取平均值48.0 kg計算，重力加速度g=9.8 N/kg，則握力為：

胡柚果柄直徑統計分析表明，果柄直徑范圍大多為1.8 mm~5.4 mm，取最大直徑5.4 mm計算剪斷果柄所需要的最大剪切應力。根據傳動機構的杠桿原理要實現力的轉化[9]，在手柄處，施力臂與阻力臂的比值約為4。

因此普通成年人單手操作能夠產生的平均剪切應力為：

計算結果大于胡柚枝的最大抗剪強度3.7 N/mm2。

2.2 高度調節裝置

胡柚樹的高度一般不超過5 m，采摘時采摘人員一般都是站立采摘，所以當采摘桿達到3.5 m左右時，一般人均采摘得到。如圖3所示，在高枝剪上設計了高度調節機構，由一級套桿、二級伸縮桿以及滑套鎖緊機構組成。如圖4所示，滑套鎖緊機構由滑套和杠桿鎖緊機構組成，在按鈕下方設計了滑套鎖緊機構，二級伸縮桿上分布的四個限位孔在經過滑套鎖緊機構時，由于杠桿鎖緊機構作用，限位孔依次被鎖死，伸縮桿可按需改變長度。

圖3 高度調節裝置

圖4 滑套鎖緊機構

為保證高枝剪剪切的精度以及穩定性，高度調節機構的彎曲變形量不能過大[10]。胡柚重量相對于高枝剪自身重量而言很小[11]，因此，高枝剪幾乎只受自身重力影響，即當高度調節機構水平放置時彎曲變形量最大，如圖5所示。

圖5 高度調節機構彎曲變形示意圖

彎曲應力為：

式中，σ為彎曲應力；L為彎矩；W為抗彎模量。

彎矩：

抗彎模量：

綜上可得，σ=175 MPa，遠遠小于 鋁合金（6061）的彎曲極限強度228 MPa。

2.3 手柄機構

手柄用于果農控制高枝剪的采摘工作，需具備一定的強度和便捷性。為此，基于人機工程學，采用高強度的塑性材料制作而成。如圖6所示，巧妙利用杠桿原理，保證果農在剪一些較為粗大的胡柚枝時，無需費很大的力便能輕松完成剪枝任務。而且在手柄上設計復位彈簧，剪枝完成后保證手柄復位，為下次剪枝做準備。

圖6 手柄

3 使用效果分析

1）本文設計的高枝剪在采摘胡柚時可通過夾持裝置將胡柚枝先夾住，然后利用剪刀切斷胡柚枝，被采摘的胡柚直接掉入收集裝置中，在提高采摘效率的同時，一定程度上保證了胡柚采摘的完好率。

2）高度調節裝置可以改變高枝剪的伸縮長度，實現了果農在地面上進行不同高度的胡柚采摘工作，降低了采摘的勞動強度。

3）本文設計的高枝剪結構設計簡單、操作靈活方便，并易于攜帶。

4 結論

本文通過研究胡柚采摘的工作特性，以其實際需求為基礎，設計了一種胡柚采摘高枝剪，可根據果樹的高度調節高枝剪的高度，而且采摘后的胡柚可以直接進入收集袋，該高枝剪能夠滿足胡柚的采摘要求，操作簡單，不受地域的限制，適應性強，有效提高了胡柚的采摘效率。而且該高枝剪在今后將與行走機器人或者機器視覺裝置進行融合，實現全自動的胡柚采摘，使其更好地為果農服務。