一種多功能柑桔采摘裝置的設計

基金項目:國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201811058016)

本研究設計一種單人使用的多功能柑桔采摘裝置，可實現定點剪切、省力剪切、換向剪切、裝置伸縮和延長果農持續工作時長，解決當前柑桔采摘裝置功能欠缺、操作不便、不能較好輔助果農提高采摘效率和采摘質量的問題，因此，本研究具有較高現實意義。該裝置按實際需求保留了原柑桔采摘功能并結合新功能，彌補原柑桔采摘裝置不足，以更簡單便捷的機構實現原有功能，提升了原設備的實用性。

1 工況分析與存在問題

1. 1 工況分析

柑桔樹高度普遍為 2 m，少數可達 2. 3 m，柑桔生長姿勢分垂直向下和傾斜向下，因此，裝置應具有伸縮功能。随着柑桔生長高度的增加，其枝條與采摘裝置夾角變小，而最佳剪切角度為剪切刀刃施力方向與枝條伸出方向垂直，以保證剪切可靠和避免傾斜剪切形成尖銳截面戳傷果皮，故設計的剪切機構應可擺動。手持裝置進行采摘時，腕關節等同鉸支點，将承受裝置重力及重力到手腕關節的力矩。腕關節屬于易損傷關節，對外界作用力矩的抗衡能力較弱 ，故應設計輔助的把持機構，以減輕手腕的勞動強度。采摘柑桔要求在離果蒂 1 cm 處定點剪切 ;進行高枝采摘和樹内采摘時，枝葉阻擋會使操作者不易掌握對柑桔枝條進行定點剪切的方位，故應設置視覺确認系統以輔助定位。柑桔果皮較薄，為了防止柑桔剪落摔傷，應設置收集裝置以便對剪落的柑桔實現緩沖收集。

圖 1 多功能柑桔采摘裝置

1. 攝像頭;2. 剪切機構;3. 錐齒輪;4. 卡槽;5. 手機;6. 輔助把持杆;7. 驅動手柄連接座;8. 驅動手柄;9. 鋼絲繩;10. 導流套連接框

2. 1 剪切機構

剪切機構采用剪切式工作方式，剪切機構如圖 2所示。為降低剪切力對人工操作的依賴性和保證機構的可靠性，該機構通過彈簧釋放彈性勢能來驅動剪切刀進行剪切動作。剪切刀開單邊刃，且隻有相互交合兩直邊開刃，刀尖形狀近半圓形，如圖 2 所示，既防止刀尖戳傷柑桔又方便枝條進入刀刃之間。上刀刃鉸接于機構而下刀刃固接于機構。撥塊鉸接于上刀刃末端且被扭簧抵緊，抵塊穿插銷軸抵于上刀刃所開滑槽。剪切機構工作過程如下:扳動驅動手柄在其連接座平面轉動，通過鋼絲繩拉動驅動滑塊，驅動滑塊從導軌左端向右端運動與撥塊接觸，克服動力彈簧彈力将上刀刃打開;當驅動滑塊脫離撥塊，上刀刃即刻閉合實現剪切動作。驅動手柄回位，鋼絲繩失去拉力，複位彈簧推動驅動滑塊從導軌右端向左端運動，驅動滑塊頂起撥塊時扭簧被壓縮，當驅動滑塊脫離撥塊，扭簧将撥塊複位，由此實現剪切機構工作的一個循環。動力彈簧帶動上刀刃快速旋轉，上刀刃對枝條作用時間極短，瞬時作用力很大，但由于接觸面小，刀刃對枝條傷害低，因此更大的作用力反而利于提高剪切可靠性。

圖 2 剪切機構

1. 上刀刃;2. 下刀刃;3. 抵塊;4. 動力彈簧;5. 驅動滑塊;6. 複位彈簧;7. 撥塊;8. 扭簧

剪切機構為省力設計:一方面，動力臂長度49 mm，阻力臂長度 23 mm，此處為一級省力設計;手持驅動手柄時動力臂(手掌心至驅動手柄安裝軸心)長度166 mm，阻力臂長度59 mm，如圖3 所示，此處為二級省力設計。設動力彈簧彈力為 F，經過兩級省力設計後，驅動剪切機構所需動力僅為 0. 17F，因此，降低了剪切枝條時對人力的依賴性。另一方面，驅動手柄采用伸縮設計，其最大伸長長度為原長的1. 6 倍，此時驅動剪切機構所需動力為0. 11 F，省力效果更佳。

圖 3 驅動手柄

驅動剪切機構所需動力與動力彈簧彈力息息相關。動力彈簧初采用不鏽鋼壓縮彈簧，其規格為 φ1.6*φ17.6* 40* 6。根據彈簧勁度系數 k 計算公式可得:

動力彈簧安裝高度 h 1 = 33 mm，行程末端高度h 2 =23 mm。由胡克定律 F = kx，安裝高度彈力 F 1 =24. 85 N，行程末端彈力 F 2 =60. 35 N。将 F 2 值代入F，在驅動手柄原長狀态下，操作者僅需提供 10. 26 N以上的力就能驅動剪切機構完成一次剪切;在驅動手柄最大伸長狀态下，所需力降至 6. 41 N。

《木結構設計規範》指出，木材最大橫紋抗剪強度為 1. 3 N/mm。柑桔果實枝條約 3 mm 粗，則剪斷枝條所需力 F 3 = σπr 2 = 1. 3 × 3. 14 × 1. 5 × 1. 5 =9. 19 N ［4］ 。因為 F 1 － F 3 =15. 66 N，所以該動力彈簧彈力富餘量較大，允許嘗試更換勁度系數較小或縮短原始長度的彈簧，進一步降低剪切機構的驅動力。

2. 2 換向機構

為操作便捷，驅動手柄可同時控制剪切機構擺動，換向機構通過齒輪傳動實現動作。兩對齒輪副分别置于傳動杆兩端，傳動杆兩端各設一錐齒輪，第一傳動軸鉸接于支撐座的卡接柱，一端與驅動手柄連接座固接，另一端與錐齒輪固接，該錐齒輪與固定于傳動杆的錐齒輪進行齧合組成第一齒輪副;第二傳動軸與剪切機構固接，鉸接于剪切機構連接座，軸一端固定一錐齒輪，該錐齒輪與固定于傳動杆的錐齒輪進行齧合組成第二齒輪副。需要剪切機構換向，撥動驅動手柄驅動其連接座轉動，連接座驅動傳動軸轉動，該轉動通過兩對齒輪副轉化為剪切機構相對驅動手柄的同步擺動。由于齒輪齧合為剛性連接，因此剪切機構角度調節準确性和同步性能得到保證。第一、第二齒輪副示意圖如圖 4、圖 5 所示。

圖 4 第一齒輪副示意圖

1. 驅動手柄連接座;2. 支撐座;3. 小節鋁管;4. 傳動杆;5. 大節鋁管;6. 錐齒輪;7. 第一傳動軸

圖 5 第二齒輪副示意圖

1. 第二傳動軸;2. 剪切機構;3. 錐齒輪;4. 傳動杆;5. 小節鋁管;6. 剪切機構連接座

2. 3 伸縮機構

為操作便捷，在裝置縮短狀态下其采摘範圍需覆蓋大部分柑桔，采用驅動手柄控制裝置伸縮。按人身高至少可抵消樹高 1. 3 m，故初設計本裝置縮短狀态下有效長度(除去握持位置和輔助把持機構長度)1. 2 m，為輔助采摘果樹頂端少數果實，允許裝置伸長0. 3 m。伸縮機構變形自滑塊機構，伸縮杆小節鋁管與撐座固接，大節鋁管從端部開滑槽和定位卡槽，支撐座卡接柱順滑槽插接于大節鋁管。支撐座與大節鋁管間隙配合，可在滑槽行程内自由滑動。手持驅動手柄前推，傳動軸推動支撐座前進即伸長裝置;将支撐座卡接柱拉入卡槽末端即實現裝置長度固定。為防止采摘過程中卡接柱意外落入滑槽，設計卡槽為倒“L”型。由于伸縮杆伸長後驅動手柄遠離操作者，故驅動手柄亦采用可伸縮設計，方便操作者在裝置伸長狀态下控制裝置。伸縮機構如圖6 所示。

圖 6 伸縮機構

1. 小節鋁管;2. 大節鋁管;3. 支撐座

采用驅動手柄控制剪切機構、換向機構和伸縮機構，相比于當前柑桔采摘裝置，本裝置操作更加方便快捷有利于輔助果農提高工作效率。

2. 4 輔助把持機構

由于肱二頭肌等均分布于上臂和前臂，本研究設計該機構輔助把持杆在人曲肘進行高枝采摘時可抵于腋下，利用人體重力抵消手腕所承受力矩，充分利用承載能力更大的手臂承受裝置負荷，實現減輕手腕工作強度，進而延長果農持續工作時間。該機構具有可調節功能，裝置人性化。

該機構設計如下:輔助把持杆與鉸接軸固接，鉸接軸鉸接于連接塊，連接塊有内六角凹槽配合。輔助把持機構如圖 7 所示，卡塊的六邊形卡接部與連接塊内六角凹槽間隙配合，故卡塊可徑向抽出，其行程被通過卡塊中心孔擰在鉸接軸上的螺釘限制，且被套于螺釘的小彈簧抵緊。卡塊沉孔底部有六邊形沉槽，當卡塊被小彈簧抵緊時與鉸接軸六角頭間隙配合，限制鉸接軸轉動。由此，連接塊與卡塊、卡塊與鉸接軸兩處六邊形配合共同實現輔助把持杆角度鎖定。将卡塊稍微抽出，即可調節輔助把持杆角度。由于輔助把持機構通過連接塊松緊夾設計夾持于伸縮杆末端，操作者可松動緊定螺釘自主調節該機構安裝角度及安裝位置，找到适合的最佳操作角度。

圖 7 輔助把持機構

1. 連接塊;2. 鉸接軸;3. 輔助把持杆;4. 卡塊;5. 小彈簧

為使裝置輕量化，裝置采用鋁合金件，總重在2 kg内。

2. 5 視覺确認系統

在剪切機構安裝有微型攝像頭，鏡頭位于上刀刃上方，與安裝在杆身上的手機無線連接，通過手機實時觀察剪切刀刃方位情況，可輔助果農進行定點剪切。視覺确認系統不僅有利于進行定點剪切，還有利于根據柑桔成熟程度進行選擇性采摘。

2. 6 收集裝置

該收集裝置固接于剪切機構，其主體為軟質導流套。導流套口位于剪切刀刃下方，使每次柑桔被剪落後均能經過導流套緩沖落至地面收集筐。

3 試驗與完善

試驗時采摘裝置剪切有力、換向靈敏、伸縮自如，全程無故障發生，且操作便捷，使高枝采摘變得更方便高效。采摘試驗如圖 8 所示。

圖 8 采摘試驗

試驗後對裝置進行了細節完善:在伸縮杆小節鋁管适合位置固接一繩索導向杆，鋼絲繩從杆導向孔中穿過，使鋼絲繩拉動驅動滑塊時拉力方向與驅動滑塊運動方向能夠基本一緻，提高機構的可靠性。

4 結論

設計的多功能柑桔采摘裝置結構簡單、工作可靠、功能較多、操作便捷、成本較低、質量較輕，有助于提高柑桔采摘效率和采摘質量，減輕了果農的勞動強度，降低了果農的人力支出。與當前市場的柑桔采摘裝置相比，本裝置在功能多樣性、操作便捷性、實用性、性價比等幾方面均有較大優勢，是果農的得力助手。此外，雖然本裝置的定位設計為柑桔采摘裝置，但也可将采摘對象擴展為單果類果樹，如蘋果，雪梨，桃子等，具有較大的潛在應用前景。

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