便携式高空半球大范围采摘装置的设计

赵红

摘要：根据国内水果采摘需求，利用三脚架、电动伸缩杆形成高空半球的采摘范围，自主研发凸轮机构与曲柄滑块机构串联的采摘夹片，实现水果的果蒂取果和剪切取果。采摘装置具有经济、实用、成本低、效率高、安全等特点，具有一定的实用性和推广价值。

关键词：采摘夹片；果实；设计；凸轮机构；高空

中图分类号：TB472 文献标识码：B 文章编号：1674-1161（2018）01-0018-03

目前，国内的果园大多是非标准化种植，大型水果采摘设备无法进入果园，所以果实仍主要采用人工采摘方式。采摘过程中，需对果实进行成熟度判断和收获，并不时移动梯子。由于果园地面不平整，不仅影响采摘效率，而且存在诸多安全隐患。总体来说，果实收获作业是一项劳动强度大、消耗时间长、具有一定风险性的作业。在此情况下，研究开发适用的水果采摘机械，不仅能在很大程度上减轻劳动强度，而且能够提高生产效率，具有广阔的市场前景。

1 国内果实采摘现状

我国水果采摘机械发展缓慢，远落后于种植业机械，研究成果也较少。随着国外技术的不断创新与提高，我国的水果采摘技术不断进步。但受地域性、生产模式等各方面限制，大型采摘机械在我国应用范围较小。基于我国的实际情况，开发经济性、操作简、适合长时间高空作业的半自动仿生采摘的小型采摘设备，具有非常重要的意义。

目前在我国采摘水果时主要以人工为主，具体有3种方式：果农直接用手采摘；手持工具，夹摘或剪切果柄；直接镰刀头钩采。就第一种采摘方法而言，如果果树比较高、树枝又比较脆，容易伤害果树。第二种采摘方式只适合果柄比较长的果子，但容易因果柄脱落摔坏果实；如果是中间剪切果柄取果，剩余果蒂影响来年结果率，且每次只能采摘一个水果，采摘效率很低，不适用于长时间、大面积采摘。第三种采摘方式在果蒂处断开，枝条扭断处茬口断裂，影响果枝成长。

人工采摘方式符合果农“果蒂取果，轻拿轻放，不伤树枝”的采摘要求，但全人工采摘成本高、危险大。以山东为例，人工费用为男工400元/d，女工300元/d，采摘成本接近1万元/667 m2。为此，结合国内实际情况，适合长时间高空作业、模拟人工采摘的小型半自动水果采摘器具有广阔的应用前景。

2 便携式高空半球大范围采摘装置设计思路

利用机械的凸轮机构、曲柄滑块机构、螺旋结构等组合成手动便携式采摘装置，适用于国内非标准化种植长柄果实的果园，如苹果园、梨园等。具有成本低、操作简单、适合长时间高空作业的特点，果农使用采摘装置可轻松进行高空的水果采摘，采摘过程符合“果蒂取果，轻拿轻放，不伤树枝”的采摘原则，不仅可以保证采摘过程中的安全性和果实的采摘质量，还能提高采摘效率和翌年结果率。

3 便携式高空半球大范围采摘装置的结构及作用

3.1 结构组成

采摘装置由三脚架、伸缩杆、电动推拉杆、果实滑道、采摘夹片组成，结构见图1。

3.2 零部件作用

三脚架（图2）当底座，起支撑、高度调整、采摘装置360°旋轉的作用，利于实现长时间采摘。

1.0～2.5 m的伸缩杆（见图3）用来调整高度，便于采摘不同高度的水果。利用螺旋机构（图4）控制伸缩杆的伸缩量，便于辅助采摘不同位置的水果。

采摘夹片是自主研发采摘的关键装置，运用Solidworks设计及仿真，借助3D打印技术，经过多次调试制作而成。通过凸轮机构和曲柄滑块机构的串联实现加持和采摘功能，采摘速度为3 s/个。其结构见图5。

模拟自行车刹车装置设计的手刹动力装置（见图6），用来控制采摘夹片的开合。

果实滑道（图7）利用弹力织物开口和外网，分阶段对掉落的果实减速，控制水果的下降速度，实现高空水果下落收集。

高空下落的水果，最后通过伞形减震果实收集器（图8）收集。

4 便携式高空半球大范围采摘装置技术性能

装置折叠后总长不超过1.2 m，质量不超过4 kg，便于携带。三脚架、立柱、滑台、伸缩杆的总高度达到4 m，可以满足大多数果园果树的采摘高度。三脚架可以带动整个装置实现圆周方向360°旋转，滑台可控制伸缩杆和采摘夹片在水平线以上0～90°范围，故采摘夹片可到达1.5～4.0 m半球的任意位置，实现高空半球大范围采摘。收集装置可以实现果实迅速下落及收集工作，使用寿命10 a以上。

5 便携式高空半球大范围采摘装置的推广应用前景

5.1 推广应用前景

采摘装置适用于国内非标准化种植的果园，成本低、操作简单、适合长时间高空作业，采摘过程符合“果蒂取果，轻拿轻放，不伤树枝”的原则。装置采用常用的机构与零件，结构简单，采购方便，组装维修容易；全手动操作，不需要任何电源，更安全、可靠，适用范围更广。

5.2 效益分析

采摘只需女工，速度是人工采摘的1.5～2.0倍，装置寿命长，维修容易，成本低，有较大推广价值。目前，样品部分零部件为金属成品，成本在700元左右，批量生产及零部件的材质采用工程塑料，成本及质量大幅降低，有利于大面积推广应用。

参考文献

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