小型单手柑橘采摘装置＊

吴柯依，胡雨杭



小型单手柑橘采摘装置＊

吴柯依，胡雨杭

（武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070）

随着农业技术的发展，我国柑橘产量逐年增高，但与之不匹配的是，我国柑橘采摘仍以人工采摘为主。在采摘过程中，为了防止橘皮被撕破，果农采用双手剪的方式进行采摘，效率不高。对此，设计了一种新型的单手柑橘采摘装置，提高果农的采摘效率。该设计通过导杆机构、多杆增力机构等机构的组合，将手腕的转动转变为剪刀的剪切动作，实现单手采摘柑橘的功能；通过调整剪刀架的相对位置，比较快速地实现左右手互换，方便不同用手习惯的操作者使用；通过人因分析及设计，降低采摘过程中的肌体疲劳，使采摘工作更加舒适、安全、高效。

柑橘；采摘装置；调节杆；剪切机构

1 作品背景及意义

随着科技的发展，我国农业发展水平不断提高，各种农作物的产量不断增加。以柑橘为例，近几年我国柑橘产业持续发展，柑橘产量和种植面积逐年增加，我国的柑橘种植面积和年产量常年位居世界第一。而我国的柑橘种植仍以手工采摘为主，未实现大规模自动化采收，给农户们的采收带来了繁重的劳动。此外，现行采摘需双手配合使用，采摘范围相对较小，且在采摘的同时无法进行如提篮等其他工作，也限制了采摘效率的提高。基于以上背景，本项目组设计了这一款小型单手柑橘采摘装置。

2 作品方案设计

装置为单手佩戴装置，手腕转动时通过机构带动剪刀完成采摘水果的动作。装置采用八杆增力机构，通过对杆件长度的设计，可以实现较大的增力效果，定性好，同时，也能很好地满足我们的功能要求，操作方便，加工也不复杂。

转动剪切方案参考果农普遍使用的果柄剪，刀片前端呈月牙形，以防止剪切时果柄向外滑动。有两块刀片，一块为固定刀片，另一块为活动刀片，工作时活动刀片绕支点转动，完成剪切。经过对刀片形状的修改，使其能很好地满足果农对采摘功能的要求，便于加工，同时方便整体机构的设计。产品方案设计如图1所示。

3 作品整体介绍

装置使用流程如下：用户将装置佩戴完毕后，转动调节机构，使装置处于合适的初始位置；调整完毕后，用户确定橘子的位置，单手握住橘子，转动手腕，剪下橘子，橘子落入手中，将橘子放在篮子中后，完成采摘；反向转动手腕，装置复位，用户进行下一次采摘。由于人手大小的差异，装置佩戴在不同人手上时，连接滑块在滑轨上的初始位置会发生变化，造成使用不适甚至影响功能的正常实现，因此，设计调节杆调节连接滑块的初始位置。具体流程如图2所示。

图1 产品方案设计图

图2 采摘流程

4 作品机构设计

4.1 第一级传动机构

第一级传动机构为导杆机构，其作用是将人手腕的转动作为原动力传输给下一级机构中，手腕固定套通过固定绑带固定在手臂上，手掌底板通过固定手套固定在手掌上。调节杆两端分别与手腕固定套以及手掌底板上的连接滑块铰接。为了不限制手腕转动与左右摆动，铰接处采用鱼眼轴承进行连接。当手掌绕手腕转动时，带动连接滑块滑动，将手腕的转动输入至第二级传动机构。

4.2 第二级传动机构

各杆之间采用销进行铰接，连接滑块下方开槽，且安装有两个直线轴承与光轴配合，可以减少滑块的滑动摩擦力。工作时，第一级传动机构的连接滑块滑动，带动杆逆时针转动，另一杆顺时针转动，通过杆推动滑块（连活动刀片）滑动，将动力传递至剪切机构。

4.3 剪切机构

剪切机构的作用是将果梗剪短，为曲柄滑块机构，机构由固定刀片、活动刀片、连接杆以及刀架滑块组成。多连杆增力机构将动力传至刀架滑块后，刀架滑块滑动带动活动刀片逆时针转动，完成剪切。活动刀片利用杠杆原理对传入的动力进行第三级放大。为了实现用户握住橘子时橘梗自然落入剪切机构内的功能，装置对刀片的形状进行了设计。刀片的基本形状参考果农使用的月牙形状的剪刀，防止剪切时果梗向外滑动；同时将固定刀片做成反“S”状，以增大剪切机构的张口，方便果梗进入剪切机构。

4.4 调节机构

调节机构的作用是调节连接滑块的初始位置，为双向螺旋传动机构。

5 作品人因设计

5.1 轻量化设计

为了降低装置的质量，对作品进行了轻量化设计。

对于精度与强度要求不高的零件，采用工程塑料制作。而对于有精度与强度要求的金属件，在满足精度与强度的要求下，采用质量较轻的铝合金制作，并尽可能多地去除无用材料。最终，装置的整体质量为300 g，与市场上通用尺寸的果枝剪质量相当。

5.2 左右手互换功能设计

为了适应左右手互换的功能，设计了左右手互换的功能，从而使装置能够根据佩戴的手的不同自由切换形态。其中，手掌底板与底座之间采用凸台与凹槽的配合进行定位，并采用挡片进行限位，刀架底板与手掌底板之间通过定位销进行定位与限位。设计左右手互换的功能，除了适应不同用手习惯的人群以外，也方便装置的生产与销售。对于厂家而言，装置无需成套生产，简化了生产流程；对于用户而言，可根据自己需要购买任意数量装置，而无需成套购买。

5.3 作品疲劳程度仿真

为了对比用户使用本设计采摘与传统采摘方式之间疲劳程度的区别，项目利用Jack软件对采摘进行了整体作业分析，并与传统采摘方式整体作业分析的仿真结果进行对比。由仿真结果可知，作品采摘方式将采摘负荷集中在单边肩关节以及腕关节，而传统的采摘方式在双边肩关节、腕关节均有负荷，因此，用本设计采摘的采摘总负荷减少。而单手采摘方式虽然增加了腕关节的负荷，但腕关节在此采摘过程中处于安全状态。

6 尺寸计算

本装置以人机工程学中人群手部的平均尺寸数据为依据进行设计，主要以男性人群尺寸为标准，以适应于大部分人使用，在部分需要人与机械协同的部件尺寸上设计了调节机构使装置贴合人手。

通过查阅相关数据，确定手部与柑橘的相关平均尺寸，具体如表1所示。

表1 手部与柑橘的相关平均尺寸

类型手掌宽度手掌长度柑橘直径桔梗直径 尺寸/mm967860～803

7 项目效益分析

原采摘流程所需时间，经实地测算为6.05 s；本作品单手采摘流程所需时间，经实地测算为3.75 s；可得出采摘效率提升38%.

装置除了直接简化采摘流程，提高采摘效率以外，使用单手代替双手采摘，也扩大了采摘范围，采摘范围扩大100%，间接提高了采摘效率。

8 项目创新点

本作品创新之处主要体现在以下3个方面：①巧妙地对多连杆机构进行组合，在有限的空间里将手腕的转动转化为刀具的剪切，实现单手采摘柑橘的功能，提高采摘效率；②装置可实现左右手使用状态的切换，满足不同用手习惯用户的需求；③作品对装置进行一系列人因设计，使装置佩戴舒适，降低采摘过程中的肌体疲劳。

9 应用前景

本作品针对柑橘采摘过程中出现的问题，设计出一种可以单手采摘柑橘的装置，减少人的工作量，提高了采摘效率，节约采摘成本。本装置也可采摘其他的带梗水果，诸如苹果、梨等都可以使用，装置的使用范围广。目前市场上未见同类产品，也未见与本作品相似的发明专利，而本产品设计简单巧妙，生产销售方便，市场前景广阔。此外，作品人机协同采摘的理念可广泛应用于其他水果的采摘过程之中，为其他小型辅助采摘设备的设计提供参考。

［1］唐增宝，常建娥.机械设计课程设计［M］.武汉：华中科技大学出版社，2007.

［2］彭文生，李志明.机械设计［M］.第2版.北京：高等教育出版社，2008.

［3］黎明发，张开银.材料力学［M］.北京：科学出版社，2007.

［4］成大先.机械设计图册［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［5］杨家军.机械创新设计技术［M］.北京：科学出版社，2008.

［6］朱金生，凌云.机械设计使用机构运动仿真图解［M］.第2版.北京：电子工业出版社，2013.

国家大学生创新创业训练计划（编号：201810497046）

2095－6835（2019）03－0084－02

S225.93

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.084

〔编辑：张思楠〕