手持小型水果采摘器

桂望鹏 李军舟 秦慧敏 熊逸 邓世明 王泽夫

摘要：为了提高采摘水果效率和减轻工人劳动强度，本文设计了一种辅助人工便携式水果采摘器，由伸缩杆、手柄、夹具、电机、网兜组成。该装置创新性地改变加紧夹具的动力。传统的夹具装置都是靠人力来实现加紧，人手的力气越大，夹得越紧。但本装置采用弹簧的弹力来实现加紧，降低工人的劳累程度;电机割茎明显提高采摘效率，高效省力地完成任务;融合类似雨伞架的伸缩杆装置提高其实用性，对于不同高度的水果可任意调整其杆长;同时，杆内的钢丝绳通过自动收绳装置来进行自动调整。该装置适用于采摘有1-2 cm茎长、果实较软、易受损伤的小水果，具有结构简单、成本低廉、操作方便、减轻劳动负担、提高采摘效率等优点。

Abstract： In order to improve the efficiency of fruit picking and reduce the labor intensity of workers， this paper designed a kind of artificial artificial fruit picker， which consists of telescopic rod， handle， clamp， motor and net pocket. The device innovatively changes the power of the clamping fixture. The traditional fixtures are all tightened by manpower. The greater the strength of the man-power， the tighter the grip. However， the device uses the spring force to achieve tightening， reducing the worker's fatigue; the motor cutting stem significantly improves the picking efficiency， and the task is completed efficiently and labor-savingly; the telescopic rod device similar to the umbrella stand improves the practicability， and can be used for fruits of different heights. The rod length is arbitrarily adjusted; at the same time， the wire rope in the rod is automatically adjusted by the automatic rope collecting device. The device is suitable for picking small fruits with stem length of 1-2 cm， soft fruit and easy to be damaged， and has the advantages of simple structure， low cost， convenient operation， reduced labor burden and improved picking efficiency.

关键词：水果采摘;电动刀片切割;防护网兜;发条弹簧;伸缩杆

Key words： fruit picking;electrical blade cutting;protective net pocket;clockwork spring;telescopic rod

中图分类号：TH122                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）17-0102-03

0  引言

我国是农业大国，其中果树业是农业的重要组成部分，果树产值在我国农业中仅次于粮、菜位居第三位。如果全部都靠人力摘取的话，劳动强度大，而且会极大地影响效率，甚至由于水果的采摘期短，不一定能保证水果能在一定时间采摘完毕，所以机械采摘的开发利用具有巨大的经济效益和市场前景。目前应用于果园的辅助性采摘主要有两种形式：一种是机械全自动采摘;另一种是机械辅助半自动采摘[1]。机械全自动采摘即采用机器人对果园果树进行自动采摘，但由于有些地方环境恶劣，地面崎岖不平，所以不适合机器人的移动和运作。故机械辅助半自动采摘成了我们首要研究的话题，也就是人与机械是否可能联手进行快速、精准的采摘操作。本装置主要采用钢丝绳-连杆实现夹具打开和闭合，并用电机驱动刀片切断果茎。弹簧力提供夹紧力，实现快捷省力地采摘。伸缩杆帮助完成任意高度的采摘工作。夹头上附有收集网罩，一次可以摘取水果十个左右。总体而言，本设计基于以人为本的设计理念，以减轻劳动工人的劳累程度、提高工作效率为目的，创新地融合和应用各种常见装置，实现一款新型的小型水果采摘器。

1  国内外研究现状

国外的机械采摘研究以机器人为主，主要用于番茄、黄瓜、草莓、葡萄、苹果、柑橘和蘑菇等采集，以及育苗生产和作物管理等[2]。其中最为突出的为美国，图1为佛罗里达大学研究的橙子采摘機器人，其结构包含有两个相互独立的机器人，一个负责寻找橙子的位置，另一个负责抓取。日本Kawamura等人研制出番茄采摘机器人，其运动装置由4个车轮构成，能在田间行走，而且利用机器人上的光传感器和设置在地头土埂的反射板，可检测前方是否有土埂障碍[3]。西班牙工业自动化研究所也开发了一种人机协作型的采摘机器人Agribot[4]。人机协作型是指机器人的导航和目标定位由操作人员来完成，相比之前的机器视觉寻找，人工定位准确度更高。但这些仍不能满足目前机械采摘的要求，再加上工作环境的复杂性和不确定性，目前采摘机器人的智能化水平还没有达到农业生产的要求，离实用化和商品化还有一定的距离。而我国在移动机器人定位、导航等方面还仍在研究阶段。

对于机械辅助半自动采摘方式，大致可分为如下三种形式：振摇式、撞击式和切割式[6]。振摇式是利用外力使树体或树枝发生振动，使果实产生加速度，从而掉落。撞击式是通过撞击部件直接冲撞果枝;切割式是将树枝或果柄切断使果实与果树分离。其中振摇式是美国早期研究的重点，并在欧美国家中得到了发展和普遍应用。但其采摘的损伤率高，不适用于采摘易损伤的水果。

我国先后研制出与手扶拖拉机配套的机械振动式山楂采果机、气囊式采果器和手持电动采果器[7]。虽然在保护果实不受损伤的方面还没完善，但其效率得到了明显的提高。随后几年我国又开始研究切割型采摘器，如图2，从此水果采摘从人力切割上升到了机械装置采摘的高度，达到了省时省力、对果实损伤小的效果。之后也有了各种辅助工具，如：用于提高工作位置的升降平台，用于收集摘取的水果的网罩。除此之外由于各种水果大小之间的差异以及种植区域地理位置的不同，会对采摘机械提出不同的要求，這就需要采摘机械具有一定的针对性，这就是目前制约采摘机械发展的最关键的问之一。

国内一些小型水果采摘器有很多，各有特点。一种小型水果主要由伸缩杆、弹性绵、卡果器组成，伸缩杆整体，材料用轻质且结实的铝合金制成，而中间的下果器则由高弹性面料构成，这样既能使果子从高处慢慢滑下又能保护果子不受磕碰[8]。这种采摘器主要特点是采摘完毕就可以立即收纳在腰间。但是由于体积庞大，还需佩戴才能工作，使用起来十分麻烦。另外一种已获专利的小型水果高空框装剪刀式采摘器，其创新点是除了采摘水果外，还可以同时测出水果的重量便于装袋。其装置通过称重传感器可以实时的将水果的重量传递到显示屏上进行显示[9]。

后续研发出的一种可换采摘头的装置解决了采摘器功能单一、效率不高的问题，具有采摘头换接方便、长度伸缩自如、可收集计数、成本低等特点，适用于农村小型果园的水果采摘[10]。此装置可以很好实现对不同水果的采摘，也具有良好的实用功能。本文设计也包含上述采摘器的所有功能，同时采用电机切割进一步提高了工作效率。

除此以外，还有两种较好的水果采摘装置：一种是采用自动行走智能采摘水果装置，能实现完全自动化。该装置设有一个移动底座放置在地面上，并设有自动行走装置[11]。此大型智能设备适用于大规模果园，但是对于中小规模的果园和个体农户而言，成本太高，不实用。小规模的果园更适用于类似与本设计的小型机械式采摘器;另外一种比较类似与本产品的采摘机械手，包括采摘机械手、半自适应无级调节伸缩杆和无级传力手柄组成，采摘机械手适用于采摘小型水果，如苹果、桃子等;半自适应无级调节伸缩杆的杆部延长或收缩后由自锁机构将杆体长度固定，自锁机构由偏心轮和胀紧块两部分组成[12]。此装置的设计与结构具有很大的参考意义，实用性也较强。但缺陷是没有收纳装置，而且靠转动夹头扭断果柄，可能存在果柄不断的情况。

2  总体结构和工作原理

2.1 总体结构

本研究所设计的小型水果采摘器的总体结构分为三部分：夹头、伸缩杆、手柄。如图3，这个三个主要部分构成一个完整的采摘装置。在手柄向后拉的过程中，拉力通过钢丝绳传递到伸缩杆末端，继而带动夹头张开;当手柄松开时，钢丝绳在内部弹簧的作用下复原。夹头也随之闭合，然后接通电源，电机开始工作，切断水果的茎。

2.2 工作原理

在摘水果的时候，首先按住收绳装置按钮，调整伸缩杆到合适的高度，然后松开收绳装置按钮，锁死绳长。打开电源总开关，电机开始带动刀片转动。当电机转动时说明装置无故障，可以进行采摘工作。按下手柄，带动杆内的钢丝绳向后运动，压缩弹簧。夹头在钢丝绳的带动下被打开。此时由于传动杆关闭触发开关，电路断路，电机停止工作。等到水果的茎大致落到夹头中心时，松开手柄，茎被加紧。此时，控制电机的触发开关被接通，电机开始工作。旋转刀片切断果实的茎，即果实被摘下来。再次拉动手柄，夹头松开果实的残茎，果实掉入网罩中。这样就完成了一次完整的采摘工作。可以接着采摘下一个果子，等到网罩的水果较满时，便可以进行装袋处理。

3  主要部件设计夹头、伸缩杆和手柄是此水果采摘器的三个主要零部件，分别承担着采集和收集、传动、产生动力的作用。

3.1 夹头

夹头主要由连杆结构组成。传动杆3运动带动连杆运动实现夹具的张开和闭合。固定杆4和套筒5是连成一体的，但是功能有所不同。固定杆4主要是作为支点用来连接连杆2;套筒5用来和伸缩杆连接。图中所示的6位置是用来安装电机的。与其连接的位置7是刀片工作空间，刀片采用普通双刃刀片。网罩，如图3中所示，用来盛装水果，并在网罩里面敷上一层硅胶，用来防止水果收到剧烈的撞击。

3.2 夹头电路系统

如图5所示，此采摘器的电路部分主要集中于夹头以及第三节套筒，为了降低重心，也为了避免线路延伸到手柄处，特将电池位置设置在第三节套筒的末端。首先我们采用充电锂电池，它的优点在于体积可以做的很小，充放电相对安全，很耐用。

电路整体电压电流小，采用的电线可以很细，故设计把电线埋在采摘器的表面，如图6。夹头的活动关节部位电流流通顺序为：电线—金属插销—电线，这样既保证了电路正常也避免了直接用电线长时间会造成电线断裂。在夹头部位电线分成两路（正极和负极），这样做的目的是为了保证电路通路的同时不会短路。

3.3 伸缩杆

伸缩杆由三节组成，适合摘取不同高度的果实。在杆的内部有一个弹簧2，此弹簧用来实现夹具的闭合。收绳装置3是在伸缩杆调整长度时，控制钢丝的长度随着杆的长度变化而变化。这个装置上有一个按钮，只有在按住时，才能改变钢丝的长度，否则钢丝的长度被固定。而且，在收杆时，由于这个装置里设有发条弹簧，可以实现自动收绳。弹头4是在每一节杆伸长之后用来固定杆长的，是模仿雨伞的伸缩杆结构而设计的。槽6是用来放置收绳装置，并且可以让其在沟槽里滑动。这主要是考虑到，在钢丝绳固定死后，如果要拉动手柄，收绳装置可以随着钢丝绳滑动一段距离。

3.4 手柄

套杆装置1是用来伸缩杆长的。支撑把手2作用是提供一个固定的机架，作为支撑点。钢丝绳4与收绳装置连接，起到传动作用。闭口端子5连接钢丝绳的末端，并将其固定在活动把手6上。活动把手6由操作者的手来扳动，提供拉力。

4  适用水果特点

由于此装置的自身提点，它是针对一类具有鲜明特征的水果而研发的，其适用范围有限，是一款专用产品。适用的水果范围如下：樱桃，芒果，枣，荔枝，猕猴桃，车厘子，小番茄，小橘子，小橙子等。这些水果都具有一些相似的特点。

具有這些特点的水果一般都是小水果，但是目前市场上的小水果更受顾客青睐。因此这款产品对采摘小型水果而言十分有帮助，市场前景广阔，将受到大量的水果种植者的喜爱。

5  结论

该机械式小型水果采摘器采用电动和人力共同控制，在连杆机构的作用下，将钢丝绳的平动转化为夹具的转动闭合。通过尺寸和形状方面的修改，该装置达到尽可能的减轻质量，提高使用舒适度，便于携带。此装置通过结合雨伞伸缩杆的装置实现对不同高度水果的采摘，使其在实际操作中相当实用。伸缩杆创新性地融合由发条弹簧构成的收绳装置，实现自动收绳。网罩通过覆盖一层硅胶保护柔软的水果不会受到强烈的撞击。电机的加入使得采摘过程更加的快捷、方便、新型化。

本采摘器在今后的调试与实验中，逐步完善并改进使用舒适度，提高其在实际操作中的实用性;在改进的基础上，采摘器将满足我国南方丘陵地区的采果条件。

参考文献：

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作者简介：桂望鹏（1998-），男，湖北黄冈人，本科生;刘昌明（通讯作者）（1983-），男，山东威海人，副教授。