一种智能可控柑橘采摘剪的设计

高宇杭 邬明良 李泉良 游业豪 王利红

摘 要：我国柑橘种植面积和产量均居世界之首，其采摘大多仍依靠人工用剪刀采摘完成。针对人工采摘柑橘过程中存在的采摘时间长、劳动强度大及不能持续采摘致使采摘效率低的问题，本文设计了一种智能的“一橘一动”手持式可控自动剪，减轻人工采摘柑橘时的疲劳。该装置重量轻、体积小、结构简单、成本低廉、使用方便。

关键词：柑橘采摘剪;手持式电动剪;触动开关

中图分类号：S225.93 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）10-0027-04

Abstract： Citrus acreage and production in China ranks first in the world， most of the citrus picking process still depends on manual picking with scissors. In order to solve the problems of long picking time， high labor intensity and unsustainable picking in the process of artificial picking of citrus， an intelligent "one-move" hand-held controllable automatic shear was designed to alleviate the fatigue of artificial picking of citrus. The device has the advantages of light weight， small volume， simple structure， low cost and convenient use.

Keywords： citrus picking scissors;hand-held electric scissors;touch switches

1 绪论

1.1 问题的提出

现阶段，柑橘的采摘仍依靠人工完成。而长时间劳作容易导致采摘人员身体疲劳，影响采摘效率。此外，部分品种的柑橘主要生长在丘陵和高山地区，地面有斜坡，基础设施条件差，无法使用大型的交通运输工具，因此，柑橘采摘后的运输也成为亟待解决的问题之一。为满足果农的采摘需求，提高劳动生产率，降低劳動成本，解决采摘装置缺乏和劳动力短缺等问题，半自动化采摘装备的研制和技术突破成为当前需要解决的主要问题。

1.2 水果采摘机械国内外研究现状

现有的采摘高处水果的摘果器多为长杆摘果网兜。而采摘低处柑橘或水果的摘果器主要为：剪粗树枝的电动切割机，价格昂贵，目前并未用于柑橘采摘;带视觉识别的机械手臂采摘辣椒的机械装置;依靠吸力将苹果吸取收集的机械装置。

通过调查研究得出国内外水果采摘机械现状为：采用农业机器人和智能化采摘机械是未来发展的趋势，目前学者和专家开展了大量试验研究和技术探索，但实际应用中仍存在技术难题，无法满足市场需求。主要原因是：①采摘机械的试验条件单一和理想化，水果实际生长环境复杂多变，而机械采摘受各种因素影响，无法实现精确采摘;②各水果的培育模式、栽植方式及生产环境存在较大差异，机械采摘收获难度较大;③水果品种多样，果树高低繁茂差异显著，果农过度追求产量和经济利益，采取密植农艺，没有预留机械采摘空间。

1.3 本文的主要内容

针对现有采摘方式和采摘机械存在的不足，结合采摘工人的实际需求，本文设计了一种智能可控的柑橘采摘剪及辅助装置，帮助采摘工人减轻工作强度。设计目标以成本低廉、结实可靠和操作方便灵活。

2 机械结构设计

2.1 设计构想

为了能够剪断果柄，该装置应该有足够大的剪切力;为了能在树枝间灵活操作，该装置应小巧轻便;为了缩短采摘时间，该装置单次剪切动作耗时要短于人工剪切;为了能长时间作业且采摘人员不易疲劳，该装置应该电量足、重量轻[1]。

2.2 运动方案设计

2.2.1 剪刀刀头的设计。为有效将柑橘与树枝分离，且耗时短，又不损伤果皮，该智能可控柑橘采摘剪采用弧刀咬合切割果柄。此款弧形刀头，一个刀头固定，另一个刀头绕轴旋转，切割快速有效，且人工采摘多用类似剪刀。这种剪刀刀头更小更薄，更易剪切果柄，且加工简单，行业发展成熟，成本较低廉、可替换性强。综合考虑经济型性、可替换性和剪切能力等可知，弧刀咬合切割机构更能满足本文的设计需要[1]。

2.2.2 传动机构的设计。因剪刀末端为绕轴旋转的间歇式运动，需要将原动件的圆周运动转变为直线往复运动。该智能可控柑橘辅助采摘剪的工作原理为正弦机构实现循环往复直线运动。该传动方案易于加工制造，能实现力的高效传递，运行平稳。

2.2.3 原动件的设计。该智能可控柑橘采摘剪以伺服电机为原动件，能精确控制旋转角度，提供大扭矩，且重量轻，成本中等。

智能可控柑橘采摘剪的机构运动简图如图1所示，机构自由度计算公式为：

2.3 受力分析与结构设计

2.3.1 切割柑橘果柄力实验。本文选取四川德阳地区的红柑橘树枝做切割力实验，进行了20组对照实验，树枝直径范围为1.5～3.5mm。

陈燕等人[2]的研究得出，切割速度、刀具形式和滑切角均显著影响柑橘果柄的切割力学参数。本实验采用的是平刀刀头，0°滑切角进行实验。因实验在4月份，只能做切割柑橘树枝的实验，与实际切割柑橘果柄存在一定差异。通过实验数据得出，切割3.5mm直径的果柄至少需要40N的力[3]。

2.3.2 正弦机构尺寸确定。通过在SolidWorks中进行运动仿真分析可知，剪刀开合角度20°，导杆3（见图1）的水平位移量为6mm，初步设置曲柄1（见图1）长度为6.75mm，滑块2（见图1）垂直方向的位移量为1.5mm，设计样式如图2所示，详细尺寸参见工程图。

3 控制系统设计

3.1 控制系统的总体设计

本装置为了缩减体积、减轻重量、方便使用，选用Arduino Nano作为控制器;为了减少工人的操作步骤，避免剪刀无效剪切，在刃口处安装了触动开关，当触碰到树枝时才执行剪切动作，并配合一个舵机和电源构成了整个控制系统[4]。

当触动开关检测到果柄接触后输出信号，信号进入Arduino Nano芯片，芯片输出剪切信号给舵机，舵机进行一次旋转动作，带动剪切机构运动，使剪切果柄实现摘果的目的。其控制系统原理框图如图4所示。

3.2 控制模块设计

3.3 触动开关设计

考虑到控制要求、尺寸大小和成本造价，选用ESE22MV21T触动开关作为触发器，此触动开关安装于下刀片。安装位置如图6所示。

3.4 电路设计

本文设计的智能柑橘采摘剪用Arduino Nano作为控制器，ESE22MV21T轻觸触动开关作为触发器，LD-2701舵机作为执行部件。其系统电路原理图如图7所示。

3.5 外接电源设计

为了保证该摘果器重量轻、能耗低，故采用电源与手持装置分离的方式设计。电线长1 140mm，重290g，电量为4 000mAh，额定电压7.4V。配有充电接口、电源开关以及电压过低报警装置，可供电动剪至少连续使用4h[7]。

电源续航时间计算：舵机最大功率为10.25W，控制器与开关最大功率和为0.5W，装置功率10.75W，装置切割一次时间0.32s，切割桔子的速度[V]=40个/min，电源容量4 000mAh额定电压7.4V。

4 外观及辅助装置设计

4.1 外观设计

为了让使用者拥有良好的握持感，使用舒适，手持电动剪外观尺寸如图8所示。

4.2 高层柑橘采摘装置的设计

因人工独自采摘高层柑橘时较困难，设计了相应的方便采摘高层柑橘的装置。该装置可将高层树枝拉到方便采摘的位置，伸缩绳能固定当前树枝的状态，腾出双手，进而继续采摘。使用时，挂钩1拉住树枝，挂钩2勾住收集小车，通过伸缩绳与可伸缩金属杆调节拉过来的树枝与人的距离。可伸缩金属杆最大可伸长350mm，伸缩绳最大可伸长2 000mm，如图9所示[8]。

5 总结

本套装置的性能参数如下：可切割的柑橘果柄直径<3.5mm;剪刀完成一次开合所需时间：0.32s;手持部分重量：180g;电源重量：290g;一次充满电平均使用时长：4h;充电时间：2h;高层柑橘采摘拉杆最高可到达高度：3m。

本套装置在机构设计方面，采用正弦机构将电机的转动变换为往复移动，实现剪刀的摆动。该机构结构紧凑，能实现力的高效传递，且占用空间小;在控制方面，利用安装在刃口处的触动开关，当触碰到树枝才执行剪切动作，避免无效剪切。

本套装置的应用前景：该电动可控采摘剪装置通过人工握持机身、自动感应剪切果柄，较好地解决了果农长时间手工采摘导致身体疲劳及效率低下的问题，能满足普通果农的采摘需求。有较强的适应性，可应用于绝大多数品种的柑橘采摘，也可运用于较细果木的枝叶修剪，配套辅助装置中的高层柑橘采摘拉杆和收集小车，能很好地辅助人工采摘高层柑橘和运输柑橘。大批量生产时，成本低廉，且易于市场推广和销售。

参考文献：

[1]余佳佳，饶洪辉，罗时挺，等.南丰蜜桔机械采摘现状和发展趋势[J].中国农机化学报，2017（2）：135-138.

[2]陈燕，蒋志林，李嘉威，等.基于机器人采摘的柑橘果柄切割力学特性研究[J].河南农业科学，2017（4）：147-150.

[3]张水波.柑橘采摘机器人末端执行器研究[D].杭州：浙江工业大学，2011.

[4]孙桓.机械原理[M].6版.北京：高等教育出版社，2001.

[5]邹慧君，张青.机械原理课程设计手册[M].北京：高等教育出版社，2010.

[6]濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.

[7] Sanders K F. Selective picking head for citrus harvester.[J]. Biosystems Engineering，2005（3）：279-287.

[8] Harrell R C， Adsit P D， Munilla R D， et al. Robotic picking of citrus[J]. Robotica，1990（4）：269.