手持背负式水果采摘机的设计

吴永金　王涛　刘帆　王良　车晓毅

摘  要：针对我国南方地区果园地势特殊及水果采摘效率不高的问题，采用手持背负式，设计了一种辅助人工的水果采摘设备，通过试验采摘分析，表明该设备采摘效率较高，设备省时省力且采摘效果良好，满足设计要求。

关键词：手持背负式  水果采摘  效率

中图分类号：S225.93    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）08（a）-0061-03

Abstract： Aiming at the special situation of orchard in the southern part of China and the low efficiency of fruit picking， a hand-held backpack was designed to assist the artificial fruit picking equipment，through the test and picking analysis， it shows that the equipment has high picking efficiency， saves time and labor， and has good picking effect， which meets the design requirements.

Key Words： Hand-held backpack; Fruit picking; Efficiency

中国作为一个水果生产大国，我国每年的水果产量在一亿吨以上，其中以苹果、梨、橙等采摘作业为主的水果产量占到了世界前三[1]。采摘作业所消耗的勞动力占到了整个生产过程的33%～50%[2]。由于我国水果主要分布在南方地区，南方果园多数处于丘陵地带，地面崎岖不平，地势起伏，环境的复杂性高，所以在果实的实际采摘中，大多采用人工采摘。而现在许多果树的高度往往超过人的高度，甚至有的果树高度接近4m，所以需要借助板凳、矮梯等工具上树采摘[3]。由于地形和工具的局限，使得果农在采摘过程中，不仅伴随着安全隐患，而且采摘工作量大且效率低。因此，针对我国水果采摘存在问题，设计了一种省时省力、携带方便、操作简单、作业范围广、采摘收集于一体的辅助人工采摘的手持背负式水果采摘机，可采摘水果有柑橘、梨子、苹果等。

1  手持背负式水果采摘机的结构组成

手持背负式水果采摘机按结构功能可分为采摘装置、收集装置、背负装置、伸缩装置、电机调速装置、采摘头角度调节装置6个部分，主要包括钩杆、锯片、机壳、皮带轮、同步带、电机、电机机壳、连杆、滑块、背带、拉杆、手柄、伸缩杆、舵机调速仪、电调、电池、万向轴承、腰带、伸缩软管（如图1所示）。其中，收集装置固定安装在采摘装置下方，采摘装置安装在伸缩杆顶端，伸缩杆与腰带通过万向轴承连接，伸缩杆可实现无死角旋转。

工作原理：开始采摘前，根据果树的品种、枝条的粗细来调节电机的转速，根据采摘者的体形来调节背带、腰带。采摘时，根据果实不同的位置，调节伸缩杆，通过拉杆快速调节采摘头的角度，用钩杆快速钩取果实的果梗，果梗顺着钩杆滑向锯片，直至被切断。完成果实的采摘后，果实脱落，掉入软管，经由柔性伸缩管缓冲、减速、导向，最终被输送到收集箱。

2  功能与结构设计

2.1 采摘

目前驱动方式主要有人力和电力驱动两种，采摘方式主要有剪切式和锯断式两种。庄逸锋等人[4]设计的背负式水果采摘机，采用人力驱动方式、剪切式采摘方式，结构简单、成本低，但人力驱动消耗人的体力，剪刀有回程，工作连续性较差，没有限位结构，易划伤果实。许书菡[5]设计的便携式摘果器，采用电力驱动方式、剪切式采摘方式，省力，结构较简单、成本较低，但没有限位结构，仍易划伤果实。周燕等人[6]设计的便携式手持水果采摘机，采用电力驱动方式、锯断式采摘方式，结构较简单、成本低，有限位结构，但锯片较难接触到果梗，进行采摘动作。

该设计采用电力驱动方式、锯断式采摘方式，并设计有钩杆，如图2所示。钩杆不仅具有导向限位作用，还可以从树枝中钩出果梗，便于切割。

2.2 收集

果实的采摘质量、采摘效率很大一部分取决于收集装置。何家成等人[7]设计的手持式电动水果采摘机，在采摘装置下，设计一个收集筐，果实下落高度小，很好地保证了采摘质量，但收集一定量的果实后，会增加负重，从而影响采摘效率。马质璞等人[8]设计的一种新型单果采摘器，利用长网兜将采摘好的果实输送至地面，有缓冲效果且效率高，但网兜易与树枝缠绕，树枝也可穿过网兜，划伤果实，不仅给采摘带来不便，也会影响采摘质量。

为此，该设计的收集装置选用伸缩软管，其结构为用帆布包覆螺旋铁丝，从而形成通管，如图3所示。此伸缩软管重量轻、伸缩比大、缓冲性能好，使得采摘动作更灵活、采摘质量更高，能够实现采摘收集一体化。

2.3 背负

长时间进行水果采摘作业，如果只靠手部工作，很容易造成手部的疲劳。为了减小手部的劳动量，设计了背负装置。背负装置采用背带和腰带相结合方式（如图1所示），并增设手柄，充分利用腰部和背部的力量，很大程度上减小手臂支撑的力量，从而达到了减轻使用者身体局部疲劳、便于长时间工作。

2.4 伸缩

果实生长高度不一，低则略高于地面，高可达3m，较低位置的果实人工可轻松完成采摘动作，而高于2m，一般需要借其他工具。为此，该设计设有伸缩装置，既能采摘高处果实，又不影响低处果实的采摘。伸缩装置采用直径不等的薄壁不锈钢管，通过螺旋夹紧连接，结构如图4所示，螺旋固定套与外管固定连接，当压套往下旋时，使螺旋固定套夹紧内管，从而达到固定作用。

2.5 电机调速

由于水果种类不同，以及水果枝条粗细不一，所需要的切割力矩或切割速度也不同，对于一台机器只有单种切割力矩或切割速度来说，采摘的是细枝条水果，切割力矩或切割速度过大，显然浪费电能，影响作业时间;而采摘粗枝条水果，切割力矩或切割速度过小，则无法完成切割。为此，该设计增加了电机调速装置，以实现电机调速功能。考虑到重量轻、性价比高因素，电机调速装置选用舵机调速仪和电调，共同调节控制电机转速。

2.6 采摘头角度调节

水果采摘时，一般需要保留适当长度的果梗，则采摘时应该尽量使采摘头与果梗垂直，一可便于切割采摘保留合适的果梗长度，二则便于观察。但是果实分布的高度不同，如图5（a）所示，在采摘水果时，采摘头与果梗会形成一个夹角α，在低处采摘水果时，夹角α较大，能保证切割点B高于果梗最长点A，使得采摘后的果梗长度不过长，但是当采摘高处的水果时，夹角α过小，无法保持近似垂直状态，会使得切割点B高于果梗最长点A，使得采摘后的果梗长度过长。为此，如图5（b）所示，本设计设有采摘头角度调节装置，调节采摘头角度，能同时满足高、低处水果采摘的要求。如图6所示，采摘头角度调节装置包括连杆、滑块、拉杆。其中，采摘头、连杆、滑块以及伸缩杆构成曲柄滑块机构，通过拉杆拉支滑块，实现采摘头的角度调节，使采摘质量更好。

3  试验

该设计成品如图7所示，设备使用配戴图如图8所示。该试验以采摘橘子为例，针对生长在不同高度的橘子，使用手持背负式水果采摘机进行采摘，收集到收集箱中。试验过程中，设备具有伸缩功能，可使刀头在一定范围内伸缩，工作范围更广，设备省力，采摘效率较高，采摘效果良好。

4  结语

手持背负式水果采摘机采用背负式设计，电池驱动结合钩杆、可调节刀头、采摘收集一体化和伸缩功能，设备采摘效率较高，作业省时省力，能适应高低生长的水果采摘，可广泛应用于南方地区的水果采摘。

参考文献

[1] 农业部.2009年世界主要国家豆类、蔬菜、水果产量[J].世界农业，2012（1）：103-104.

[2] Sanders KF.Orange harvesting systems review[J].Biosystems Engineering，2005，90（2）：115-125.

[3] 趙红.便携式高空半球大范围采摘装置[J].农业装备技术，2018，44（5）：10-16.

[4] 庄逸锋，严斌，李晓锟，等.背负式水果采摘机设计[J].林业机械与木工设备，2018，46（5）：41-48.

[5] 许书菡.便携式摘果器[J].中国新技术新产品，2016（19）：165-166.

[6] 周燕，冯宇鹏，李炎林，等.便携式手持水果采摘机[J].南方农机，2017，48（24）：42-43.

[7] 何家成，段文婷，李凤佳，等.手持式电动水果采摘机设计[J].安徽农业科学，2013，41（25）：10557-10559.

[8] 马质璞，张抗，谭骥，等.一种新型单果采摘器的设计[J].机械设计与制造，2017（5）：252-255.