新型水果采摘器创新设计与研究

孟艳梅 高翔 闫宇洋 马月萌 崔燕 马珂 渠聚鑫

摘要：配置简单，操作便捷。采用伸缩式机械手，臂长可调，适合多种高枝水果，携带方便。不使用时，可手动缩至最短。方向可通过手柄进行调节，调节方式轻松，简单易学，可以采摘各种部位的水果，提高了采摘范围的同时大大提高了采摘效率。手持固定部分有很好的穩定装置的作用，减少采摘器在长期使用过程中引起的操作人员疲劳。使用伸缩式手臂的水果采摘装置可以进行各种类型难摘取的水果采摘，使用范围广，效率高。

关键词：伸缩式机械手臂;采摘器;操纵把手

1  绪论

1.1 选题背景

水果的采摘在整个水果养植期里占有大量的时间比例，在其收获期，其劳动投入约占整个劳动投入的50%-70%，是整个劳动周期内，最为费力的环节，因为果实的采摘是整个养植过程中最后一环，果实收获的质量将直接影响到果实的运输、储藏以及产品的价值，所以在采摘时往往需要大量的劳动力，集中进行采摘，以保证水果质量，水果采摘具有很高的时效性且劳动密集。

由上述分析可知，发明水果采摘的机械辅助结构对于减轻果农的劳动负担、水果采摘效率、降低成本、提高水果品质，以及按时按量的完成采摘任务等方面都有着十分重要的意义。目前我国的水果采摘机械化程度还远远不够，因此项目研究具有非常广阔的应用前景。

1.2 国内外研究现状及应用前景

目前市场上存在的水果采摘设备价格昂贵、采摘类型比较单一操作非常不便。我国对于农业机械化的领导研究较晚，果蔬采摘机械方面的应用非常少，目前还处于起步研究阶段。

从上世纪中期开始，美国、英国、法国等一些先进的西方国家就已经开始进行农业机械化的研究工作，水果采摘类机械研究起步较早。经过多年的研究与发展国外的水果采摘机械化程度不断提高，工作效率与采摘质量也有着明显的提升。许多国家先进的采摘机械在实践中的应用表现非常成功，但存在不足之处是国外先进的水果采摘设备普遍造价较高，作业范围较大，不太适合国内水果种植的情况，所以我们必须设计出符合我国水果种植情况的采摘机械。

1.3 设计内容

设计的主要内容如下：①伸缩式机械手臂：手臂可靠方便地转向和收缩;②采摘器：实现各个方向水果准确安全的采摘;③操纵把手：增加整个装置的稳定性，降低采摘员手腕疲劳程度。

2  水果采摘装置的总体设计

2.1 设计原则

基于伸缩式机械手臂的水果采摘器是一种辅助果农采摘水果的机械设计，主要作为是解决人们采摘处于较高位置且枝叶繁茂部位水果采摘困难的问题，由于其用途针对性较强，所以在设计时主要遵循以下两大设计原则：①操作方便性原则：从事果蔬采摘的人员普遍存在知识水平较低、学习能力较差的情况，无法操作较为复杂的机械，且无法处理一般故障问题，因此水果采摘器必须具有操作简单易学且工作可靠的特点。②经济性原则：国内的果农一般以个体小规模种植为主，经济条件较弱，无法负担价格昂贵的机械，因此，在上述操作方便运行可靠的基础之上，机械的价格要求要控制在较低的范围之内，否则，可能较难进行推广。

2.2 总体思路

机械臂水果采摘装置，为手持式机械手臂类型机械，其结构简单、可靠耐用、操作非常简便，由于其特殊设计，长时间操作并不会造成操作者太多的劳动力负担，主要用于高枝较难采摘的圆形水果的采摘作业。主要由可伸缩的变形机械手臂、可旋转的采摘爪、手持固定器组成。

伸缩式的机械手臂分为内外两层，均由不锈钢管组成，中间是空的，可以减轻重量，手臂共分为七节，中间由箍环连接，收缩后长度只有一节的长度，箍环部分还可以进行紧固。同时手臂上安装了操纵把手，手动控制摘爪的开合，进行采摘作业，手臂下端可以与固定部分连接。

采摘爪部下端通过旋转器与机械手臂连接，旋转器的两分别与操纵把手与采摘爪连接，一端由闸绳连接操作把手与伸缩手臂，其链接为活动链接，方便旋转与伸缩，另一由旋转盘与机械手最后一节连接，其为固定连接，旋转盘与采摘爪活动链接，其操作过程中的工作原理与自行车刹车类似。采摘机构由摘爪、摘爪座、旋转盘组成。采摘机构一端与机械手臂相连，另一端与旋转盘活动链接，圆形锯盘固定连接在转轴上。

图1为基于伸缩式机械手臂水果采摘装置的结构示意图。

3  采摘器的设计

3.1 采摘器的设计

采摘器部分主要包括底部的旋转机构与头部的采摘机构组成。采摘机构主要包括摘爪、爪座。摘爪座的一端与旋转器活动链接，可以随时进行各角度旋转，摘爪与瓜座为固定链接。

操作部分主要由闸绳、操纵手把、伸缩手臂组成。操纵手把与伸缩手臂的最底下一截为固定连接，伸缩手臂与另一端的旋转器活动链接。操纵手把由闸绳与摘爪连接，通过闸绳将操纵手把的机械动作传递到摘爪，进行摘取动作，其工作原理类似与自行车刹车系统，闸绳结构类似于自行车刹车线，内部由钢丝绳组成。旋转机构可以随时调整摘爪的方向，以便摘取不同方向，不同位置的水果，由于摘取力度由人手工控制操纵手把进行控制，可以根据水果成熟度和采摘难易程度，调整采摘力度，以保证水果的完整性。

3.2 采摘器的强度校核计算

采摘器采摘的水果尺寸不会太大，一般不会造成强度不够，不过为了保证长时间采摘不会发生变曲与断裂，需进行强度校核，为简化计算步骤，须作以下几点假设：

①假定采摘臂直径相同，简化结构为圆柱梁;

②受力集中在采摘爪的右端;

③忽略扭矩对采摘臂质量的影响;

④假定所有的截荷均通过机械手臂截面的形心（忽略局部扭转产生的影响）。

F为采摘头的总重量和切割水果的力之和，由于进行采摘时主要为上下拉拽，偶尔会有旋转，但转矩基本可以忽略不计。根据其结构、采摘水果时工作状态取值：F=40N，L=150cm=1.5m。

由于在实际进行操作时，采摘器的工作状态可能会受到环境以及工作情况的影响，所以在计算过程中引入安全系数k，由于采摘器在工作时由人操作控制，无动力输出部分，無电力驱动，结构比较简单，所以取k=2～3，结合考虑采摘器在采摘时的最大摘取物的载荷增值与采摘爪在动载荷的作用下会产生疲劳，引入疲劳系数，取值1.4。

结论：采摘头材料及尺寸结构满足强度要求。

4  机械手臂的设计

4.1 尺寸计算

针对采摘对象，果树的高度一般约为3m。机械手臂为内外管结构，内管的长度为1m，外管的长度为1.5m，再加上采摘人员的身高，基本上机械手臂的总长度至少可到3.5m到4m之间。

外管和内管都为空心圆管，外管的外径选用为25mm，厚度为1mm不锈钢管。另内管要嵌套在外管中，因此外管的内径要保证等于或略小于内管外径，从而使结构配合更加稳定、可靠，故内管的外径选用直径为23mm，厚度为1mm的不锈钢管。

4.2 强度校核

伸缩式机械手臂的结构示意图如图2所示。

据图2所示，为了进一步确定机械手臂的设计，特别是其伸缩结构是否符合实际采摘环境下的应用，故进行几点假设：

①机械手臂的结构为细长型，因此要对其进行稳定性校核。原因在于细长杆的失效形式经常表现为稳定性不够;

②机械手臂的受力区域集中在手臂的正上方，对其进行受力分析可知，机械手臂在工作状态时可简化成一端固定一端自由的杆结构，并在进行尺寸计算时以内管尺寸为准;

③忽略在采摘水果的状态下，机械手臂所承受的扭矩、弯矩;

④机械手臂承受的所有内、外载荷均通过截面的形心。

因此，机械手臂结构的受力情况可简化成如图3所示的常见的细长压杆模型。

在图3中，力F为一集中力，其大小等于机械手臂所有结构件的重量以及切割时水果的对其施加的力之和;在此状态下，所产生或存在的转矩、扭矩、外力均可忽略，不用计算。根据机械手臂在采摘过程中的实际应用环境，引入安全校核系数k，根据上述分析，采摘器的工作环境情况较好，取k=2，根据其工作条件，取F=40N，伸缩臂越长，其稳定性也就越差，根据采摘需求及稳定性要求，选取伸缩臂的总长为2.5m。

伸缩式机械手臂的材料为304不锈钢，304不锈钢的抗拉强度≥520MPa，条件屈服强度≥205MPa，伸长率（%）≥40，弹性模量E为186～206GPa，比例极限=280MPa，规定的稳定安全因数为=8～10。

只有当压杆的柔度大于或等于极限值时，欧拉公式校核压杆稳定性才满足使用条件。

所以欧拉公式适用于校核伸缩式机械手臂的稳定性。

结论：伸缩式机械手臂材料及尺寸结构满足强度要求。

5  总结

基于伸缩式机械手臂的水果采摘装置，区别于国外大型全自动化的采摘机械，是一种辅助人工采摘的机械装置，其结构简单、操作方便、可靠耐用且价格低廉，非常适合国内水果种植的现状，能够很好的节省劳动力，减轻果农采摘水果时的劳动强度，提高工作效率，是水果采摘从手工到全自动化机械之间过渡期非常好的补充产品，由于其自身的诸多优点，其推广程度与价值都非常高，一定会成为果农手中的一把利器。

参考文献：

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