一种苹果辅助采摘装置的设计

胡天棋，黄圳兵，孙小芳，吴啸天，周 创

（成都理工大学 核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059）

我国是世界第一大苹果生产国和消费国，2019 年我国苹果总产量高达4 200×104t，约占全球总产量的16%。苹果种植业的迅速发展带动了果园机械的市场需求。

苹果采摘作业所需劳动力占整个生产过程所用劳动力的35%～50%，手工采摘的方式不仅效率低下，而且危险系数大。现有的小型辅助采摘机械多采用长杆端部带剪刀或各种形状切片的结构形式。采摘苹果时需要人工手持设备，存在劳动量大、力度不易控制、易伤水果、效率不高等问题。针对目前苹果采摘的现状，开发一种相对高效、劳动量小、不易伤苹果的辅助人工采摘装置。

1 总体设计方案

该采摘装置采用模块化设计方法，总共由四大部分构成：收割装置、伸缩及输送装置、自适应装夹装置、分离与收集装置。

1.1 收割装置

前端采摘部分如图1 所示，螺旋转盘部分采用柔软且不易变形的材料，两装盘底部一侧安装有小刀片。采摘时将壳体开口对准苹果，按下驱动按钮后电机驱动大齿轮，通过齿轮传动驱动轴，轴带动螺旋转盘一起旋转。苹果被压入壳体后受转盘的挤压继续向下运动，直到果枝碰到刀片，转盘继续旋转，随着苹果所处空间的径向尺寸越来越小，果枝所受扭转力矩越来越大，最终刀片会切断果枝从而将果实顺利采摘下来。随后果实将顺着长杆落下，进入存储小车中。

对于其强度要求，做以下验证：我们近似采用空间阿基米德螺线，其坐标方程式为：

以电机安装处为坐标原点，杆底部连接处A 为危险截面，设其空间坐标为（x,y,z），由式（1）（2）及相关模型数据代入可得：A 处的方向向量为（0.41，0.49，0.77）。考虑苹果实际重量及采摘实验，取外边缘受力点B 处扭矩和弯矩M1= 185N·m、M2=379N·m，将 M1及 M2等效投影到 A 处。设 B 坐标为（x',y',z'），根据力矩的空间等效原则有：危险截面A 处扭矩和弯矩分别为：

根据第三强度理论，W 为轴的抗弯截面系数，轴的材料45#钢，[σ]=125MPa,W=πd3/32，代入得 σr=38.9 MPa＜[σ]，故螺旋切割部分强度完全满足要求。

1.2 伸缩及输送装置

滑动杆的伸缩由滑轮组实现，采用两组动滑轮和两组定滑轮的经典组合，通过推手的上下推动，经过定滑轮，带动滑竿在定滑轨内左右运动，从而实现采摘杆的伸缩。

1.3 自适应装夹机构

此结构用于采摘时的对位以及自适应装夹，如图2 所示，采用双旋转自由度万向节，既保证空间旋转自由度，又巧妙的将伸缩部分与底部连接起来，底部为自适应装夹装置，通过滑轨可以任意调节宽度，使其能够装夹在任意的平台上。

1.4 分离机构的设计

通过安装两根呈“八”字形的钢管，简捷有效实现不同大小苹果的分离，苹果落下时，由于重力的作用会自动进入大小相近的通道。

1.5 工作原理

装置的整体结构如图3 所示：

采摘时首先通过推柄伸缩，同时万向节转动长杆进行定位，将圆筒开口对准苹果后，按下按钮驱动电机轴旋转，驱动齿轮，通过齿轮传动带动的双螺旋机构旋转挤压，使刀片切断果枝，苹果被采摘下来并顺着长杆落下，最终进入储存小车中，紧接着可以进行下一次对位采摘。

2 创新点

（1）该装置具有独特的转盘结构，采用双螺旋叶片加刀片的方式切断果枝，不会伤到果实，可以完成机械化、自动化、高效化采摘。

（2）结构模块化，为整个装置提供良好的升级、互换、维护及工程应用环境。

（3）功能可靠，机械设计理论基础与软件分析相结合，充分利用CREO、ANSYS 等软件对其运动状态、受力进行有限元分析，以此来调整优化结构。第一代试验样机表明，该装置传动平稳、工作效率高、操作简便、符合预期设计效果。

3 总结

该辅助采摘机械装置弥补了现有采摘辅助机械装置存在的各种不足，前端采摘部分巧妙地改造了螺旋给料机部分机械结构，设计出双螺旋采摘机构，用以将果实采摘下来，不会伤到果实,有一定创新意义。同时我们将该采摘部分与可伸缩长杆相连，长杆采用滑轮滑块伸缩机构，便于进行采摘对位，末端用万向节连接于小车上，采摘下来的苹果通过长杆进入缓冲装置中，分离后进入小车内，解决了现有辅助采摘装置效率低下等问题。因此该装置具有极大的市场运用前景，对于水果采摘机械化具有很大的意义。