基于公共利益的纯机械拉线式水果采摘器设计

汪瑞 沈伟豪 宋吉明

关键词：公共利益 纯机械 采摘 创新设计 线

引言

随着人们的精神生活品质和文化水平的稳步提高，饮食条件和食品质量的越发优越，消费水平也有了明显提升，水果成为了必备的食品。继粮食、蔬菜之后第三大农作物，水果成为了我国重要的经济作物，在国民经济中具有了重要的地位。自我国在1978年的农业优惠政策开始实行，我国果业得到飞跃成長。据《三农中国》栏目报道，苹果仍然是我国最主要的食用水果品种，种植面积和产量均居世界第一位。我国虽然是世界第一大水果消费和出口国，但是，我国的水果采摘机械化水平还处于起步阶段，水果收摘过程机械化规范程度低。机械化采摘带来的成本过高，大部分果民无法承担;人工采摘较为不便，目前虽然已经出现一些矮株化果园，但还是有部分水果需要依靠梯子才能实现采摘，具有一定的危险性，人工采摘的效率提升空间有限，采用机械化采摘可以提高效率。

一、产品的必要性分析

（一）对市场的重要性分析

目前我国果园机械化技术水平总体较低，由于各地区的地理环境和经济发展水平的明显差异，以及对如何发展我国果园彩照机械化的认识不同，不同地区的果园经营管理者的机械化产业水平仍然存在较大差异。现在我国市面上的大型水果电子采摘器具品种繁多，己经成功申请专利的仅二十个左右，每个产品各有特点，价格大相径庭，人们有很多产品选择的余地：电动、手动、自动。但是大多数产品体积比较笨重。随着我国劳动力成本的不断提高，只有大型果园才能有能力直接购买大型水果采摘机器。这种大型采摘机器价格都很贵，中小型水果种植户不得不面对水果采摘机器成本过高的问题。帮助中小果农通过这种低成本的采摘装置在有限时间内降低采摘强度和提高效率，成为企业急需解决的技术问题。这些具备高效、经济、便携、价格低廉等优势的水果采摘机器在国际市场上还较少。目前市场上已开始出现的水果采摘器械相对落后，竞争力和舒适性都不强。

高空水果采摘器是一种辅助人工进行采摘的小型采摘装置，市场上已有多种类型的产品销售，对目前国内市场上现有产品及其性能分析见图1所示。

图1左边产品通过果农按住握把，拉动钢丝带动机械手收缩，抓住水果。产品上端为三根手指能够较好的抓住水果，但将水果摘下需要果农用力下拉，且没有收集装置，摘一个放一个需要消耗更多的时间。

图1右边产品通过将水果卡在两齿间，下拉杆子使水果掉落。产品增加了收集装置，但是收集时水果之间会产生碰撞，水果有可能会被撞坏，收集装置空间有限，只能收集少量的水果，并且增加了采摘的困难度，需要更多的时间用于采摘。

通过对国内的采摘机械的研究，总结得出面积较大果园可以实施大机械化和智能化以降低劳动强度和提高效率。市场上现有的小型水果采摘器还存在很多问题，相比之下，纯机械拉线式高空水果采摘器更适宜小型经营模式和旋游业中的农家摘果。结构简单，适应能力强，价格适中。

（二）对果农的必要性分析

公共利益就是个人利益的集合，但是在一定空间里，人不是单独存在的，是在特定集体中，要满足个人利益，就要把个人利益融入公共利益中。公共利益的实现，就能直接或者间接的使个人利益得到满足，在果树种植生产中，保证果农个人利益也是实现公共利益的基础。在水果采摘期，髙效、保质保量的采摘下水果，能够提高果农的收入。一种不需要爬树或者借助其他攀登设施，站在地上直接能够可以摘到高处果树上任何位置的水果采摘器是果农的基本需求。防止在采摘的过程中被蚊虫叮咬或者树枝划破皮肤。在采摘园中无论大人小孩都可以操作采摘，且对人、果品、树木造成无伤害，有效地节约采摘的成本，是果农的必要需求。

二、纯机械拉线式高空水果采摘器的设计思路

基于以上对市场重要性和果农必要性的分析，再结合现有同类型产品的性能比较，针对功能单一、实际应用效果差、效率低等问题，创新设计了一款辅助人工采摘收集的纯机械拉线式高空水果采摘器。该产品的机械设计流程图如图2示。

如图2所示，同类产品对比发现，市场上现有的水果采摘工具尚且不能满足果园大规模的采摘的需要，再加上对市场的充分调研，认清产品定位，准确了解果农的需求，最后决定进行机械创新设计。设计主要包括以下三个部分：创新功能、采摘系统和采摘原理。创新功能主要有采摘收集相结合和收缩旋转相结合两点，具备了这两个结合才能有完善的采摘功能，提高采收的效率。采摘系统是运用剥线钳原理，使得弹簧与齿轮先后作用，这样更有利于采摘。采摘原理是具体把握人手力道及位置、握把形状、线的粗细和机械手的相对运动分析，用纯机械的方式来精确控制，最终形成纯机械拉线式的高空水果采摘器。

三、机械拉线式高空水果采摘器的性能指标及价值

（一）性能指标

从人机关系的角度出发进行设计，设计出“拉线式”采摘器，从而较好地解决了问题。同时，我们也遵循“原理简单、结构紧凑、控制方便、可操作性强、新颖”的设计理念，将创意设计逐步完善。

在背景分析的基础上，我们提出了三项设计基本目标：一是结构简单，体形小的机械机构方便多数果农进行采摘，方便携带和操作。二是成本低，做到物美价廉，整体结构设计舒适美观。三是节能环保，在能方便果农采摘的前提下不使用电能。

设计流程如图3所示，在对果农的需求进行分析的基础上，进行功能设计，采摘器需要具备方便使用、效率高、成本适当这些特点。再进一步进行技术设计，三维建模形成采摘器的大致外观，接下来就是加工制作和装配调试阶段，在调试的过程中反复进行优化，最后形成作品。

（二）主要价值

从目前的果树采摘机器进行分析，对采摘机械进行价值分析。可以从核心价值、次要价值和附加值进行分析。

核心价值，从对市场和实地果农采摘过程中分析，获得采摘机器最备受关注的是方便快捷，能够提升果农的采摘效率。安全，果农在采摘过程中面临着或大或小的采摘危险系数。功能，果树在结果实的整个时段比较长，在果农最理想的工具是能够通用，使机械具有价值空间不会闲置。机械拉线式水果采摘器的操作简单，果农不会有任何的负担。价格在果农能够接受的范围，并不会因为使用机械造成没有利润。

次要价值，外观。农业方面的外观设计一般都是被轻视的，并不是果农对外观没有需求。设计造型，考虑维修和维护的方便性，并不是裸露的造型，会使果农更方便更安全。

附加值，拉线功能对果农有很大的帮助，不添加此功能果农仍然可以继续使用劳作。机械拉线式设计能够减轻果农的劳动负担，提高劳动效率，省时省力。

四、机械拉线式水果采摘器的设計方案

（一）结构设计

采摘器由采摘和收集两部分组成，采摘部分由握把、旋转机构、抓取机构组成，其结构如图4所示;收集部分由传送收集机构组成，其结构如图5所示。

（二）抓取机构的设计

采摘器的抓取机构设计来源与人的手指，通过对手指的观察分析、三维建模、理论分析计算以及实物调试不断的进行改进。抓取机构的材料总共进行了两次升级，最开始是准备采取金属材质制作，但是经过分析发现金属抓夹过于笨重，不符合果农对于采摘器轻巧便捷的需求，所以进行了第一次升级，将亚克力加工成方形，另加小零件进行限位，指关节之间用滚动轴承以及钢丝进行连接，制作完成后的调试阶段出现问题：由于机械手过重，不能很好地收紧，导致抓不住水果。最后，在经历了前两次失败后，选择运用3D打印技术进行制作，节省时间，大大减轻了抓夹的重量，设计与人的手指更相近，能够更好地抓住水果，从亚克力材质到3D打印技术的变化如图6所示。

3D 打印作为高端增材制造概念的一种延伸，与传统减材工艺有一定区别。传统减材工艺是在对材料进行锻造后，应用适当的材料，制作成一定样式的工艺产品。3D 打印技术则是在三维建模的基础上，进行切片操作，使用 3D打印机按照顺序依次制造产品。3D 打印技术创新应用可从根本上减少机械制造零件的前期准备、检测及更换时间，也减轻了工作人员进行产品模拟制造所需要消耗的时间，以此实行零件产品大规模、快速生产，从而为产品质量与精度提供保障。此外，将 3D 打印技术合理应用于机械制造中，可有效增强各种零部件产品加工速度，使其优势特征得到充分发挥。在产品生产加工中也能够减少质量缺陷问题，控制劣质产品存在数量，保证其质量安全。3D打印技术的运用可以有效降低抓夹的制造成本，使得企业可以用较低的成本获得较高的利润。由于制作工艺较为复杂，传统机械制造企业需要投入很高的人力、物力和财力和时间进行锻造、打磨、抛光等，而使用 3D 打印技术，只要工作人员在计算机设备上事先设置好制造加工程序，就能够自动完成加工制造目标，既提高了工作效率，也节约了生产成本。

（三）伸缩旋转机构的设计

弹簧有以下几点作用：一是控制机械的运动，如内燃机中的阀门弹簧、离合器中的控制弹簧等。二是吸收振动和冲击能量，如汽车、火车车厢下的缓冲弹簧、联轴器中的吸振弹簧等。三是储存及输出能量作为动力，如钟表弹簧、枪械中的弹簧等。通过一系列分析，选用压缩弹簧作为伸缩机构储存及收缩能量的动力来源。载荷与变形之比称为弹簧刚度，刚度越大，则弹簧越硬。弹簧在受载时能产生较大的弹性变形，把机械功或动能转化为变形能，而卸载后弹簧的变形消失并回复原状，将变形能转化为机械功或动能。

通过理论分析计算得出弹簧以及齿轮的规格，三维建模模拟其运动以及实际的运动设计出双线绕法，控制弹簧伸缩的线在运动前呈紧绷状态，控制齿轮旋转的线呈松弛状态，拉动时弹簧先收缩，控制齿轮的线紧绷之后齿轮旋转，采摘完成。抓取机构的伸展和收缩状态如图7所示。

（四）传动方式的选择

传动方式主要有三种，第一种是连杆转动，这种方式的优点是传动时受到单位面积上的压力较小，且有利于润滑，所以磨损较轻，寿命较长;接触面多为圆柱面或平面，制造加工简单，易获得较高的精度;低副承载能力强。缺点是惯性力难以平衡（构件作往复运动和平面运动），易产生动载荷;设计复杂;积累误差（低副间存在间隙），效率低。第二种方式是齿轮齿条传动，这种方式瞬间传动比准确;传动效率高;结构紧凑;可靠、稳定、寿命长。但是，由于制造精度较高，维修和维护成本也较高。第三种方式是线传动，这种方式价格低廉;传动效率高;空间小;易加工。承受载荷小和寿命短是其缺点。

综合上述三种传动方式的对比，线传动对于实现装置的功能来说更为适合，设计制造了“拉线式”水果采摘器。“拉线式”水果采摘器最大的特点是结构简单，操作简单，重量轻便，通用性，多功能，可以适用于树冠上多方位，各种形状，大小不一的果实的采摘。采摘机器的创新点主要在多功能，通用性。

五、创新点及应用

（一）主要创新点

1.采摘器的传动、限位等使用纯机械进行控制，更好地实现了机械手手指的弯曲，力的转化等功能;控制精确，增加了机构的可靠性。

2.采摘部分利用线进行传动，采用双线绕法，实现装置先收缩后旋转的功能;将旋转和伸缩相结合，设计新颖，实现了一绳两用。

3.采摘器采用机械手弯曲、下移、旋转的动作来采摘水果，达到可采摘多种水果的目的，采摘完成后，水果通过传送机构到达收集装置，实现收集;将采摘和收集相结合，节省了收集的时间。

4.结构简单可靠，造价较低，易于复制生产，市场推广度较高。

（二）推广应用

1.人在采摘时，只需要按下握把，就能实现将水果摘下并收集的功能，操作简单，适用于大多数果农进行使用。

2.采摘器利用线传动，设计新颖，机械手采摘时动作多样化，可采摘多种水果，应用范围广。

3.采摘器采用空心铝管作为主要材料，使用3D打印技术，造价成本低，具有良好的市场推广价值。

六、基于公共利益的果园机械化发展思路

（一）加强果园机械化发展的战略支持实施现代果园管理机械化工程，既是提升当前我国现代果园农业管理机械装备技术研发生产水平的重要战略举措，也是贯彻落实党和政府关于加快解决“三农”突出问题，建设我国社会主义小康新农村的一条重要途径。因此，各省市各类涉农企业科研项目中，都认为应优先考虑进行果园管理机械化工程技术与管理装备的研发立项，为国家发展农业战略的具体实施营造一个良好的外部环境。

（二）促进果园机械技术发展在充分发挥各级政府部门引导支持作用的同时，还建议应积极争取国家技改资金、国家中小企业科技创新扶持基金、农业重点科技成果奖励转化金等资金，重点鼓励支持一批农业技术含量高、市场前景好、对乡村农户增收带动促进作用大的农业机械装备生产企业与创新项目;农村相关农技龙头企业也有需要通过建立相应的科技开发扶持基金，提高龙头企业自我整合发展创新能力，积极参与农业关键技术项目攻关和新技术产品开发，提升农村果园农业机械化装备生产技术水平。

（三）实施分区域发展战略各地的自然条件和经济社会发展条件差异很大，需要针对不同地区，提出不同区域果园机械化产业发展要求。对于经济发达农村地区，在果园经营管理各个环节可以实现全程果园机械化;对于经济发展水平落后的一些地区，可通过重点建设农业水果原料商品化加工处理的龙头企业，在果园水果原料商品化加工处理的一些主要环节实现全程机械化。此外，为了积极探索不同地区水果原料商品化加工处理与水果机械化加工的融合发展新路子，应重点开展水果原料商品化加工处理和水果机械化加工处理工作的示范试点，以点带面，形成一个具有综合性的示范产业网络。

（四）完善果园机械检测标准与技术规程的制订实施要加快实现我国由果园水果生产大国转型到果园水果加工强国的转变，最根本的一点就是必须要加快建立一个完善的果园企业机械化备和生产技术标准管理体系。因此，要积极探索采用相关国际标准，制订、修订和完善果园机械装备和生产技术的相关国家标准和相关行业标准，鼓励国内相关水果企业研究制订一些高于相关国际标准的水果企业生产标准。同时还要加快建立产品质量标准检测管理体系和产品质量合格认证管理体系。通过上述以下几个关键方面的研究工作，使目前我国果园水果加工产业的质量标准与相关国际标准完全接轨。

结论

设计水果采摘器的初衷是为了可以帮助果农提高采摘的效率，使机械化采摘能够进一步发展，从满足个人利益以促进公共利益的实现，设计灵感来源于对采摘过程的观察，我们实地采摘，不断地感受采摘的过程，将动作逐步分解记录，再结合专业知识进行理论分析，最终创新设计出该款采摘器。

纯机械拉线式高空水果采摘器是一种实用性的设计，是一种解决果农采摘果树高处困难的创新性设计，因其他用途的广泛性。设计遵循两大原则（1）简单方便可操作性原则：果树采摘机器目标人群是给文化水平相对较低的果农设计，不具有备专业的机械知识，因此首先的要求果树采摘机器操作简单不复雜，必须具备可靠性和操作间单两大特点。（2）实用经济型原则：在可操作的原则的基础上，整个设计要控制成本。在我国水果产业是一个体经营为主，考虑到经济实惠，果树采摘机器的价格要适当，果农能够接受的价格，这样果树采摘器才会惠于民。

我国是水果生产及消费大国，每当面临水果收获季节时，劳动力短缺，水果的采摘成为大问题。因此，对水果采摘装置进行研究有极大的应用价值。水果采摘方法随着科学技术的发展已上升到一个新的高度，机械化技术为水果采摘的高效发展提供了先进的方法，使得纯机械的拉线式高空水果采摘成为可能，具有较好的应用前景，也为设计人员从事水果采摘器的设计、改进和新品开发提供了范本。通过有效地解决我国蔬菜丰收采摘期和生产关键季节以及农村劳动力粮食资源严重短缺等突出农业问题，进一步有效地实现了我国现代蔬菜农机化与产业化相结合，缓解了当前我国广大农民投入农业粮食生产与农村市场经济融合发展巨大压力，进而有效地促进了我们中国家庭和国民经济的健康稳定发展。