山地刺梨自动采摘机的设计

周江 吴一晨 孙子健 邓静

摘要 刺梨是贵州的特色水果，种植面积和产量居全国之首，然而因其种植环境为山地丘陵，采摘过程基本靠人工完成，效率低、劳动强度高。本研究针对山地刺梨设计了一款自动采摘机，主要由采摘装置、输送装置、移动装置等组成。采摘机集采摘、输送、收集为一体，操作简单、效率高，在很大程度上降低了山地条件下田间作业机械化的难度。

关键词 刺梨；自动化；山地；采摘机

中图分类号 S225   文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2023）06-0074-04

Abstract Rosa roxburghii Tratt is a characteristic fruit in Guizhou Province， with its planting area and output ranking first in China. However， because of its planting environment is mountainous and hilly， the picking process is basically completed by manual， with low efficiency and high labor intensity. In this paper， a roxburgh rose automatic picking machine is designed for the mountain， which is mainly composed of picking device， conveying device， mobile device， etc. Picking machine is simple to operate， set picking， conveying， collecting as a whole， high efficiency， which greatly reduces the difficulty of mechanization of field operations under mountain conditions.

Keywords Rosa roxburghii Tratt; automation; mountainous area; picking machine

刺梨屬于药食两用水果，也被称为山王果、木梨子等。刺梨果实富含维生素、有机酸和多种氨基酸等对人体有益的微量元素，其维生素C含量极高，具有“维C之王”的美称[1]。此外，刺梨还含有多糖、黄酮和超氧化物歧化酶（SOD），具有增强免疫和抗衰老的药理作用[2]。刺梨产业是贵州省巩固脱贫攻坚成果与乡村振兴的12个特色优势产业之一，大力推动刺梨产业高质量发展，有助于农民增收致富[3]。

我国刺梨主要种植于贵州、云南等西南地区，刺梨普遍生长在海拔较高的丘陵地区，受地理环境影响，大中型机械难以进行统一作业[4]。此外，刺梨枝条上布满棘刺，果实表面布满毛刺，且采摘期很短。由于生长环境和采摘作业的复杂性，如何快速采摘是一个难题。目前，刺梨采摘基本靠纯手工或者是使用简单的采摘工具进行辅助采摘。例如，有研究者研发了一款可伸缩便携式刺梨采摘器，通过改变手柄长度进行采摘，手持采摘工具在一定程度上提高了采摘效率，但无法满足机械化采摘的要求[5]。已有的采摘器采摘效果并不理想，存在采摘不彻底、枝条毁坏等问题，而且采摘后仍需人工二次分拣收集打包，采摘效率低，难以满足刺梨产业化、规模化的需求[6]。总体而言，当前刺梨采摘自动化程度还很低。基于对我国现有刺梨采摘机械基本情况及存在问题的分析，本研究设计研发一款集采摘、输送、收集为一体的山地刺梨自动采摘机，对于提高刺梨采摘效率和实现刺梨产业规模化发展具有重要意义。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

刺梨自动采摘机主要由动力源、采摘装置、输送装置、移动装置和转向装置组成。箱体内部设有收集箱，箱体底部安装有滚筒，箱体后侧设有箱门，箱门上也安装有滚筒，便于收集箱的快速抽取移动。箱门左右两侧放置电池A和电池B，箱体后方连接推把。支撑座下方分别设有转向装置和移动装置，支撑座上部安装箱体，箱体两侧设有工作平台，工作平台通过连接件与箱体连接，箱体和工作平台之间设有输送装置，此外工作平台上安装有采摘装置。通过前后驱动装置带动驱动轮转动，实现山地间的快速作业。该采摘机集采摘、输送、收集为一体，能快速实现刺梨的自动采摘和输送，极大地提高了工作效率。整机结构如图1所示。

1.2 工作原理

刺梨自动采摘机的设计目的在于降低工人劳动强度、缩短劳动时间、提高生产效率，保证刺梨适时采摘。具体操作方式如下：

工作时，开启推把上的移动控制开关，电池A开始供电给驱动电机，驱动电机带动交错轴斜齿轮机构运动，交错轴斜齿轮机构带动动力轴转动，动力传导至前驱动轮，前驱动轮转动，完成一次前进移动动作。前进移动过程中若要调整移动方向，则需手动开启推把上的转向控制开关，选择左转或右转开关即可。

当采摘机移动至目的地时，开启推把上的工作控制开关，电池B开始供电给采摘电机和输送电机，采摘装置和输送装置开始工作，旋转爪快速旋转，刺梨在旋转爪的强力牵引与固定爪的拉扯中掉落至工作平台。工作平台具有一定的倾斜角度和曲面弧度，刺梨滚落后会聚集在输送装置前。输送装置上，输送电机带动刮板式输送带运动，动力通过刮板式输送带将刺梨输送至收集箱中，刮板式输送带两旁设有挡板，防止刺梨在输送过程中掉落，完成一次输送动作。

当两侧刺梨采摘完成时或当收集箱装满时，关闭工作控制开关，采摘电机和输送电机停止工作，失去动力的旋转爪和刮板式输送带随后停止运动，采摘动作和输送动作结束。顺时针旋转把手，向外打开并放下箱门，拖出收集箱，箱体会顺着底部与箱门上的滚筒快速移动，打包运走刺梨后再将空的收集箱顺着滚筒推入箱体中，向内合上箱门，逆时针旋转把手，至此完成刺梨的收集。

2 主要工作部件

2.1 动力源

动力源是采摘机的重要工作部件之一，采用目前市场常见的蓄电池作为采摘机的动力源。由于山地作业的局限性，为使采摘机工作时间更长，采摘机装有2块电池，电池A专为采摘机移动提供动力，电池B为采摘电机和输送电机单独提供动力。传统的燃油农机燃油消耗率高，工作时噪音大，排放的废气严重污染环境。与传统燃油农机相比，电动农机具有噪音小、低碳环保、安全可靠等优点。

2.2 采摘装置

采摘装置包括固定爪、旋转爪和锥齿轮，固定爪的轴固定在工作平台，旋转爪的轴贯穿工作平台，连接至工作平台底部的锥齿轮。固定爪齿为单叶片状，旋转爪齿为均匀分布的三叶片状，固定爪和旋转爪安装在工作平台的同一轴线上。旋转爪齿和固定爪齿宽度相同，交错分布于間隔区域，间隔区域的宽度为旋转爪齿宽度。通过旋转爪齿和固定爪齿相互啮合将刺梨从枝条上钩摘下来，脱落至工作平台上，完成刺梨的一次采摘。箱体两侧的采摘装置、工作平台、连接件和输送装置位置对称，尺寸大小一致，很大程度上提升了采摘过程中机器的稳定性。采摘装置如图2所示。

2.3 输送装置

输送装置主要由刮板式传送带和挡板组成，如图3所示。刮板式传送带适合应用于有一定倾角的货物输送。当刺梨掉落至工作平台上面，刮板式传送带将刺梨输送到收集箱。刮板式传送带有效地解决了普通传送带达不到倾斜输送的问题。传送带两边安装有挡板，能在输送刺梨的时候保护刺梨不掉落。

2.4 移动装置

移动装置由动力轴、前驱动轮、交错轴斜齿轮机构组成，动力轴两端安装前驱动轮，在动力轴上设有交错轴斜齿轮机构，交错轴斜齿轮机构连接驱动电机，驱动电机由护套固定在底板上。与直齿轮相比，斜齿轮重合度较大，沿齿宽的齿廓接触线是斜线，因此传动更加平稳，承载能力高，产生的噪声小。

2.5 转向装置

转向机构包括转向拉杆、转向臂、后驱动轮、齿轮齿条机构。转向拉杆两端连接转向臂，转向臂一侧安装后驱动轮，在转向拉杆上设有齿轮齿条机构，齿轮齿条机构连接转向电机，转向电机由护套固定在支撑座上。

前进移动过程中若要调整移动方向，开启推把上的转向控制开关，启动转向电机，转向电机带动齿轮齿条机构运动，动力分别通过转向拉杆和转向臂传导至后驱动轮。选择右转向开关时，转向电机正转，后驱动轮随后向右转向，反之向左转。之后若无需调整移动方向，关闭转向控制开关，转向电机停止工作，转向动作结束。

3 创新点

（1）采摘机集采摘、输送、收集为一体，能够实现刺梨生产作业的自动化精确控制，极大地提高了作业质量。（2）箱体后侧设箱门，箱门和箱体底部安装滚筒，实现收集箱的快速移动，使用方便快捷。（3）工作平台上装有旋转爪和固定爪，通过旋转爪齿与固定爪齿相互啮合，减少了刺梨漏采的情况。（4）通过安装在工作平台上的旋转爪和固定爪实现刺梨的自动采摘，防止了人工采摘时刺梨枝条上棘刺对人员的伤害，极大地降低了采摘时的事故风险及隐患风险。（5）设置输送装置，摘下的刺梨在刮板式输送带的作用下自动输送到箱体中，减少了人工收集刺梨过程，降低了人工成本，提高了工作效率。

4 推广前景

近年来，贵州省大力推动刺梨产业发展，刺梨产业作为巩固脱贫攻坚成果，带动村民增收致富的重要途径，具有极大的经济价值[7]。在企业的带动帮扶下，推出了刺梨糖、刺梨龟苓膏和刺柠吉系列产品，不断提升贵州刺梨产品的知名度和影响力，推动刺梨产业发展。刺梨采摘作为整个生产过程中极其重要的一环，自动采摘方式能够很大程度上提高采摘效率，因此，刺梨采摘装置的市场需求越来越广。该采摘机具有操作简单、体积小、灵活度高、绿色环保、功能多样等优点，具有广阔的推广和应用前景。

5 结语

针对当前人工采摘刺梨的现状，对原有采摘方式进行创新改造，设计了一款集采摘、输送、收集为一体的山地刺梨自动采摘机。通过采摘装置和输送装置，有效提高了刺梨的采摘效率，降低了工人的劳动强度，并且采用蓄电池作为动力来源，相对于传统的燃油农机，更加绿色环保。未来智能农机在刺梨种植、采摘、加工等环节的广泛应用，将会更好地助力贵州刺梨产业的高质量发展。

6 参考文献

[1] 刘娟娟，田密.一种刺梨樱桃复合果汁饮料的研制及稳定性[J].食品工业，2022，43（6）：84-88.

[2] 祝清灿，石亚，孙宜春，等.刺梨鲜果质量标准提升研究[J].中国民族民间医药，2022，31（16）：48-52.

[3] 杨方红，杨邦祝，魏怡冰，等. 贵州刺梨产业发展概述[J].中国食品，2022（14）：130-132.

[4] 罗兵，张建敏.基于TRIZ和AD理论的刺梨采摘机设计研究[J].农机化研究，2023，45（1）：24-29.

[5] 雷倩，杨永发.便携式变径球形刺梨采摘器的设计[J].林业机械与木工设备，2017，45（3）：26-28.

[6] 黄远翔，罗文祥，秦嘉伟，等.一种便捷的刺梨采摘机械设计[J].南方农机，2022，53（16）：26-29.

[7] 郭旭，胡灿，卢小兵，等.贵州省刺梨产业高质量发展问题及对策研究[J].北方园艺，2021（21）：143-151.

（责编：何 艳）

作者简介 周江（1994—），男，重庆开州人，在读硕士。研究方向：职业技术教育。