新型扭转式苹果辅助采摘装置设计

吴连申 刘友辉 顾鹏 石爱峰 石宝存

摘 要：针对现有辅助采摘工具效率低下、操作不便等问题，提出了一种新型的扭转式苹果辅助采摘装置。该装置通过手柄控制实现抓取动作，借助电机进行扭转采摘，苹果通过管道运输进入收集箱，完成整套采摘苹果过程。该装置将扭转采摘结构，减速传输机构以及防苹果互撞收纳结构相结合，极大的提高了采摘效率、降低了劳动成本以及保障了苹果的质量。

关键词：苹果采摘；辅助装置；机构设计；高效

中图分类号：S225.93 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）18-0067-03

1 引言

水果是果农的重要经济来源，在果实类水果的采摘中，人们需要借助梯子对高处的水果进行采摘，并不时地移动梯子来采摘不同位置的水果，极其麻烦。现在许多果树的高度往往超过人的高度，由于果园地面的不平整，采摘时借助的板凳、短梯等工具不仅有安全隐患还影响了采摘效率。因此采摘作业是一项劳动强度大，消耗时间长，具有一定风险性的作业。

我国水果采摘机械发展缓慢，在此领域起步较晚，随着国外技术的不断创新与提高，我国在此方面也在不断进步。由于地域性，生产模式等各方面的限制，经济性、操作简单、适合山上作业已经成为了我国果农们关注的重点。目前在我国采摘器主要分三种：机械手式采摘器、刀片式采摘器和套筒采摘器。国外的采摘形式主要分为两种：机械式采摘[1]和机器人采摘[2]。但这些采摘方式都存在着一些技术或实用性方面上的问题，不能够满足当前果农们的需求。所以研究开发适合目前生产实际的水果采摘机械不仅很大程度上减轻劳动强度，提高生产效率，而且具有廣阔的市场与应用前景[3]。

2 方案设计分析

在当今水果业快速发展的背景下，简易而不便的采摘装置已难以满足大型果园的采摘效率需求，为减轻果农采摘负担，提高采摘效率，特设计此简便、轻松的苹果采摘装置。实现装置果实采摘、传送、收集一体化的目的。

本产品为一个小型采摘辅助装置，通过扭转、传送、接收，实现苹果整个采摘过程，针对不同高度的苹果，可通过伸缩装置调节杆的长度。该装置采用手柄控制三爪卡手抓取苹果，并借助滚轮保持苹果与卡爪自适应，固定后再通过电机旋转摘取，最后通过运输管道将苹果传送至收集箱。将采摘收集一体化，提高苹果采摘效率。伸缩杆装置确保了本产品对各种高度的果树较强的适应能力，具有高效率、高质量、采摘省力的优点，极其适合推广使用。

3 装置设计结构分析

3.1 伸缩装置

该装置由粗细两管组成，并通过螺旋套借助螺纹连接，可以使杆进行伸缩。为确保在实现抓取的前提下完成伸缩功能，安装收线器并与钢丝绳连接安装在粗管下端，钢丝绳一端连接收线器，另一端通过细管上方内部滑轮后连接在粗管底端把手固定端处。当本产品需要伸缩时，放松螺旋套对杆进行伸缩，而此时的钢丝可通过收线器来匹配、弥补伸缩杆长度的变化量。

3.2 旋转式采摘机械手

如图1所示，三爪卡手的上端装有滚轮，用于抓取时苹果与卡爪自适应，使得苹果不被卡抓尖抓伤；三爪卡手的下端装有横杆，用于三爪卡手放开时，将苹果被横杆从三爪卡手内部推出；三爪卡手的另一端与细钢丝连接，六根细钢丝通过一圆环片收拢；机械手下方接有同步轮，通过同步带以及另一个同步轮与电机连接实现旋转。同步轮下端装有轴套和双列角接触轴承，并用空心牙管穿过，用以使得钢丝可以进入管道；使用推力轴承将旋转运动分离，但是可以传递拉力。考虑到实际加工时，对六根旋转的细钢丝绳固定难度，特在推力轴承下方安装六孔限位片、轴套、六孔定位片，使用一个螺钉和吊环螺母串接起来。借助六孔限位片，将散乱的钢丝合理散开，经过一定距离后，将六根钢丝条固定在六孔定位片上。其中的轴套是为了将限位片与定位片分开，便于实际加工。

三爪卡手的加工设计与分析：为实现采摘装置对苹果的抓取、拉扭采摘功能，根据现有三爪卡手进行改造加工。 当三爪卡手开始抓取苹果时，若卡手没有将苹果包裹一半以上，苹果将借助滚轮从卡手中弹出，防止卡手只将苹果抓一般指尖压伤苹果；若卡手将苹果包裹一半以上，苹果可借助滚轮用以被完全包裹，安全采摘。

为确保三爪卡手对苹果完成抓取，采摘后，松开抓手，苹果能够从卡手中掉入硬管中，特在爪手中间底部加工横杆，用以将苹果从卡手中自然推出。考虑到苹果直径D=80～ 100mm，令r=40mm，L=32mm，横杆L2=20mm，L3=15mm，d2=20mm。以下是针对横杆能否将苹果推出卡手的校核分析，如图2所示：苹果被抓取时，经过实际测量，横杆顶部相互之间的距离为2mm。当卡手在放松状态下，相互间的距离为4.5mm。而苹果的底部平面宽度约为4.5mm，因此横杆足以将苹果推出，确保苹果掉落至硬管，实现传送。为确保采摘省力，在此添加电机带动旋转，通过拉伸扭转复合应力的作用，扭转剪切应力相对于拉应力提高了30%[4]。

3.3 驱动装置

该装置如图3所示，通过在细管的上部打孔安装固定电机架进行安装，在电机架的上部安放直流电机，在电机架的下方细管打孔，将直流电机的线从孔传入，一直到达粗管底端与电源和开关相连。在电源的上部打孔，用来固定开关。为保证电线的可伸缩性，将电线以螺旋形态装入伸缩管中，以保持电线与伸缩杆伸缩保持一致。直流电机的选择：

原始数据：皮带有效拉力F=15N，电机同步轮转速n=2000r/min，电机同步轮直径D=15mm，皮带传动效率η1 =0.96，电机同步轮效率η2=0.97，卡爪同步轮效率η3=0.95，滚动轴承效率η4=0.99。

3.3.1 确定卡爪所需功率Pw

皮带线速度v=m/s。

所需功率Pw=FV=15*1.57=23.55W。

3.3.2 确定传动总效率η

η=η1η2η3η4=0.99x0.97x0.96x0.95=0.88。

3.3.3 选择电机功率Ped

所需电机输出功率==26.76W。

查手册取电机额定功率Ped=30W，对于Ped=30w的直流电机型号如见表1、表2：

3.4 传送管道

如图4所示，该装置由承接硬管、软管和传送硬管组成，并通过卡箍连接。所述软管位于俩硬管中间。

3.4.1 承接硬管的设计

承接硬管上管口沿着轴线切开作为挡板，保证果实掉落至硬管中。硬管的中端设置两个相同的减速装置，用于降低苹果下落的速度，硬管的内部还设有气泡膜。所述的减速装置由一腰形板，气垫，皮筋组成。该减速装置中的腰形板借助合页固定于硬管内侧，用以实现翻转。腰形板表面粘有气泡膜用以对苹果的保护；板上接有皮筋并借助皮筋复位。当把手按下的时候，三爪卡手抓住苹果，然后按动电机驱动按钮，电机旋转，使得苹果从树枝上被扭下来，松开把手，苹果下落至硬管的挡板处，沿着硬管滚到减速装置处的气垫上。由于腰形板受弹簧的拉力，所以使得苹果在腰形板处减速至第二个减速腰形板上，再次减速后掉入之伸缩管中，用以防止苹果下落时损坏减速装置的加工与校核。

3.4.2 伸缩软管的选择

为防止苹果沿管道下降时受到磨损，我们管道中间部位选择使用PU聚氨酯软管。该系列软管采用螺旋弹性钢丝牢固植入管壁，使外部流动性最优化，内部平滑，使流动特性最优化，重量轻且具伸缩性，同时具有耐高压，真空和压缩，高的轴向强度，高抗张强度，和抗撕裂强度；良好的低温伸缩性，弯曲半径小，不易纽结。当苹果沿管道滚落时，因PU聚氨酯管的柔软性，苹果可以无损的沿管道滚落到箱体。同时因其材质良好，管道不会因为自身重力以及苹果下落过程中对管道的压力作用，导致管道下垂，从而使苹果下降过程中速度到达到0，到达不了箱体。基本在采摘过程当中，PU聚氨酯管会沿一定的半抛物线从伸缩杆顶端垂到地面，而不会出现大于半抛物线情况。PU聚氨酯管质量较轻，人长时间托举过程当中，不会对人的手臂造成多大负担。

3.4.3 传送硬管设计

该硬管内部铺有气泡膜，用以对苹果下落时的缓冲与保护。硬管上端通过卡箍与软管连接，下端接入装有水的箱体中。为保证苹果从传送硬管中顺利掉入水中并浮出，特在硬管底部设计安装半圆弧管道。

3.5 箱体设计

箱体（如图5所示）内部放有气泡膜，后用油布包裹。箱子底部铺有厚海绵，当苹果从高处落下，通过管到内部不断缓冲，然后掉入海绵上。海绵给苹果一个缓冲力，用以避免苹果落下时的碰撞损伤。

为便于在果园中箱子的移动，特构建一个可移动框架，将箱子放入框架中。用以确保果园采摘移动的灵活性，同时也可提高搜集箱高度，减少传送时间并降低伸缩杆长度以减轻重量。在框架与箱子的接触部分安装有十字滑台，这使得管道可以在箱子内部前后左右自由移动，这也避免的苹果之间的相互碰撞，可以通过控制滑动来控制苹果下落之后的位置。

3.6 总体实物图

最终的实物展示如图6所示。

4 创新特色

（1）采用拉扭结合的采摘方式，使得采摘过程更省力，且不损伤枝条。

（2）卡爪借助滚轮保证了苹果与卡爪自适应。

（3）使用管道运输，提高采摘效率。

（4）利用水来收集苹果，使得苹果不会受到伤害。

5 结语

该拉扭式苹果采摘装置，采用电机旋转采摘方式，使得采摘即省力又不损伤树木枝干；在卡爪下部装有传送和减速装置使得苹果的质量和采摘效率得到极大的提高；设计装有滑轮的收集箱储存装置，不仅大幅度提高了收集的便利性和储存量，也不用再担心众多苹果的搬用问题；该装置还装有伸缩杆，根据苹果的高低进行伸缩杆的调节，这样也可以解决果农们不断弯腰和踩梯子的烦恼。所以该装置使得目前果农们存在的问题都得以解决，非常适合现在摘苹果市场的需求，大大提高了采摘苹果的效率，保证了苹果的质量，也极大的减轻了果农们的体力负担，具有极大的社会和经济价值，以及广阔的市场与应用前景。

参考文献

[1]鲍官军，荀一，戚利勇，等.机器视觉在黄瓜采摘机器人中的应用研究[J].浙江工业大学学报，2010，38（1）：114-118.

[2]陳翊栋，刘轶.果树气动剪枝机工作原理及现状[J].农业机械，2008，（25）：54-56.

[3]赵占峰，葛松林，韩鹏飞.我国水果业发展中存在的问题及对策[J].烟台果树，2006，（2）：1-3.

[4]王贤民，霍仕武.机械设计[M].北京大学出版社，2012.