多功能果实采摘器设计

郭雄　邓庭超　谢智琛　邓雄明　彭康双

[摘要]为了降低粤西地区乔木类水果采摘的工作强度，提高采摘效率，本文通过分析粤西地区乔木果树生长环境，设计了一种适合在野外环境下通过锂电池驱动电机运转的辅助型果实采摘设备。在分析其工作原理的基础上，制成实验样品。该采摘器由伸缩杆、控制开关、行程开关、果袋、直流电机、剪刀片等组成，采摘时，打开电源开关，按动切割键，驱动电机带动剪刀片剪切果梗。装置原型在实际运行中，能采摘与收集高树果实。结果表明，该采摘器能够有效降低劳动强度，提高采摘效率，且通用性强，有望得到广泛应用，服务社会。[关键词]果实采摘器;控制机构;采摘效率

中图分类号：S225

文献标识码：A

DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20190430

粤西地区地形多以丘陵、台地、平原为主，规模小、坡地多，行间郁蔽严重，通行困难，大型机具更难以人园，机械采收难度大"。目前粵西地区多以人工采摘为主，采摘成本较高且效率相对较低。同时粤西地区在果实成熟期易受恶劣天气影响，如若无法迅速采摘，极易给果农带来经济损失。

据调查，目前各国都有公司或研发机构对自动化采摘进行研发，但距离转化成品还有一定的距离，其主要原因是自动识别率低、采摘精确度不高致使效率低。同时目前市场上已有的辅助采摘器，尽管价格低廉，但是采摘效率有限，不很好地降低工作人员的劳动强度。

本文以研究实用化的便携式果实采摘器为目标，通过对采摘工作环境和特性进行深入分析，针对其适用地形，利用Pro/Engineer软件对果实采摘器进行三维设计和仿真装配，设计出由电力驱动的果实采摘器，能够基本解决采摘劳动强度大、效率低等问题，在未来具有一定的发展前景。

1采摘器设计要求

粤西地区果园规模小、果树种植间距小、地形不平整，不适于大型果树采摘机器进人。根据采摘环境及采摘要求，采摘器需要达到以下工作要求：

（1）采摘器制作需要成本低，结构安全性、可靠性高。

（2）采摘器需要能在户外工作，需要具备高续航性，同时重量应该较轻。

（3）采摘器需要具备便携性，应具备可伸缩杆。

（4）为确保采摘水果的质量，需具备柔性管道使果实滑落至果篮。

2采摘器整体结构及工作原理

基于上述要求，本项目设计的采摘器将采用电力驱动，通过点动开关控制电机的通断，进而控制刀片的运动，完成剪切运动。

采摘器结构示意见图1。采摘器主要由执行机构、控制机构、伸缩及运输机构组成。其中执行机构包含固定刀片、活动刀片、传动杆、法兰盘、电机支架、电机;控制机构由总开关、行程开关、锂电池组、控制开关、线缆等组成;伸缩及运输机构主要由3节大小不一的铝管及网制管道组成，其可根据不同高度需求，进行高度调节。

3关键机构设计及参数计算

3.1执行机构的设计

在调查中发现，市场现有的果实采摘器主要分为往复剪切刀片式、三爪拖拽式、往复锯片式。本项目设计的采摘器采用往复剪切刀片式结构。

执行机构中，固定刀片、电机通过电机支架固定，法兰盘安装在电机输出轴上，通过螺栓将传动杆与其连接，活动刀片与传动杆连接，当电机启动后，活动刀片也随之旋转。固定刀片、活动刀片、传动杆、法兰盘四者组成曲柄摇杆机构，使电机旋转一周，刀具完成一个周期的剪切运动。同时在剪刀开口最大位置处设置行程开关，用于实现自动复位，通过手柄处设置行程开关实现采摘启动”。其运动原理图见图2。

3.2控制机构的设计

控制机构包含1个总开关、2个行程开关。其中行程开关1用于实现位置检测（包含公共地1、常闭2、常开3），行程开关2用于采摘控制（包含公共地11、常闭22、常开33），其原理见图3。接线时，将1与电源正极相接，11与电源负极相接，2与22相接，3与33相接。剪刀张开时，行程开关1检测到位信号，电路断开;控制开关2，电路再次导通，松开开关，剪刀闭合实现采摘。

 3.3电机选型及参数计算

为保证具有足够的剪切力，实现果柄的切断动作，需要关注电机及剪切运动部分的力学分析。设计的实际张开尺寸见图4，其中采摘切口最小为10.1mm，长度为46.9mm，切口最外缘距离旋转中心距离为53.4mm，电机驱动轴偏心盘中心距为6mm。

为保证切口任何位置的有效性，以最大距离53.4mm为阻力进行计算，根据经验和实测结果可知，剪刀切割力为40N时可切断正常果实果梗，以力矩最小时为保险驱动力进行计算，即偏心输人力矩为最大6mm，力臂按照最小进行计算，即18.9mm，得到果柄绕剪刀转轴阻力矩：M1=53.4mmx40N=2136Nmm;以最大力臂换算得到电机所需力矩：F1=M1+18.9mmx6mm≈678Nmm。

查阅电机厂家手册可知，采用步进电机，需选用57系列电机，其重量为1～1.2kg，重量不够合理，同时尺寸较大并需要单独设计驱动电路。选用普通型直流电机，其力矩也难以达到。

综合考虑上述因素及性价比后，选用了型号为XD一WS37GB3650的直流减速电机，其具有体积小、转速低、可调速且力矩大等特点，同时重量仅为210g。在电压为12V、转速为30r/min的情况下，其输出力矩约为800Nmm，得到力矩裕度R=（800-678）+678≈0.18>0）。

3.4锂电池及的选择

为保证采摘器能在户外长时间运行，采摘器必须拥有高续航性。根据电机功率及电压要求，设计选取容量為2500mA的电池，能够确保其在满电情况下设备能够连续运转4～7h，在考虑其环保性及重量后，选用锂电池，而非铅酸电池。

4样机试制及实验

制作好的样机实验图见图5。在完成了整体样机设计及三维仿真分析后，对其进行了试制，随后在廉江某果园进行了实验。在采摘时，打开总开关，随后按下控制开关，活动刀片即完成一个周期的剪切运动，果实也完整地随着管道滑落到果篮。实验结果表明，该采摘器能够很好地完成剪切工作，同时果实滑落到果篮后外表皮并无破损。

5论

该采摘器能够较好地完成预定的工作目标，其采用大容量锂电池，通过电力进行驱动，直流减速电机能提供较大扭矩使执行机构完成剪切动作。执行机构构造简单紧凑，加工方便，如若后期进行工业化生产，则其低廉的价格易被果农接受。同时在实验中所发现的问题，也会在后期的调试中进一步进行解决和完善。

参考文献

[1]盛玲玲，宋淑然，洪添胜，等。广东省山地果园机械化现状与发展思考[J].农机化研究，2017（11）：257-262.

[2]赵亚平，郭旭红，李文飞，等。一种轻型枇杷采摘器的设计[J].农机化研究，2015（9）：159-162.

[3]姜焰鸣，陆华忠，吕恩利。滚筒梳剪式荔枝采摘部件的设计与优化[J].华南农业大学学报，2015（3）：120-124.

[4]何家成，段文婷，李凤佳，等。手持式电动水果采摘机设计[J].安徽农业科学，2013（25）：10557-10559.

[5]汤兴初，吴明亮，全腊珍，等。可伸缩式高枝采果器的设计[J].农机化研究，2004（2）：161-166.

[6]郑旺。双液压系统在水果辅助采摘机中的应用[J].粮食科技与经济，2018（10）：102-104.

[7]鲁旭阳，后刚，白和良，等。机械手便捷采摘苹果装置探究[J].粮食科技与经济，2018（9）：93-94.

[8]張纬哲，张斌，黄稼元。手持式水果辅助采摘器的设计[J].新疆农机化，2018（6）：15-17.

[9]姜静，孙亮波，王相，等。一种可穿戴式水果采摘装置的创新设计[J].机械研究与应用，2018（6）：58-60+62.

[10]赵强，赵辉，于嘉琦，等。水果采摘机联结轴的理论设计[J].农机使用与维修，2018（11）：19-20.