便携式菠萝采摘装置

邓有为 薛世睿 郑伟光 覃培烊 刘钟源

摘要：文章设计一款可实现辅助人工作业的便携式菠萝采摘装置。本装置主要由操控单元、动力传动单元和切割单元组成，动力的输出大小采用了操控单元中的电机调节机构实现，动力采用直流电机驱动，利用柔性轴将电机的动力传递给切割单元，后切割处理采用把手操作机构定位将茎切开，实现采摘功能。该装置以半自动的工作模式改变了传统人工作业的方式；有效地避免了采摘过程中菠萝植株对人的伤害，极大地提高了采摘效率。关键词：便携式；菠萝采摘装置；半自动化；控制单元 1.引言由于菠萝成熟期跨度较长，且植株高度参差不齐，果实大小不一，因此难以实现菠萝的大规模机械化采摘。目前，国内缺乏有效的采摘工具，故以人工采摘为主。在现有机械无法有效地帮助收割的情况下，笔者结合菠萝的生长特点，设计出一种价格低廉，操作简单的便携式辅助采摘装置[1]。2.方案设计2.1总体思路为解决采摘工作强度大，菠萝叶易伤人的问题，笔者从人机工程角度考虑，力求结构简单，操作方便，设计了一款便携式辅助采摘装置，其设计思路如图2-1所示。 2.2传动方案设计菠萝成熟期跨度较长，植株高度参差不齐，果实大小不一，且菠萝叶片较密，较硬，易出现机构卡死的现象。从机构精简的角度出发，为更好地避免上述问题，故采用柔性轴传动。以一根较长的杆作为整个装置的主体支撑结构，将柔性轴的一端与驱动部分相连，另一端通过操作杆的限位装置进行限位和固定，直接与刀片相连。3.结构设计综合考虑，将本装置设计为三个单元，即操控单元a、动力传动单元b和切割单元c。动力传动单元b采用柔性轴驱动方案。总体结构示意图如图3-1所示。 3.1操作单元操控单元包括电机调节机构（可背负于操作者身上）和把手操作机构：电机调节机构包括安装于底板上的额定功率为2kw的直流电机和电源控制器，直流电机和电源控制器通过线路相连接；把手操作机构包括总长为1.2m的可调节的操纵杆（由于菠萝植株平均间距为0.5m，从节省空间资源角度考虑，选取总长为1.2m的伸缩杆），操纵杆的前端固装有方框形刀座，刀座置于水平的上U型板、下U型板的后端，操纵杆前端还设有使上U型板、下U型板置于其内的果实护框，菠萝果实平均大小为15cm×15cm×25cm，故果实护框设计为20cm×20cm×30cm，且果实护框的上端口和前端口敞开而后端口和下端口封闭，保证菠萝可安全停留在护框内；上、下U型板的前端叉口向前伸出果实护框的前端口，U型板的叉口间距可调节，方便匹配菠萝茎的粗细。该装置的把手操作机构具有一定的伸缩性，以单位面积内采摘菠萝的数量为衡量标准。按照成年男性平均170cm的身高为例，其臂展长约170cm，单臂长L_1约60cm；臂力F_1约300-600N；菠萝的平均质量G_2约1.5kg；该装置的质量G_1约2kg；装置记为L。根据目前主要的“双行式”种植方式测算，一棵菠萝植株平均占地面积为0.5m^2。因此，根据公式3-1和公式3-2，即可得出单位面积内采摘菠萝的数量x。 2.以均布载荷计算经计算，最终确定该装置最短为0.7m，最长为1.2m。采摘数量分别为10和18个（人体单臂长计算在内）。3.2动力传动单元动力传动单元包括柔性轴、伞齿轮组和刀轴，刀轴竖直设于刀座前端面的上、下U型板之间，刀轴通过刀座上的上、下轴承座就位安装，刀轴底端伸出下U型板外；伞齿轮组包括设于果实护框底部且相互啮合的主、从动伞齿轮，从动伞齿轮安装于刀轴的底端，与主动伞齿轮相对于果实护框后端上设置一水平的轴套；为配合伸缩杆工作，采用长度约为2m的柔性轴，柔性轴的输入端连接直流电机的转轴，柔性轴的输出端通过轴套进入果实护框内与主动伞齿轮连接。3.3切割单元切割单元包括刀盘、刀轴、上、下U型板，刀盘通过可调节高度結构水平安装于上U型板下方的刀轴顶端，刀盘的切割范围处于上、下U型板前端的叉口处，果实护框前端口外的上、下U型板的前端叉口具有可调节伸出长度的结构且均向前上方倾斜一个角度，上、下U型板的叉口之间设有隔开菠萝叶进而辅助刀盘对菠萝茎进行切割的隔叶架。4.工作过程调节上、下U型板前端叉口的伸缩长度，手握操纵杆将采摘装置前伸，上U型板定位菠萝果实，通过操纵杆上的操作按键启动直流电机，柔性轴带动刀盘切断菠萝茎，菠萝掉落到下U型板上进而跌落至果实护框内，关闭直流电机，手握操纵杆将采摘装置撤出，从而完成一次采摘过程。采摘过程之中，电源控制器可根据切割菠萝茎阻力的不同实时调节直流电机的输出功率，改变直流电机的转速进而控制刀盘的转速，以保证采摘效率，提高续航能力。5.创新点（1）采用柔性轴传动，最大限度地避免了操作空间狭小引起的传动困难的问题，避免了复杂的机械传动，使结构简单轻巧，方便操作。（2）采用按键控制切割，提高了能源利用率，增强了续航能力。（3）根据实际情况调节角度大小及操作杆长度，避免使用者者长期弯腰工作产生的腰肌劳损。（4）添加刀头及果实保护装置，避免菠萝掉落产生损伤。6.结束语实际实验表明：该装置具有结构简单、操作方便、可靠性高和通用性强的特点；可适用于大部分果型的采摘工作，有效地降低劳动强度，同时提高了采摘效率。参考文献[1]孙恒，陈作模.机械原理[M].第六版.北京：高等教育出版社.2000.[2]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].第七版.北京：高等教育出社.2000.[3]陈娟，彭海峰.柔性轴FSM控制技术综述[J].吉林：长春工业大学.