一种可伸缩单果采摘器的设计

王丽娟 刘志刚 喜冠南 彭超华

摘要：设计一种新型可伸缩的单果采摘器及具备柔性防护的水果收集装置，用于辅助果农进行果实采摘与收集，旨在降低果农的劳作强度、提高果园生产率、提高水果品质，推动我国水果采摘的机械化发展。该水果采摘器主要用于：（1）苹果类水果生长过高以及分布不均匀导致不易采摘的情形;（2）桃子类多汁且脆硬水果在采摘过程中容易碰伤导致水果不易存储的情形。采摘器主要包括伸缩管、牵拉机构、剪切刀、柔性网筒及可移动收果小车等5个部分。该装置操作简单、价格低廉、实用性强，适用于不同高度、多种类水果的采摘作业。

关键词：可伸缩采摘杆;单果采摘器;牵拉机构;剪切刀;单果收集

中图分类号：S225.93 文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2020）21-0245-04

随着我国社会经济的快速发展以及人民消费水平的迅速提高，使得人们对水果的需求和品质都提出了更高的要求，这种现象也在我国近年来的水果市场不断扩大的趋势上有所体现。但受制于传统的果园管理水平和水果采摘技术，我国果农仍以人工采摘为主，在生产过程中损失的水果数量也是不计其数。在水果实际采摘过程中，农业生产者往往会遇到诸多问题，其中最突出的大致有以下3个方面：（1）苹果类水果生长过高以及分布不均匀导致不易采摘;（2）桃子类多汁且脆硬水果在采摘过程中容易碰伤导致水果不易存储;（3）因为水果的成熟期不一致，导致果农在采摘时容易造成误判进而导致果农造成误采。据相关数据显示，我国水果采摘的平均损耗率高达20%，而水果采摘过程中造成的经济损失超过1 000亿元/年。发达国家的水果损耗率却普遍低于5%，甚至有些国家的损耗率仅有1%～2%。

因此，针对在水果的采摘和收集過程中所存在的问题，本研究开发了一套能辅助果农进行单果采摘的可伸缩采摘杆及柔性防护收集装置，旨在降低果农的劳作强度、降低过程成本、提高果园生产率、提高水果品质，促进我国的果园种植业的进步，追踪世界前沿农业技术，推动我国水果采摘的机械化发展。

1 国内外摘果器的研究现状分析

1.1 机械式采摘方式分类与对比

目前，水果机械式采摘方式主要有以下3类：切割式、撞击式和振摇式。切割式又可分为动力切割式与机械切割式，主要是通过刀具将果柄与果枝切断，进而分离。撞击式则是利用装机部件撞击果树枝干或者果枝的棚架，通过振动使果实与果枝分离坠落。振摇式则是通过外力使果树或部分果枝发生摇晃或振动，使得果实与果枝在连接脆弱处断裂，从而实现分离。对比3种机械式采摘法，撞击式与振摇式采摘损伤率高，不适用于采摘桃子类易损伤并对果实表面完好率要求较高的水果的采摘与存储。

1.2 国外水果采摘器的发展现状与方向

为了解决水果采摘这一难题，法国人于20世纪40年代初率先提出了简易采摘器以辅助人工采摘。从20世纪40年代中期开始，以美国为代表的欧美国家开始研究开发振摇式采摘机械[1]，但受制于当时的技术条件，采摘效率较低，且损伤率较高。

目前，国外主要以采摘机械手为核心来进行水果采摘器的研究。最早提出借助自动化设备在水果采摘领域进行辅助工作的是美国学者[2]，他们提出了利用水果采摘机器人来辅助采摘柑橘类的果实;此后，各国都兴起了对果园辅助采摘设备的研究，1985年法国科学家对苹果类的水果开发了一套具有2支机械臂的样机;而日本岗山大学的学者在智能化的程度上更进一步，通过设计移动机械手智能控制系统来进行目标识别而后进行辅助采摘。

对于全自动的采摘机械手而言，果实成熟度识别与精准定位是研究的重点与难点，是决定采摘效率与采摘质量的主要因素，目前研究方向也主要聚焦于这2个重点与难点。主要待解决的问题有以下几个方面：（1）更高精度的定位技术;（2）更准确的成熟度识别技术;（3）更加灵活的机械手与执行末端;（4）易于果农操作的实用性与多功能作业。

1.3 国内水果采摘器的发展现状与发展方向

从20世纪90年代起，我国相关科研院所也逐渐开始对智能化水果采摘机器人及设备进行研究。杨文亮等根据苹果的几何参数，参考机械手的结构，设计了腰部可实现升降的末端执行机构[3-4];顾宝兴等在低矮密植型果园的研究基础上，设计了一种多动作智能协调控制的水果采摘机器人[5]。

我国南方的果园大多处于丘陵山区，属于坡地，因此合适的采摘机械很少，在危险性方面的问题也更加突出。由于工作环境的复杂性，采摘机器人的发展仍未达到农业生产的要求，尤其是视觉识别与行走装置，距离实用化和商品化还有一定的距离[6-7]。

通过对国内外的水果机械采摘技术进行比较分析可知，国内外科研人员在该领域做了许多研究工作，但水果采摘是极其复杂的系统工程，目前仍有不少难题没有解决，（1）针对水果采摘的前端执行系统研究较多，但对末端存储系统研究不足;（2）前端执行系统以精密机械采摘手臂、采摘机器人为主，对于我国以自主分散经营为主的果农而言，实用性不尽如人意。

因此，本研究拟开发一套既操作简单、实用性强，又可伸缩的单果采摘杆，以满足不同高度水果的采摘作业。

2 单果可伸缩采摘器设计

2.1 采摘器的组成与作用过程

本研究提供的辅助采摘器主要包括伸缩管、牵拉机构、剪切刀、柔性网筒及可移动收果小车等5个部分。伸缩管的一端铰接有手柄，伸缩管的另一端插接有剪切刀，牵拉机构连接于伸缩管的管身，手柄经由牵拉机构与剪切刀连接;网筒连接于伸缩管的下侧，并且网筒的一端开口与剪切刀相对，另一端开口沿伸缩管的管身延伸至手柄下方;按压手柄使得牵拉机构驱动剪切刀作业将切落水果坠于柔性网筒内，并且水果经由网筒滚落而下，落入收集小车内。整体结构示意图见图1。

2.2 剪切式采摘方案设计

图2即为目前市面上常见的三爪水果采摘杆，这种杆子具有水果保护好、使用方便以及结构可靠的特点，但受制于原始结构设计，采摘后三爪紧扣住果实，不利于果实自动掉落，其在采摘效率尤其是水果的收集问题上存在较大的缺陷。其次，固定长度的管子无法满足不同高度的水果采摘作业要求。

因此针对上述缺点，考虑到在果园日常生产中，利用剪刀进行采摘更符合实际使用，有利于后续收集掉落的水果，因此以剪刀头为主要工作方式，确定剪切式采摘和可伸缩管的设计方案。

剪切刀包括连接刀柄的固定刀片和活动刀片，活动刀片铰接于固定刀片之上，刀柄插接于所述伸缩管的相应端部，并且固定刀片的刀身具有弧形导向槽，活动刀片的刀身具有滑动于上述弧形导向槽的滑动钮，滑动钮滑动于弧形导向槽内时活动刀片配合固定刀片完成剪切作业。剪切刀的结构如图3所示。且剪切刀插接在伸缩管的端部，可以根据使用需求更换开口度不同的各式剪切刀。

剪切刀的活动刀片与伸缩管之间连接有拉伸弹簧，第2牵拉绳的端部与活动刀片的滑动钮连接，第2牵拉绳被拉拽时，剪刀克服弹簧的拉力咬合进行剪切作业，第二牵拉绳被松开时，剪刀在弹簧的拉力作用下张开。

2.3 水果采摘杆长度分析

常见的果树属于灌木或喬木，其高度通常在 2～6 m，在果园的生长环境中通常经过修剪，因此其果实生长较为紧密，在设计过程中须注意结构紧凑，同时考虑到设计的采摘杆为手持工作式，因此有必要对其内部结构进行精简，便于果农的携带与携持。综上所述需求，针对杆子的长度进行预估，假设树高为3.0 m处有一果子待采摘，一般果农平均身高为1.7 m，其臂的高度应为1.3 m，工作示意图如图4所示。

假设杆子与果树的垂线夹角为θ，通过基础几何知识可知，杆长（l）为l=3.0-1.3cosθ。

通常情况下夹角在30°～60°之间较为合适，所以杆的长度在2.0～3.4 m较为合适。

2.4 可伸缩采摘杆方案设计

2.4.1 伸缩杆设计 为满足长度为2.0～3.4 m的伸缩杆，采用伸缩管结构，该伸缩管由管径不同的第1支管、第2支管经由伸缩节连接而成，结构示意图见图5。通过在杆子连接处以1个螺母进行压紧固定，以此便可通过调整螺母的松紧程度以实现杆子的伸缩，由于杆子的伸缩调整是带动内部钢丝线的长度一起调整的，在调整长度的时候，须要将内部的钢丝线一起进行调整，以保证整个采摘杆可以正常工作。伸缩管的侧壁间隔插接有若干网筒环，柔性网筒套在网筒环内并固定在伸缩杆上（图6）。

2.4.2 杠杆机构设计 牵拉机构是一个杠杆机构，伸缩管的侧壁开设有通孔，杠杆机构置于通孔处。该杠杆机构包括固定架、固定环、转轴、杠杆以及换向轮，固定架连接于固定环一侧，固定环套接于通孔一侧的伸缩管管身上并且使得固定架位于通孔处，杠杆经由转轴可翻转地连接于固定架，并且杠杆的一端位于伸缩管的外部，而另一端位于伸缩管的内部;换向轮可转动地设置于伸缩管内;杠杆位于伸缩管外侧的一端连接有第1牵拉绳，连接到按压手柄上;杠杆的另一端连接有第2牵拉绳，并且第2牵拉绳经由换向轮换向后与活动刀片相连接。作用原理为当按压手柄时，手柄带动第1牵拉绳拉拽杠杆的一端，杠杆翻转使得第2牵拉绳牵拉活动刀片使得其朝向固定刀片咬合完成剪切动作。其结构示意见图7。

2.4.3 收线机构设计 为了有效控制不同伸缩管长度下的有效剪切，伸缩管靠近手柄的一侧设置有收线架（图8），收线架的一侧可转动地设置有卷筒，收线架靠近手柄的一侧设置有与卷筒相对的收线块，收线块朝向卷筒的一侧固定连接有收线头，结合图9收线块以及收线头上同轴设置牵拉孔，收线头与收线块连接的一侧呈柱状，其位于导向孔外侧的端部径向延伸形成卡线台阶，收线头的收线台阶的边缘设置有若干卡线槽;第1牵拉绳的一端缠绕于收线头外部，并且第1牵拉绳穿过并卡持于卡线槽内;手柄连接有第3牵拉绳，第3牵拉绳另一端穿过牵拉孔并且在牵拉孔外部连接有牵拉环，第1牵拉绳穿过牵拉环，压动手柄使得第3牵拉绳拉动牵拉环，牵拉环牵拉第1牵拉绳，第1牵拉绳经卷筒换向后拉动杠杆翻转继而使得第2牵拉绳拉动活动刀片。利用收线头可以将调节伸缩管缩短时产生的第1牵拉绳冗余部分缠绕在收线头上，或调节伸缩管伸长时将收线头上的牵拉绳释放，弥补第1牵拉绳欠缺部分，确保手柄能够有效地控制剪切刀。收线头结构如图9所示。

2.5 收集装置方案设计

设计了水果辅助采摘杆，在流程上，水果被采摘杆上的剪刀剪下继而掉落。接下来的问题便可简化成如何针对高空掉落的水果进行快速并持续的收集以及收集后进行后处理。针对上述问题，本研究提出的解决方案是设计1辆辅助收集小车，在水果收集过程中水果存在碰伤的问题，其根源在于水果掉落的速度过大，赋予其过大的动能，若在水果掉落的过程中不对其进行合理的减速，便会使得其因为过大的动能而造成水果表面的碰伤。本研究设计的辅助收集小车将配合采摘杆的滑落轨道进行组合工作。辅助收集小车示意见图10。

3 试验验证

本研究所设计的水果采摘器由可伸缩采摘杆及可移动收集小车组成。为验证所设计的采摘器的使用效果，在苹果园内选取果实密度与树干高度相近的2颗果树进行采摘，展开试验，将本研究所设计的采摘器采摘与传统徒手采摘的效果进行对比与分析，将徒手采摘定义为对照组，将采摘器采摘定义为试验组。

试验人员为果园内的工作人员，对照组2人1组，试验组1人单独操作，对照组与试验组的采摘人员为同一人。对照组的采摘方法为一人徒手或借助剪刀进行采摘，另一人进行果实收集与装箱，对于高处的苹果可借助梯子类工具进行采摘。试验组的采摘方法为无需借助梯子类工具，单人独立操作完成采摘与果实收集。采摘时间均为10 min，采摘员自下而上进行采摘，每2 min记录1次数据，统计结果见表1。将采摘器采摘与传统徒手采摘相比，使用采摘器在节省1个人力的情况下，采摘效率是对照的1.96倍。对于果实生长高度较高的果实，无需借助梯子等工具，可伸缩采摘杆的优势得到了充分发挥，可移动收集小车则节省了果实传递与装箱的时间，采摘更加便捷轻松。由此可知，本研究设计的采摘器具有一定的合理性与可行性。

4 结论

本研究所设计的可伸缩单果采摘器体积小，结构轻巧;质量轻，便于携带;操作简单，实用性强;价格低廉，易于推广;适用于不同高度、多种类水果的采摘作业。它不仅能够降低果农的劳作强度、降低采摘过程成本、提高果园生产率、提高水果品质，还能促进我国的果园种植业的进步，追踪世界前沿农业技术，推动我国水果采摘的机械化发展。

采摘者只需将伸缩杆长度调至果实的果柄部位，按钮手柄控制剪切刀头，操作简单，无需冗余动作。另外，由于设计结构简单，对所采摘单果的大小基本没有限制，因此，适用范围很广，使用便利，是我国以自主分散经营为主的果农的首选，经济效益及社会效益显著。

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