一种振动式水果采摘机械臂设计

王顺沩 刘华雷 徐添翼 金一峰 李乾寅 张 凯（常熟理工学院，江苏 常熟215500）

1 概述

我国是水果生产大国，水果是很多地区农村经济发展的支柱性产业。但是我国水果采摘机械化水平还处于起步阶段。据统计，在水果生产作业中，收获采摘需投入的劳动力占整种植过程的50%～70%[1]。现如今市场上充斥着多种多样的水果采摘装置，国内市场上大多水果采摘装置都是小型纯机械结构，在采摘收集水果时还是需要大量劳动力，效率极低。

在国外果园大都在平原地区，因此以大型机械化生产为主。机械振动采摘机又可分为：机械推摇和机械撞击两种[2]。推摇式采摘器是通过振动器使果树发生振动，从而使水果与果蒂发生分离。撞击式是通过撞击果树使果实掉落。采用机械化采收不仅能减轻人们的劳动强度、节省人工成本、提高作业效率，而且能提高水果的经济效益[3]。欧美等国外发达国家农业以大农场为主，采用振动式采摘机械较多。振动式采摘机械，现有结构原理所存在的缺点和不足之处：（1）需要人工操作机械臂，握住手把进而夹持树干；（2）水果坠落后，或者直接坠落到地上，或者用大布料接，操作不是很方便；（3）机械手长时间振动后，容易出现滑落现象。国内的水果采摘结构主要是刀片辅助人工采摘装置，升降采摘台装置等，与大型机械式采摘器相比，采摘效率较低。随着我国逐渐进入老龄化社会，劳动力成本的提高，并且严重不足，采摘果实成上升，严重制约了我国种植业的发展。本文设计了一种机械臂结构，不再需要人工扶持加紧树干，并且夹持更加紧固。另外，在机械臂上设计了水果收集装置，提高了采摘效率。

2 结构设计方案

图1 为机械臂整体结构，图中未画出固定于各个（转下页）连杆关节上的柔性帆布。此装置的运动功能主要有两个：第一，夹紧树干；第二，张开收集帆布。实现这两项功能的驱动器是电机2。该装置的工作程序如下：首先，电机带动与联轴器3 相连接的蜗杆。当蜗杆驱动小齿轮17 时，带动阶梯轴18 转动，阶梯轴与夹持爪底座相配合，使左右两个夹持爪11 夹紧或者松开。在阶梯轴转动过程中，带动大齿轮的转动通过齿轮组6 使连杆组10 发生伸缩动作。当机械臂夹紧树干并且帆布张开后，振动器1 开启，使夹持爪11 所夹的树干进行振动，达到采摘果实的效果。下落的果实通过柔性帆布支撑起的伞状布兜进行收集，接着顺着布兜底下的孔洞经传输网道滚入收集框里，即完成一个采摘兼自动收集的工作流程。

图1 机械臂整体结构

3 关键部件设计及原理

图2 为夹持爪开合结构设计。夹持爪11 与机械臂底座通过阶梯轴18 相配合。当电机工作，蜗杆带动小齿轮17 转动。小齿轮与阶梯轴18 通过矩形销16 相配合，阶梯轴带动其左右开合，实现夹紧和松开树干的运动效果。

图2 夹持爪开合结构

图3 为齿轮组及夹持爪结构图。图3a 中，蜗杆带动小齿轮17 转动，小齿轮与阶梯轴通过矩形销16 配合，继而带动夹持爪转动。在阶梯轴上半部分的另一个键槽与弧形销13 相配合，从而带动大齿轮运动。大齿轮带动一系列齿轮组使连杆逐渐张开或闭合。在设计结构时，夹持爪比被支撑起来的连杆先达到结构运动的最终点。该部分设计利用了扭力矩扳手原理。当夹持爪夹紧树干时，阻力超越矩形销的弹簧弹力，底座停止转动。此时，大齿轮继续转动，带动齿轮组将连杆逐渐抬起或落下。当被支撑起的连杆达到它终点时，此时丝杠齿轮螺母8 已到达丝杠顶端，完成连杆组的打开，不再往上端移动。由于矩形弹簧的作用，弧形销被压入矩形孔内，大齿轮不再转动。弹簧14 起到过载保护，当电机堵转过大，则会按压下去打滑，保护电机。图3b 中，每个夹持爪部分都有三组长齿轮9。长齿轮组驱动丝杠转动，从而带动丝杠螺母上下运动，两个丝杠螺母中间的装置与连杆组10 相连接。加入三组长齿轮组，目的是使每组丝杠螺母升降方向一致。

图3 齿轮组及夹持爪结构图

图4 为机械臂上的连杆组，由三组平行四边形机构组成。该部分设计模拟了雨伞张开和闭合的过程。当电机工作时，带动丝杠齿轮螺母8 向上或者向下运动，通过平行四边形的运动，使长杆伸出或收缩，即可实现收纳装置的展开或者收拢。

图4 连杆组结构

4 结论

本文以蜗轮蜗杆及齿轮为传动结构，设计出模仿雨伞张开收纳运动的机械手，以四杆机构为骨架，设计出一种水果收集装置。该装置不再需要人工扶持，可直接通过操纵杆控制其夹住树干和张开收集帆布的效果。本设计的目的是使机械臂振动采摘法的效率得到更大的提升，使采摘及收集一体化，操作更加的方便，再者极大缩小采摘装置所占的空间体积。振动式水果采摘器结构简单，可以用于采摘苹果、梨、柿子等大而密集的水果，采摘效率高，工作方便，对树干及果实的损伤小。