一种便携式水果采摘收集装置及使用方法分析

莫梓钧　汪国栋　褚振华　郑兴伟

摘 要 便携式水果采摘收集装置采用的剪切动力源为电磁铁，可装配在不同的收集装置上，可采摘多种不同的水果，装置结构新颖，制作成本低，可大大提高水果采摘效率。基于此，对该装置的设计背景、设计介绍、设计原理零件构成和工图展示、初步模型制作及操作步骤、创新意义、发展前景、长远构思及待开发功能实物展示等进行了详细说明，以此来全面展示该装置及其使用方法方法。

关键词 水果采摘装置;便携式;电磁铁

中图分类号：S225 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.30.081

1 设计背景

我国是水果生产大国和消费大国，随着经济的发展，水果的种植面积不断增加，产量也在不断提高，对水果采摘的要求也在不断提高。因此，提高水果采摘作业机械化水平，可有效降低水果采摘成本，提升我国水果在国内外市场上的竞争力。

当前，市场上有很多水果采摘辅助装置，主要分为机械装置和机器人两类。对机械装置进行研究发现，以采摘苹果为例，大多数机械装置以机械臂为基础，通过机械结构实现采摘，但这种方式对于机械臂的精确度以及使用方便度提出了较高要求，且不便于随身携带[1-2]。为了解决上述技术难点，利用机电原理对市面装置进行改装，提出以下设计方案。

2 设计介绍

本装置是一种便携式的水果采摘收集装置。采摘装置主要包括机械剪和操纵杆。机械剪的握力臂内侧安装有电磁铁，机械剪中部安装有夹紧力传感器，用于检测剪刀口的夹紧力。操纵杆上端与机械剪中部固定连接，下部设有信号指示灯和操纵开关，信号指示灯与夹紧力传感器连接，用于显示夹紧力是否足够。操纵开关设有普通按钮和电性按钮，普通按钮用于使机械剪的剪刀口预合拢，电性按钮与电磁铁电连接，用于给电磁铁通电、产生磁性夹紧力，使机械剪的剪刀口在磁性作用下完全合拢。本装置的剪切装置安装有电磁铁，具有较大剪切力度，能一次性剪切水果枝条，收集装置将水果自动分隔，防止水果挤压。

3 设计原理

3.1 电流的磁效应

本团队利用电磁铁，电磁铁通电后产生磁性，吸引铁块加速与其碰撞（完全非弹性碰撞），完成剪刀对水果梗的剪切。

3.2 刚体的定轴转动原理

改装后的剪刀可抽象理解为力学理想模型。在电磁铁强大磁力作用下，附着在剪刀剪尾的铁块绕剪刀的中心轴做角加速度越来越大的定轴转动，带动着改装后剪刀的动刃迅速与静刃靠近。在极短的时间内，剪尾的电磁铁与铁块碰撞黏合，剪刀动刃与静刃互相摩擦而过，达到剪断苹果梗、实现采摘的目的[3-5]。

3.3 能量的转化

通电后电磁铁产生磁场，吸引铁块加速碰撞黏合，将电能转化为机械能。

4 零件结构与工图展示

本装置构件分三个部分，即采摘部分，机械控制部分和收集部分，零件的整体装置三维模型图如图1所示。

装置的采摘部分见图2，主要通过电路开关控制电磁铁磁性，利用电磁铁闭合过程带动剪刀进行水果采摘。操纵杆上方的机械剪是主要工具，机械剪可使用很锋利的合金刀具（刀口朝上，保证剪刀开口时刀刃不会划伤水果）。

装置的机械控制部分见图3。操纵杆可以自由伸缩，杆头将与剪刀焊接在一起，杆部底端由一块轻便的锂电池和控制开关组成，可通过操纵开关完成顶端剪刀的使用，可自动方便地旋转采摘水果。旋转台可以360°自由旋转，收集装置也会跟着机械装置一起旋转，使采摘下的水果顺利落入水果篮。

5 初步模型制作及操作过程

5.1 装置的制作过程

1）将剪刀静刃末端锯断一小节，将电磁铁焊接于静刃末端;2）加温使塑料熔化，浇铸于焊接部位，增加其牢固性;3）在剪刀臂上塑料部分钻孔，孔洞大小与金属细杆顶端杆粗细匹配;4）将改装后的剪刀插入金属杆顶端，用胶水固定，再将一根细铁棒一端与金属杆焊接，另一端与剪刀静刃剪尾焊接，构成三角形稳定结构;5）用导线与电磁铁末端导线连接，将导线与电磁继电器相连，再用一段导线将电磁继电器与锂电池相连;6）连接完毕后，将导线用胶带固定在金属细杆上，避免导线缠绕，再将电磁继电器与锂电池固定在金属细杆末端;7）将细铁丝弯曲成圆圈状，并且套入布袋袋口，用胶水将铁丝与袋口固定，把铁丝圈固定在剪刀口下端，使得水果能落入铁丝圈，并且顺着布袋滚入地面收集箱。初步制作的采摘收集模型如图4所示。

5.2 本装置模型操作步骤

1）将折叠的金属细杆伸直，将盘卷的长布袋解开，把布袋末端放入收集箱内;2）双手紧握金属细杆末端，右手大拇指搭放在电磁继电器开关上，双手自由移动，移向待采摘的水果树梢;3）发现目标后，缓缓移动金属细杆，使得水果梗处于剪刀动刃与静刃之间，保持平衡，此时右手大拇指将电磁继电器开关推至开始位置，电磁铁与铁块发生碰撞后，再将电磁继电器开关推回原位，水果沿长布袋滚落入收集箱内。至此，一次采摘操作完成。

5.3 本装置模型需要改进之处

1）改装的剪刀焊接电磁铁与铁块，质量增加，而采摘过程中果农双手紧握金属细杆末端，果农的手臂、金属细杆、改装的剪刀构成费力杠杆，长时间采摘费力，不利于提高采摘效率，剪刀的材质、电磁铁与铁块的体积大小有待改进。2）剪刀刀刃偏长，使得理想中的刚体模型的转动惯量增大，由角动量守恒，使得刀刃角加速度偏小，即角动能偏小，进一步影响剪刀的力度，影响采摘效果，刀刃的长度与厚度有待改进。3）电池体积大小、安装位置、电流强度有待改进，电池固定于金属细杆上增加了果农采摘负担;电流强度偏小，剪切较粗的水果梗略有不便。

6 创新意义

本项目的便携式水果采摘收集装置较好地解决了现有水果采摘装置存在的问题。其剪切装置安装有电磁铁，具有较大剪切力度，能一次性剪断水果梗。机械装置通过电磁铁产生磁性吸引铁块，大大简化了机械臂的复杂制作与安装程序。利用电力采摘水果，电力取代了人力，采摘轻松，可帮助果农加快采摘速率、降低采摘成本。该装置能实现多种常见水果采摘，如苹果、梨子、柿子、樱桃等，其收集装置可将水果自动分隔，防止水果擠压导致表面损伤，减小因采摘失误导致的损失。机械装置便携简单，没有传统机械采摘装置的齿轮和轴承等复杂结构，成本低廉且维护方便，可随身携带，可大量生产，生产成本低，性价比高。机械装置维护方便，只需定期更换电池以及对剪刀进行简单维护。

7 发展前景

目前，市场上的很多水果辅助采摘装置都存在以下缺陷。1）水果枝条较为坚硬，韧性较强，使用普通的切割装置往往难以一次性切断，造成切割不彻底，需要反复切割，影响采摘效率。2）水果所在位置较高，采摘装置的机械臂较长，剪切装置需要精确对准水果枝条，其精确度难以满足实际使用需求，采摘者需要手动调整机械臂，调整效果不佳。3）采摘装置普遍体积较大，重量较重，不便于随身携带，难以在地势较为崎岖的水果产区展开采摘作业。4）水果收集装置中堆积大量水果，空间较为狭窄，水果之间相互挤压，容易导致水果表面损伤甚至破损变形，发霉变质。

针对这些缺陷，利用低成本的材料设计出了此高性能的便携式水果采摘机械，在现今水果采摘工作量大、采摘时间长、采摘成本高的背景下，有着显著优势和较高的社会价值，可以帮助果农加快采摘速率、降低水果采摘成本、减小因采摘不及时而导致的损失。

8 长远构思及待开发功能

8.1 实现能量的充分利用

水果离地面具有一定高度，有重力势能，水果从树梢滚入收集箱的过程中，重力势能转化为动能。将长布袋改为类似软管的结构，其中加入一些挡板装置，水果滚下时，冲开挡板，挡板发生转动，切割磁感线，产生感应电流，可达到磁生电的效果。将产生的电能收集到蓄电池中，用于供应小部分采摘用的电能，不仅能使水果到达收集箱时的速度大幅度减小，水果之间的碰撞程度减轻，避免水果之间因碰撞而受损，而且能将重力势能转化成电能回收利用，充分体现节约环保理念。

8.2 自制电磁铁，用镍代替铁芯

从市场上购买的电磁铁质量较大，增加了机械装置质量，对采摘过程有一定影响。对此，本团队计划利用“铁芯插入通电螺线管产生磁性”的原理，除去金属铜导线表面绝缘塑料，用绝缘漆涂于铜线表面，减小铜线质量，将铜线缠绕在镍芯上，即制得简易“电磁铁”[6]。

8.3 实现半自动化

将机械装置固定于电动小车上，收集箱置于车内，用电力控制伸缩的金属杆代替原来的金属细杆，金属杆可绕车上一固定轴自由转动，以便调整方向;电池和电磁继电器安置于车内。果农坐在车上操作机械装置即可，大大提高了工作效率。

8.4 采用螺旋缓冲轨道和自动分隔海绵网

用螺旋缓冲轨道来替代布袋，同时在螺旋轨道中加入自动分隔海绵网，保护苹果完好。同时，苹果下落的重力势能转化为动能，动能再转化为一小部分的内能和大部分的电能，并且切割磁感线，磁生电，实现对电磁铁装置的供电，从而有效利用能源[7]。

8.5 采用不同的收集装置

本水果采摘机械装置可以灵活安装各式收集装置，如篮子、箱車、背包等，方便携带，可减轻果农负担。

8.6 采用夹紧力传感器

夹紧力传感器可用于检测剪切口的夹紧力，当夹紧力超过设定值后指示灯绿灯亮，提示可以剪切，操作者按下操纵开关，完成一次采摘;若夹紧力未达到设定值，红灯亮起，提示操作者暂时不能采摘。这时操作者需要调整机械剪的位置或方向，使夹紧力达到预设值。

参考文献：

[1] 张莎，冯聪利，赵培.水果采摘装置的现状及发展趋势[J].科技创新与应用，2019（7）：84-85.

[2] 蓝峰，苏子昊，黎子明，等.果园采摘机械的现状及发展趋势[J].农机化研究，2010，32（11）：249-252.

[3] 常有宏，吕晓兰，蔺经，等.我国果园机械化现状与发展思路[J].中国农机化学报，2013，34（6）：21-26.

[4] 张晓光，周天，许彦章，等.水果采摘装置的研究与开发[J].机床与液压，2020，48（7）：86-88，71.

[5] 付荣利.果园采摘机械的现状及发展趋势[J].农业开发与装备，2011（5）：17-19.

[6] 金旭星.果实采摘机械手的创新设计[J].农机化研究，2009，31（7）：139-141.

[7] 黄佳生，卢清华，邹家勤.便携式水果采摘器的设计[J].机电工程技术，2018，47（9）：142-144，186.

（责任编辑：赵中正）