柑橘类水果采摘机器的设计与应用探讨

桑 晶 ，卢 彬 ，杨淑琴

（南京机电职业技术学院，江苏 南京 211135）

随着社会的不断进步，我国的各种机械化水平不断提高，机械自动化已经不断延伸发展到各个领域，这就为国家的全面发展提供了巨大的推动力[1]。农业在这样的时代背景下，也出现了巨大的技术革新，诸多农业现代化装备问世，极大地推动了我国农业自动化的程度。在农业生产中果蔬采摘是劳动力消耗巨大的环节之一，这一环节对劳动力的要求很高，为了能够解放劳动力实现自动化[2]，就需要设计生产出功能更加全面、使用更加便利的机械设备。此外这些机器设备的设计与生产，不应当仅仅局限于果蔬的采摘，应当将这些技术延伸到整个作物生长过程，实现对农作物整个生长过程的实时监控，从而更大程度上实现农作物的增产，并且将劳动力从中解放出来。

针对果蔬采摘行业，进行作业的对象是果蔬，生长环境十分复杂，进行机械生产时需要考虑的问题较多。例如对果树进行采摘时，要对树叶之中的果实进行精准采摘，因为有些果实质地较软，一旦发生磕碰就很难进行售卖和保存。因此与传统的人工采摘相比较，机械化采摘还有诸多问题需要克服，例如对果实的精准跟踪、适宜的采摘力度、更高的分拣效率等等。

由此可以看出要想设计好柑橘类水果采摘机器，需要从多方面进行考虑，从而设计出更能够适应实际采摘环境的采摘机器。

1 国内外机械化现状对比

1.1 国外采摘机械化现状

目前国外的机械式采摘比较成熟，主要的采摘方式有震摇、撞击、切割三种类型，其中震摇主要是通过摇动果树的枝干来促使果实掉落，撞击是通过物理撞击来使果实被震落，切割则是通过将植物枝干或者果实与枝干连接点进行切割，从而实现果实的分离。

在日本的诸多地区，果树种植情况与我国类似，并且由于地形的缘故很多机器都不能有效使用[3]。因此日本早在20世纪90年代就开始进行了采摘机械化的相关研究，并且设计出了自走式采摘车，这一采摘车在设计上很好地克服了地形上的困难，做出了抓地力与爬坡能力较强的设计。此外还在设计中采用了车轮正反转机构，提升了车轮的回转能力，从而有效地适应了当地的地形。

在自动化信息化不断发展的背景下，国外的研究方向逐渐指向了机器人采摘[4]，早在20 世纪70 年代，美国就已经开始了对机器人采摘的研究。此后在不断的发展之下，其他的众多发达国家都对采摘机器人进行了深入研究，从而出现了众多成功的采摘机器人。其中有很多机器人已经植入了人工智能系统，在进行采摘时更加智能化。对于采摘机器人而言，需要在多个方面进行设计，首先是机械臂的设计，其次是行动系统，最后是视觉系统，只有通过各个系统的有效配合，才能够实现机器人对果树果实的精准采摘。但是在现阶段的研究中，有很多的工作机械设备是不能够实现的，影响采摘机器人采摘成功率和采摘效率的有很多种，并且这些因素都是很难进行避免的外界因素。在机械臂的研究上，美国已经设计出了能够与人手灵敏度相似的机械臂，但是在其他的技术方面还有很多的不足，并且由于技术上的制约，采摘机器人的生产成本巨大，不利于实际的生产。

1.2 国内采摘机械化现状

在我国，关于机械化采摘的研究早在20 世纪就已经开始了[5]，但是研制出的方法并未彻底实现自动化，仍然需要人力的辅助。虽然相对于传统的人力采摘，已经有了一定程度的技术进步，但是在采摘效率上还远远不能满足实际需求。后来逐渐演变出了一种剪枝采摘器，但是在这样的反复剪切下不利于果树的生长，并且随着各种技术的尝试，经历了与国外技术发展相似的经历[6]。各种技术的实际效果不够理想，难以满足实际要求。与国外不同的是，我国创新研制出了吹气式采摘机，但是采摘效果不够理想从而被市场淘汰。在这些设计的基础之上，经过不断的探索研究终于研制出了一款名为 LG-1 型多功能果园作业机的多功能的采摘机器，并且还具备修剪、喷药、运输等功能。这一机械设备的研制成功，标志着我国的果园采摘进入了多功能作业时代，这项技术在实际使用中呈现出了诸多的优势，极大地提高了果园采摘的采摘效率。

2 柑橘类水果采摘机器的设计

2.1 功能目标

在进行设计时，所要满足的功能目标主要有以下5 点：①携带方便；②制作成本低；③能够对果实进行有效分拣；④能够对人工采摘起到辅助作用；⑤操作简便。

2.2 设计思路简介

该可分拣摘果器主要面向的是高空枝头果实的采摘，通过利用操作杆来对果实进行剪切，并让果实顺着管道缓慢下落，最后通过管口的分拣装置进行分拣，下落到相对应的储存框中。在这一过程中，为了有效降低果实之间的碰撞，需要在管道的出口进行加装缓冲装置，从而有效避免果实出现磕碰。为了适应不同的果实高度，在设计时对操作杆和输果带的长度进行了可调节设计，从而有效保证了出果口不会发生果实碰伤。利用该思路设计出的分拣摘果器，不仅在操作上十分简便，而且还能够有效保证果实质量。

2.3 采摘机器的结构组成与功能

该可分拣摘果器，组成结构十分简单，主要是由操作杆、剪刀、输果带、分拣装置、出果口高度调整装置、果框、小车构成。操作杆与剪刀负责对果实进行摘除，输果带负责缓冲果实的下落防止产生碰伤，分拣装置则是要将果实根据大小来进行分拣，出果口高度调整装置则是为了防止果实下落出现碰伤，果框与小车是为了果实的储存与运输。

3 结构设计过程

3.1 果框的固定

由于在进行实际操作时，会由于地面不平整使得行进时可能会造成颠簸，如果不对果框进行固定，很容易导致果框进行抖动使果实出现碰伤。在进行设计时选用了角铁进行固定，为了提高设计的通用性，在角铁的固定上使用了可以滑动的结构，从而能够更好地适应不同大小果框的固定。

3.2 可分拣装置的设计

在分拣装置上，利用箱体底部的口径大小来实现，具体表现为果实落下后进入分拣装置中，在分拣装置中底部设有不同口径的空洞，并且有一定的倾斜度，这就使果实在下滑过程中会顺着不同的孔洞下落从而实现了分拣工作。为了防止出现大量果实的聚集，还加装了两个有一定角度的立板，最后固定盖板。

4 具体制作过程

4.1 果框与软管的固定

果框的固定需要在小车上进行角铁的安装，利用打孔机进行打孔，最后利用螺丝钉实现固定。首先要将管口进行一定的切割，然后利用铁丝与胶枪将剪刀固定在管口，最后将软管加装在直角管底部完成安装。

4.2 分拣装置的制作

分拣装置的制作相对复杂，需要利用激光切割技术对材料进行切割，然后得到相应大小的空洞，最后将准备好的隔板进行固定完成安装，操作简单，并且成本较低，可以实现流水线生产。

5 产品特色与前景

该产品在设计与生产上都具有很强的简便性，在实际操作中也十分简单易行，并且能够极大地提高采摘效率。这也是目前国内唯一的自动分拣采摘装置，有利于进一步的生产应用。在我国的果树种植行业内，有很多都是分散种植，不适合采用大型机器进行采摘。因此这项新型的采摘装置就很好地解决了这一问题，并且这一装置的生产成本低，能够进行大规模应用。这项技术不仅可以有效提高采摘效率，还能够快速实现流水线生产，并且适应我国的行业状况，具有很好的市场前景。

6 结语

随着社会的不断进步，越来越多的科学技术为我们的生产生活带来便利，这些都离不开科研人员的辛苦研究，在他们不断地创新之下完成了越来越多的产品设计。在本文中所提出的新型柑橘类水果采摘机器有着诸多的优势，能够在未来为我国农业的发展提供更多的便利，从而有效推动农业的不断发展和相关技术的革新。