黃佳生，盧清華，鄒家勤

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東佛山 528200）

目前果園的采摘主要有兩種形式：一種是機(jī)械全自動(dòng)采摘[1]；一種是機(jī)械輔助半自動(dòng)采摘[2]。機(jī)械全自動(dòng)采摘即采用機(jī)器人對(duì)果園果樹進(jìn)行自動(dòng)采摘。由于我國(guó)南方地區(qū)的果園多數(shù)處于丘陵地帶，地面崎嶇不平，地勢(shì)起伏，環(huán)境的復(fù)雜性高，使得其不適合利用機(jī)器人進(jìn)行采摘工作，同時(shí)也考慮到采摘效率及經(jīng)濟(jì)性等問題，因而目前南方地區(qū)多數(shù)果園采用機(jī)械輔助半自動(dòng)采摘的方式進(jìn)行采摘。

圖1 一種輕型枇杷采摘器

1 機(jī)械輔助半自動(dòng)采摘的研究情況

機(jī)械輔助半自動(dòng)采摘即人與采摘機(jī)械配合進(jìn)行相應(yīng)的采摘任務(wù)。目前，采摘機(jī)械主要可以分為電動(dòng)式采摘機(jī)械和機(jī)械式采摘機(jī)械兩大類。

（1）電動(dòng)式采摘機(jī)械一般采用微型直流電機(jī)和電磁吸盤作為驅(qū)動(dòng)裝置。如：趙亞平等[3]研制一種輕型枇杷采摘器（圖1），采用微型直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，通過兩級(jí)齒輪減速箱的減速，再將動(dòng)力傳遞給偏心機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)采摘切割裝置中動(dòng)刀片的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而將枇杷的莖部剪斷。馬質(zhì)璞等[4]利用電磁通電產(chǎn)生吸力的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種新型單果采摘器（圖2），該采摘器由電磁剪刀結(jié)構(gòu)、伸縮桿和收集網(wǎng)3個(gè)部分組成，通過開關(guān)裝置控制電磁剪刀結(jié)構(gòu)中電磁吸盤的通電與斷電，對(duì)鐵塊產(chǎn)生吸引，帶動(dòng)剪刀的閉合，完成剪切的采摘?jiǎng)幼鳌?/p>

（2）機(jī)械式采摘機(jī)械通過繩或連桿等將驅(qū)動(dòng)力傳遞到采摘機(jī)械的末端，驅(qū)動(dòng)剪切裝置，進(jìn)行剪切。如：陳燕等[5]研制一種純?nèi)肆刂频睦笾Σ烧鳎▓D3），利用一個(gè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)將枝葉撥開，定刀片鉤住果梗，再扳動(dòng)手柄，使得動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)將果梗切斷，果實(shí)落入導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中，沿果道滑下。張健等[6]設(shè)計(jì)一種芒果采摘機(jī)械手（圖4），能對(duì)芒果進(jìn)行分級(jí)采摘。采摘機(jī)械末端采用一個(gè)U型槽的結(jié)構(gòu)，通過其來判斷果實(shí)是否達(dá)到采摘的要求。當(dāng)果實(shí)符合采摘要求時(shí)，果柄落入U(xiǎn)型槽后實(shí)施剪切。

圖2 一種新型單果采摘器

圖3 荔枝采摘器

圖4 芒果采摘機(jī)械手

目前，電動(dòng)式和機(jī)械式的采摘機(jī)械仍存在采摘方式單一、操作復(fù)雜、易損傷果實(shí)等?；谶@樣的研究現(xiàn)狀，通過分析果農(nóng)的采摘方式和果樹的生長(zhǎng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種操作簡(jiǎn)單、便于攜帶、通用性強(qiáng)且能最大限度保護(hù)果實(shí)不損傷的機(jī)械式采摘器。

2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

便攜式水果采摘器整體結(jié)構(gòu)如圖5所示，在彈簧的作用下，可動(dòng)塊可繞著其固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，與采摘器的支架，在鋼絲繩的作用下，可動(dòng)塊在自然的狀態(tài)下處于果籃的另一側(cè)。

2.2 工作原理

開始采摘前，可動(dòng)塊處于原始狀態(tài)；采摘時(shí)，操作者將采摘的果實(shí)套入采摘器中，同時(shí)按壓操作手柄限位孔上的凸起，使得可動(dòng)塊解除鎖死，并在執(zhí)行末端兩側(cè)的兩個(gè)扭簧的作用力下，迅速向采摘器的另一端合攏，因而可動(dòng)塊上的刀片和采摘器上的刀片得以閉合。在下刀片的沖擊下，將果柄切斷，使果實(shí)與果樹分離，果實(shí)掉入網(wǎng)兜中。拉動(dòng)操作手柄，使得操作手柄向后運(yùn)動(dòng)，當(dāng)操作手柄的限位孔與桿上的凸起重合時(shí)，可動(dòng)塊恢復(fù)到原始位置，可動(dòng)塊和操作手柄的位移被限制，即完成果實(shí)的一次采摘。采摘過程如圖5所示。

圖5 采摘器的采摘過程示意圖

根據(jù)初步的調(diào)查，果園的果樹高度一般控制在3～5m之間，為滿足不同高度果樹的采摘，操作桿采用可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的伸縮桿，即操作桿為2段結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)上下段操作桿的相對(duì)位置來實(shí)現(xiàn)伸縮。

3 主要部件設(shè)計(jì)

采摘器的整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，采摘器主要分為執(zhí)行末端、操作手柄和操作桿3個(gè)部分。采摘器采用純?nèi)肆M(jìn)行操作，3個(gè)部分通過簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，如圖7執(zhí)行末端中的連接處，其執(zhí)行末端可動(dòng)塊與操作手柄通過繩子進(jìn)行連接。

3.1 采摘器執(zhí)行末端的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)采摘器的執(zhí)行末端時(shí)，應(yīng)考慮到質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、不易損傷果實(shí)，控制簡(jiǎn)單以及便于拆卸與更換等幾個(gè)方面?；谝陨蠋讉€(gè)方面的考慮，執(zhí)行末端的主體結(jié)構(gòu)選用鋁合金材料進(jìn)行制作，而一些受力較小或不受力的部件則采用工程塑料制作，網(wǎng)兜采用尼龍制作而成，從而最大限度減小其質(zhì)量。

圖6 采摘器整體機(jī)構(gòu)示意圖

執(zhí)行末端的具體結(jié)構(gòu)如圖7所示，具有兩把刀片，一把刀片與執(zhí)行末端主體結(jié)構(gòu)的頂部連接在一起即上刀片，當(dāng)果實(shí)成熟時(shí)，果梗容易與樹干脫離、掉落，因此通過控制操作桿使得上刀片與果梗發(fā)生相對(duì)位移，并給果梗施加一定的作用力使得其與果樹分離，掉入果籃中，完成采摘任務(wù)；另一把刀片位于可動(dòng)塊的上端，這把刀主要是與主體結(jié)構(gòu)上的刀配合形成一個(gè)半圓的剪切裝置，利用兩端扭簧產(chǎn)生的彈力，使得其迅速向上刀片靠攏、閉合，將果梗剪斷，果實(shí)與果樹分離，完成采摘。

圖7 執(zhí)行末端的機(jī)構(gòu)示意圖

執(zhí)行末端中的柔性擋板和柔性刀擋板均采用2～4mm的硅膠片制作而成。柔性刀擋板分別位于上、下刀片的頂部，其主要起到一個(gè)分隔的作用，在采摘過程中將刀具與果實(shí)等分隔開，避免刀具鋒利的刀口與果實(shí)直接接觸，造成果實(shí)的損傷。柔性擋板均勻的分布于上、下刀片的下端即果籃中，其主要起到一個(gè)保護(hù)和限位的作用，相鄰柔性擋板之間具有一定間隙。采摘過程中，果梗容易落入其間隙中，位移被限制，易于剪切，也避免果梗的移動(dòng)導(dǎo)致剪切質(zhì)量。將采摘的果實(shí)從果籃倒出時(shí)，柔性擋板會(huì)在果實(shí)的作用下，向外翻并分別將上、下刀片擋住，避免果實(shí)與刀片接觸，造成果實(shí)的損傷。

繩子固定點(diǎn)通過繩子與采摘器后端的操作手柄連接配合，控制可動(dòng)塊剪切和復(fù)位的動(dòng)作。連接處具有一個(gè)鎖死裝置和卡槽，通過其能與不同長(zhǎng)度的伸縮桿配合連接為一體，實(shí)現(xiàn)不同高度的水果采摘。

3.2 操作手柄

操作手柄用于操作者控制采摘器的工作，須具有一定的強(qiáng)度和便捷性。為控制采摘的整體質(zhì)量，操作手柄采用高強(qiáng)度的塑性材料制作，長(zhǎng)200mm、寬130mm、高120mm，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。限位孔是與操作桿上的鎖緊裝置配合，限制操作手柄的移動(dòng)，從而限制可動(dòng)塊的位移。

圖8 操作手柄的結(jié)構(gòu)示意圖

鎖緊裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9所示，由螺旋彈簧和物塊組成。操作手柄被往后拉到達(dá)鎖緊裝置時(shí)，彈簧首先被壓縮且凸起的物塊被擠進(jìn)操作桿中，當(dāng)限位孔到達(dá)物塊的位置時(shí)，物塊在彈簧的作用下凸起與限位孔配合，從而限制操作手柄的位移。按下物塊即可解除手柄的限制。

圖9 鎖緊裝置

線槽一用于存儲(chǔ)多余的控制線，根據(jù)采摘的需求，采摘器需要搭配不同長(zhǎng)度的操作桿，同時(shí)操作桿也需要伸縮，因此會(huì)導(dǎo)致控制線出現(xiàn)多余，影響操作。為解決這一問題而設(shè)計(jì)了線槽一，操作者可將多余控制線繞在線槽一中。線槽二的作用主要在于將控制線拉直，使其保持直線的狀態(tài)，避免控制線的松弛導(dǎo)致采摘器的剪切。手柄即為操作者控制采摘器動(dòng)作的操作點(diǎn)。

4 結(jié)論

該采摘器采用機(jī)械式的連接和人力控制，通過驅(qū)動(dòng)繩連接控制端與動(dòng)作端，從而減少采摘器的質(zhì)量，提高其操作的舒適性和攜帶的便攜性。可根據(jù)采摘果樹的高度，搭配不同長(zhǎng)度的操作桿，且利用硅膠的柔軟性對(duì)果實(shí)加以保護(hù)，增強(qiáng)采摘器的通用性和對(duì)果實(shí)的保護(hù)能力。本采摘器可以在今后的試驗(yàn)和調(diào)試中，加以改進(jìn)并與機(jī)械手和行走裝置等融合，形成新的采摘機(jī)器人[7]，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的機(jī)器采摘，使其更好為果農(nóng)服務(wù)。