王麗娟 劉志剛 喜冠南 彭超華

摘要：設(shè)計(jì)一種新型可伸縮的單果采摘器及具備柔性防護(hù)的水果收集裝置，用于輔助果農(nóng)進(jìn)行果實(shí)采摘與收集，旨在降低果農(nóng)的勞作強(qiáng)度、提高果園生產(chǎn)率、提高水果品質(zhì)，推動(dòng)我國(guó)水果采摘的機(jī)械化發(fā)展。該水果采摘器主要用于：（1）蘋果類水果生長(zhǎng)過高以及分布不均勻?qū)е虏灰撞烧那樾?（2）桃子類多汁且脆硬水果在采摘過程中容易碰傷導(dǎo)致水果不易存儲(chǔ)的情形。采摘器主要包括伸縮管、牽拉機(jī)構(gòu)、剪切刀、柔性網(wǎng)筒及可移動(dòng)收果小車等5個(gè)部分。該裝置操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、實(shí)用性強(qiáng)，適用于不同高度、多種類水果的采摘作業(yè)。

關(guān)鍵詞：可伸縮采摘桿;單果采摘器;牽拉機(jī)構(gòu);剪切刀;單果收集

中圖分類號(hào)：S225.93?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號(hào)：1002-1302（2020）21-0245-04

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人民消費(fèi)水平的迅速提高，使得人們對(duì)水果的需求和品質(zhì)都提出了更高的要求，這種現(xiàn)象也在我國(guó)近年來(lái)的水果市場(chǎng)不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)上有所體現(xiàn)。但受制于傳統(tǒng)的果園管理水平和水果采摘技術(shù)，我國(guó)果農(nóng)仍以人工采摘為主，在生產(chǎn)過程中損失的水果數(shù)量也是不計(jì)其數(shù)。在水果實(shí)際采摘過程中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者往往會(huì)遇到諸多問題，其中最突出的大致有以下3個(gè)方面：（1）蘋果類水果生長(zhǎng)過高以及分布不均勻?qū)е虏灰撞烧?（2）桃子類多汁且脆硬水果在采摘過程中容易碰傷導(dǎo)致水果不易存儲(chǔ);（3）因?yàn)樗某墒炱诓灰恢?，?dǎo)致果農(nóng)在采摘時(shí)容易造成誤判進(jìn)而導(dǎo)致果農(nóng)造成誤采。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)水果采摘的平均損耗率高達(dá)20%，而水果采摘過程中造成的經(jīng)濟(jì)損失超過1 000億元/年。發(fā)達(dá)國(guó)家的水果損耗率卻普遍低于5%，甚至有些國(guó)家的損耗率僅有1%～2%。

因此，針對(duì)在水果的采摘和收集過程中所存在的問題，本研究開發(fā)了一套能輔助果農(nóng)進(jìn)行單果采摘的可伸縮采摘桿及柔性防護(hù)收集裝置，旨在降低果農(nóng)的勞作強(qiáng)度、降低過程成本、提高果園生產(chǎn)率、提高水果品質(zhì)，促進(jìn)我國(guó)的果園種植業(yè)的進(jìn)步，追蹤世界前沿農(nóng)業(yè)技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)水果采摘的機(jī)械化發(fā)展。

1 國(guó)內(nèi)外摘果器的研究現(xiàn)狀分析

1.1 機(jī)械式采摘方式分類與對(duì)比

目前，水果機(jī)械式采摘方式主要有以下3類：切割式、撞擊式和振搖式。切割式又可分為動(dòng)力切割式與機(jī)械切割式，主要是通過刀具將果柄與果枝切斷，進(jìn)而分離。撞擊式則是利用裝機(jī)部件撞擊果樹枝干或者果枝的棚架，通過振動(dòng)使果實(shí)與果枝分離墜落。振搖式則是通過外力使果樹或部分果枝發(fā)生搖晃或振動(dòng)，使得果實(shí)與果枝在連接脆弱處斷裂，從而實(shí)現(xiàn)分離。對(duì)比3種機(jī)械式采摘法，撞擊式與振搖式采摘損傷率高，不適用于采摘桃子類易損傷并對(duì)果實(shí)表面完好率要求較高的水果的采摘與存儲(chǔ)。

1.2 國(guó)外水果采摘器的發(fā)展現(xiàn)狀與方向

為了解決水果采摘這一難題，法國(guó)人于20世紀(jì)40年代初率先提出了簡(jiǎn)易采摘器以輔助人工采摘。從20世紀(jì)40年代中期開始，以美國(guó)為代表的歐美國(guó)家開始研究開發(fā)振搖式采摘機(jī)械[1]，但受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，采摘效率較低，且損傷率較高。

目前，國(guó)外主要以采摘機(jī)械手為核心來(lái)進(jìn)行水果采摘器的研究。最早提出借助自動(dòng)化設(shè)備在水果采摘領(lǐng)域進(jìn)行輔助工作的是美國(guó)學(xué)者[2]，他們提出了利用水果采摘機(jī)器人來(lái)輔助采摘柑橘類的果實(shí);此后，各國(guó)都興起了對(duì)果園輔助采摘設(shè)備的研究，1985年法國(guó)科學(xué)家對(duì)蘋果類的水果開發(fā)了一套具有2支機(jī)械臂的樣機(jī);而日本崗山大學(xué)的學(xué)者在智能化的程度上更進(jìn)一步，通過設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)械手智能控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別而后進(jìn)行輔助采摘。

對(duì)于全自動(dòng)的采摘機(jī)械手而言，果實(shí)成熟度識(shí)別與精準(zhǔn)定位是研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)，是決定采摘效率與采摘質(zhì)量的主要因素，目前研究方向也主要聚焦于這2個(gè)重點(diǎn)與難點(diǎn)。主要待解決的問題有以下幾個(gè)方面：（1）更高精度的定位技術(shù);（2）更準(zhǔn)確的成熟度識(shí)別技術(shù);（3）更加靈活的機(jī)械手與執(zhí)行末端;（4）易于果農(nóng)操作的實(shí)用性與多功能作業(yè)。

1.3 國(guó)內(nèi)水果采摘器的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展方向

從20世紀(jì)90年代起，我國(guó)相關(guān)科研院所也逐漸開始對(duì)智能化水果采摘機(jī)器人及設(shè)備進(jìn)行研究。楊文亮等根據(jù)蘋果的幾何參數(shù)，參考機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了腰部可實(shí)現(xiàn)升降的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)[3-4];顧寶興等在低矮密植型果園的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種多動(dòng)作智能協(xié)調(diào)控制的水果采摘機(jī)器人[5]。

我國(guó)南方的果園大多處于丘陵山區(qū)，屬于坡地，因此合適的采摘機(jī)械很少，在危險(xiǎn)性方面的問題也更加突出。由于工作環(huán)境的復(fù)雜性，采摘機(jī)器人的發(fā)展仍未達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，尤其是視覺識(shí)別與行走裝置，距離實(shí)用化和商品化還有一定的距離[6-7]。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外的水果機(jī)械采摘技術(shù)進(jìn)行比較分析可知，國(guó)內(nèi)外科研人員在該領(lǐng)域做了許多研究工作，但水果采摘是極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，目前仍有不少難題沒有解決，（1）針對(duì)水果采摘的前端執(zhí)行系統(tǒng)研究較多，但對(duì)末端存儲(chǔ)系統(tǒng)研究不足;（2）前端執(zhí)行系統(tǒng)以精密機(jī)械采摘手臂、采摘機(jī)器人為主，對(duì)于我國(guó)以自主分散經(jīng)營(yíng)為主的果農(nóng)而言，實(shí)用性不盡如人意。

因此，本研究擬開發(fā)一套既操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)，又可伸縮的單果采摘桿，以滿足不同高度水果的采摘作業(yè)。

2 單果可伸縮采摘器設(shè)計(jì)

2.1 采摘器的組成與作用過程

本研究提供的輔助采摘器主要包括伸縮管、牽拉機(jī)構(gòu)、剪切刀、柔性網(wǎng)筒及可移動(dòng)收果小車等5個(gè)部分。伸縮管的一端鉸接有手柄，伸縮管的另一端插接有剪切刀，牽拉機(jī)構(gòu)連接于伸縮管的管身，手柄經(jīng)由牽拉機(jī)構(gòu)與剪切刀連接;網(wǎng)筒連接于伸縮管的下側(cè)，并且網(wǎng)筒的一端開口與剪切刀相對(duì)，另一端開口沿伸縮管的管身延伸至手柄下方;按壓手柄使得牽拉機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剪切刀作業(yè)將切落水果墜于柔性網(wǎng)筒內(nèi)，并且水果經(jīng)由網(wǎng)筒滾落而下，落入收集小車內(nèi)。整體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

2.2 剪切式采摘方案設(shè)計(jì)

圖2即為目前市面上常見的三爪水果采摘桿，這種桿子具有水果保護(hù)好、使用方便以及結(jié)構(gòu)可靠的特點(diǎn)，但受制于原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采摘后三爪緊扣住果實(shí)，不利于果實(shí)自動(dòng)掉落，其在采摘效率尤其是水果的收集問題上存在較大的缺陷。其次，固定長(zhǎng)度的管子無(wú)法滿足不同高度的水果采摘作業(yè)要求。

因此針對(duì)上述缺點(diǎn)，考慮到在果園日常生產(chǎn)中，利用剪刀進(jìn)行采摘更符合實(shí)際使用，有利于后續(xù)收集掉落的水果，因此以剪刀頭為主要工作方式，確定剪切式采摘和可伸縮管的設(shè)計(jì)方案。

剪切刀包括連接刀柄的固定刀片和活動(dòng)刀片，活動(dòng)刀片鉸接于固定刀片之上，刀柄插接于所述伸縮管的相應(yīng)端部，并且固定刀片的刀身具有弧形導(dǎo)向槽，活動(dòng)刀片的刀身具有滑動(dòng)于上述弧形導(dǎo)向槽的滑動(dòng)鈕，滑動(dòng)鈕滑動(dòng)于弧形導(dǎo)向槽內(nèi)時(shí)活動(dòng)刀片配合固定刀片完成剪切作業(yè)。剪切刀的結(jié)構(gòu)如圖3所示。且剪切刀插接在伸縮管的端部，可以根據(jù)使用需求更換開口度不同的各式剪切刀。

剪切刀的活動(dòng)刀片與伸縮管之間連接有拉伸彈簧，第2牽拉繩的端部與活動(dòng)刀片的滑動(dòng)鈕連接，第2牽拉繩被拉拽時(shí)，剪刀克服彈簧的拉力咬合進(jìn)行剪切作業(yè)，第二牽拉繩被松開時(shí)，剪刀在彈簧的拉力作用下張開。

2.3 水果采摘桿長(zhǎng)度分析

常見的果樹屬于灌木或喬木，其高度通常在 2～6 m，在果園的生長(zhǎng)環(huán)境中通常經(jīng)過修剪，因此其果實(shí)生長(zhǎng)較為緊密，在設(shè)計(jì)過程中須注意結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)考慮到設(shè)計(jì)的采摘桿為手持工作式，因此有必要對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行精簡(jiǎn)，便于果農(nóng)的攜帶與攜持。綜上所述需求，針對(duì)桿子的長(zhǎng)度進(jìn)行預(yù)估，假設(shè)樹高為3.0 m處有一果子待采摘，一般果農(nóng)平均身高為1.7 m，其臂的高度應(yīng)為1.3 m，工作示意圖如圖4所示。

假設(shè)桿子與果樹的垂線夾角為θ，通過基礎(chǔ)幾何知識(shí)可知，桿長(zhǎng)（l）為l=3.0-1.3cosθ。

通常情況下夾角在30°～60°之間較為合適，所以桿的長(zhǎng)度在2.0～3.4 m較為合適。

2.4 可伸縮采摘桿方案設(shè)計(jì)

2.4.1 伸縮桿設(shè)計(jì) 為滿足長(zhǎng)度為2.0～3.4 m的伸縮桿，采用伸縮管結(jié)構(gòu)，該伸縮管由管徑不同的第1支管、第2支管經(jīng)由伸縮節(jié)連接而成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。通過在桿子連接處以1個(gè)螺母進(jìn)行壓緊固定，以此便可通過調(diào)整螺母的松緊程度以實(shí)現(xiàn)桿子的伸縮，由于桿子的伸縮調(diào)整是帶動(dòng)內(nèi)部鋼絲線的長(zhǎng)度一起調(diào)整的，在調(diào)整長(zhǎng)度的時(shí)候，須要將內(nèi)部的鋼絲線一起進(jìn)行調(diào)整，以保證整個(gè)采摘桿可以正常工作。伸縮管的側(cè)壁間隔插接有若干網(wǎng)筒環(huán)，柔性網(wǎng)筒套在網(wǎng)筒環(huán)內(nèi)并固定在伸縮桿上（圖6）。

2.4.2 杠桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 牽拉機(jī)構(gòu)是一個(gè)杠桿機(jī)構(gòu)，伸縮管的側(cè)壁開設(shè)有通孔，杠桿機(jī)構(gòu)置于通孔處。該杠桿機(jī)構(gòu)包括固定架、固定環(huán)、轉(zhuǎn)軸、杠桿以及換向輪，固定架連接于固定環(huán)一側(cè)，固定環(huán)套接于通孔一側(cè)的伸縮管管身上并且使得固定架位于通孔處，杠桿經(jīng)由轉(zhuǎn)軸可翻轉(zhuǎn)地連接于固定架，并且杠桿的一端位于伸縮管的外部，而另一端位于伸縮管的內(nèi)部;換向輪可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置于伸縮管內(nèi);杠桿位于伸縮管外側(cè)的一端連接有第1牽拉繩，連接到按壓手柄上;杠桿的另一端連接有第2牽拉繩，并且第2牽拉繩經(jīng)由換向輪換向后與活動(dòng)刀片相連接。作用原理為當(dāng)按壓手柄時(shí)，手柄帶動(dòng)第1牽拉繩拉拽杠桿的一端，杠桿翻轉(zhuǎn)使得第2牽拉繩牽拉活動(dòng)刀片使得其朝向固定刀片咬合完成剪切動(dòng)作。其結(jié)構(gòu)示意見圖7。

2.4.3 收線機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了有效控制不同伸縮管長(zhǎng)度下的有效剪切，伸縮管靠近手柄的一側(cè)設(shè)置有收線架（圖8），收線架的一側(cè)可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置有卷筒，收線架靠近手柄的一側(cè)設(shè)置有與卷筒相對(duì)的收線塊，收線塊朝向卷筒的一側(cè)固定連接有收線頭，結(jié)合圖9收線塊以及收線頭上同軸設(shè)置牽拉孔，收線頭與收線塊連接的一側(cè)呈柱狀，其位于導(dǎo)向孔外側(cè)的端部徑向延伸形成卡線臺(tái)階，收線頭的收線臺(tái)階的邊緣設(shè)置有若干卡線槽;第1牽拉繩的一端纏繞于收線頭外部，并且第1牽拉繩穿過并卡持于卡線槽內(nèi);手柄連接有第3牽拉繩，第3牽拉繩另一端穿過牽拉孔并且在牽拉孔外部連接有牽拉環(huán)，第1牽拉繩穿過牽拉環(huán)，壓動(dòng)手柄使得第3牽拉繩拉動(dòng)牽拉環(huán)，牽拉環(huán)牽拉第1牽拉繩，第1牽拉繩經(jīng)卷筒換向后拉動(dòng)杠桿翻轉(zhuǎn)繼而使得第2牽拉繩拉動(dòng)活動(dòng)刀片。利用收線頭可以將調(diào)節(jié)伸縮管縮短時(shí)產(chǎn)生的第1牽拉繩冗余部分纏繞在收線頭上，或調(diào)節(jié)伸縮管伸長(zhǎng)時(shí)將收線頭上的牽拉繩釋放，彌補(bǔ)第1牽拉繩欠缺部分，確保手柄能夠有效地控制剪切刀。收線頭結(jié)構(gòu)如圖9所示。

2.5 收集裝置方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了水果輔助采摘桿，在流程上，水果被采摘桿上的剪刀剪下繼而掉落。接下來(lái)的問題便可簡(jiǎn)化成如何針對(duì)高空掉落的水果進(jìn)行快速并持續(xù)的收集以及收集后進(jìn)行后處理。針對(duì)上述問題，本研究提出的解決方案是設(shè)計(jì)1輛輔助收集小車，在水果收集過程中水果存在碰傷的問題，其根源在于水果掉落的速度過大，賦予其過大的動(dòng)能，若在水果掉落的過程中不對(duì)其進(jìn)行合理的減速，便會(huì)使得其因?yàn)檫^大的動(dòng)能而造成水果表面的碰傷。本研究設(shè)計(jì)的輔助收集小車將配合采摘桿的滑落軌道進(jìn)行組合工作。輔助收集小車示意見圖10。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本研究所設(shè)計(jì)的水果采摘器由可伸縮采摘桿及可移動(dòng)收集小車組成。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的采摘器的使用效果，在蘋果園內(nèi)選取果實(shí)密度與樹干高度相近的2顆果樹進(jìn)行采摘，展開試驗(yàn)，將本研究所設(shè)計(jì)的采摘器采摘與傳統(tǒng)徒手采摘的效果進(jìn)行對(duì)比與分析，將徒手采摘定義為對(duì)照組，將采摘器采摘定義為試驗(yàn)組。

試驗(yàn)人員為果園內(nèi)的工作人員，對(duì)照組2人1組，試驗(yàn)組1人單獨(dú)操作，對(duì)照組與試驗(yàn)組的采摘人員為同一人。對(duì)照組的采摘方法為一人徒手或借助剪刀進(jìn)行采摘，另一人進(jìn)行果實(shí)收集與裝箱，對(duì)于高處的蘋果可借助梯子類工具進(jìn)行采摘。試驗(yàn)組的采摘方法為無(wú)需借助梯子類工具，單人獨(dú)立操作完成采摘與果實(shí)收集。采摘時(shí)間均為10 min，采摘員自下而上進(jìn)行采摘，每2 min記錄1次數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。將采摘器采摘與傳統(tǒng)徒手采摘相比，使用采摘器在節(jié)省1個(gè)人力的情況下，采摘效率是對(duì)照的1.96倍。對(duì)于果實(shí)生長(zhǎng)高度較高的果實(shí)，無(wú)需借助梯子等工具，可伸縮采摘桿的優(yōu)勢(shì)得到了充分發(fā)揮，可移動(dòng)收集小車則節(jié)省了果實(shí)傳遞與裝箱的時(shí)間，采摘更加便捷輕松。由此可知，本研究設(shè)計(jì)的采摘器具有一定的合理性與可行性。

4 結(jié)論

本研究所設(shè)計(jì)的可伸縮單果采摘器體積小，結(jié)構(gòu)輕巧;質(zhì)量輕，便于攜帶;操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng);價(jià)格低廉，易于推廣;適用于不同高度、多種類水果的采摘作業(yè)。它不僅能夠降低果農(nóng)的勞作強(qiáng)度、降低采摘過程成本、提高果園生產(chǎn)率、提高水果品質(zhì)，還能促進(jìn)我國(guó)的果園種植業(yè)的進(jìn)步，追蹤世界前沿農(nóng)業(yè)技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)水果采摘的機(jī)械化發(fā)展。

采摘者只需將伸縮桿長(zhǎng)度調(diào)至果實(shí)的果柄部位，按鈕手柄控制剪切刀頭，操作簡(jiǎn)單，無(wú)需冗余動(dòng)作。另外，由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)所采摘單果的大小基本沒有限制，因此，適用范圍很廣，使用便利，是我國(guó)以自主分散經(jīng)營(yíng)為主的果農(nóng)的首選，經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益顯著。

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