唐鵬輝 康穎安 汪侃炎 錢程 陳思涵

摘 要：基于對(duì)當(dāng)前市面上已有的一些水果切削裝置調(diào)研分析，我們發(fā)現(xiàn)存在的產(chǎn)品可以分為半自動(dòng)式和全自動(dòng)式兩類，但這兩種都存在一定的局限性，大部分都只能單一地完成水果外皮的去除或者果肉切塊，而且其操作方式也都是需要人手動(dòng)的啟動(dòng)運(yùn)行。基于此，同時(shí)也為了提升智能科技在大眾生活中的存在感，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種可用語(yǔ)音控制工作且將削皮和切塊功能結(jié)合的新型智能水果切削裝置。

關(guān)鍵詞：水果;切削裝置;設(shè)計(jì);仿真

中圖分類號(hào)：TH122文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

水果對(duì)于人體的健康十分有益，大部分人每天都會(huì)食用水果。但是，隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，水果種植者在栽培過(guò)程幾乎都會(huì)使用農(nóng)藥來(lái)保證水果的質(zhì)量，一些不法商家還會(huì)為維持水果色澤給水果使用工業(yè)果蠟，因此我們?cè)谑秤盟皶?huì)選擇削去水果的外皮，部分人還會(huì)將去除外皮的水果進(jìn)行切塊用于制作水果拼盤。當(dāng)前已有的一些水果切削裝置只能完成單一的削皮或者切塊工作，當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)帶來(lái)了科技生活的重大變革，很多智能化的產(chǎn)品都已飛入尋常百姓家，基于此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種結(jié)合智能語(yǔ)音控制并將削皮、切塊功能整合的新型水果切削裝置，用于提高水果食用前處理效率和提升大眾的智能生活體驗(yàn)感[1-3]。

1 總體方案與工作原理

1.1 總體方案

智能水果切削裝置由控制單元、切削刀具單元、收集盒、電機(jī)一、電機(jī)二、電機(jī)三、電機(jī)四、壓力傳感器、齒輪、絲杠一、絲杠二、絲杠三、推桿、托盤、插架、底座、頂蓋等構(gòu)成，如圖1所示。其中，所述控制單元為整個(gè)裝置的大腦，采用開(kāi)源電子平臺(tái)Arduino提供的語(yǔ)音模塊-ASR Board語(yǔ)音識(shí)別控制板，模塊對(duì)應(yīng)有“切塊”“切皮”“切皮后切塊”三個(gè)語(yǔ)音指令;所述切削刀具單元包含切塊刀、削皮刀?？刂茊卧八膫€(gè)電機(jī)均放置在頂蓋內(nèi)部，三根絲杠分別安裝在底座的左、右、后端（此文中所述的左、右、后方位僅僅限于圖1中），切塊刀與削皮刀分別通過(guò)螺紋配合安裝在絲杠一、絲杠二和絲杠三上，絲杠兩端都通過(guò)滾動(dòng)軸承安裝在底座和頂端對(duì)應(yīng)的軸承座中，托盤安裝在推桿的上端并且同推桿一致安裝在底座的正中央（切塊刀的正下方），絲杠均由對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)絲杠的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)切塊刀和削皮刀向下運(yùn)動(dòng)，完成切塊和削皮工作。插架一端用鍵連接齒輪，通過(guò)電機(jī)四及齒輪與齒輪之間的嚙合傳動(dòng)使插架做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)水果在削皮時(shí)繞水果中心軸線旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)收集盒分別為對(duì)稱可抽出式，可從底座的左右兩側(cè)抽出，用來(lái)取出收集的果皮及果塊。

1.2 工作原理

裝置接入電源，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力由電機(jī)提供，但電機(jī)的工作（正反轉(zhuǎn)）、停止均有控制單元根據(jù)使用者語(yǔ)音輸入的“切塊”“切皮”“切皮后切塊”指令間接控制，見(jiàn)圖2。切塊和削皮工作也均相互獨(dú)立，完全依據(jù)使用者輸入的指令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，工作完成后自動(dòng)復(fù)位。

削皮過(guò)程：推桿帶動(dòng)放置在托盤上的水果上升被插架插入達(dá)到固定作用，水果頂端與插架上的壓力傳感器接觸產(chǎn)生壓力，電機(jī)三驅(qū)動(dòng)絲杠三帶動(dòng)削皮刀向下移動(dòng)，同時(shí)，插架被電機(jī)四驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)水果繞中軸線旋轉(zhuǎn)，通過(guò)削皮刀的平移和水果自身的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)削皮過(guò)程。

切塊過(guò)程：電機(jī)一、電機(jī)二分別驅(qū)動(dòng)絲杠一、絲杠二運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)切塊刀向下移動(dòng)完成對(duì)水果的切塊工作。

果皮及果塊或僅去除果皮的水果收集：果皮和果塊都會(huì)在削皮、切塊過(guò)程由于重力掉入下方的收集盒中，將收集盒從兩側(cè)抽出即可得到果皮和果塊，僅需進(jìn)行去除外皮的水果待完成削皮工作人為從插架取出即可。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 切塊刀與削皮刀

2.1.1 切塊刀

切塊刀由刀片、刀架構(gòu)成，見(jiàn)圖3。切塊刀兩端的孔內(nèi)設(shè)置有與絲杠一、二配合的螺紋，切塊刀安裝在絲杠一、二上，刀架的缺口設(shè)計(jì)為了防止在工作過(guò)程中發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，刀片中間的圓形設(shè)計(jì)是切除某些存在果核的水果（如蘋果、梨子）。

2.1.2 削皮刀

削皮刀由刀架、刀片、刀托、輔助頭、調(diào)節(jié)彈簧構(gòu)成，見(jiàn)圖4。刀架一端安裝在絲杠三上，刀片和輔助頭嵌套于刀托內(nèi)部，刀托外緣套有一個(gè)調(diào)節(jié)彈簧，整個(gè)刀托扣鎖在刀架內(nèi)，但其可以發(fā)生一定的軸線方向位移。調(diào)節(jié)彈簧便于使刀片與水果貼合，保證切皮的連續(xù)性;輔助頭是為了防止刀片過(guò)度切除果肉，使果皮去除的經(jīng)濟(jì)性提高。

2.2 傳動(dòng)單元

絲杠在工作過(guò)程需進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸端通過(guò)聯(lián)軸器與絲杠相連接，使電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速輸入到絲杠上，絲杠螺母副再將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為切塊刀、削皮刀的上下直線運(yùn)動(dòng)（圖5中僅標(biāo)注了絲杠一的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，絲杠二、絲杠三傳動(dòng)結(jié)構(gòu)同絲杠一一致），絲杠完成一次運(yùn)動(dòng)后控制單元通過(guò)設(shè)定時(shí)間自動(dòng)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。插架的驅(qū)動(dòng)由電機(jī)四的電機(jī)軸端通過(guò)鍵連接的齒輪與插架端的齒輪嚙合傳遞轉(zhuǎn)速，從而完成插架的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。軸傳動(dòng)單元如圖5所示。

3 運(yùn)動(dòng)仿真測(cè)試結(jié)果

基于三維仿真軟件對(duì)智能水果切削裝置運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果如圖6所示。圖6（a）為切塊刀在工作時(shí)移動(dòng)速度變化情況，圖6（b）為削皮刀在工作時(shí)移動(dòng)速度變化情況。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果分析，智能水果切削裝置在切塊和削皮過(guò)程中切塊刀和削皮刀的速度都比較平穩(wěn)，且都是勻速運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

智能水果切削裝置的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果表明，裝置在切塊和削皮過(guò)程中切塊刀和削皮刀的速度都比較平穩(wěn)，且都是勻速運(yùn)動(dòng)，能夠保證水果去皮及切塊的質(zhì)量。同時(shí)我們的設(shè)計(jì)方案將削皮和切塊兩種功能結(jié)合在一起，采用語(yǔ)音輸入指令來(lái)控制水果的切削，該裝置不僅滿足了人們對(duì)于水果切削的需求，而且使用方便、安全，還達(dá)到了一定的智能化程度。

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[3]唐紅凱.水果削皮器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2013（10）：3-5.

基金項(xiàng)目：2019年度湖南省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S201911342031）

作者簡(jiǎn)介：唐鵬輝（1999—），男，漢族，湖南衡南人，本科在讀，研究方向：智能水果切削裝置的設(shè)計(jì)。