可充电便携式水果采摘机的设计

陈艳 田克耘

摘要    针对当前我国果园采摘作业效率低、劳动量大、机械化程度低等问题，设计了一种可充电便携式水果采摘机。该采摘机利用点动开关控制电机运转，通过四连杆机构和曲柄滑块结构，将旋转运动转化为往复性剪切运动，实现果柄剪切，具有质量小、成本低廉、操作简单、人工劳动量低、工作效率高等优点。

关键词    采摘机;连杆机构;便携式;设计原理

中圖分类号    S225        文献标识码    A        文章编号   1007-5739（2019）10-0129-02

1    水果采摘作业现状

水果采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的33%～50%，采摘作业较为复杂，季节性较强[1]，若使用传统采摘机器，不仅易对水果造成破坏，而且工作效率低，而现代大型采摘机器（图1）成本昂贵，通常果农也不予考虑[2]。目前，国内主要基于人工手持剪刀进行采摘（图2），采摘效率低下，很大程度上浪费了劳动力。

2    设计总体构思

2.1    设计目标

旨在设计一种可充电便携式水果采摘机，能够降低手工握力剪枝和现有机器附蓄电池等局限性，同时提高对操作手臂的安全保护性能，实现低成本高质量的采摘功能。

2.2    方案描述

本设计主要采用连杆机构实现采摘剪枝动作，具体是由电机作为动力源，带动曲柄滑块机构实现由旋转运动转化为直线运动，滑块带动四连杆实现将直线往复运动转化为摇杆旋转剪切，从而完成水果采摘工作。

爪式或切割式采摘手容易损伤果皮，导致采摘质量下降;而便携式采摘机通过人工单手握持采摘，不易破坏果皮，且在采摘过程中不易造成果实掉落[2]。采摘过程中，通过一键按钮实现启动保护与整机联动，操作简便。

3    详细设计与制作

3.1    总体结构

便携式水果采摘机结构如图3所示，包括电控部分、机械联动部分。电控部分包括充放电电路板、控制开关等。机械联动部分包括曲柄滑块机构、四连杆机构。

3.2    工作原理

3.2.1    电控部分。使用时先将可充电电路板上的电源保护开关打开（电源保护开关可以在本产品停止工作30 s后自动断电，减小电流损耗，可充电电路板上配有指示灯供电量显示），使可充电电路板输入电流，电池输出电压是3.7 V，经可充电电路板转换为5 V，可充电电路板输出至升压模块，将 5 V电压升为12 V供电动机使用。

3.2.2    机械联动部分。当按下点动开关，电动机通电正常工作，并带动曲柄滑块机构中的曲柄做圆周运动，通过连杆将运动传递给滑块，使滑块在导轨上做往复直线运动，通过滑块上的销轴与四连杆机构相连，带动四连杆机构运动，借助弧形槽结构进行运动轨迹约束，将滑块直线往复运动转化为周期性转动，同时前端刀头铰接位置处进行支撑，从而实现剪刀做剪枝伸张运动。

3.3    主要设计参数

电机转速60 r/min，采摘水果规格0.25～0.30 kg，整机长度210 mm，整机宽度88 mm，整机高度24 mm，整机质量<1 kg，采摘量约20个/min，机构运动速度0.019 m/s，运行功率 62.8 W。

3.4    主要部件设计

采摘装置在设计时应考虑质量轻、稳定性强、方便采摘、易于拆卸更换。基于上述考虑，整机材料选用有机玻璃。中间镂空的设计可以减轻整个装置的自重，易于握持，方便拆卸更换。机械传动装置最初采用有机玻璃，但在实际操作过程中发现电机所连杆件因力臂过短，材料强度不够而难以带动前端杆件运动，故该连杆采用镀铬碳钢，可更好地传递剪切力。在刀刃设计过程中，采用弧线刃口。与直线刃口相比，弧线刃口刀具在剪切过程中，不论枝茎粗细以及果枝在刃口的位置，都具有较大的滑切角，利于切削。在滑块导轨设计中，四连杆与滑块通过铰链连接，分别在弧形槽和直槽中做往复运动，实现运动的转换，从而实现剪切[3-4]。样机三维模型图见图4，实物图如图5所示。

4    结论

可充电便捷式水果采摘机利用机电一体化，通过电机驱动，带动剪刀自动剪枝，克服手工握力剪枝和现有市场上剪枝器携带大型蓄电池的局限性，具有操作简单、方便携带、采摘过程中保护果实等优点。通过创新设计，装置具有如下特点：①利用曲柄滑块机构和四连杆机构实现可靠的机械式剪切方案;②利用现有圆弧刀刃进行有效剪切，自适应果枝大小，工作稳定;③采用锂离子聚合物可充电电池，体积小重量轻，放置于剪刀握柄处，有效地提高了空间利用率，突破了现有电动剪刀需另配大型蓄电池的局限性;④剪刀刀头以及充电电池具有可更换性，本体结构使用寿命长;⑤环保、无污染;⑥与传统手动剪刀相比，有效保护操作者手臂，降低劳动强度，性价比高，实用性高。该装置适用于小型果园，成本低、体积小、实用性强、应用面广，可实现提高采摘效率、降低人工劳动强度等目的，值得推广应用。

5    参考文献

[1] 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.

[2] 周建华，李向国，李育鑫，等.手持便携式苹果采摘装置设计[J].现代制造技术与装备，2018（7）：1-3.

[3] 曹祖伟，胡文泉，戚厚军.一种新型苹果采摘装置设计[J].南方农机，2018，49（21）：59.

[4] 王杰，闫肖肖.水果采摘装置的发展[J].科技创新与应用，2018（30）：78-79.

作者简介   陈艳（1989-），男，湖北荆州人，助教。研究方向：起重运输机设计制造。

收稿日期   2019-02-19