适应椰子树和槟榔树攀爬的弹性爬树机设计研究

苏 明，韩慧敏，宋延沛

（海南科技职业大学，海南 海口571126）

1 背景

棕榈科植物是海南热带农业的主要产品，其果实因含有丰富营养成分或口味独特而深受人们喜受，如椰子、槟榔等，椰子、槟榔在全国各大旅游景点都有销售，需求量较大。棕榈科植物如椰子树或槟榔树树干不分枝且高度较高，高度达10～15m，叶簇生于茎顶，果实悬挂于树叶下，当果实成熟需要采摘时，需人工徒手沿树干攀爬至树干顶端进行采摘果实，但徒手攀爬难度较大，危险性高，在攀爬过程中难以保障采摘人员的生命安全。研究人员针对人工徒手攀爬的缺陷设计爬树机来代替人工完成攀爬工作，可以有效避免采摘人员在攀爬时因攀爬不慎而发生摔伤事故，同时降低采摘劳动强度，提高采摘安全性和工作效率，保障采摘人员的人身安全。

目前，现有爬树机固定套设的结构形式，将爬树机机架套设在树干上，然后采用动力装置沿着树干的竖直方向运动，人站在机架上即可完成攀爬作业，减轻了攀爬作业的强度，提高安全性，提高采摘果实的效率。但由于椰子树或槟榔树受生长气候和地形环境的影响，造成树干直径大小不一，爬树机在攀爬工作的过程中，不能根据树干直径的变化特点自动调整夹树直径的大小，容易造成爬树机在攀爬过程中出现被卡死或打滑的现象，导致其存在爬树功能不强、实用性差和针对性较低的问题。

2 弹性爬树机的设计方案

弹性爬树机包括主动轮机构、自动调整轮机构、平衡轮机构和机架组成如图1所示。机架呈大于半圆的弧形结构，同时机架设置为张口式结构，即机架分为左机架和右机架，左机架与右机架之间铰接，在铰接处设置有用于固定左机架与右机架的多个固定构件，固定构件即左机架设置有铰接板，铰接板上设置有通孔，右机架上设置有与通孔相对应的螺纹孔，螺栓穿过带有通孔内的铰接板，将其与螺纹孔转动连接。在机架上分别间隔设置有平衡机构、主动轮机构、自动调整轮机构，平衡机构、主动轮机构和自动调整轮机构设置在同一水平面且角度间距为120°，主动轮机构的主动轮设置在机架中间部位，平衡机构的平衡轮和自动调整轮机构的调整轮分别设置在主动轮的左右两侧。

平衡机构包括U形结构的平衡轮座和朝向机架中心的平衡轮，平衡轮座安装在机架上，平衡轮活动设置在平衡轮座上，如图1（b）10和20所示。

主动轮机构包括U形结构的主动轮座、电动机和朝向机架中心的主动轮，如图1（b）7和19所示，主动轮座和电动机均安装在机架上，主动轮活动设置在主动轮座上，电动机通过传动机构与主动轮连接，传动机构采用齿轮或链条传动，其传动稳定性好，电动机通过控制电路与控制器连接。

自动调整轮机构包括均朝向机架中心的活动轴、支座、调整轮及弹簧，如图2和如图3所示，支座安装在机架上，支座与活动轴活动连接，支座设计为U形结构，增加支座对活动轴的支撑点，提高活动轴运动时的稳定性，在活动轴的一端上设置有U形结构的调整轮座，调整轮活动设置在调整轮座上；在支座上设置有螺栓固定板、调节螺栓、轴上活动板和轴上固定板，螺栓固定板竖直安装在支座上，调节螺栓与螺栓固定板转动连接，调节螺栓的末端紧贴着轴上活动板，轴上活动板活动安装在活动轴上且位于螺栓固定板的右侧，轴上固定板固定在活动轴上且位于轴上活动板的右侧，弹簧一端安装在轴上活动板，弹簧另一端安装在轴上固定板上。

图1

图2

图3

3 弹性爬树机工作原理

弹性爬树机工作时，在电动机带动下主动轮转动攀爬。弹性爬树机通过自动调整轮机构、主动轮机构和平衡机构的配合使用，平衡机构的平衡轮、主动轮机构的主动轮和自动调整轮机构的调整轮所构成的三个支撑点，三个支撑点分布在不同的方向上；自动调整机构的调整轮通过活动轴在弹簧的推力作用下，活动轴带动调整轮朝机架中心位置做往返运动，以此来增大或缩小夹树直径的大小，克服了弹性爬树机在爬树时不能自动调整夹树直径大小而被卡死或打滑的缺陷，解决了弹性爬树机爬树能力差和不实用的问题，增强弹性爬树机的适应能力和实用性。

在弹性爬树机在攀爬前，机架张开，将其套设在树干上，通过固定构件将机架的左机架和右机架固定，通过控制器启动电动机，电动机带动整个弹性攀爬机沿树干的轴向进行攀爬。

弹性爬树机在攀爬的过程中，当树干直径变大时，树干推动调整轮向外移动，安装有调整轮的活动轴也向外移动，固定安装在活动轴上的轴上固定板向外挤压弹簧，弹簧的弹力逐渐变大，弹簧反向作用于调整轮上，使得调整轮有更大的夹紧力夹紧树干；当树干直径变小时，弹簧带动活动轴及活动轴上的轴上固定板向里移动，调整轮紧贴着树干。克服了弹性爬树机在爬树时不能自动调整夹树直径大小而被卡死或打滑的缺陷，解决了弹性爬树机爬树能力差和不实用的问题，增强弹性爬树机的适应能力和实用性。

4 特 色

本方案设置自动调整轮、主动轮和平衡轮形成三个120度方向分布夹紧树干，由于弹性力的作用，自动调整轮调整夹紧直径的变化，树干直径变大爬树机夹紧直径也跟着变大，树干直径变小爬树机夹紧直径也跟着变小，保证爬树机在树干大小不均匀时能顺利攀爬上树。