可升降水果采摘装置的设计

王旖旎 李逢振 吴玉红

（湖南环境生物职业技术学院，湖南 衡阳 421005）

0 前言

随着生活水平的提高，水果已经成为人们日常生活必不可少的食品。现在的水果一般都在园中大量种植，一到成熟收获的季节，水果采摘也就成了人们最常见也较繁重的劳作方式之一。除了部分水果可通过人工方法降低树高易采摘外，还有相当部分水果生长在较高的树上。水果生长的自然位置高，不利于人工直接采摘，很多时候免不了使用梯子或人爬上果树后用手摘取[1-2]，这种采摘水果的方式，可以最大限度地降低水果的破损率[4]，但是对于作业人员来说存在很大的安全隐患，而且采摘强度较大，采摘效率较低。因此水果采摘技术越来越受到人们普遍关注，尤其是高空采摘，采摘设备具有极大的市场需求。就目前上市的采摘设备来看，有以下几个优点：1）便携式采摘器能完成水果摘取，但不具备果实采摘完后进行传输的装置，作业过程仍需大量体力，且采摘距离也受限制。2）组合式采摘器可对各种角度、不同距离的水果进行采摘。但是，最后在水果收集时，速度缓慢，且不能保证水果不被碰伤，同时结构较复杂，不便携带和操作。3）采摘机器人适应各种高度，效率也高，但价格昂贵，不易维修和保养。4）大型采摘装置笨重，移动、存放较困难，成本高，采摘时水果表皮易被碰伤。

为此，通过研究创新，该文设计了一种可升降水果采摘装置，安全、经济、高效、方便[7]。

1 可升降的水果采摘装置的设计

1.1 总体结构设计

根据高空采摘设备操作简单、轻巧方便的特点，采用伸缩杆为主体，配以重量轻、抓取范围可调的夹头，实现不同高度和不同大小水果的采摘。该文设计的可升降水果采摘装置如图1、图2所示，主要包括夹头、伸缩杆、握杆和转杆等4个部分。伸缩杆通过螺纹连接方式套设在握杆内部，伸缩杆和握杆内部设置有转杆，转杆上端连接夹头，下端与握杆连接。

图1 可升降水果采摘器的立体图

图2 可升降水果采摘器的剖视图

1.2 关键部件设计

1.2.1 握杆的设计

如图3所示，握杆是水果采摘装置的握持部，位于装置中下部，包括固定杆和活动杆，固定杆与活动杆之间通过轴承连接。

握杆设置成空心结构，内有伸缩杆和转杆。采摘水果时，作业人员通过握住固定杆，用手转动活动杆，即可带动转杆转动，进行水果采摘作业。

固定杆和活动杆外表面均设置有橡胶垫，能够在工作时起到防滑作用。

1.2.2 伸缩杆的设计

伸缩杆在高空采摘作业时起着关键性的作用。它通过螺纹连接方式套设在握杆内部，如图3所示。在采摘过程中针对不同的采摘高度，先旋转伸缩杆，使得伸缩杆沿着握杆纵向移动，第一转杆在夹头的带动下，沿着第二转杆纵向移动，这种结构的设置能够使得采摘装置任意伸长或者缩短，从而适应不同的采摘高度，将水果从树上取下。

图3 伸缩杆和握杆的剖视图

1.2.3 转杆的设计

伸缩杆和握杆内部设置有转杆。转杆上部连接夹头，下部与握杆连接，在握杆的带动下能够转动，并且带动夹头内的相关齿轮转动。

转杆包括第一转杆和第二转杆。第一转杆下部呈矩形体，上部外表呈圆柱体，内孔呈矩形体。第二转杆两端呈矩形体，中部呈圆柱体。

第二转杆活动套设在第一转杆内部，可随时跟着伸缩杆的伸缩上下移动，以适应不同的采摘高度。

第二转杆与夹头内部的第二齿轮和第三齿轮固定连接，第二转杆一转动，第二齿轮和第三齿轮跟着转动，2个齿轮起着主动轮的作用。

第一转杆与握杆下方的活动杆固定相接，活动杆一转动，第一转杆跟着转动，带动相连的第二转杆转动。

1.2.4 夹头的设计

夹头是水果采摘装置的核心部件。其结构如图4所示，包括夹头壳体、第三齿轮、第二齿轮、传动杆、齿杆和刀片。

图4 夹头的结构图

夹头壳体是一个空心圆柱体，第三齿轮、第二齿轮、传动杆、齿杆和刀片均安装在其内部。

第三齿轮在夹头壳体底部位置，被第二转杆穿过。

第二齿轮位于第三齿轮上端。第二齿轮与第二转杆、第三齿轮和第二齿轮上前后左右4个位置，分别贯穿有活动杆，如图7所示。活动杆上端呈矩形体，能够用来夹紧水果。下端呈圆柱体，当第三齿轮和第二齿轮转动时，活动杆能够向圆心位置移动。

图7 活动杆的结构示意图

第二齿轮和第三齿轮上均设置有轨道105a，如图6所示。其中轨道设置有4个，分别位于第二齿轮和第三齿轮前后左右4个位置，轨道一端靠近第二齿轮和第三齿轮边缘，另一端靠近圆心位置。轨道呈弧形，其中活动杆穿过轨道。

图6 第二齿轮和第三齿轮的俯视图

第二齿轮和第三齿轮在转动时，能够带动活动杆沿着弧形轨道由边缘向中间移动，从而调节抓取范围，适应不同尺寸大小的水果，抓取并夹紧水果。

传动杆有2根，分别位于第二齿轮左右两端，且传动杆上下两端均连接有第一齿轮，下端的第一齿轮与第二齿轮啮合，上端的第一齿与齿杆啮合。

齿杆一侧设置有齿，且有齿一端与第一齿轮啮合。齿杆设置有2个，分别滑动安装在夹头壳体上端，2个齿杆之间固定连接有刀片，如图5所示。

图5 刀片安装结构图

采用以上结构，当采摘水果时，在切断水果与果树连接的同时，还能将水果夹紧，防止水果落地造成损伤，有效地保证水果的完好率。基于高空采摘作业，该水果采摘装置要满足整体结构轻便，避免头重脚轻，同时又不遮挡操作者的视线等要求。各部分的选材也很重要，尽量采用轻质材料制成。夹头壳体采用透明的的亚克力板或其他透明塑料材质制作，夹持元件（活动杆）采用密度较轻的塑料材质制成。为了防止活动杆抓取水果时破坏水果表皮，在活动杆内侧可增加一层薄橡胶垫。伸缩杆和握杆的固定杆均采用1mm厚304不锈钢管做成，中间空心可以减轻重量，使操作者在采摘水果时不易产生疲劳，降低了劳动强度，同时也方便携带。握杆的活动杆和转杆均由304不锈圆钢做成，这样既美观又实用。

1.3 工作原理

使用该装置采摘水果时，先根据水果所在高度，旋转伸缩杆，使得采摘装置处于一个合适的长度，然后对准需要采摘的水果，将水果套在夹头内部。

紧接着转动活动杆，此时转杆跟着转动。当第三齿轮和第二齿轮在第二转杆的带动下转动时，带动4个活动杆由外向中间移动，从而抓取并夹紧水果。与此同时，第二齿轮带动传动杆下端的第一齿轮转动，第一齿轮再通过传动杆进一步带动传动杆上端的第一齿轮转动，与第一齿轮啮合的齿杆再带动刀片在水平方向上前后移动，从而切断水果与果树之间的连接，进行水果的采摘作业。

2 产品特色

与现有采摘技术相比，该水果采摘装置具有以下特色：1）采摘水果时将水果套在夹头内，在刀片切断水果与果树之间联系的同时，通过夹头内的活动杆将水果夹住，实现夹紧与切断同时操作，从而可以防止水果掉落地面造成损伤，在一定程度上保证了水果的完好率，提高了经济效益。2)设置伸缩杆[6,8]，并且将伸缩杆与握杆之间通过螺纹连接，使得采摘装置在采摘不同高度的水果时，都能够极其方便、灵活，既保证了作业人员的安全[5]，又降低了劳动强度[8]。3）完全利用机械传动进行水果采摘，结构设计简单[2]，携带操作方便[3]，节省了时间，提高了效率。4）装置各部分用材合理，整体舒适美观。

3 结论

水果采摘是一个季节性较强的工作。为了满足水果种植户的需求，该文针对当前水果高空采摘这一技术难题，该文设计的可升降水果采摘装置结构简单，携带操作方便，果园、山地、丘陵等多种环境生长的高大乔木水果树，且采摘单果个头较大的硬质水果时都能适用。使用该水果采摘装置既能降低采摘人员的劳动强度，避免安全事故，提高采摘效率，又能保证水果完好率，提高经济效益，具有很好的实用意义。经预测，其应用市场和推广前景广阔。