一种多功能柑桔采摘装置的设计
基金项目:国家级大学生创新创业训练计划项目(201811058016)
本研究设计一种单人使用的多功能柑桔采摘装置，可实现定点剪切、省力剪切、换向剪切、装置伸缩和延长果农持续工作时长，解决当前柑桔采摘装置功能欠缺、操作不便、不能较好辅助果农提高采摘效率和采摘质量的问题，因此，本研究具有较高现实意义。该装置按实际需求保留了原柑桔采摘功能并结合新功能，弥补原柑桔采摘装置不足，以更简单便捷的机构实现原有功能，提升了原设备的实用性。
1 工况分析与存在问题
1. 1 工况分析
柑桔树高度普遍为 2 m，少数可达 2. 3 m，柑桔生长姿势分垂直向下和倾斜向下，因此，装置应具有伸缩功能。随着柑桔生长高度的增加，其枝条与采摘装置夹角变小，而最佳剪切角度为剪切刀刃施力方向与枝条伸出方向垂直，以保证剪切可靠和避免倾斜剪切形成尖锐截面戳伤果皮，故设计的剪切机构应可摆动。手持装置进行采摘时，腕关节等同铰支点，将承受装置重力及重力到手腕关节的力矩。腕关节属于易损伤关节，对外界作用力矩的抗衡能力较弱 ，故应设计辅助的把持机构，以减轻手腕的劳动强度。采摘柑桔要求在离果蒂 1 cm 处定点剪切 ;进行高枝采摘和树内采摘时，枝叶阻挡会使操作者不易掌握对柑桔枝条进行定点剪切的方位，故应设置视觉确认系统以辅助定位。柑桔果皮较薄，为了防止柑桔剪落摔伤，应设置收集装置以便对剪落的柑桔实现缓冲收集。
图 1 多功能柑桔采摘装置
1. 摄像头;2. 剪切机构;3. 锥齿轮;4. 卡槽;5. 手机;6. 辅助把持杆;7. 驱动手柄连接座;8. 驱动手柄;9. 钢丝绳;10. 导流套连接框
2. 1 剪切机构
剪切机构采用剪切式工作方式，剪切机构如图 2所示。为降低剪切力对人工操作的依赖性和保证机构的可靠性，该机构通过弹簧释放弹性势能来驱动剪切刀进行剪切动作。剪切刀开单边刃，且只有相互交合两直边开刃，刀尖形状近半圆形，如图 2 所示，既防止刀尖戳伤柑桔又方便枝条进入刀刃之间。上刀刃铰接于机构而下刀刃固接于机构。拨块铰接于上刀刃末端且被扭簧抵紧，抵块穿插销轴抵于上刀刃所开滑槽。剪切机构工作过程如下:扳动驱动手柄在其连接座平面转动，通过钢丝绳拉动驱动滑块，驱动滑块从导轨左端向右端运动与拨块接触，克服动力弹簧弹力将上刀刃打开;当驱动滑块脱离拨块，上刀刃即刻闭合实现剪切动作。驱动手柄回位，钢丝绳失去拉力，复位弹簧推动驱动滑块从导轨右端向左端运动，驱动滑块顶起拨块时扭簧被压缩，当驱动滑块脱离拨块，扭簧将拨块复位，由此实现剪切机构工作的一个循环。动力弹簧带动上刀刃快速旋转，上刀刃对枝条作用时间极短，瞬时作用力很大，但由于接触面小，刀刃对枝条伤害低，因此更大的作用力反而利于提高剪切可靠性。
图 2 剪切机构
1. 上刀刃;2. 下刀刃;3. 抵块;4. 动力弹簧;5. 驱动滑块;6. 复位弹簧;7. 拨块;8. 扭簧
剪切机构为省力设计:一方面，动力臂长度49 mm，阻力臂长度 23 mm，此处为一级省力设计;手持驱动手柄时动力臂(手掌心至驱动手柄安装轴心)长度166 mm，阻力臂长度59 mm，如图3 所示，此处为二级省力设计。设动力弹簧弹力为 F，经过两级省力设计后，驱动剪切机构所需动力仅为 0. 17F，因此，降低了剪切枝条时对人力的依赖性。另一方面，驱动手柄采用伸缩设计，其最大伸长长度为原长的1. 6 倍，此时驱动剪切机构所需动力为0. 11 F，省力效果更佳。
图 3 驱动手柄
驱动剪切机构所需动力与动力弹簧弹力息息相关。动力弹簧初采用不锈钢压缩弹簧，其规格为 φ1.6*φ17.6* 40* 6。根据弹簧劲度系数 k 计算公式可得:
动力弹簧安装高度 h 1 = 33 mm，行程末端高度h 2 =23 mm。由胡克定律 F = kx，安装高度弹力 F 1 =24. 85 N，行程末端弹力 F 2 =60. 35 N。将 F 2 值代入F，在驱动手柄原长状态下，操作者仅需提供 10. 26 N以上的力就能驱动剪切机构完成一次剪切;在驱动手柄最大伸长状态下，所需力降至 6. 41 N。
《木结构设计规范》指出，木材最大横纹抗剪强度为 1. 3 N/mm。柑桔果实枝条约 3 mm 粗，则剪断枝条所需力 F 3 = σπr 2 = 1. 3 × 3. 14 × 1. 5 × 1. 5 =9. 19 N ［4］ 。因为 F 1 － F 3 =15. 66 N，所以该动力弹簧弹力富余量较大，允许尝试更换劲度系数较小或缩短原始长度的弹簧，进一步降低剪切机构的驱动力。
2. 2 换向机构
为操作便捷，驱动手柄可同时控制剪切机构摆动，换向机构通过齿轮传动实现动作。两对齿轮副分别置于传动杆两端，传动杆两端各设一锥齿轮，第一传动轴铰接于支撑座的卡接柱，一端与驱动手柄连接座固接，另一端与锥齿轮固接，该锥齿轮与固定于传动杆的锥齿轮进行啮合组成第一齿轮副;第二传动轴与剪切机构固接，铰接于剪切机构连接座，轴一端固定一锥齿轮，该锥齿轮与固定于传动杆的锥齿轮进行啮合组成第二齿轮副。需要剪切机构换向，拨动驱动手柄驱动其连接座转动，连接座驱动传动轴转动，该转动通过两对齿轮副转化为剪切机构相对驱动手柄的同步摆动。由于齿轮啮合为刚性连接，因此剪切机构角度调节准确性和同步性能得到保证。第一、第二齿轮副示意图如图 4、图 5 所示。
图 4 第一齿轮副示意图
1. 驱动手柄连接座;2. 支撑座;3. 小节铝管;4. 传动杆;5. 大节铝管;6. 锥齿轮;7. 第一传动轴
图 5 第二齿轮副示意图
1. 第二传动轴;2. 剪切机构;3. 锥齿轮;4. 传动杆;5. 小节铝管;6. 剪切机构连接座
2. 3 伸缩机构
为操作便捷，在装置缩短状态下其采摘范围需覆盖大部分柑桔，采用驱动手柄控制装置伸缩。按人身高至少可抵消树高 1. 3 m，故初设计本装置缩短状态下有效长度(除去握持位置和辅助把持机构长度)1. 2 m，为辅助采摘果树顶端少数果实，允许装置伸长0. 3 m。伸缩机构变形自滑块机构，伸缩杆小节铝管与撑座固接，大节铝管从端部开滑槽和定位卡槽，支撑座卡接柱顺滑槽插接于大节铝管。支撑座与大节铝管间隙配合，可在滑槽行程内自由滑动。手持驱动手柄前推，传动轴推动支撑座前进即伸长装置;将支撑座卡接柱拉入卡槽末端即实现装置长度固定。为防止采摘过程中卡接柱意外落入滑槽，设计卡槽为倒“L”型。由于伸缩杆伸长后驱动手柄远离操作者，故驱动手柄亦采用可伸缩设计，方便操作者在装置伸长状态下控制装置。伸缩机构如图6 所示。
图 6 伸缩机构
1. 小节铝管;2. 大节铝管;3. 支撑座
采用驱动手柄控制剪切机构、换向机构和伸缩机构，相比于当前柑桔采摘装置，本装置操作更加方便快捷有利于辅助果农提高工作效率。
2. 4 辅助把持机构
由于肱二头肌等均分布于上臂和前臂，本研究设计该机构辅助把持杆在人曲肘进行高枝采摘时可抵于腋下，利用人体重力抵消手腕所承受力矩，充分利用承载能力更大的手臂承受装置负荷，实现减轻手腕工作强度，进而延长果农持续工作时间。该机构具有可调节功能，装置人性化。
该机构设计如下:辅助把持杆与铰接轴固接，铰接轴铰接于连接块，连接块有内六角凹槽配合。辅助把持机构如图 7 所示，卡块的六边形卡接部与连接块内六角凹槽间隙配合，故卡块可径向抽出，其行程被通过卡块中心孔拧在铰接轴上的螺钉限制，且被套于螺钉的小弹簧抵紧。卡块沉孔底部有六边形沉槽，当卡块被小弹簧抵紧时与铰接轴六角头间隙配合，限制铰接轴转动。由此，连接块与卡块、卡块与铰接轴两处六边形配合共同实现辅助把持杆角度锁定。将卡块稍微抽出，即可调节辅助把持杆角度。由于辅助把持机构通过连接块松紧夹设计夹持于伸缩杆末端，操作者可松动紧定螺钉自主调节该机构安装角度及安装位置，找到适合的最佳操作角度。
图 7 辅助把持机构
1. 连接块;2. 铰接轴;3. 辅助把持杆;4. 卡块;5. 小弹簧
为使装置轻量化，装置采用铝合金件，总重在2 kg内。
2. 5 视觉确认系统
在剪切机构安装有微型摄像头，镜头位于上刀刃上方，与安装在杆身上的手机无线连接，通过手机实时观察剪切刀刃方位情况，可辅助果农进行定点剪切。视觉确认系统不仅有利于进行定点剪切，还有利于根据柑桔成熟程度进行选择性采摘。
2. 6 收集装置
该收集装置固接于剪切机构，其主体为软质导流套。导流套口位于剪切刀刃下方，使每次柑桔被剪落后均能经过导流套缓冲落至地面收集筐。
3 试验与完善
试验时采摘装置剪切有力、换向灵敏、伸缩自如，全程无故障发生，且操作便捷，使高枝采摘变得更方便高效。采摘试验如图 8 所示。
图 8 采摘试验
试验后对装置进行了细节完善:在伸缩杆小节铝管适合位置固接一绳索导向杆，钢丝绳从杆导向孔中穿过，使钢丝绳拉动驱动滑块时拉力方向与驱动滑块运动方向能够基本一致，提高机构的可靠性。
4 结论
设计的多功能柑桔采摘装置结构简单、工作可靠、功能较多、操作便捷、成本较低、质量较轻，有助于提高柑桔采摘效率和采摘质量，减轻了果农的劳动强度，降低了果农的人力支出。与当前市场的柑桔采摘装置相比，本装置在功能多样性、操作便捷性、实用性、性价比等几方面均有较大优势，是果农的得力助手。此外，虽然本装置的定位设计为柑桔采摘装置，但也可将采摘对象扩展为单果类果树，如苹果，雪梨，桃子等，具有较大的潜在应用前景。
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