胡天棋，黃圳兵，孫小芳，吳嘯天，周 創(chuàng)

（成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川 成都 610059）

我國是世界第一大蘋果生產(chǎn)國和消費國，2019 年我國蘋果總產(chǎn)量高達4 200×104t，約占全球總產(chǎn)量的16%。蘋果種植業(yè)的迅速發(fā)展帶動了果園機械的市場需求。

蘋果采摘作業(yè)所需勞動力占整個生產(chǎn)過程所用勞動力的35%～50%，手工采摘的方式不僅效率低下，而且危險系數(shù)大。現(xiàn)有的小型輔助采摘機械多采用長桿端部帶剪刀或各種形狀切片的結(jié)構(gòu)形式。采摘蘋果時需要人工手持設(shè)備，存在勞動量大、力度不易控制、易傷水果、效率不高等問題。針對目前蘋果采摘的現(xiàn)狀，開發(fā)一種相對高效、勞動量小、不易傷蘋果的輔助人工采摘裝置。

1 總體設(shè)計方案

該采摘裝置采用模塊化設(shè)計方法，總共由四大部分構(gòu)成：收割裝置、伸縮及輸送裝置、自適應(yīng)裝夾裝置、分離與收集裝置。

1.1 收割裝置

前端采摘部分如圖1 所示，螺旋轉(zhuǎn)盤部分采用柔軟且不易變形的材料，兩裝盤底部一側(cè)安裝有小刀片。采摘時將殼體開口對準蘋果，按下驅(qū)動按鈕后電機驅(qū)動大齒輪，通過齒輪傳動驅(qū)動軸，軸帶動螺旋轉(zhuǎn)盤一起旋轉(zhuǎn)。蘋果被壓入殼體后受轉(zhuǎn)盤的擠壓繼續(xù)向下運動，直到果枝碰到刀片，轉(zhuǎn)盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，隨著蘋果所處空間的徑向尺寸越來越小，果枝所受扭轉(zhuǎn)力矩越來越大，最終刀片會切斷果枝從而將果實順利采摘下來。隨后果實將順著長桿落下，進入存儲小車中。

對于其強度要求，做以下驗證：我們近似采用空間阿基米德螺線，其坐標方程式為：

以電機安裝處為坐標原點，桿底部連接處A 為危險截面，設(shè)其空間坐標為（x,y,z），由式（1）（2）及相關(guān)模型數(shù)據(jù)代入可得：A 處的方向向量為（0.41，0.49，0.77）。考慮蘋果實際重量及采摘實驗，取外邊緣受力點B 處扭矩和彎矩M1= 185N·m、M2=379N·m，將 M1及 M2等效投影到 A 處。設(shè) B 坐標為（x',y',z'），根據(jù)力矩的空間等效原則有：危險截面A 處扭矩和彎矩分別為：

根據(jù)第三強度理論，W 為軸的抗彎截面系數(shù)，軸的材料45#鋼，[σ]=125MPa,W=πd3/32，代入得 σr=38.9 MPa＜[σ]，故螺旋切割部分強度完全滿足要求。

1.2 伸縮及輸送裝置

滑動桿的伸縮由滑輪組實現(xiàn)，采用兩組動滑輪和兩組定滑輪的經(jīng)典組合，通過推手的上下推動，經(jīng)過定滑輪，帶動滑竿在定滑軌內(nèi)左右運動，從而實現(xiàn)采摘桿的伸縮。

1.3 自適應(yīng)裝夾機構(gòu)

此結(jié)構(gòu)用于采摘時的對位以及自適應(yīng)裝夾，如圖2 所示，采用雙旋轉(zhuǎn)自由度萬向節(jié)，既保證空間旋轉(zhuǎn)自由度，又巧妙的將伸縮部分與底部連接起來，底部為自適應(yīng)裝夾裝置，通過滑軌可以任意調(diào)節(jié)寬度，使其能夠裝夾在任意的平臺上。

1.4 分離機構(gòu)的設(shè)計

通過安裝兩根呈“八”字形的鋼管，簡捷有效實現(xiàn)不同大小蘋果的分離，蘋果落下時，由于重力的作用會自動進入大小相近的通道。

1.5 工作原理

裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示：

采摘時首先通過推柄伸縮，同時萬向節(jié)轉(zhuǎn)動長桿進行定位，將圓筒開口對準蘋果后，按下按鈕驅(qū)動電機軸旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動齒輪，通過齒輪傳動帶動的雙螺旋機構(gòu)旋轉(zhuǎn)擠壓，使刀片切斷果枝，蘋果被采摘下來并順著長桿落下，最終進入儲存小車中，緊接著可以進行下一次對位采摘。

2 創(chuàng)新點

（1）該裝置具有獨特的轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，采用雙螺旋葉片加刀片的方式切斷果枝，不會傷到果實，可以完成機械化、自動化、高效化采摘。

（2）結(jié)構(gòu)模塊化，為整個裝置提供良好的升級、互換、維護及工程應(yīng)用環(huán)境。

（3）功能可靠，機械設(shè)計理論基礎(chǔ)與軟件分析相結(jié)合，充分利用CREO、ANSYS 等軟件對其運動狀態(tài)、受力進行有限元分析，以此來調(diào)整優(yōu)化結(jié)構(gòu)。第一代試驗樣機表明，該裝置傳動平穩(wěn)、工作效率高、操作簡便、符合預(yù)期設(shè)計效果。

3 總結(jié)

該輔助采摘機械裝置彌補了現(xiàn)有采摘輔助機械裝置存在的各種不足，前端采摘部分巧妙地改造了螺旋給料機部分機械結(jié)構(gòu)，設(shè)計出雙螺旋采摘機構(gòu)，用以將果實采摘下來，不會傷到果實,有一定創(chuàng)新意義。同時我們將該采摘部分與可伸縮長桿相連，長桿采用滑輪滑塊伸縮機構(gòu)，便于進行采摘對位，末端用萬向節(jié)連接于小車上，采摘下來的蘋果通過長桿進入緩沖裝置中，分離后進入小車內(nèi)，解決了現(xiàn)有輔助采摘裝置效率低下等問題。因此該裝置具有極大的市場運用前景，對于水果采摘機械化具有很大的意義。