ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｎａＰｏｒｔａｂｌｅＥｌｅｃｔｒｉｃ
ＦｒｕｉｔＰｉｃｋｉｎｇＤｅｖｉｃｅ
叶 剑 沈家栋 何东伟
（同济大学浙江学院机械系，嘉兴 ３１４０００）
摘 要牶对几种常见的水果生长数据进行了调研，主要包括水果生长的位置分布、单个水果的重量和水果悬挂姿态。通过分析水果生长位置和悬挂姿态对采摘动作的影响，对当下果园里常用的几款辅
助采摘设备及其各自的优缺点进行了调查和研究。基于此，设计了一款便携式、适应各种水果悬挂姿
态的电动水果辅助采摘装置。
ＤＯＩ牶１０．１６４１３／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ．１０１７０８０ｘ．２０２２．０６．００７
Ａｂｓｔｒａｃｔ牶Ｓｅｖｅｒａｌｃｏｍｍｏｎｄａｔａａｂｏｕｔｔｈｅｇｒｏｗｔｈｏｆｆｒｕｉｔａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｕｓｐｅｎｄｅｄｐｏｓｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｗｅｉｇｈｔｏｆａｓｉｎｇｌｅｆｒｕｉｔ．Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｓｅｆａｃｔｏｒｓｏｎｐｉｃｋｉｎｇｆｒｕｉｔ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｓｓｅｖｅｒａｌｋｉｎｄｓｏｆａｕｘｉｌｉａｒｙｐｉｃｋｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓｕｓｅｄｉｎｏｒｃｈａｒｄａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｂｏｖｅｗｏｒｋ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｖｉｄｅｓａｄｅｓｉｇｎｏｆｈａｎｄ ｈｅｌｄｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｖｉｃｅｆｏｒｆｒｕｉｔｐｉｃｋｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｃａｎｓｕｉｔｖａｒｉｏｕｓｓｕｓｐｅｎｄｅｄｐｏｓｔｕｒｅｓｏｆｆｒｕｉｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ牶ｆｒｕｉｔ ｐｉｃｋｉｎｇ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔａｎｇｌｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｈａｎｄ ｈｅｌｄ
０ 引 言
我国每年各种水果的产量达数亿吨，一年四季都有大量新鲜水果上市。对于不同的水果采摘方法也不尽相同，根据果园地理条件以及果农的生产规模，现在最为广泛使用的采摘方法是手工采摘、半机械
化采摘和机械化采摘。然而，分布在果树中上部分的水果由于光照充分，往往质量比较上乘（如图１所示）。对于这部分水果的手工采摘，时下果农也有借助于简单的采摘辅助装置。现在用的较多的辅助采摘装置分两类：第一类是可以剪切果柄的，主要由定长杆（或伸缩杆）、剪刀（固定在杆子上端）、拉绳和网兜组成；第二类是非剪切果柄的，直接用暴力将果柄扭断或扯断，这种设计由定长杆（或伸缩杆）和抓取的爪子（布置在杆子顶端）构成。这两种水果采摘装置由于自身结构比较简单，所以使用过程中会存在诸多问题。第二类装置的缺点非常明显，采摘过程对果树和果实都很容易造成损伤；而第一
作者简介：叶 剑 １９８６年生，工学硕士，工程师。研究方向为大学生创新竞赛、机械设计理论及应用研究。
沈家栋 １９８７年生，工学硕士，副教授。研究方向为机械设计及控制。
何东伟 １９６９年生，工学博士，教授。主要从事汽车动力传动及其控制方面的研究。
类装置有剪刀，可以避免对果实和果树的损伤，
但是由于剪刀和网兜是固定在杆子头部的，没法调节采摘的角度，采摘一些隐蔽的或者果实不是竖直悬挂生长的果实非常困难。针对以上缺点，我们设计了一款新型的水果采摘辅助装置
。
图１ 水果分布和生长形态示意图
１
总体结构与工作原理
本设计由切割部、伸缩杆、角度调节装置、电
滴水架
源和控制器等部分组成。图２（ａ）为本设计的设计模型，图２（ｂ）为实物图。切割部由电机、网兜和锯片构成，伸缩杆由拉杆和拉杆锁紧机构组成，角度调节机构由球形副和固定螺栓构成，电源和控制器主要由电池、开关和控制电路构成。 设备在工作中首先到水果的生长位置，然后根据水果的生长位置和悬挂姿态，调整伸缩杆的长度和
采摘头的角度，以保证锯片能很好地切割果柄，并将果实落入网兜中。按下控制器的按钮，电机带动旋转锯片切断果柄，果实落入网兜，完成一次采摘动作。下一个水果如果生长形态合适，则可以不用调整采摘头的角度继续使用；若不适合，则再次调整角度进行下一次采摘
。
１
—切割部；２—角度调节装置；３—伸缩杆；４—电源和控制器
图２ 采摘设备总体结构图
２
主要部件设计２．１ 伸缩杆的设计
本设计的伸缩杆由两段外径６５ｍｍ和内径
７０ｍｍ的铝合金拉杆构成，如图３所示，长度分别为１０００ｍｍ和１２００ｍｍ。两端由拉销与套筒组成的锁紧机构来锁紧。采摘高度可达４ｍ，能覆盖当下大部分果园的果树高度
。
图３ 伸缩杆
采摘过程中，工作人员手持采摘杆，采摘杆与竖直方向所成角过大会导致手部受力太大，容易疲劳；角度过小，头部仰角就过大，脖子容易疲劳。经计算，角度在１５°～２０°之间的时候，采摘人员头部仰角较小，工作视线也好，操作轻松，可以长时间采摘。由于我们的采摘头角度可调，所以伸缩杆的长度可以大大缩短。
２．２
角度调节机构的设计
角度调节机构主要由球形副和固定螺栓构
成。图４（ａ）为角度调节机构结构图，图４（ｂ）为
角度调节机构角度调整范围图。球形副由上、下两部分组成，通过螺栓连接结合在一起构成旋转副的腔体。角度调节范围主要由球形副上半部分的高度Ｈ和杆子直径Ｄ决定，本设计的角度范围为８０°。使用时，先松开紧固螺栓，然后旋转球头，调整到合适的角度后，拧紧锁死螺母，通过紧固螺栓和球头的摩擦与球头和腔体的摩擦力来锁定角度
。
１
—采摘部连接杆和球头；２—球形副腔体；３—紧固螺栓
图４ 角度调节机构
２．３
切割部设计
本设计的辅助采摘装置采用电动切割的办
法，既节省体力，又提高效率。切割部设计和工作方式如图５所示。电机安装在电机座里，网
兜
１
—枝条和果实；２—网兜；３—锯片；
４—减速电机；５—电机安装座
图５ 切割部设计图
支架与电机座安装采用抱箍的形式，方便拆卸。网兜的入口平面和锯片平面平行，这样切割下来的水果就会在重力作用下自动落入网兜。试验发现，能否切断果柄，主要取决于锯片的锋利程度、电机的输出转矩转速以及切割时间。同等条件下，刀片越锋利，果柄切断时间用时越短；电机输出转矩越大，果柄切断用时越短。所以，从提高效率的方面考虑，电机功率越大越好。由于本装置是在户外工作，且使用电池供电，因此，选择电机就得选用小功率、低转速、大速比的减速电机，这样可以在保证电机输出转矩的同时，延长工作时间。
切割部的设计主要在于电机的选型和切割刀片的设计。刀片主要有两种形式，一种是普通扇叶式刀片，另一种是旋转锯片。本文对两种刀片分别进行了测试，采用两侧对称的安装形式。测试结果发现，小功率电机很难切断果柄，电机容易堵转，对电机功率需求过大；而圆形锯片则
能很好克服上述缺点，对电机的功率需求比较小，很符合本设计的需求。
常见南方水果果柄直径为１～３ｍｍ，其中梨、橘子、芒果的果柄硬度和直径都较大，苹果的果柄直径和硬度较小。所以本设计采用橘子作为试验样本。
电机的选型主要考虑电机的输出转矩和功率，即
Ｆτ＝τ×Ｓ＝３．１４×τ×ｄ２
（１）
磁卡门禁机式中：Ｆτ为剪切力；τ为果柄的横纹抗剪强度，查表得到常见的果树强度分布为６．６～１２．０ＭＰａ；ｄ为果柄直径。果柄最大直径为３ｍｍ，柚木的横纹抗剪强度为９．６～１２．０ＭＰａ，代入式（１）可得剪切力为７．０６Ｎ。电机所需输出扭矩如式（２）所示，即
Ｔｎ＝Ｆτ×Ｄ
（２）
式中：Ｔｎ为电机所需输出扭矩；Ｄ取２．５ｃｍ。代入式（２），得Ｔｎ＝１７．６５Ｎ·ｃｍ。
电机输出转矩如式（３）所示，即
Ｔ＝
弹性pvc
９５５０×Ｐ
ｎ
（３）
式中：Ｐ为功率；ｎ为电机转速；９５５０为电机常数。
本设计选用的电机功率为１５Ｗ，转速为５００ｒ／
ｍｉｎ。代入式（３）得电机输出转矩为２８．６５Ｎ·ｃｍ，因此，能满足上述切割需求。
切割电机选用１２Ｖ、１５Ｗ的直流减速电机，输出转速５００ｒ／ｍｉｎ；选用直径为５０ｍｍ的硬质合金锯片，切口锋利。针对直径为１～３ｍｍ的枝条进行切割测试，切断时间为１～３ｓ。
２．４
电源和控制器设计
电源和控制器采用分体式设计，如图６所示。两部分通过螺纹连接，便于更换电池。在电池盒上设计了船型开关安装口，电池采用１２Ｖ可充电式锂电池
。
１
—开关安装口；２—电池盒；３—上端盖
图６ 电源和控制器结构
３
结束语
本设计总重１ｋｇ，最大采摘高度４ｍ（可覆盖
大部分果园采摘需求），一次充电可以连续工作半天，采摘一个水果耗时１～５ｓ不等。本设计能
非常高效地辅助人工采摘生长位置较高的水果，采摘过程对水果零损伤。可以很好地用在柚子、桃子、橘子、梨、苹果、芒果等水果的采摘。
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