零损伤真空水果采摘装置结构设计
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作者:谢继文 梅欣欣 林叶隆 朴宗道
摘 要：本文针对人工采摘水果效率低、采摘困难的问题，设计了一款人工辅助零损伤真空抽气水果采摘机。介绍了人工辅助真空水果采摘机的工作原理，分别对采摘机构、控制机构、抽气机构以及供能机构做了详细的分析，绘制二维零件图、装配图，并利用三维软件对部分工作零件进行实体建模和整机大体装配。
关键词：水果 人工辅助 真空抽气采摘 结构设计
中图分类号：U295.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）03（b）-0036-02
我国是世界第一大水果生产国，也是世界第一大水果消费国。为满足对水果的消费需求，现如今全国很多地方都有大型的水果种植园。带来巨大的水果产量的同时，也为水果成熟时的收获带来了巨大的难题。但我国水果采摘作业机械化程度低，另一方面还受到采摘环境的限制，因此水果采摘作业对辅助人工采摘简易机械有广泛的需求。对于那些植株较高、采摘较为困难的水果，设计一款辅助采摘水果的装置，将大大地方便采摘工人的采摘作业、提高采摘效率。为此，我们设计了一个零损伤真空水果采摘装置，该机械装置具有结构简单、操作容易、采摘方便的优点。它能在提高采摘效率的同时最大程度上减少机械采摘过程对水果的损伤，以延长水果保存的时间。
1 装置的组成和工作原理
1.1 结构组成
图1为零损伤真空水果采摘装置结构原理图。整体机构结构由手推车、水果筐、伸缩杆、吸盘机械手、供电箱（放电瓶或汽油机）、三通阀、软管（连接作用）、气泵、低压桶、高压桶等组成。
1.2 连接方式
伸缩杆三通阀末端同低压桶进气口相连，气泵进气口与低压桶出气口相连，气泵出气口与高压桶相连，给气泵通电，打开三通阀抽气口，通过气泵和单向阀，将伸缩管中空气经过低压桶再经过气泵抽进高压桶储存，而低压桶连接的伸缩杆处于低压状态，从而形成气压差采摘水果，而高压桶出气口与三通阀另一个连接口（下有三通阀图）相连，采摘完水果后关闭三通阀抽气开关，打开与高压桶连接的出气口开关，用气压将水果放置筐中。
1.3 核心装置结构
汽油机或小型充电电瓶，为真空抽气。
真空抽气泵：进行抽气实现真空环境。
低高压桶：维持低压真空和高压环境。
手持固定部分：能控制抽气的开关并可固定手持。
伸缩式机械杆：杆件简单自如地进行伸缩。
采摘执行部分：实现各个方向水果准确安全的采摘。
1.4 工作原理
由小型汽油机或电瓶带动气泵抽取箱体内气体，降低箱体内气压，手动将伸缩杆末端机械手部分对准需要采摘的水果，手动打开伸缩杆内控制开关，利用气压差产生的力吸附水果拉扯采摘，缩短伸缩杆或将水果端放在收集筐内，利用气压或手动关闭控制开关，使伸缩杆连通外界空气，消除气压差，水果自末端落下，往复使用。其技术关键为：利用电动或燃油机带动真空气泵，通过真空气泵对低压桶、高压桶的作用制造压强差，利用大气压强的作用实现水果无损伤采摘。
2 整体设计方案介绍
2.1 伸缩杆设计及材料选择
利用三段不锈钢伸缩杆尺寸分别为90cm、70cm、80cm实现手持杆的伸缩，连接处添加纤维摩擦材料或橡胶类材料实现任意长短的伸缩固定。手端直径3cm递减，且预留一段可拆卸，防止整体过短或者过长，便于达到过高过低处水果采摘。
2.2 吸盘机械手
利用吸盘机械手在负压状态下吸附水果，可更换中部孔的大小采摘不同种类的水果。吸盘机械手最外层由铁皮或3D打印漏斗形架子，中间层是泡沫层，再往里就是胶皮层包裹层，最里层是网布包裹海绵层和水果亲密接触，以保证不损伤水果，经过试验我们发现是零损伤。
2.3 气压桶设计
气压大小根据使用环境设置，采取不同大小的气压桶，两侧各有一约φ2cm通气孔分别与其他装置相连，综合考虑到经济和安全系列问题，并进行实际试验，发现实际操作过程中，无必要将低压桶体内抽至完全真空状态，高压桶压强也不会过大，故壁厚可适当减小，厚度设计为2.5mm左右，选材为白钢201，节省成本安全可靠。
3 设计创新及优点
3.1 设计创新点
（1）汽油机与真空泵的结合使用，既解决电源问题又提供便利。
（2）真空抽气的运用，减少对水果的伤害，便于采摘。
（3）收缩杆与抽气管的组合设计，简化外观又满足使用需要。
（4）开关的巧妙设计，灵活地实现对水果抓放。
3.2 设计优点
本设计从低成本、实用型、适用性广出发，结构简单、控制操作容易，降低工人劳动强度和生产费用，提高劳动生产率和产品质量，打破了以往机器人研究往高深化方向的观念，完成了小型辅助人工采摘水果机械的设计。除此之外，还解决了传统手工作业的弊端。即一是采摘过程中工作者的人身安全问题（手工采摘时手臂容易被树枝划伤或擦破，高处作业时，还可能会摔伤）得到了较好的解决;二是保证了水果的质量，避免了单手采摘时容易出现脱蒂，易出现抽芯果，还有高枝水果容易掉在地上造成内外伤、影响水果的外观、不利于保鲜储藏、从而最终造成降低经济收入等问题。此外，本设计采用了汽油机和真空泵结合，由汽油机直接供能，避免了插电不方便的问题，解决在实际水果采摘过程中远离电源的局限性。使本设计产品的适用范围更广，即使在偏远的山林果园中也能长时间地提供电能，以保证真空泵的正常工作。
4 结语
真空抽气水果采摘装置作为人工辅助采摘机械装置的一种，因此具有人工辅助采摘装置的普遍发展前景。（1）基于它具有結构简单、操作方便的特点，因此它的成本比较低，便于推广普及。（2）基于现如今国内的现状，因此急需要类似于真空抽气采摘装置这一类的人工辅助机械来解决采摘难题，我们相信未来辅助装置会逐渐替代效率低下的人工采摘方式，那就意味着将来人工辅助装置将会有巨大的发展空间，具有广阔的市场。实现采摘作业的自动化是未来发展的方向，它源于实际的生产活动中，不仅能解决农业活动中的采摘效率低的问题，还能推动我国农业机械化向智能化的转变。（3）本设计能应对复杂的采摘环境，不管是地势较为平坦还是较为陡峭的山间水果种植园，都能够使用此设计产品，考虑到采摘装置的使用人群因此操作较为简单、易上手，适用于广大的人群。（4）本产品作为一款简单的人工辅助采摘装置，可与其他的装置组合使用，组合后的复杂装置又能更多地解决其他的采摘问题，使之未来具有更多的发展空间，以不同的样貌呈现在世人面前，具有更多的可能性。（5）利用抽气形成真空环境，再利用大气压强的设计点为以后装置适用在其他的领域提供一种新的思路，不仅仅是运用在水果采摘方面。它不仅只局限在农业生产过程中，为来它也可适用在日常生活中。
参考文献
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