CN108401675A - 半自动环锯式水果采摘器 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种半自动环锯式水果采摘器，它包括伸缩杆，伸缩杆端头设有上面板和下面板；上面板上设有外套筒；下面板上设有内套筒；外套筒同轴套接在内套筒上；外套筒和内套筒上端口呈环形阵列设有槽口；槽口一侧壁底面设有朝该槽壁方向开口的三角斜槽；三角斜槽底面与槽口底面持平；外套筒和内套筒之间设有环形锯片；环形锯片上端面高于槽口底面，低于三角斜槽顶壁；环形锯片设在锯套上；锯套设在驱动轮上；驱动轮套设在内套筒下端；驱动轮与内套筒之间设有轴承圈；驱动轮通过传动机构连接电机；伸缩杆上设有蓄电池和开关；蓄电池和开关通过电线连接电机。本发明成本低，不伤果，且采摘速度更快，对人眼判别苹果精确位置的要求更低。

Description

半自动环锯式水果采摘器

技术领域

本发明属于农业机械设备技术领域，具体为一种半自动环锯式水果采摘器。

背景技术

目前我国农业的机械化水平还处于起步阶段，农产品包括水果的采收机械化程度低。而水果采收作为果园生产全过程中的一个重要环节，具有季节性强和劳动密集型的特点，所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的35%～45%。水果采摘的质量的好坏关系到水果的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。

目前采摘近地面的果实比较简单，但是对于苹果，橘子等的生长位置比较高的果实，就需要采摘人员不断爬上爬下，因此降低了采摘效率同时增加了危险性。且人工采摘需要的劳动力多、劳动强度大，与农业劳动力短缺和人工成本升高的现实相矛盾。在当今越来越讲究人工智能化的今天，原始的采摘方式与社会经济发展需要格格不入。所以，市面上出现了多种辅助果农进行采摘的小型器具。这类器具一般具有以下特点：结构简单，轻便，经济，能满足果实采摘中的基本功能。但目前还仍未有一种采摘装置能在功能和成本二者中实现较好的平衡，广大的果农朋友们已久面临着果实采摘过程中采摘危险性大，效率低，成本高等问题。

目前市场上苹果、橘子等的采摘机械装置的类型主要有以下几种：

1）三爪式摘果器，这种采果器是模利人手采摘的原理，利用三爪机械臂捕获水果，之后收紧，夹紧果实后往远离树枝的方向用力扯下，使果梗和果实在最脆弱处断裂。该采摘机械装置的优点是：操作简单，可以灵活调节采摘的高度，便于摘取同一棵树上不同高度的果实，机械构造简单，价格适中，利于维护；其缺点是：十分易伤果，采摘速度较慢，人上肢易疲劳，尚未解决快速精准抓取果实等问题。

2）收集装置式摘果器。这种摘果器是利用均布在圆铁架上的缺口将果实围进装置的布袋入口，然后人在杆端朝远离果枝的方向用力拉扯，迫使果实和果树相对运动，从而扯断维系的枝条。该摘果装置优点是：操作简单，可以灵活调整采摘高度；利用布袋的收集作用，避免频繁地缩回杆子收集果实；机械结构简单，无运动件，维护方便，成本低廉；其缺点是：易伤果，采摘速度慢，多次摘果之后袋子变重，需要人手往复升降拉扯，增加采摘员人手的负担。

3）剪切式摘果器。这种采果器是利用刀片或剪刀固定水果的枝条，通过操纵手柄，将枝条剪断。其优点是：可从相应的枝条上快速分离果实，采摘效率稍高，使果实的分离更加省力；其缺点是：要求人眼非常精准的定位果实位置，采摘之后果实掉落过程中若不加防护措施会伤果，导致果实破损。

以上分析可以看出，目前农业采摘机械装置仍然存在着较多的问题，最主要的问题有以下几点：

1.易伤果。采摘水果的最终目的是给生产者带来效益，带来效益的前提是水果的完整性，无损性，但一些机械由于原动力和执行机构的问题，对果实的伤害很大，易伤果是很多机械的根源性问题。

2.缺乏对果实的精准抓取能力。在这种农业辅助机械装置中，装置的控制主体是人，人决定着机械装置是否能起作用。虽然很多的采摘机械装置能实现抓取果实的功能，但对人眼定位要求很高，故精准抓取的成功率往往较低。

3.缺少快速的采摘能力。经过实验，目前的采摘机械一次完整的采摘流程包括分析果实位置、端执行器抵达果实附近、抓取果实、分离果实和收集果实。在不计算实际的采摘成功率以及工人转换场地的用时的前提下，每个步骤平均大约耗时4s，一次采摘就要耗时20s以上。

发明内容

为此，我们设计了一种自动环锯式水果采摘器，目的就是让更多的果农买的起，用得上不伤果的采摘器，且采摘速度更快，对人眼判别苹果精确位置的要求更低。

为实现该目的，本发明采用的技术方案是：一种半自动环锯式水果采摘器，它包括伸缩杆，所述伸缩杆端头设置有上下相互平行的上面板和下面板；所述上面板上设置有外套筒；所述下面板上设置有内套筒；所述外套筒同轴套接在内套筒上；所述外套筒和内套筒上端口呈环形阵列设置有槽口；所述槽口一侧壁底面设置有朝该槽壁方向开口的三角斜槽；所述三角斜槽底面与槽口底面持平；所述外套筒和内套筒之间设置有环形锯片；所述环形锯片上端面高于槽口底面，低于三角斜槽顶壁；所述环形锯片设置在锯套上；所述锯套设置在驱动轮上；所述驱动轮套设在内套筒下端；所述驱动轮与内套筒之间设置有轴承圈；所述驱动轮通过传动机构连接电机；所述伸缩杆上设置有蓄电池和开关；所述蓄电池和开关通过电线连接电机。

进一步的，所述槽口另一侧壁为竖直面。

进一步的，所述上面板和下面板边缘通过连接螺栓相互连接；所述连接螺栓上套有支撑套；所述支撑套位于上面板和下面板之间。

进一步的，所述伸缩杆为空心杆；所述电线为弹簧线；所述电线设置在伸缩杆内。

进一步的，相邻槽口之间形成槽板；所述槽板顶面为三角形或圆弧形。

进一步的，所述下面板底面设置有用于接住水果的收集装置。

进一步的，所述驱动轮通过皮带与皮带轮连接；所述皮带轮连接电机；所述皮带轮、皮带均设置在上面板和下面板之间。

进一步的，所述上面板和下面板之间设置有用于张紧皮带的张紧轮。

本发明的有益效果：

1、不易伤果。首先我们采用了开槽的内、外套筒，不开槽的部分包络住锯条，有效减少锯条裸露面积，在切割过程中防止误伤果实果农，果实采摘完好率高；其次我们采用电机带动环锯工作，进一步减少了因人力拉扯对果实的损害；

2、加快采摘速率。我们改变传统动力来源，采用电机带动，单位时间内可持续采摘苹果数量更多；开槽的内、外套筒中开槽部分的精确配合，能起到固定果柄的作用，降低打滑几率；在锯套上连结了一个带滚动钢珠的轴承圈，轴承圈上布置的三道的滚珠可保证锯条在工作时不跳动，稳定锯套与内、外套筒的间隙，减小了摩擦损耗，传动平稳，进一步加快采摘效率；

3、对人眼判别苹果精确位置的要求降低。内外套筒开了六个槽，任意一个槽均可捕捉果梗，不再需要人眼对果梗精准定位，降低果农的劳动强度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明内部结构示意图。

图3为图2中局部A放大结构示意图。

图4为本发明的传动机构示意图。

图中：1、蓄电池；2、开关；3、伸缩杆；4、电线；5、上面板；6、下面板；7、皮带轮；8、电机；9、皮带；10、轴承圈；11、外套筒；12、槽板；14、槽口；15、内套筒；16、连接螺栓；17、张紧轮；18、收集装置；19、锯套；20、支撑套；21、环形锯片；22、驱动轮；142、竖直面；141、三角斜槽。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

如图1-图4所示，本发明的具体结构为：一种半自动环锯式水果采摘器，它包括伸缩杆3，所述伸缩杆3端头设置有上下相互平行的上面板5和下面板6；所述上面板5上设置有外套筒11；所述下面板6上设置有内套筒15；所述外套筒11同轴套接在内套筒15上；所述外套筒11和内套筒15上端口呈环形阵列设置有槽口14；所述槽口14一侧壁底面设置有朝该槽壁方向开口的三角斜槽141；所述三角斜槽141底面与槽口14底面持平；所述外套筒11和内套筒15之间设置有环形锯片21；所述环形锯片21上端面高于槽口14底面，低于三角斜槽141顶壁；所述环形锯片21设置在锯套19上；所述锯套19设置在驱动轮22上；所述驱动轮22套设在内套筒15下端；所述驱动轮22与内套筒15之间设置有轴承圈10；所述驱动轮22通过传动机构连接电机8；所述伸缩杆3上设置有蓄电池1和开关2；所述蓄电池1和开关2通过电线4连接电机8。

优选的，所述槽口14另一侧壁为竖直面。

优选的，所述上面板5和下面板6边缘通过连接螺栓16相互连接；所述连接螺栓16上套有支撑套20；所述支撑套20位于上面板5和下面板6之间。

优选的，所述伸缩杆3为空心杆；所述电线4为弹簧线；所述电线4设置在伸缩杆3内。

优选的，相邻槽口14之间形成槽板12；所述槽板12顶面为三角形或圆弧形。

优选的，所述下面板6底面设置有用于接住水果的收集装置18。

优选的，所述收集装置18为网兜。

优选的，所述驱动轮22通过皮带9与皮带轮7连接；所述皮带轮7连接电机8；所述皮带轮7、皮带9均设置在上面板5和下面板6之间。

优选的，所述上面板5和下面板6之间设置有用于张紧皮带9的张紧轮17。

优选的，所述伸缩杆3上设置有固定长度的螺栓。

本发明具体设计原理：

1、设计要求

苹果采摘机械装置执行机构方案确定前需要考虑的因素：

首先，应符合其“小型”辅助人工采摘机械装置或工具的定位。该机械装置必须在功能上满足要求，在设计和结构上较同类产品有突出优势，同时在性能价格比，先进性，创新性，实用性方面达到较好的平衡。在保证功能的情况下，机械结构越简单越好。

其次，苹果的大小形状决定了其执行机构的尺寸，在设计时应保留一定的冗余，避免摘不到体型较大的苹果。然后，在采摘的过程中应尽可能地包络住苹果，增大与苹果接触的表面积，降低误伤苹果的可能性。

再次，应尽可能地在保证功能性的同时降低整体质量，增大其便携性，降低工人体力消耗。这要求我们使用新型的材料，如复合材料，工程塑料，有机材料等。

2、传动机构

传动机构可以是齿轮传动，带传动，链传动，蜗轮蜗杆传动以及液压传动，气动等，本例中采用O型带传动，安装在上、下面板之间，包括皮带轮7，皮带9、驱动轮22、张紧轮17，电机8安装在上面板上面。

电机基本参数如下:

转速/n	额定电压/u	空载电流/i	质量/m	适用电压/u
					480r/min	9v	60ma	127g	5-12v

3、采摘机构

采摘机构安装在内、外套筒之间，包括带滚动钢珠的轴承圈10、驱动轮22、锯套19、环型锯片21，其中轴承圈10、驱动轮22起到了支承和传动作用，又往上与锯套19相连接，环形锯片连接在锯套19中。

4、控制机构

控制机构有开关2，电线4，蓄电池（锂电池）1。

5、工作原理

本装置采摘机构的工作主要有以下几个部件协同合作完成：带滚动钢珠的轴承圈10驱动轮22、锯套19、环形锯片21。当使用者打开开关2时，电机8启动，皮带轮7转动，O型皮带9传递动力使驱动轮22朝顺时针方向连续转动。由于驱动轮22、锯套19、环形锯片21三者都是相连的，所以环形锯片21也按照相同的方向顺时针稳定旋转。

在内、外套筒之间，连续转动的环形锯片高出槽口底部5mm左右，当人操作伸缩杆3使得，机架靠近苹果，苹果主体只要落入了内套筒15内，果梗便会自动处在六个槽口14之中的一个内，因为苹果重力的原因，果梗往下触碰到正在高速旋转的环形锯片，而且槽底的部分加工了一个带斜度的缺口：三角斜槽141，果梗在环形锯片的带动下与三角斜槽141产生自锁现象，加速果梗的切割过程。最后果梗被切断，苹果下落，通过掉进收集装置（网兜）中。

6、使用方法

在使用前，对采摘装置的蓄电池1进行充电，在确保电量充足以后，开机试运行，调整张紧轮17的位置，使皮带传动效果达到最佳状态。在钢珠滚道（轴承圈10）涂抹一层润滑脂，减少运动阻力。

安装好采摘装置的各个部件，使其稳固。伸长伸缩杆3，使其达到苹果树中大部分苹果所处的高度。布置好收集装置和采集装置的位置。开启开关2，测试运转情况。确保运转正常后，将机架及其采摘机构靠近目标苹果，通过位置的微调使苹果落入内套筒15中，果梗将被锯条快速切断。苹果掉落，采集装置完成采集。一次完整的采摘循环结束。开始下一个目标苹果的采摘。

7、性能分析

可采摘苹果的大小：本装置内套筒直径130mm，即最大采摘苹果的直径超过120mm，市面上的苹果直径多在70-80mm之间，最大直径也极少超过120mm。所以基本上所有品种的苹果都处在可采摘的范围内。

最快采摘速率：本装置经过多次试验，果梗的切割效率非常之高。一旦果梗落入开槽底部的斜缺口中，平均切断时间仅有1.5s，加上人眼识别目标苹果所花费的时间加执行机构转换到下一个目标苹果所需的时间，完成一次采摘平均用时10s。平均每分钟采摘6个苹果。

续航时间：经过测试，一个充满电的3500mAh，24V的锂电池可连续使电机工作3小时，通过更换锂电池的方式，仅需更换两次锂电池就可满足一天的工作需要。更换的锂电池可循环充电，达到环保要求。

8、主要结构设计

选用O型普通圆带1根，带基准长度为867mm，带轮基准直径Dd1=40mm，Dd2=161.5mm，中心距a取150mm，单根带初拉力Fo=1223.56N。

9.张紧轮张紧

因为中心距取150mm固定不能调节，所以采用张紧轮将带张紧。张紧轮置于松边外侧，尽量靠近小带轮;张紧轮的轮槽尺寸与带轮的相同，且直径小于小带轮的直径。

10、性能对比

通过实验及数据统计，将三爪式摘果器,收集装置式摘果器，剪切式摘果器及半自动环 锯式摘果器性能汇总如下表5-1-1：

	三爪式摘果器	收集装置式摘果器	剪切式摘果器	半自动环锯式摘果器
					果实损坏率/%	15%	20%	15%	4%
摘果速率个/分钟	5个	7个	7个	9个
					劳动强度	大	大	大	中

表5-1-1

我们可以很直观的看到，不管是从果实损坏程度，摘果速度和果农劳动强度来看，半自动环锯式摘果器都有很大的优势。

1.不易伤果。首先我们采用了开槽的内、外套筒，不开槽的部分包络住锯条，有效减少锯条裸露面积，在切割过程中防止误伤果实果农，果实采摘完好率高；其次我们采用电机带动环锯工作，进一步减少了因人力拉扯对果实的损害；

2.加快采摘速率。我们改变传统动力来源，采用电机带动，单位时间内可持续采摘苹果数量更多；开槽的内、外套筒中开槽部分的精确配合，能起到固定果柄的作用，降低打滑几率；在锯套上连结了一个带滚动钢珠的轴承圈，轴承圈上布置的三道的滚珠可保证锯条在工作时不跳动，稳定锯套与内、外套筒的间隙，减小了摩擦损耗，传动平稳，进一步加快采摘效率；

3、对人眼判别苹果精确位置的要求降低。内外套筒开了六个槽，任意一个槽均可捕捉果梗，不再需要人眼对果梗精准定位，降低果农的劳动强度。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种半自动环锯式水果采摘器，它包括伸缩杆（3），其特征在于，所述伸缩杆（3）端头设置有上下相互平行的上面板（5）和下面板（6）；所述上面板（5）上设置有外套筒（11）；所述下面板（6）上设置有内套筒（15）；所述外套筒（11）同轴套接在内套筒（15）上；所述外套筒（11）和内套筒（15）上端口呈环形阵列设置有槽口（14）；所述槽口（14）一侧壁底面设置有朝该槽壁方向开口的三角斜槽（141）；所述三角斜槽（141）底面与槽口（14）底面持平；所述外套筒（11）和内套筒（15）之间设置有环形锯片（21）；所述环形锯片（21）上端面高于槽口（14）底面，低于三角斜槽（141）顶壁；所述环形锯片（21）设置在锯套（19）上；所述锯套（19）设置在驱动轮（22）上；所述驱动轮（22）套设在内套筒（15）下端；所述驱动轮（22）与内套筒（15）之间设置有轴承圈（10）；所述驱动轮（22）通过传动机构连接电机（8）；所述伸缩杆（3）上设置有蓄电池（1）和开关（2）；所述蓄电池（1）和开关（2）通过电线（4）连接电机（8）。

2.根据权利要求1所述的半自动环锯式水果采摘器，其特征在于，所述槽口（14）另一侧壁为竖直面。

3.根据权利要求1所述的半自动环锯式水果采摘器，其特征在于，所述上面板（5）和下面板（6）边缘通过连接螺栓（16）相互连接；所述连接螺栓（16）上套有支撑套（20）；所述支撑套（20）位于上面板（5）和下面板（6）之间。

4.根据权利要求1所述的半自动环锯式水果采摘器，其特征在于，所述伸缩杆（3）为空心杆；所述电线（4）为弹簧线；所述电线（4）设置在伸缩杆（3）内。

5.根据权利要求1所述的半自动环锯式水果采摘器，其特征在于，相邻槽口（14）之间形成槽板（12）；所述槽板（12）顶面为三角形或圆弧形。

6.根据权利要求1所述的半自动环锯式水果采摘器，其特征在于，所述下面板（6）底面设置有用于接住水果的收集装置（18）。

7.根据权利要求1所述的半自动环锯式水果采摘器，其特征在于，所述驱动轮（22）通过皮带（9）与皮带轮（7）连接；所述皮带轮（7）连接电机（8）；所述皮带轮（7）、皮带（9）均设置在上面板（5）和下面板（6）之间。

8.根据权利要求7所述的半自动环锯式水果采摘器，其特征在于，所述上面板（5）和下面板（6）之间设置有用于张紧皮带（9）的张紧轮（17）。