半自动水果采摘器设计毕业论文.docx

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半自动水果采摘器设计毕业论文

半自动水果采摘器的设计

【摘要】为了改善苹果的采摘环境，提高采摘效率、降低劳动力成本的投入。

本文以某丘陵地区的苹果为研究对象，通过调查了解果农在实际采摘过程遇到的问题和劳动力投入情况，以及分析苹果种植区域的地形复杂度。

设计一款便携、操作简单的新型水果采摘器。

该水果采摘器有效的提高了采摘效率，降低了果农过高采摘的风险。

【关键词】水果采摘器半自动旋转棘轮

DdesignofSemi-automatic fruit picker

AbstractInordertoimprovetheappleharvestingenvironment,improvetheharvestingefficiencyandreducelaborcosts.Inthispaper,applesinahillyareaweretakenastheresearchobject,andtheproblemsencounteredbyfruitgrowersintheactualpickingprocessandlaborinputwereinvestigated,aswellasthetopographiccomplexityofapplegrowingareaswasanalyzed.Aportableandsimplefruitpickerisdesigned.Thefruitpickereffectivelyimprovesthepickingefficiencyandreducestheriskofexcessivepickingbyfruitgrowers.

Keywords fruit pickerSemi-automaticrotating guide wheel

第一章绪论

1.1前言

我国是世界最大的水果产出国，种植面积与水果稳居世界第一，但是某些水果的分布比较复杂，采摘比较困难，会耗费大量的人力、物力，这是一个追求效率的时代，所以一种高效的采摘方式是非常必要的，随着国家经济的发展和人民生活水平的提高，人们对生活品质的要求越来越高，人们更多的是时候享受一个过程，加之政府为增强地方经济，正大力投资地方旅游项目，各地区纷纷举办采摘节，比如说桃子节、苹果节，如果这时候可以提供一个非常便携轻巧的采摘器，不仅可以增添游客采摘过程的乐趣，而且避免了过高采摘的风险，既可以保证游客的安全还可以降低果实的损坏程度，同时也保证了果农果树的外在破坏，降低了果农对果树的后期养护成本，果农可以花更多的时间在保证果实质量上，为我们提供更多无公害的、纯自然生长的优质水果，本文主要针对以上两个问题点进行水果采摘器的优化设计，在保证果实完整的情况下，提高采摘效率，降低过高采摘的风险，为市场提供一种便携方便的新型人工辅助机械采摘装置。

1.2国内外采摘器研究状况

1.2.1国内研究状况

国内采摘机械的研究起步比较晚，20世纪70年代开始研究果园采摘机械。

由于我国地域种植条件特殊性，研究方向主要以人工辅助机械为主。

20世纪90年代开始，我国掀起了一股果树种植热潮，在市场导向的需求下出现了一系列简易采摘器。

2007年我国第一台多功能果园作业机在新疆机械研究所研制成功，即LG-1型多功能自走式作业机。

该作业机的研制成功，标志着我国果园由单一的采摘机械进入到了多功能作业的机械时代。

对于采摘机器人的研究，国内发展比较落后，2006年在“十一五”国家高科技研究发展计划（863计划），提出了专门针对机器人发展的研究项目《果园采摘机器人关键技术研究》。

随着科技创新的热潮，国内许多大学及实验室加入了这一研究主力军。

以东北林业大学为代表的陆怀民设计了一款5自由度的林木球果实采摘机器人，此机器人是人工采摘的40倍，极大提高了采摘效率。

目前国内苹果种植方式主要是散户作业。

大规模、机械化统一管理的现代化果园很少。

许多果农的采摘机械还是以人工为主，机械为辅的。

1.2.2国外研究状况

目前国外对采摘机械的研究主要是以采摘机器人为主。

其研究思想是人机协作，即由人来完成寻找、导航、定位待采摘水果，由机器人来完成果实的采摘任务。

机器人采摘水果可以极大地解放生产力，提高采摘效率，但其缺点也十分明显。

20世纪80年代第一台采摘机器人[3]在美国诞生，采摘机器人主要由机械手、末端执行机构、视觉系统[4]和行走装置四大部分组成。

经过多年的研究与实验，以美国为代表的发达国家相继成功并试验了很多具有人工智能的采摘机器人[5]1994年韩国国立大学设计了四自由度苹果收获采摘机器人，由于视觉系统问题，绝大多数情况无法实现避障采摘[6]。

由法国和西班牙尤利卡合作的工程项目—“CITRUS”是比较成功的研究成果[7]。

该项目1988年开始启动,其研制的收获机器人,其最高能达到80%的采摘率,采摘率一般为60%-65%,由于其无法实现商业化，加之缺乏资金投入，该项目在1997年就停止研究。

1.3研究的主要内容

随着人民生活水平的提高，人们更多的享受过程，体验一种乐趣，故很多亲子采摘活动应运而生，加之我国南方很多水果种植都处于丘陵地带，采摘环境比较复杂，大型的采摘机械无法正常工作，反而会出现一些故障，果树过高，不好人工采摘，需要果农反复爬上爬下等等客观原因。

综上

（1）：

为了避免过高人工采摘的风险，降低采摘对果树的破坏。

（2）：

果树生长区域过于复杂，大型采摘机械不好开展工作。

（3）：

在采摘过程中，果农反复爬上爬下，且采摘数量有限，既浪费了体力，又增加了安全风险。

为了提高采摘的效率和降低采摘的安全风险，实现本次水果采摘器设计的目的，所以需要综合考虑以上因素故本次研究的主要内容有以下几个：

（1）了解不同地区的果农在实际采摘水果的过程中遇到的问题

（2）了解果农采摘水果的劳动力投入和耗费情况

（3）结合实际情况对采摘器的结构进行构思优化

（4）设计方案的确定

（5）辅助人工采摘装置的结构设计

1.4本章小结

本章主要通过分析国内外水果采摘器的发展状况，依据我国果农采摘的实际情况我和水果种植区域的特定地形，在保证果实无损的情况下，提高采摘的效率，旨在设计一种便携、环境适应力强、采摘灵活的水果采摘器。

第二章水果采摘器设计方案的确定

2.1水果采摘器的设计理念

基于目前国内种植水果的地域比较复杂，在一些南方的丘陵地区，大型机械采摘无法克服地形要求，且一些果树的高度过高，不便于在地面进行人工采摘，该采摘器主要以便携、轻巧、灵活、实用性强、操作简单、价格适中为主要设计理念。

辅助人工进行机械采摘，提高采摘效率，降低劳动力成本。

2.2水果采摘器的采摘方式和分离方式

2.2.1采摘方式

1、直接切断式：

这种方式是最古老也是最原始的采摘方法，往往就会存在很多的问题，对很多状况的果实都都无法进行采摘，对采摘环境的要求会比较高，而且此方式的果实破坏比较大，不可以满足多地形采摘。

2、吸入式采摘:

吸入式采摘主要是需要产生一个真空环境将果实固定在某个位置进行采摘，相比来说对果实的保护会比较好，但是由于需要产生真空环境，不适合人工辅助机械采摘。

3、夹持式采摘：

利用人手指的机构去设计一个仿生手，通过加装一些缓冲装置，使采摘机械装置可以模拟人手去进行抓取采摘水果，采摘准确且非常灵活，从而提高采摘效率。

所以在实际采摘过程中会比较常用，故此次水果采摘器的设计采取夹持式采摘。

2.2.2分离方式

（1）剪切

此处方式在很多设计中都直接体现，一般安装采摘器的顶端，通过加装刀片和剪片的方式实现对果柄的切割，从而达到分离的目的，切片和剪片的加装会加大采摘器的质量，对人的体力耗费严重，降低采摘效率，同时也会存在安全隐患，刀片和剪片掉落使人受伤，发行安全事故。

（2）撞击

对于一些特殊的水果采用撞击振动的方式使果实脱落，通过机械撞击果树达到果实脱落的目的，此种方式一方面会造成果树的破坏，提高后期的果树维护成本，另一方面也会造成果实受损严重的现象。

造成浪费，提高成本。

（3）拉住式

此种分离方式的工作原理主要通过果实固定机构起到固定果实的目的，再利用驱动力带动果实固定机构进行旋转，利用旋转产生的拉力和剪力达到分离的目的，此种装备一般不加装刀片，不会对果树造成损伤，且操作简便。

由于不懂旋转产生的拉力和剪力的大小，对于一些果梗会造成破坏，但由于此处是针对苹果进行采摘，故所需的拉力和剪力会比较小。

2.3方案的确定

依据水果采摘器的设计要求，根据水果的所处的生长环境，果梗的硬度大小的探究，最终采用夹持式方式采摘，然后利用旋转式进行果实的分离，该种方式既可以满足不同高度的采摘又可以保证采摘人的安全，同时对果树的破坏和果实的损伤最小。

在保证采摘效率的情况下，以最小的成本，实现果实的采摘。

还可以满足便携、轻巧、灵活、操作简单、适用性强的设计要求。

2.4本章小结

本章主要从设计理念出发，依据当前普遍存在的采摘方式和分离方式的对比，依据不同采摘方式的优缺点，针对具体的水果确定合适的的采摘方法，为设计的实施提供正确的设计方向，使设计更加满足最初的设计理念。

第三章采摘器的设计

3.1采摘器的总体结构

该采摘器主要由支撑杆、旋转机构、夹持器具、缓冲材料、拉线、车闸把手、驱动电机组成，如下图3-1所示为水果采摘器的总体结构简图。

1-手摇把手2-保护套3-车闸把手4-驱动电机5-直管6-引线7-旋转底座8-夹持器具9-缓冲块

图3-1采摘器结构简图

3.2采摘器的工作原理

采摘器主要通过人手对拉线施加力使得夹持装置可以达到夹取水果的目的，由驱动电机向传动轴输出力矩（利用手扶摇柄向传动轴输出力）带动旋转机构转动，从而达到果实分离的目的。

3.3主要部件设计

3.3.1夹持机构设计

人工辅助水果采摘器的夹持机构是直接接触的工作对象，为了保证水果的品质质量，避免由于采摘对水果的破坏故夹持装置的内侧也就是与果实直接接触的部位需要加装缓冲块，一般采用橡胶或者是尼龙材料。

另外考虑到水果的形状千齐百怪，比如说有椭圆的、长条形的、也有方方正正的等，故要求在设计选择夹持装置的应着重手指的数量、尺寸的大小、以及底座的形状等问题。

（1）手指的数量

手指数量的过多过少直接影响到我们的采摘效率，手指数量过多会加重采摘器装置的质量，加大人的疲劳程度，手指数量过少的可能会造成夹持不稳导致水果受损，所以就要求我们合理选择手指数量就显得尤为必要。

果实的形状是对手指数量选择的一个重要因素，由于水果本身的不规则性就导致出现了两指、三指、甚至四指等等。

目前市面上对于一些规则的果实来说。

一般都采用两指的水果采摘器进行直接夹取果实。

同时三个手指的采摘器也有，三个手指的采摘器相对于来说更加稳固，利用三爪的自定心原理将圆周平分达到抓取稳固的目的。

采用四指的采摘器采摘效果相对于两指和三指来说，抓取效果更好，但是变得更加难以控制。

考虑到我们的自身设计，以及水果的形状对手指数量的影响要求我们在抓取稳定性和操作简便性之间寻求一个平衡点，以保证最好的采摘效果，故选取三指作为我们的设计方向。

（2）手指尺寸

夹持装置的手指长度可以依据人手指的长度比例，达到仿生的效果，依据实际情况对尺寸进行调整，下图是通过实际测量确定的手指长度尺寸，可以作为设计手指长度的重要参考。

图3-2人右手各手指长度

性别

数量（个）

食指（mm）

中指（mm）

无名指（mm）

男

20

104.1

112.9

110

女

15

97.1

111.2

109.2

平均值

100.6

112.05

109.6

通过调查比较，夹持机械三手指的长度分别采用101、112、110。

底座依旧采用圆形结构。

（3）夹持力大小计算

夹持机构主要由三个特殊的采摘机械手构成，通过内壁加装缓冲块来降低对水果的损伤率，设计时还用考虑夹持力的大小，夹持力的大小必须大于水果重量才可以保证不会掉落造成损伤。

查阅相关资料可知，水果的平均质量为0.4到0.6kg。

苹果的重力为G，夹持力为F。

保证夹持力大于重力就可以保证果实不掉落:

即

3-1

成熟的苹果可以承受的力大约是6N

3.3.2旋转结构设计

旋转机构其实是整个设计中最具有突破性的点，在此设计里选择何种旋转结构就显得尤为重要，也关系到了采摘器后期的采摘效率，传统的旋转机构有如下几种：

（1）盘式弹簧：

很多常见的也是最原始的，和以前的机械闹钟一样，盘式弹簧在外力的作用下急剧收缩会产生一个相反方向旳力，通过盘式弹簧的力使得夹持机构旋转起来从而达到果实分离的目的，由于产生反力的大小不好控制，力度过小，达不到采摘的目的，力量过大，会造成果梗破坏严重，影响后续的结果率。

（2）齿轮传动：

由于此机械传动具有准确的传动比、高效率、结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等一系列优点，所以齿轮传动是现代设备使用最广的一种机械传动方式。

其工作原理主要是利用齿轮副传递运动输出动力的装置。

（3）利用旋转棘轮装置和驱动装置共同达到旋转的目的，通过驱动装置中的握杆上下运动转化为棘轮装置的单向旋转运动，进而带动抓手单向旋转来扭断水果梗，达到采摘目的。

对三种旋转方式经过综合对比之后，决定采取旋转棘轮传动的方式，通过驱动电机或者手施加力矩，通过传动轴传递力矩给旋转机构，利用旋转产生的应力或剪力从而达到果实分离的目的。

3.3.3支撑杆长度确定及材料选择

以某丘陵地区果树为例，栽培果树树高大约在3-5米，果实分布范围2-3米，人的平均身高按照1.68米，整个作业半径在3米左右，按照此数据对支撑杆的长度进行比较选择，初选2米进行试验，发现支撑杆过长，操作起来比较困难，需要双手去把控，手臂需要向后收缩。

接着尝试1.2米，此时人的整个支撑比较舒服且可以实现单手控制，考虑到会存在个别果实过高的情况，故支撑杆通过收缩式的形式进行设计，既解决支撑杆过长不好存放的问题，也解决了过高采摘的问题。

具体参数：

支撑杆外筒1.2米，内筒0.8米。

首先要实现伸缩杆的伸缩原理，对它的制造材料和形状有特殊的要求，一般我们采用金属带材或塑料片材卷制而成的可伸缩空心圆柱体杆，其特征是金属带材或塑料片材预先定型为具有记忆功能的小于杆体外径的弹力卷曲层，从而具有自紧功能，使卷曲层始终具有对伸缩杆施加压力的弹性势能。

为了保证水果采摘器便携、轻便、灵巧的同时，还要考虑到制造成本问题，故对以下几种材料进行对比，通过对比不同牌号的性能选取最优的材料。

下表3-2给出了不同牌号的铝合金的性能参数。

表3-2铝合金性能参数表

牌号

屈服强度

拉伸强度

密度（20℃）

2024

σ0.2（MPa）≥245

σb（MPa）≥390

2.82

3003

σ0.2（MPa）≥115

σb（MPa）≥140-180

2.75

5052

σ0.2（MPa）≥70

σb（MPa）173～244

2.68

6061

σ0.2（MPa）≥110

σb（MPa）≥205

2.75

7005

σ0.2（MPa）≥350

σb（MPa）≥290

2.82

以上几种材料具有的共同点是都可以做棒材、管材、型材、且有各自的优缺点，

2024主要用于制作各种高负荷的零件和构件。

如飞机上的骨架零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，铆钉等150℃以下工作零件。

5052铝合金是应用最广的一种防锈铝，该合金的强度高，具有搞得抗疲劳强度：

塑性与耐腐蚀性高，不能热处理强化，在半冷作硬化时塑性尚好，冷作硬化时塑性低，耐腐蚀好，焊接性良好，可切削性能不良，可抛光；6061是最普遍的铝材，轻，强度好，而且经济实惠；7005是轻化铝材，强度7005铝比6061的铝强度要大，是轻了很多，价格也高。

通过对不同牌号铝合金性能参数的分析，以及对不同牌号市场价格调查，综合考虑选取6061牌号的铝合金。

3.4其他零部件

（1）操纵把手选用车闸把手，但是又对其进行改良，提高使用效率和操纵体验感。

（2）利用自行车引线达到夹持手指夹持目的

（3）齿旋转棘轮的主要目的是带动旋转机构转动。

（4）缓冲块、支撑杆末端保护套。

3.5采摘器材料选择

机器材料的选择要考虑到诸多方面的因数，当机械装置承受外力的作用时，组

成机械装置的各个构件都必须能够安全正常工作，这样才能保证整个机械装置的正常使用。

这样就要求构件不发生破坏。

但是不破坏不一定表示能正常使用，如果杆件在外力作用下发生过大变形，也不能正常工作。

此外，有些构件在载荷作用下，原有的平衡会消失。

如受压组是细长的，则在压力超过一定的限度后，就会有明显变弯，进而失去正常工作的能力。

通过上述表述构件要能正常工作，必须同时满足以下三个要求：

①在载荷作用下不发生破坏，即构件有足够的强度。

②在载荷作用下构件所产生的变形不能超过工程上允许的范围，即构件必须有足够的刚度。

③承受载荷作用时，构件在原有形态下的平衡应保持稳定的平衡，即构件必须具有足够的稳定性。

在装置的工作过程中不会有太多的沉重构件，材料的截面尺寸也不用设计的太大；在设定截面面积时候需要一定的理论计算：

横梁的最大弯曲正应力发生在弯矩数值最大的截面，且离中性轴最远的边缘点上，如果横截面对称于中性轴，则截面上的最大拉应力和最大压应力相等。

（3-2）

令

则

在上述的计算式中，

为截面的几个参数，称为抗弯截面模量。

它综合反映了截

面的形状、曲强度的影响，其量纲为长度的三次方。

对于高度为h、宽度为b的矩形截面梁，其抗弯截面模量为：

（3-3）

根据计算上述公式得：

抗弯截面模量1kN.m

在横梁上的最大最大应力只要不超过规定的0.025KN，就可以保证机械机构的安全

运行，不会造成机械损害。

在保证构件即安全适用又经济的前提下，为构件选择合适的材料，确定合理的截面形状和尺寸，为了最大限度的节省材料的使用和制作费用的减少。

且此机械采摘装置的工作强度不会太大，可以采取一些新型的材料，传统的机械采摘器一般都采用采用铁制品或者不锈钢，这些材料的使用一方面会增加制造成本，另一方面会增加采摘器的重量，造成果农的体力浪费，增加采摘人力投入使采摘成本提高。

故采摘器的材料选择引入新型材料。

采用新型材料ABS。

在结构中还采用了其他材料，主要是为了机械结构的平稳运行，比如伸缩杆为不锈钢。

3.5.1ABS介绍

ABS树脂化学名称丙烯腈-丁二烯苯乙烯共聚物。

俗称超不碎胶。

是由丙烯腈丁二烯和苯乙烯组成的三元共聚物,简称ABS。

ABS树脂是五大合成树脂之一，其抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气性能优良，还具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点，容易涂装、着色，还可以进行表面喷镀金属、电镀、焊接、热压和粘接等二次加工，广泛应用于机械、汽车、电子电器、仪器仪表、纺织和建筑等工业领域，是一种用途极广的热塑性工程塑料。

3.6市场前景分析

目前是一个讲究成本、追求效率的社会，采摘机械的应用必然会极大的解放生产力。

采摘器的设计是否符合当下的市场就显得尤为重要。

地形的复杂度会直接影响到采摘器的选择，从而间接影响它的市场。

通过对目前市场上比较普遍的三种水果采摘器进行对比分析，从具体的影响因素入手进行针对性比较，下表3-6对手动采摘器、大型机械采摘器、便携式水果采摘器三种水果器在劳动强度、采摘范围、适用地形、制造成本四个方面进行比较。

手动采摘器和便携式水果采摘器适用地形广，可以在各种条件下进行使用。

制造成本也都比较低，手动采摘器的劳动强度会比便携式水果采摘器大，对人的体力耗费比较严重。

降低了水果采摘效率，便携式水果采摘器对于地形复杂的小规模果园具有比较大吸引力。

大型机械采摘器适用于一些平坦地形加之制造成本比较高，无法适应于小规模的果园采摘。

一方面采摘效率高，另一方面可以对多种不同类型的水果进行采摘，功能比较多样化。

对于大规模、种植规整的现代果园具有很好的应用潜力。

由于我国的水果种植地形复杂，内陆地区机械化普及程度较低，故便携式水果采摘器会有一个良好的市场前景。

3-6不同类型采摘器的比较

影响因素

手动采摘器

大型机械采摘器

便携式水果采摘器

劳动强度

较高

低

较低

采摘范围

采摘对象单一

采摘对象广

采摘对象较广

适用地形

多种地形

地形平坦、较单一

多种地形

制造成本

低

高

较低

3.7本章小结

该章主要是对水果采摘器各部分采摘机构设计，对具体机构进行优化设计，通过不同方案的对比选择最优的设计方案，提高采摘的效率。

材料的选择对采摘效率有着很大的影响，不同的机械部分采用不同的材料，在降低成本的前提下提高了机械之间协调性。

此外还对该采摘器的市场前景进行调查分析，从各个方面论证其可行性。

为该采摘器的推广提供了理论依据。

第四章总结与展望

4.1结论

通过设计的该款半自动化人工采摘机械提高了果农的采摘效率，避免了登高采摘带来的安全风险，具有便携、轻巧、操作简单、制造成本低等一系列优点，加之我国果树种植区域地形较复杂的，对于此部分果农来说该采摘器会极大程度的满足采摘需求，降低采摘成本，另外还有一系列的采摘活动兴起，加速了人工辅助采摘器的推广。

最主要的采摘器不是大型采摘机械，制造成本低具有良好的市场前景。

4.2不足之处

由于自己知识方面的欠缺，所以整个设计还存在不足之处，需要通过实地的采摘数据和效果进行不断改善，由于采摘作业工况的不确定性，对我们的采摘器提出了更高的要求，我们要设计的是一款旨在提高采摘效率，切实降低果农生产成本的采摘器，在保证安全作业的情况下，降低人力、物力投入，实现果农增收目的。

故对我们提出了以下要求：

（1）采摘器材料的选择会对采摘的效率有着很大的影响，轻质化的材料的应用会降低采摘器的重量，降低人的体力耗费，提高采摘效率。

所以发展一些新型材料来替代是非常必要的。

（2）此次设计的采摘器是半自动化的，后续通过学习一些知识，实现采摘器的全自动化，使人的双手彻底解放出来。

（3）目前所设计的采摘器采摘功能比较单一，发展一个多功能性的水果采摘器是今后努力的方向。

真正意义上实现一机多用。

致谢

四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，对于我的人生来说却只是一个逗号，我将搭乘人生的另一趟列车从这里出发。

踏出校门，我将与学生这个身份无缘，成为一个真正的社会人。

没有了老师的嘱托也没有学校的保护。

四年走来有过迷惘也有过彷徨。

可是谁的青春又不是跌跌撞撞的呢？

求学这条路注定辛苦，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。

在这个过程中我的指导老师给了我很大的帮助。

在我不知所措的时候，是您给我指导迷津，让我拨开迷雾，迷途知返。

我虽然不是您最出色的学生，但是您却是我最尊敬的老师。

您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。

授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。

从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！

同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。

最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。

参考文献

[1]陈燕,蔡伟亮,向和平,谈建豪,邹湘军.荔枝采摘器优化设计与仿真[J].农机化研究,2013,