1、摘 要本课题运用制图软件对采摘器进行机构设计，可伸缩夹取式采摘机械是一种为解决人们采摘高处果实难而创新设计的工具，同时本设计大大的方便了农民工采摘苹果的过程及采摘效率的提高。设计机构内容包括：采摘机构、可伸缩杆机构、和收集机构并用solidworks软件绘制了机构的三维图以助理解。可伸缩夹取式苹果采摘机构主要采用了采摘机携手和铝合金管可伸缩机构，采摘宽度范围较大效率高、伸缩长短可调节，采摘较灵活省力，果实由铝合金管的旁边的引导轨道滑出，最小采摘水果直径为40mm，最大采摘水果为80mm，收集极为方便省力，铝合金管可伸缩机构又使其质量较轻，便于携带，经投产和改进后可望解决农民朋友对于直径相近苹果
2、的采摘难题，市场前景广阔。关键词：可伸缩性；苹果；采摘；夹取式；机构设计。目 录摘 要1目录2第1章 绪论41.1 课题背景及意义41.2 课题国内外研究现状4第2章 总体设计思路82.1 本设计的内容和技术参数8设计内容:8技术参数:8果实采摘方式的选择82.2 基于伸缩式机械手臂的水果采摘装置的总体设计9第3章 采摘器的设计113.1 采摘器常见种类113.2 采摘器的选择113.3 采摘器的设计12尺寸计算12采摘器的强度校核计算123.4 软件建模14绘图软件介绍14绘图方法14采摘器效果图展示15第4章 关键部位的设计与分析164.1 机械手臂的种类164.2 机械手臂的选择184.
3、3 机械手臂的设计19尺寸计算19材料选择19强度校核204.4 软件建模22绘图方法22机械手臂效果图展示224.5 接收传送装置的设计22接收装置设计原则23材料选择23尺寸设计23接收传送装置效果图234.6 手持固定部分的组成24手持固定部分效果图24总结与展望26致谢27参考文献28第1章 绪论1.1 课题背景及意义中国是世界上最大的水果出产国，居全球13个产量超1000万吨的国家之首。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35451。近年来，随着农业产业机构的调整，林果生产已经成为很多地区经济发展和农民增收的
4、支柱产业，随着种植面积的不断扩大，果园规模化发展和规范化管理的要求日益提高，从而果园机械化日益重要。果园收获机械的发展，可以减轻果农的劳动强度，提高生产效率，节约劳动成本，提高经济效益。我国果园作业机械研究起步较晚，基础相对较差，因此，果园作业机械化程度和欧美等国家还是存在差距。由于现代大型采摘机器太过昂贵，并且大型采摘机器仅适用于面积较大的果园大规模作业采摘，对于小作业果园而言，考虑到经济效益，不得不放弃大型机械采摘这种高效率作业。目前我国的水果采摘绝大部分还是以人工采摘为主。采摘作业比较复杂，季节性很强。单纯的人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且极易造成果实的损伤，同时由于依靠人工作业耗时
5、耗力导致未能在果实的最佳采摘期将其采摘下来造成经济损失2。针对这种现状，采用简易的人工采摘器既能降低在采摘过程中对果实果树造成的损伤又可以减轻人们的劳动强度、节省成本、提高效率。这种手动采摘器具有结构简单，容易操作，安全舒适的优点，适用于不同高度及不同大小的水果采摘，与其他大型作业采摘机器相比结构更具经济效益。加之未来人口老龄化趋势，人工成本必会上升，因此辅助人工采摘器必将具有巨大的经济效益和广泛的应用前景。1.2 课题国内外研究现状目前，国外水果采摘分为两种采摘方式：机械化采摘和机器人采摘。机械化采摘：在发达国家，由于劳动力成本较高和人口老龄化等问题，在水果生产中不得不利用机械化方式代替人工
6、进行采收作业。但是，到目前为止，真正在生产中使用机械化采收的大多还是产品以加工为目的的水果和一些不易损伤的水果，如加工成果汁的柑橘、脐橙等。以新鲜产品形式进行销售的水果，基本上还是手工采收或机械辅助采收。早在20世纪40年代初，美国、法国等一些西方国家对水果采摘机械就展开了研究。40年代中期美国开始着手研究振摇式水果采摘机械。50 年代中期，出现了用拖拉机来进行驱动的振摇采摘机 3。从60年代起，欧美一些国家（美国、德国）以及澳大利亚、日本等国，随着劳动力成本的日益上涨，果品收获机械正越来越广泛地应用于多种果品的采收过程中。目前，常用的果品收获机多采用振动方式使果实与植株分离。随着升降平台的出
7、现，接着产生了各种动力切割式采摘机械，例如油锯、气动剪，大大提高了采摘效率。机器人采摘：20世纪60年代美国最早开始研究果蔬采摘机器。随着计算机和自动控制技术的迅速发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，20世纪80年代中期以后，采摘机器人的研究和开发技术得到了快速的发展。以日本为代表的西方发达国家，包括荷兰、美国、法国、英国、以色列、西班牙等，在果蔬采摘机器人方面做了大量的研究开发，并且成功试验出了葡萄采摘机器人、柑橘收获机器人、番茄采摘机器人、黄瓜采摘机器人、甘蓝采摘机器人等4-12。由于技术、市场和价格等因素的影响，美国在自动化收获机器人的研究方面没有一个
8、很清晰的战略，研究工作也基本处于停顿状态。 日本近年来开展了大量的收获机器人研究项目，进展很快，但收获机器人仍未能真正实现商业化。荷兰收获机器人的研究工作走在了很多国家的前面，但其涉及的果蔬种类并不多13。国内，果园采收机械化的研究与应用相比也较晚。果园采摘机械从 20 世纪 70 年代才开始研究，在引进国外果园机械的同时，陆续研制成功了机械振动式山楂采果机、气囊式采果器和手持电动采果器等。 80 年代后，开始研究和制造切割型采摘器，实现使用机械装置进行采摘。 接着出现了由微型电机作为动力的切割式采摘器和振摇式采摘器。90 年代开始，出现了很多简易采摘器。用于采摘苹果、梨、桃等水果的便携式水果
9、分级采摘器的研制改变了过去劳动强度大、水果损伤率高、劳动成本高等缺点，使果农的采摘正确率提高、时间缩短14-16。随着果园机械技术的进一步融合，2007 年研制出了第一台多功能果园作业机即 LG-1 型多功能果园作190业机17。2009 年研制出了适宜单人操作使用的枸杞采摘机18。 2010 年研制出了 4YS-24 型红枣收获机19， 我国台湾省为了在坡地果园上实施机械化，省工经营，改良发展了适合坡地作业特性的农机具，研制成功了一种自走式牵引振动采果机。我国南方水果种植园大部分处于丘陵山区地带， 受限于坡地地形，合适的采摘机械很少，基本还是靠人工采摘 ，并且在费工以及作业危险性方面的问题比
10、平地采摘机械更突出， 需要更多的科研院所和机构投入精力开展相应地研究。我国的水果采摘机器人的研究刚刚起步。从机械手、末端执行器、 行走装置等不同方面积极介入采摘机器人的研究和研制20-25。通过跟踪国外先进技术，在机器人采摘领域内取得了初步的成果，但是目前都处于实验阶段，投入农业生产实际仍需时日。我国的国家专利中有上百种的水果采摘器，包括机械式、电动式、气动式的果品采摘器，其中有的实现单方向的水果采摘，有的可改变方向能实现全方位的水果采摘。不过目前市场上商品化的采摘器品种还比较单一，且价格昂贵操作不便。我国在农业机器人领域的研究始于20世纪90年代中期，相对于发达国家起步较晚，果蔬采摘机器人的
11、研究还处于起步阶段。目前我国不少院校、研究所都在进行采摘机器人和智能农业机械相关的研究。东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人，它主要由5个自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成。郭峰等运用彩色图像处理技术和神经网络理论，开发了草莓拣选机器人，采用气动驱动器将草莓推到不同的等级方向。浙江大学的应义斌等人完成了水果自动分级机器人的研究开发。纵观国内外的研究现状，发现了主要存在的两个问题： (1)虽然近些年我国采摘机械得到迅速发展，在机械产品方面出现了采摘器、动力剪枝采摘工具、多功能果园作业机械等， 但总的来说， 国内水果采收机械大多功能单一、效率不高，容易损坏果实，产量损
12、失大，容易采摘到不熟果实，且成本较高，使果农难以接受应用。 同时再加上繁多的果实种类之间的差异，种植区域地理条件的不同，变换的果实品种的生长部位、成熟期等特点差异，都会对采收机械提出更高的要求。 因此实现水果采收机械化难度比较大，通用性不佳。(2)国内果园的分散栽培、分户管理，农机农艺之间的不协调，几乎没有真正集中成片的适合机械化作业的大型现代化果园，生产规模小，农民素质普遍偏低等因素， 也是影响水果采收机械化实施的主要原因。因此开发研制结构简单，操作简便、成本较低、通用性好的适合于国情的小型机械化采摘器是当前研究的重点。此外，传统的作业还存在以下弊端:一是采摘过程中作业者的人身安全问题，即手
13、工采摘时手臂易被树枝划伤或擦破，高处作业时，还可能会摔伤。二是对果树的损伤，即对树的枝叶芽的破坏。三是对水果质量的影响，单手采摘时容易出现脱蒂，易出现抽心果，还有就是高枝水果容易掉在地上造成内外伤，影响果品的外观，不利于保鲜储藏，从而最终造成降低经济收入。目前，我国各地方政府为增强地方经济，正相继开发大量的旅游投资项目，纷纷举办各种赏果采摘节，如苹果节、桃子节等，吸引了大量游客到果园采摘旅游，享受采摘水果，品尝新鲜水果的乐趣。如果能提供一种轻巧灵便的果实摘采器，不但能让游客充分体验采摘的乐趣，而且还保障了游客的安全，保护了果农的果树不受损坏。另外，果农可以少打矮壮素等农药，生产出更多的无公害果
14、子，减少成本投入和对环境对水果的污染，游客可以品尝到更新鲜卫生的水果。本设计的特点和目标本课题将进行基于伸缩式机械手臂的水果采摘装置的设计，构型简单，操作方便。采用伸缩式机械手臂，手臂长度可调，适合多种高枝水果，且便于携带，不使用时可缩短至最短的长度放置节约空间。采摘器采用手动带动夹头的方式夹住水果，进行拉拽水果，操作时只需轻轻地握住手柄就能调整采摘器的方向，适合各种位置的高枝水果，节省劳动力，提高效率。采摘下的水果能顺利进入的接收装置，再顺着传递装置，安全的到达地面。手持固定部分还可增加整个装置的稳定性，降低采摘员在长时间的操作过程中手腕疲劳程度。使用基于伸缩式机械手臂的水果采摘装置可实现各
15、种高度各种方向高枝水果的安全采摘，方便快捷，简单实用。采用采摘器还可以方便平时蔬果，清除坏果、次果，便于果树管理。大多数果树开的花都远远多于最后结成的果实。在气候适宜开花多的年份，如果一株成年苹果树有5%的花、桃树有15%20%的花结的果实能达到成熟，就可以获得丰收。开花结果过多，会导致养分供不应求，不仅影响果实的正常发育，形成许多小果、次果、还会削弱树势，易受冻害和感染病害，并使翌年减产造成小年。因此，除了由于果树本身的调节能力，使发育不良的花和幼果自然脱落外，还需平时人工摘除多余的花和果，才能满足生产上的要求，俗话说:看树定产，分枝负担，均匀留果，只有科学合理地疏果，才能减少养分消耗，提高坐果率和水果的品质。疏除方法一般用人工，也可用适当浓度的化学药剂喷洒果树，采用化学疏除，采用人工疏除时利用基于伸缩式机械手臂的水果采摘装置能方便的进行蔬果，在平时也能方便及时的清除果树上任何部位的病果、次果，不会对好的临位水果造成物理伤害，不会出现摘除次果时砸坏或砸掉好果的现象。基于伸缩式机械手臂的水果采摘装置有很强的兼容性。它可改造成修枝剪，目前果树的修剪必须采用专业工具完成，不仅使用不方便，还增加购买工具的开支。该采摘装置只需要把夹头换为刀片，就可以进行果树的修枝。采摘器装置还可该为农药喷头，喷头可在机械手臂的控制下，实现方向的转变，可全方位的对果树喷洒农药。第2章 总体设
