一种果实采摘和枝叶修剪的装置和方法与流程

本发明涉及果实采摘和枝叶修剪的装置和方法，尤其是类似于圆形果实的采收。

技术背景

随着社会的进步，农业发展十分迅速，丰产的果园极大的提高了果农的收入水平。然而在水果采摘时，果农常采用传统的人工采摘方式，不仅采摘效率低，劳动强度大，还存在一定的安全隐患。现代农业不断向着机械化发展，20世纪80年代后，大型的果园采摘从人工使用剪刀采摘发展到使用大型机械装置采摘，但是由于我国果园主要是分散栽培、分户管理，真正集中成片统一管理的现代化果园很少。同时大部分水果自动采摘机成本较高、操作过于复杂、附加消耗(如：耗电)过高、果农技术素质偏低以及生产规模小等原因，果园的机械化自动程度普遍较低，这些采摘自动化的工具在分户管理的小规模果园尚未得到普及。设计一种在保证果农人身安全的前提下既方便操作又成本低廉的可增效摘果器具有重要意义。

摘果器的研究已经有很久的历史。目前市场上摘果器类型多样，工作原理根据采摘对象而变化，主要有手动和电动式两类，在是否易挂枝叶、震落附近水果，是否容易穿过枝叶间隙，手部是否容易疲劳等一些方面考虑还不足，对多样性工作要求的适应性较差。

目前市场上的手动摘果器多为拉拽式和普通剪切式，但这两类摘果器仍存在一些问题。

拉拽式摘果器是由三爪采摘头、杆体和杆体下部的手柄构成，三爪采摘头爪心以橡胶包覆。每个爪子内有一根传动钢丝，通过杆体内部与手柄相连。在使用时，将采摘头从底部托住果实，将手柄捏合从而拉紧传动钢丝使爪子抓牢果实，用力向下拉拽实现果实的采摘。但这种方式摘果易震落附近水果，不易穿过枝叶间隙，易对果实完整度造成破坏并且在拉拽时较为费力，同时对采摘果实的大小、硬度要求高，受众范围小。参见中国专利申请cn108076825a。

普通剪切式摘果器的采摘头部位为经改造的剪切头、杆体和杆体下部的手柄构成，这种剪切头剪切方向与手柄捏合方向一致。在采摘时受施力方式限制只能对主枝进行剪切，在采摘工作完成后仍有后续的精细去枝工作要做，带来较为繁重的二次劳动。若省去二次劳动在采摘时直接进行精细采摘则费力。参见中国专利申请cn206866079。

本专利的果实采摘和枝叶修剪装置的手柄的捏合方向与剪刀的剪切方向基本呈垂直关系，剪刀头在剪切时的角度符合水果受重力向下垂的生长特点，从而使剪切的过程中更加省力。其剪刀头部位仅针对果柄设计，体积较小，易穿过枝叶间隙进行剪切工作。缓冲收纳装置不仅能解决剪切后水果存放问题，而且可对水果掉落过程起缓冲作用，避免了砸果现象。其操作简单，安全性高，实用型强，可有效帮助果农完成水果采摘工作，同时由于剪切力足，可同时对果树的枝叶进行修剪。

技术实现要素：

本发明提供一种果实采摘和枝叶修剪装置和方法，具体采用了以下技术方案：

一种果实采摘和枝叶修剪装置，包括手柄机构，剪切机构和连接杆；手柄机构包括固定手柄1和转动手柄2,手柄机构与中空的连接杆10一端相连，中空的连接杆的另一端与剪切机构相连，剪切机构包括固定刀片17和可动刀片15，柔性绳7穿过中空的连接杆，柔性绳的一端连接到转动手柄，另一端连接到旋转刀臂(13)，旋转刀臂通过拉杆(16)与可动刀片连接，转动手柄相对固定手柄具有旋转轴线a，可动刀片相对固定刀片具有旋转轴线b，旋转轴线a与旋转轴线b呈大约90°角度。

其中，固定刀片和可动刀片形成的切割口下方设置有缓冲收纳装置11。

其中，剪切机构还包括旋转刀臂13与固定刀臂12,固定刀臂铰接到连接杆上并可相对连接杆发生转动，旋转刀臂铰接到固定刀臂上并可相对固定刀臂发生转动；旋转刀臂与可动刀片连接，固定刀臂与固定刀片固定连接。其中剪切机构的可动刀片末端通过拉杆与旋转刀臂连接。

其中，还包括有变角机构，变角机构包括顶杆19和变角调节凸轮9；顶杆呈l形，顶杆一端与变角调节凸轮连接，另一端与剪切机构连接。

其中，l形顶杆的短边191可滑动的设置在圆柱凸轮槽内，顶杆的长边192与固定刀臂下端的槽20通过销滑动连接。

其中还包括有锁止片4，锁止片上设有固定槽，转动锁止片可以将其上的槽卡在固定手柄的凸台3上，使转动手柄和固定手柄锁止。

其中使用具有棘轮的装置对柔性绳的张紧力进行控制。

其中还包括旋钮6、螺母62、开孔螺杆61、垫片63、销64、棘轮内环65，棘轮外环66。

一种果实采摘和枝叶修剪方法，使用果实采摘和修剪装置进行果实采摘和枝叶修剪。

本发明相较现有技术具有以下技术特点：

1、实现了垂直面旋转运动到水平面旋转运动的转换，从而使得操作手柄的转动方向和剪切刀片的转动方向互相垂直；

2、切断果实柄部的剪切刀片相对于采摘装置的连接杆的夹角通过变角机构可以调节，从而对于果实柄部相对于树干呈不同角度的果实可以精确采摘，避免二次修剪；

3、由于本发明剪切刀片相对于连接杆的夹角可以发生变化，因此采用柔性绳作为动力传递绳；在剪切刀片相对于连接杆的夹角发生变化后，柔性绳的张紧力需要进行调整，本发明设置有机构对柔性绳张紧力进行调整。

4、本发明具有变角机构，可以使得剪切刀片相对于采摘装置的连接杆的夹角发生变化，变角机构采用圆柱凸轮，在圆柱凸轮的螺旋形凹槽倾斜角度符合一定条件的情况下，圆柱凸轮相对于顶杆会产生自锁，此时可以不采用额外的锁紧装置，稳定性好。

5、本发明调整柔性绳张紧力的装置内设置有棘轮机构，从而可以单向张紧柔性绳；

6、本发明的手柄机构具有锁止片，锁止片锁定转动手柄，在不用的时候可以保持剪刀头的闭合状态；

7、本发明的缓冲收纳装置包括有安置三层网兜，第一、二层起到缓冲作用，减少水果损坏；

8、既可实现果实采摘，也可修剪树枝，多功能使用；

9、本发明的剪切刀片的角度可以相对作物的生长情况进行调整，从而能够基本垂直于作物的茎秆或者果实的柄部进行剪切；垂直于作物的茎秆或者果实的柄部进行剪切由于需要的剪切力较小，因此摘果效率更高，劳动强度小；

10、由于剪切刀片的角度可以根据作物的生长情况进行调整，因此采摘更加灵活，大多数作物的茎秆或者果实的柄部均可剪切；

11、在采收植物的果实时，可以垂直于剪切果实柄部进行剪切，因此果实不带有较长的尖锐柄部，不会戳或者拉坏缓冲收纳装置，也不会发生果实的尖锐柄部刺破其他已经收获的果实的情况，因此保护了缓冲收纳装置和已经采收的果实。

12、本发明具有：a相对连接杆可变角度的剪切刀片、b连接杆底部的变角机构、c剪切机构的可动刀片的运动轴线方向基本垂直于转动手柄的运动轴线方向，以及d柔性绳张紧力可以调节四个特点，这四个特点共同使用时，可以同时实现垂直剪切和变角剪切，张紧力调节确保了在垂直剪切和变角剪切时皆具有足够的剪切力；

13、结构简单且合理，装置轻便，可实现性高，易于加工和批量生产。没有昂贵的材质和部件，生产成本低，性价比高，易于推广给果农，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1示出了本发明装置的整体装配示意图；

图2示出了本发明装置的锁止片示意图；

图3示出了本发明装置的剪切机构示意图；

图4示出了本发明装置的拉杆示意图；

图5示出了本发明装置的变角机构示意图；

图6示出了本发明装置的顶杆示意图；

图7示出了本发明装置的柔性绳张紧力调节装置示意图；

图8示出了本发明的剪切位置示意图；

图9示出了现有技术的剪切位置示意图。

本发明的实施例

本发明装置由剪切机构、连接杆、手柄机构、紧线机构和变角机构组成。剪切机构打破传统剪刀形式，在一般情况下剪刀刀片与连接杆成直角，该机构由两片刀片、旋转刀臂、固定刀臂和拉杆组成，通过拉动拉杆实现刀片的剪切。在刀片下方安装一个网袋，能防止水果摔坏。连接杆由外壳和内部绳组成，绳通过连接旋转刀臂和转动手柄来带动拉杆的运动。手柄机构由固定手柄、转动手柄、锁止片和凸台组成，其中转动手柄的作用是带动钢丝绳实现可动刀片的旋转运动，锁止片的作用是装置不用时，将刀头闭合，以防伤及使用者。紧线机构能保证钢丝绳绷紧以获得较大的剪切力，紧线的时候旋钮上的螺母向棘轮加压，在摩擦力的作用下带动棘轮内环及螺杆转动，实现紧线的目的。变角机构的原理是通过转动变角圆柱凸轮带动顶杆运动，改变固定刀臂与连接杆的夹角，实现剪切角度的变化。

参见本发明附图1，手柄机构包括设于连接杆10下端的固定手柄1和与固定手柄1前端通过销轴铰接的转动手柄2，转动手柄2可以相对于固定手柄绕旋转轴线a旋转。轴线a参见图1，图1中示出的轴线a垂直于纸面方向。固定手柄1前端设有用于安装连接杆10的套筒8，使手柄机构穿套在连接杆10的下端用于控制剪切机构，转动手柄2前端螺杆上缠绕有穿过连接杆10并连接旋转刀臂13的柔性绳7，柔性绳可以是钢丝绳，也可以是其他基本不具有弹性的柔性绳索构成，例如碳纤维绳等。当使用者握住手柄并将转动手柄向固定手柄压合时，转动手柄2绕轴线a转动，从而拉动柔性绳，柔性绳拉动旋转刀臂13转动。当旋转刀臂13转动时，可带动拉杆16移动，从而使可动刀片15转动，达到通过转动转动手柄2实现剪切植物茎秆部位的作用。可动刀片15的转动轴线为b，轴线b参见图1，其中轴线a与轴线b基本垂直。

本发明中的缓冲收纳装置11可以是多层网兜结构，例如包括了第一层、第二层网状缓冲结构；也可以包括第一级和第二级的柔性膜缓冲结构；通过逐级缓冲，能够保证果实下落时有足够的缓冲，减少果实损坏。

本发明设计有紧线机构，当剪切机构相对于连接杆的角度发生变化时，柔性绳会发生松动，需要拉紧以保证较大的剪切力。如图1所示，旋钮4所处的紧线机构安装在转动手柄2上，可以控制柔性绳的张紧力。

图2示出了用于手柄机构的锁止片的示意图。锁止片4具有孔41，螺栓或者其他紧固装置通过孔将锁止片4可旋转的固定在转动手柄上。孔41优选的是沉孔。锁止片4具有固定槽42。当需要将转动手柄2锁定时，握紧转动手柄2，转动锁止片4使得固定槽42卡在固定手柄1的凸台3上；由于弹簧5的弹性作用，转动手柄被固定槽42锁定后不会相对固定手柄转动，从而确保了可动刀片保持在安全位置。

参照图1和图3，其中图3是沿着图1的f-f方向观察的示意图。图1和图3中示出了剪切机构包括旋转刀臂13，旋转刀臂13与固定刀臂12铰链连接，通过拉动钢丝7可实现旋转刀臂13的旋转，在旋转刀臂13和固定刀臂12之间串有一根压缩弹簧14，用以复位。图3中示出了剪切机构还包括拉杆16和一对刀片，分别是固定刀片17和可动刀片15，拉杆16一端与旋转刀臂13相连，另一端与可动刀片15相连，当旋转刀臂13被柔性绳7拉动旋转时，可带动可动刀片15旋转。当实现一次剪切动作后，手停止施力，压缩弹簧14便对旋转刀臂13施力使剪切刀片归位。图4为拉杆16的结构图。

本发明的可动刀片较正常的x形剪刀的刀片短，本发明可动刀片非剪切臂的部分仅需超出可动刀片与固定刀片的铰接点即可；在可动刀片非剪切臂的端部设置拉杆，拉杆的运动不是绕可动刀片的旋转轴线进行的旋转运动，而是绕旋转刀臂13的轴线旋转，通过使用拉杆向可动刀片传递动力，在进行剪切时候，可动刀片的非剪切刃部不会发生大半径的旋转，因此拉杆和可动刀片的非剪切臂均不会与待采摘或者修剪目标以外的其他目标产生干涉，降低了劳动强度并且避免了对其他目标产生破坏。

参照图1、图5、图6；图5中右侧为设于手柄机构上方的变角调节凸轮示意图。该圆柱凸轮9与顶杆19共同构成变角机构，圆柱凸轮用于将旋转运动转变为顶杆19的上下直动运动。圆柱凸轮9可以相对连接杆发生转动但不发生轴向的位移；圆柱凸轮9为中空设计，在圆柱凸轮的侧面开有螺旋形槽。图6为顶杆示意图。顶杆19大体呈l形；顶杆19的短边191的宽度与圆柱凸轮9的内径基本相同，短边191安装在连接杆10的直槽和圆柱凸轮9的螺旋槽内。顶杆19的长边192穿过连接杆10，其顶部的孔通过销与固定刀臂12下端的槽20滑动连接。当旋动圆柱凸轮9后，由于短边191相对于连接杆不发生转动，因此圆柱凸轮9上的螺旋槽带动短边191发生相对圆柱凸轮轴向的位移，短边191带动长边192发生相对于连接杆10的轴向位移，长边192通过销相对固定刀臂12发生滑动，并且带动固定刀臂12的自由端发生位移，由于固定刀臂12另一端与连接杆10铰接，因此固定刀臂12在顶杆19的长边192的推动下可以改变其与连接杆10的夹角。

图5中左侧示出了固定刀臂12与连接杆10夹角发生变化(相对于图1中的夹角)后的状态示意图。

参照图7，由于本发明中固定刀臂12与连接杆10的夹角会发生变化，因此柔性绳的张紧力需要进行调整。张紧力调整的装置包括了旋钮6、螺母62、开孔螺杆61、两个垫片63、销64和棘轮机构65、66。

利用变角装置对固定刀臂12与连接杆10的夹角进行调整，从而确定固定刀片和可动刀片的姿态位置后，顺时针旋动旋钮6，与旋钮固定连接的螺母62通过垫片63挤紧棘轮内环65，棘轮内环65与螺母62之间产生了摩擦力，螺母62越向左移动则棘轮内环与螺母之间的摩擦力越大；由于螺杆61旋入螺母62的螺纹内，因此在对旋钮6施加足够的旋转力的情况下，螺母62、旋钮6、棘轮内环65、螺杆61、垫片63将会一体地相对棘轮外环66发生旋转，棘轮外环66与转动手柄2固联，螺杆61旋转，则拉动柔性绳7，从而为柔性绳7提供必要的张紧力。

棘轮内环相对于棘轮外环可以发生顺时针方向的自由旋转，但在逆时针方向上不可以发生自由旋转。当柔性绳7张紧力合适后，停止旋转旋钮6。此时由于螺纹的自锁能力，旋钮6及螺母62与棘轮内环65之间保持足够的摩擦力而不会发生相对松动，同时由于棘轮内环相对棘轮外环的逆时针锁止作用，柔性绳可以一直保持足够的张紧力而不松动。

图7中，旋钮、螺母、柔性绳在螺杆上的缠绕方向、棘轮65、66的单向转动方向也可以与上面描述的相反，只需要满足在旋紧旋钮6后，螺母不会发生不希望的回旋从而使得柔性绳张紧力降低即可。

松开柔性绳时，只需逆时针旋转旋钮6，旋钮6带动螺母62向右旋转，直到顶住销64，此时，螺母62与垫片63、棘轮内环65松开，不再具有较大的摩擦力。继续逆时针旋转旋钮6，螺母62与销64之间产生较大摩擦力，进而带动螺杆61逆时针旋转，此时柔性绳被松开。棘轮内环65的内孔大于螺杆61的大径，此时，螺杆逆时针旋转不会与棘轮产生关联。

图8示出了本发明用于剪切植物茎秆的刀片相对于茎秆的夹角状况。图8中101为植物的需要被采摘的果实，102为植物的茎秆。从图8中可以看出，调整刀片相对于茎秆大致呈垂直，可以尽可能减少剪切植物的面积，减少残留在果实上的植物茎秆，不会在果实上留下尖锐的植物茎秆，从而避免已经采摘的果实被残留的植物茎秆损坏，也避免了对果实进行二次修剪。

图9示出了传统的剪切装置相对于茎秆的剪切角度情况。图9中101为植物的需要被采摘的果实，102为植物的茎秆。由于剪切刀片相对于茎秆呈较小的锐角，因此必然会残留较长的茎秆，并且茎秆会具有一个尖锐的角度，从而损害其他已经采摘的果实；同时，由于剪切刀片相对于茎秆呈锐角，因此剪切的面积较大，采摘人员需要付出更多的劳力，劳动强度大。

本发明技术方案可以调整刀片相对于果实茎秆的角度，从而在对较高位置的水果进行采摘时，采摘下来的果实不会留下尖锐、较长的植物茎秆，不会损伤已经采摘的植物果实，劳动强度也比较低，同时无需对果实进行二次修剪。

以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。