具有仿生刀片及差动夹持机构的果木剪的制作方法

本发明属于农业机械技术领域，涉及一种具有仿生刀片及差动夹持机构的果木剪。

背景技术：

在果树的日常管理中，修剪作业是必不可少的环节之一。农艺上通过对果树修剪可使果树形成骨干枝和树冠并维持一定的结构和形状，达到保证果树优质、丰产、稳产的目的。普通果木剪在进行剪枝采果作业时，在一只手剪枝的同时，另一只手需要接住果实，避免果实落地，使果实质量得到保障。这样会降低劳动效率，增加果农的劳动量。因此，在普通果木剪的基础上增加差动夹持装置，在解放另一只手降低劳动负担的同时，也可降低成本，对提高劳动效率具有积极意义。市场上现有的带夹持机构的果木剪(或剪枝剪)虽然实现了夹持功能，但是由于夹持部分仅是简单的依附在刀片上、和刀片一起运动，会出现剪断枝条、却未夹住枝条的现象；或者枝条大于夹子间的缝隙被夹住却无法被剪断的现象。这种剪刀一般只适用于可以压扁或者比较细的枝条的修剪，运用范围受限。

仿生学研究表明，竹鼠在进行咀嚼竹子的过程中，其牙齿具有良好的切削能力，可以将具有坚韧竹纤维的竹子咬断。本发明借鉴竹鼠牙齿舌面中起到主要咬断功能的前端曲线，设计切削仿生刀片用于果木剪，提高果木剪的切割能力。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有仿生刀片及差动夹持机构的果木剪，其模仿人剪枝时手的夹持动作，设计差动夹持机构，在果木剪刀片剪断枝条的同时，夹持住果实(或枝条)，实现单手剪摘水果、修剪树枝，提高劳动效率。

本发明的目的是通过以下方案实现的，结合附图：

一种具有仿生刀片及差动夹持机构的果木剪，包括刀片层、中间板层及夹枝层，刀片层和夹枝层分别固定在中间板层的两侧，刀片层外侧固定有盖子Ⅰ12，夹枝层外侧固定有盖子Ⅱ49；所述刀片层包括刀片层板22、刀片板23、活动刀片14、连杆Ⅰ15；所述中间板层包括中间层板37；所述夹枝层包括夹枝板41、活动夹枝板43、连杆Ⅱ44、圆形滑块螺钉45、连杆Ⅲ46、手柄Ⅰ32、手柄Ⅱ36、差动夹持机构；所述刀片板23、中间板层37、夹枝板41依次固定连接，活动刀片14螺钉连接在刀片板23外侧，活动夹枝板43螺钉连接在夹枝板41外侧，刀片层板22通过螺钉与中间层板37下端紧固连接；手柄Ⅰ32和手柄Ⅱ36分别通过螺钉固定在夹枝板41和刀片层板22之间，活动刀片14通过连杆Ⅰ15与手柄Ⅱ36铰接，连杆Ⅲ46与手柄Ⅰ32通过螺钉连接，活动夹枝板43与连杆Ⅱ44铆接，连杆Ⅱ44和连杆Ⅲ46通过圆形滑块螺钉45铰接，滑块螺钉45滑动连接在夹枝板41和盖子Ⅱ49之间的滑块槽内；所述差动夹持机构包括圆柱扭转弹簧35及圆柱压缩弹簧34，圆柱压缩弹簧34通过弹簧座固定在手柄Ⅰ32和手柄Ⅱ36之间，圆柱扭转弹簧35置于手柄Ⅱ36的端槽内且一端卡在槽壁上，另一端卡在中间层板37的开槽上。差动夹持机构在作业时，可令刀片与夹持部分在不同压力下实现差动，在压力较小时夹持部分先动，夹住枝条后；随压力增大，剪刀随之运动从而剪短枝条；而后减小压力，刀片先复位，夹枝板之后复位，从而实现差动，松开夹住的果实或枝条。

进一步地，所述刀片板23为长方形和半月形的组合形状，刀片板23上部半月形刀片内外边缘均为光滑曲线，在笛卡尔直角坐标系的XOY平面内投影的刀片内边缘曲线段AB的方程为：

y＝-0.0004x⁵0.0164x⁴-0.2749x³+2.3954x²-15.104x+68.183

其中：x∈[0,18]，单位为mm；

在笛卡尔直角坐标系的XOY平面内投影的刀片外边缘曲线段CD的方程为：y＝0.0041x²+0.0321x+0.0973

其中：x∈[-30,30]，单位为mm；

刀片内外边缘连接处为圆弧状过渡曲线，其在笛卡尔直角坐标系的XOY平面内投影曲线段BC的方程为：

y＝0.0009x³+0.0699x²+0.1885x+0.0043其中：x∈[0,5]，单位为mm。

进一步地，所述手柄Ⅰ32和手柄Ⅱ36的凸面采用弧面仿生形态，模仿人手掌的一段弧面，该弧面由曲线段EF沿曲线段GH旋转而成，放大1.75倍的曲线段EF方程为：

y＝-0.0015x²+0.5518x+18.4

其中：x∈[15,360]，单位为mm；

曲线段GH方程为：

其中：x∈[-5,5]，单位为mm。

进一步地，所述活动刀片14的刃口仿竹鼠牙齿舌面曲线MN，在笛卡尔直角坐标系的XOY平面内投影的仿竹鼠牙齿舌面曲线MN的方程为：

f(x)＝0.002605×x⁴-0.04137×x³+0.1809×x²+0.05689×x+2.469

其中：x∈[0,10]，单位为mm。

仿生学研究表明，竹鼠在进行咀嚼食物的过程中，其牙齿具有良好的切削能力。通过分析并模拟竹鼠牙齿舌面的几何结构，可以优化竹鼠牙齿舌面结构曲线达到更好的切削效果。本发明中的刀片刀片曲线仿照竹鼠牙齿舌面曲线设计，利用仿生学原理，使得切削过程阻力更小。

进一步地，所述夹枝板41及活动夹枝板43的夹持面分布有仿生柔性凸点51，仿生柔性凸点51为球冠状结构。

更进一步地，所述仿生柔性凸点51材质为橡胶。

本发明的有益效果在于：

1.具有差动夹持修剪功能，结构简单，可以实现单手剪摘水果、修剪树枝，提高劳动效率。

2.刀片具有仿生特性曲线，仿照竹鼠牙齿舌面曲线设计，具有良好的剪切性能。

3.夹持面粘有仿生柔性凸点，用于保证夹持摩擦力，确保果木剪的夹持可靠性。

附图说明

图1为本发明分解结构示意图

图2为刀片层组件示意图

图3为中间层组件示意图

图4为夹枝层组件示意图

图5为仿竹鼠牙齿舌面曲线方程图

图6为手柄Ⅱ和圆柱扭转弹簧的位置轴侧示意图

图7为夹枝板的主视示意图

图8为夹枝板的轴侧示意图

图9为圆形滑块螺钉结构示意图

图10为装配好的产品的左视图示意图

图11为装配好的产品的主视图示意图

图12为装配好的产品的右视图示意图

图13为装配好的产品的后视图示意图

图14为装配好的产品去掉盖子Ⅰ后的主视图示意图

图15为装配好的产品去掉盖子Ⅱ后的后视图示意图

图16为刀片板刀片内边缘曲线段AB拟合曲线示意图

图17为刀片板刀片外边缘曲线段BC拟合曲线示意图

图18为刀片板过渡曲线CD拟合曲线示意图

图19为手柄EF拟合曲线示意图

图20为手柄GH拟合曲线示意图

图21为刀片板AB、BC、CD曲线位置示意图

图22为手柄EF曲线位置示意图

图23为手柄GH曲线位置示意图

图24为活动刀片MN曲线位置示意图

图25为夹枝板的轴测示意图

图26为竹鼠牙齿舌面M’N’示意图

其中：

11、平头螺钉Ⅰ；12、盖子Ⅰ；13、螺纹套筒Ⅰ；14、活动刀片；15、连杆Ⅰ；16、铆钉Ⅰ；17、子母钉Ⅰ；18、子母钉Ⅱ；19、子母钉Ⅲ；20、子母钉Ⅳ；21、平头螺钉Ⅱ；22、刀片层板；23、刀片板；24、螺母Ⅰ；31、螺母Ⅱ；32、手柄Ⅰ；33、平头螺钉Ⅲ；34、圆柱压缩弹簧；35、圆柱扭转弹簧；36、手柄Ⅱ；37、中间层板；41、夹枝板；42、平头螺钉Ⅳ；43、活动夹枝板；44、连杆Ⅱ；45、滑块螺钉；46、连杆Ⅲ；47、铆钉Ⅱ；48、螺纹套筒Ⅱ；49、盖子Ⅱ；50、平头螺钉Ⅴ；51、仿生柔性凸点

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本发明提供一种具有仿生刀片及差动夹持机构的果木剪，包括刀片层、中间板层及夹枝层。刀片层包括盖子Ⅰ12、刀片层板22、刀片板23、活动刀片14、连杆Ⅰ15；中间板层包括中间层板37、手柄Ⅰ32、手柄Ⅱ36、差动夹持机构；夹枝层包括夹枝板41、活动夹枝板43、连杆Ⅱ44、圆形滑块螺钉45、连杆Ⅲ46、盖子Ⅱ49。

刀片层由刀片层板22、刀片板23、活动刀片14组成；刀片层板22为长方形，上有3个M3的螺孔2个6mm通孔；刀片板23为下部长方形和上部半月形的组合形状，上有2个M3螺孔，上部半月形刀片内外边缘均为光滑曲线，在笛卡尔直角坐标系的XOY平面内投影的刀片边缘曲线段AB、CD的方程分别为：

y＝-0.0004x⁵0.0164x⁴-0.2749x³+2.3954x²-15.104x+68.183其中：x∈[0,18]，单位为mm和y＝0.0041x²+0.0321x+0.0973其中：x∈[-30,30]，单位为mm；内外边缘连接处为圆弧状过渡曲线，其在笛卡尔直角坐标系的XOY平面内投影曲线段BC的方程为：y＝0.0009x³+0.0699x²+0.1885x+0.0043其中：x∈[0,5]，单位为mm；中间板层由中间层板37、手柄Ⅰ32、手柄Ⅱ36组成，中间层板37材质为铝合金；夹枝层由夹枝板41、活动夹枝板43组成。

如图2、图3、图4所示，刀片板23、中间层板37与夹枝板41通过2个子母钉Ⅱ18一次紧固在一起，活动刀片14、刀片板23、中间层板37、夹枝板41、活动夹枝板43通过子母钉Ⅳ20依次固定在一起。刀片层板22通过2个平头螺钉Ⅱ21与中间层板37下部紧固连接，夹枝板41通过2个平头螺钉Ⅳ42和2个子母钉Ⅰ17与中间板层37紧固连接。活动刀片14用铆钉Ⅰ16与连杆Ⅰ15铆接。盖子Ⅰ12通过3个平头螺钉Ⅰ11与刀片层板22、刀片板23、中间层板37紧固连接：盖子Ⅰ12上端用2个M3×20mm平头螺钉Ⅰ11通过盖子Ⅰ12的M3螺纹孔并通过2个M3×11mm螺纹套筒Ⅰ13和刀片板23上的螺纹孔与中间层板37紧固连接，下端用1个M3×20mm平头螺钉Ⅰ11通过盖子Ⅰ12的螺纹孔并通过1个M3×11mm螺纹套筒Ⅰ13和刀片层板22上的M3螺纹孔用M3螺母Ⅰ24紧固。连杆Ⅰ15和手柄Ⅱ36用M3×15mm平头螺钉Ⅲ33和M3螺母Ⅱ31通过手柄上的通孔和开槽连接，连杆Ⅲ46和手柄Ⅰ32用M3×15mm平头螺钉Ⅲ33和M3螺母Ⅱ31通过手柄上的通孔和开槽连接。圆柱压缩弹簧34通过手柄Ⅰ32和手柄Ⅱ36上的突起的弹簧底座固定在两个手柄之间。手柄Ⅰ32和手柄Ⅱ36分别通过子母钉Ⅱ18固定在夹枝板41和刀片层板22之间。圆柱扭转弹簧35穿过子母钉Ⅱ18安放在手柄Ⅱ36的端槽内，一端卡在端槽的槽壁上，另一端卡在中间层板37的开槽上。活动夹枝板43与连杆Ⅱ44通过铆钉Ⅱ47铆接，连杆Ⅱ44和连杆Ⅲ46连接到圆形滑块螺钉45上，如图25所示，夹枝板41和盖子Ⅱ49上均设有矩形凹槽，两个矩形凹槽相对，在夹枝板41和盖子Ⅱ49之间形成一个滑块槽，滑块螺钉45安放在夹枝板41和盖子Ⅱ49之间的滑块槽内。盖子Ⅱ49通过上端2个M3×20mm平头螺钉Ⅴ50通过盖子上的螺纹孔和螺纹套筒Ⅱ48依次与夹枝板41和中间板层37紧固，用下端1个M3×20mm平头螺钉Ⅴ50通过盖子上的螺纹孔和螺纹套筒Ⅱ48和夹枝板41的螺纹孔和螺母Ⅰ24固接。

所述活动刀片14刀片上具有刃口，刃口部分宽度为d(可根据需要选择，5-15mm)。

所述活动刀片14和刀片板23的材质为工具钢。

所述夹枝板41和活动夹枝板43的夹持面涂有橡胶层，用于保证夹持摩擦力。

所述手柄Ⅰ32和手柄Ⅱ36的凸面采用弧面仿生形态，该弧面由曲线段EF沿曲线段GH旋转而成，放大1.75倍的曲线段EF方程为：y＝-0.0015x²+0.5518x+18.4其中：x∈[15,360]，单位为mm；曲线段GH方程为：其中：x∈[-5,5]，单位为mm。

如图5、图24所示，活动刀片14刀片10mm刃口仿照竹鼠牙齿舌面曲线MN设计，在笛卡尔直角坐标系的XOY平面内投影的仿竹鼠牙齿舌面曲线MN的方程为：

f(x)＝0.002605×x⁴-0.04137×x³+0.1809×x²+0.05689×x+2.469

其中：x∈[0,10]，单位为mm。

如图6所示，手柄Ⅱ36上开有一个直角梯形的槽，用于放置圆柱扭转弹簧35。圆柱扭转弹簧35穿过子母钉Ⅱ18安放在手柄的槽内，一端卡在槽壁上，另一端卡在中间层板的开槽上。相比手柄Ⅰ32，手柄Ⅱ36多了圆柱扭转弹簧的作用，使得手柄Ⅱ36要合并时要比手柄Ⅰ32合并需要更大的力，差的力的大小由圆柱扭转弹簧决定，由此实现刀片和夹枝板的差动功能。

如图7、图8、图25所示，夹枝板正面有4块挡板围成的滑块槽以及一个圆弧状的槽，圆弧状的槽是铆钉Ⅱ47运动的轨迹，深度为1.5mm,使得铆钉多出的部分不会阻碍夹枝板43的运动。夹枝板41和活动夹枝板43夹持面粘有仿生柔性凸点51，用于保证夹持摩擦力，柔性凸点51为球冠状结构，x-o-y截面方程为：y²/2.25+x²＝1其中x∈[-1,1]，y∈[0,1.5]单位为mm，其形状为截面绕y轴旋转一周形成。所述仿生柔性凸点51材质为橡胶(丁苯橡胶)。

如图9所示，圆形滑块螺钉两头为直径7mm高3mm的圆柱形，通过螺纹紧固在一起，中间一段为直径3mm高5mm的圆柱，用于连接连杆Ⅱ44和连杆Ⅲ46，在夹枝板41和盖子Ⅱ49的长方形滑块槽内运动。

可差动夹持在作业时，可实现刀片与夹持部分在不同压力下实现差动，在压力较小时夹持部分先动，夹住枝条后；随压力增大，剪刀随之运动从而剪短枝条；而后减小压力，刀片先复位，夹枝板之后复位，从而实现差动，松开夹住的果实或枝条。

以下简要介绍本发明的工作过程：

用右手握住两个手柄，施加压力，手柄Ⅰ先运动，带动夹枝板运动，夹住枝条，然后手柄Ⅱ运动，带动刀片运动剪断枝条，然后缓慢松开手柄，手柄Ⅱ先运动，带动刀片复位，然后手柄Ⅰ运动，带动夹枝板复位，完成整个工作过程。

本发明模仿人剪枝时手的夹持动作，设计差动夹持机构，在果木剪刀片剪断枝条的同时，夹持住果实(或枝条)，实现单手剪摘水果、修剪树枝，提高劳动效率。本发明具有差动夹持修剪功能，可以实现单手剪摘水果、修剪树枝，提高劳动效率。刀片具有仿生特性曲线，仿照竹鼠牙齿舌面曲线设计，具有良好的剪切性能。夹持面粘有仿生柔性凸点，用于保证夹持摩擦力，确保果木剪的夹持可靠性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。