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本期视频主要内容： 陕西渭南白水县的田文君发明了一种花椒采摘机。机器主要由腰挎锂电池，手柄和割刀组成。通过偏心杆使动刀进行往复运动，配合定刀收割花椒，速度胜于三名人工。经过测试，这款机器不仅适用于花椒的采摘，对枸杞等经济作物的收获也能有很好的效果。 （《我爱发明》 20141030 巧采花椒）
发明人联系方式：田文君 13892569003
《巧采花椒》花絮：老田本是当地有名的铁匠，以做锯子营生，收入不薄。但自从爱上了发明花椒收割机，不断地开模具和购买材料，使得他迅速耗光了前半生的所有积蓄。原本富足的家庭因为这个发明而变得拮据甚至不堪重负，这让他的两个儿子对他意见非常大。老伴儿对他的忍让和椒农的支持是他唯一的宽慰。
花椒采摘器使用说明书
新型梳齿式摘花椒机的设计
张文斌
（红河学院工学院，云南蒙自
摘
661100）
要：目前，花椒主要依靠手工采摘，存在手指极易被椒树上的刺划伤、劳动强度大及生产效率低等问题。为
此，设计了一种新型的梳齿式摘花椒机。该机借鉴了太极阴阳图的形状，设计出梳形的太极阴阳图状齿刀，采用梳齿和刀壳啮合的方式来剪断花椒果柄，利用自带果篼的方式有效提高了花椒的采摘效率。同时，采用嵌套的中空玻璃钢管作为支撑杆，使得刀头可以根据花椒树的高低来自由调节采摘高度，对刀头的整体运动采用了无线遥控方式，使得采摘过程方便快捷。实际采摘结果表明：该机可以有效减少对花椒树的伤害，能大大降低椒农的劳动强度、提高花椒的采摘效率，值得进一步推广普及。关键词：摘花椒机；梳形齿刀；果篼中图分类号：S225．99；TS255
文献标识码：A
文章编号：1003－188X（2015）09－0147－04
DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.09.033
0引言
花椒又称青花椒、狗椒、蜀椒、红椒、红花椒，分布
劳动强度。
1拟采用的方案比较
1）方案1：拟采用柔性机构与刚性机构的有机结
于我国北部至西南。花椒果皮是香精和香料的原料，种子是优良的木本油料，油饼可用作肥料或饲料，叶可代果做调料、食用或制作椒茶，也是干旱半干旱山区重要的水土保持树种。目前，采摘花椒基本上是靠手工采摘，花椒树上的刺划伤手臂是经常发生的事情。椒农大都用手指甲掐摘，劳动时间稍长，指甲缝在花椒的刺激下常常又痛又麻，加上花椒树全身长满刺影响作业，使采摘花椒的劳动非常辛苦。此前，曾有人尝试使用一些简单的摘花椒机，即类似加长剪刀一样的工具来采摘高处不易够及的花椒还有像电动剪刀一样的花椒剪
［3］
［1］
3个爪头分别装有合，设计成一种可旋转的3爪机构，3个爪由弹簧和铁丝来驱动刀片，可以快速切断果柄，爪的开合以及摘果头的旋转。同时，采用收缩式果兜，果兜材料选择弹性织物，利用3个爪的结构在摘花椒时撑开，如图1所示
。
，也有用微
［2］
型圆盘锯子来锯断花椒果柄达到采摘花椒的目的，
。这些机械虽然在
一定程度上能保护手臂不被划伤，但其效率比手工采摘还低，而且容易伤及花椒树本身，造成来年花椒减产和花椒树的死亡，再加上没有自带果兜，使得收集花椒有一定的难度。
本设计的目的和意义在于针对以往的摘花椒机的一些弊端设计出一种新型的梳齿式摘花椒机，可有效避免手指掐摘花椒带来的危害，同时在采集花椒时不会剪断花椒枝叶，且采摘效率高，能有效降低椒农的
收稿日期：2014－09－11
基金项目：云南省中青年学术带头人后备人才项目（2014HB026）；云
南省自然科学基金面上项目（2013FB062）；红河学院中青年学术带头人后备人才项目（2014HB0205）
（E－作者简介：张文斌（1981－），男，云南建水人，副教授，博士，
mail）georgezwb@sohu．com。
图1
三爪机构
2）方案2：拟采用一种自带果兜式，可以提高花椒采摘效率，刀头采用梳齿设计，在采集花椒时可以有效减少对花椒树的伤害，而且可提高花椒的采摘效率。摘花椒机的刀头采用梳齿和刀壳啮合的方式来剪断花椒果柄，如图2所示。
3）方案3：拟采用一种摘花椒剪式，1由两支剪臂、
个剪栓及1个张力弹簧构成。两支剪臂由剪栓栓结在一起，在其手把部位靠近剪栓的一侧装有张力弹簧，剪栓孔在收集斗的底部，剪栓的一端可以固定在剪栓孔中；两支剪臂的剪刃相对向收集斗中心方向轻微扭转内收，如图3所示。
中，刀头包含刀壳、刀具、电机、无线接收电路、电池、传动齿轮和轴承等部件；撑杆包含支撑杆和无线发射模块。2．1
电机的选择
电机作为本设计的原动力部件，起到至关重要的作用。按照实际生产需要，要求电机具有能耗低、占用空间小、转速慢等优点，而减速马达正好具备上述要求。减速马达选用了刚性铸铁箱体，所使用的齿轮表面经过了高频热处理，具有承载能力高、可靠耐用的特点，因此本设计选用直流减速马达作为原动力。
减速马达型号的确定：①确定机械的运转速度：本设计对电机的输出转速要求为60r/min。②根据速度计算齿轮减速马达的减速比。减速比=入力轴速度/出力轴速度=马达速度/机械要求速度=115。计算负载的力矩，根据这个力矩选择齿轮减速马达的出
图2自带果篼机构
力。
参考齿轮减速马达厂家提供的“输出扭矩表”及实际的执行机构所需力，即刀具和刀壳的啮合以剪断花椒果柄的力，确定齿轮减速马达的型号为GM12－N20。最终所选直流减速电机基本参数为：电压6V；
－3
扭矩0．03N·m；功率0．189×10kW。
2．2
图3
摘花椒剪机构
无线发射接收模块的选择
因为距离随时变动，花椒树本身枝在本设计中，
4）方案4：拟采用一种多用途摘花椒机式，包括工作杆、电机及锯齿刀刃片。电机设置在位于工作杆中部的电机槽内，输出轴上设置主动皮带轮，工作杆的端头设置工作轴，锯齿刀刃片设置在所述工作轴上，工作轴上还设置从动皮带轮；主动皮带轮与从动皮带轮之间通过皮带连接，如图4所示
。
叶繁多，树上长满刺，不适合采用有线电能；而且有线电路的外置电路容易被花椒树挂到，不利于实际生产操作，为此设计成无线控制是一种较为合理的选择【花椒自动采摘机器视频】
［4］
。
本设计采用DF数据发射模块，工作频率为315MHz，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度较高，当环境温度在－25～+85°之间变化时，频漂仅为3×10－6/℃。选用DF发射模块的一个原因是DF发射模块未设编码集成电路，而增加了一只数据调制三极管Q1，使得产品具有稳定性好、耗电量低、成本较低等特点。采用的DF数据模块具有较宽的工作电压范围3～12V，本设计中采用的电压为6V，当电压变化时
图4多用途摘花椒机构
发射频率基本不变。所采用的发射模块的电路图及实物图如图5所示。
所采用和DF发射模块配合的DF接收模块的工作电压为6V，静态电流4mA，其为超再生接收电路，接收灵敏度为－105dbm，接收天线为长25cm的细铁丝，长距离时天线是竖立起来的。本接收模块和发射模块一样，本身不带解码集成电路。这种设计有很多优点，它可以和各种解码电路或者单片机配合，设计电路灵活方便。其电路图及实物图如图6所示。
3、4，均容易把花椒树叶和树枝综合考虑方案1、
剪断，而且工作效率仍然较低，并且在设计时没有考虑自带果兜的问题，使得采摘的花椒需要用分体式的果兜接，不利于高处的花椒采摘；而方案2可以有效避免上述问题，故采用方案2作为最终方案。
2系统结构设计
本设计的摘花椒机包括刀头和撑杆两部分。其【花椒自动采摘机器视频】
图5发射模块电路图及实物图
图6接收模块电路图及实物图
传输距离适这套模块的特点是发射功率比较大，中，比较适合本设计的环境中进行通讯。2．3
刀具刀壳设计
根据设计目的，首先确定了花椒的剪断方式为刀壳到刀具的啮合。刀壳和刀具啮合产生一个剪切力，从而剪断花椒果柄。在本设计中，刀具的大小由实际情况和花椒的大小确定，采用梳形太极阴阳图状的齿刀，刀具的尺寸为半径15mm，长度为50mm，剪切花椒的刀口为10道，齿刀齿口宽度为1mm，并呈圆形，如此设计可以避免打碎花椒。由于花椒的大小约为3．5～4mm，使各齿之间的间隙为3mm，这样可以正常卷入花椒。经调查花椒果柄为0．5～0．9mm，因此让齿刀的齿底部间隙为1mm，这样不会卡住花椒。然后，根据刀具的尺寸以及花椒果的大小，确定了与之啮合的刀壳的尺寸和外形，即装刀具的腔体为直径30mm、长度为50mm，两头分别有两个长5mm的挡板。2．4
齿轮机构的选择
在本设计中有两个地方使用齿轮，一个是减速马达自带的齿轮组，一个是连接马达和轴的传动齿轮。减速马达中的齿轮组为金属材料，用于轴和马达传动选用塑料小模数齿轮。齿轮材料选用20CrMo为材料
加工，齿轮成品要求硬度为HＲC40～45，模数为1，齿数20，压力角20°，屈服强度为880MPa，延伸率为13%，端面收缩率55%，冲击韧性为1000kJ。2．5
支撑杆的选择
由于设计中要求支撑杆具有质轻、韧性好及耐腐蚀性好等性能，而玻璃钢具有质轻、高强、防腐等优点，其强度相当于钢材，因此选择玻璃钢管作为本设计的支撑杆。
3整机结构及工作原理
刀座、果篼、支撑杆及本设计的摘花椒机由刀具、
无线控制模块等组成，其特征在于刀具是横断面为S形的滚刀，刀口有梳齿，中部有轴孔，刀具通过转轴安装在刀座里，并由电机和齿轮带动旋转。刀座安装刀具的部位为半圆槽，槽底有剪切口，刀座固定在料仓上，料仓由两侧板和前后两板构成，前板上设有仓门，料仓安装在支撑杆的叉轴上。其整机结构如图7所示
［5］
。
工作原理：使用时，手持支撑杆，按动遥控器上的正转开关，电机转动，带动刀具旋转，将刀座举到花椒果处，让花椒果伸进转动的刀具梳齿内；在剪切力作【花椒自动采摘机器视频】
用下，花椒果就掉落到刀座的半圆槽内，进而通过剪切口进入料仓和果篼；采集到果篼满时，打开果篼将花椒果倒入篮子里，如此反复即实现电动采收的目的。当刀具被伸入的树枝卡住时，按动遥控器上的反转开关，让树枝退出再重新正转即可。
（e）
刀壳
1．直流减速马达2．齿轮3．轴4．刀具5．刀壳6．轴承
7．侧面盖板8．果兜9．电池10．舱门11．遥控器12．支撑杆13．正转开关14．反转开关15．梳齿16．刀口
图7
摘花椒机的结构图
4结语
本设计完成了一种新型的梳齿式摘花椒机的结构
设计，并完成了相应的实物制作和实际采摘测试，同时获得了国家专利授权（专利号：ZL201220362505．9）。采摘结果表明：所设计的梳齿式的刀头特别适合花椒果小刺多的特点，花椒果很容易进入转动区被刀具摘取。该机器小巧玲珑，活动自如，一手即可操作，
（a）
刀头剖面图
且梳子状的刀齿不宜损坏果实和果树，采用本设计的梳齿式摘花椒机完全避免了手指掐摘椒果时手指被刺伤划伤的问题，采摘效率是人工采摘的5倍以上，大幅度降低了椒农的劳动强度，有利于进一步推广普及。参考文献：
200420064122．9［P］．2005－09［1］李斌常．摘花椒剪：中国，
（b）整体外形图
－30．
［2］田文君．一种摘花椒机：中国，200820028517．1［P］．2008
－12．
［3］
200920034650．2田文君．一种多功能摘花椒机：中国，［P］．2010－07－31．
［4］孙琳．嵌入式计算机网络机房环境实时监测系统［D］．大
2008．连：大连理工大学，［5］
张文斌，杨明聪，苏艳萍，等．电动摘花椒机：中国，201220362505．9［P］．2013－01－31．
（c）遥控器（d）梳状刀头
DesignofaNewCombingTeethPepperPickingMachine
ZhangWenbin
（CollegeofEngineering，HongheUniversity，Mengzi661100，China）
Abstract：Atpresent，pickingpepperisbasicallyusingfingernailtopinchoff，people’sarmisinevitablyscratched．Fo-cusingonthecurrentproblemofhighlaborcostandlowworkingefficiency，anewpepperpickingmachineisdesigned．Thismachineusesthecombingteethasitscutter，utilizestheengagementofcombingteethandknifeshelltocutthepep-perstem．Thenthedesignofcollectingboxenhancesthepickingefficiency．Atthesametime，thesupportingrodusesmidheavenglasssteeltube，whichhastheadvantageoflightweight，highstrengthandportable，itcouldadjustthepick-ingheightaccordingtothesituation．Themotionofthecutteruseswirelesscontrol，itwillmakethepickingmoreconven-iently．Thepracticalpickingresultsshowthatthismachinecouldreduceworkinghardandtheharmfuldegreefortrees，itwillincreasethepickingefficiency．
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