摘要：林果经济不断发展，传统人工采摘方式逐渐被淘汰，背负式采摘机渐渐进入人们的视野。对背负式林果采摘机采摘时的手臂疲劳特性进行分析研究，通过相关林果采集实验，了解采摘机的人机工程学特性，实现为背负式林果采摘机的人机工程学评价。
关键词：背负式,手持式,林果采摘机,人机工程学
由于我国核桃、板栗等林果大部分分布在山地、丘陵地带，这种地形限制了大型采摘设备的进入，并且人工采摘效率低且工作量大，所以应当使用小型便携式采摘设备进行工作。目前在以上地形使用的采摘设备多为手持式采摘工具，长时间使用会造成使用者手臂肌肉疲劳，大大降低工作效率，使用者操作不当还可能会出现安全事故。但是如果使用背负式林果采摘机就不会出现这些问题，由于采摘机为背负式，所以其重量被分解，分担给手臂和肩部，大大降低里使用者承担的负荷，提高工作效率。
1背负式林果采摘机构成和工作原理
背负式林果采摘机主要包含两个部分，背负部分和伸缩采摘部分。背负部分由背架、背部弯管、伸缩调节杆和悬挂弹簧组成，采摘部分则由采摘头部、伸缩杆和连接管组成[1]。背负式采摘机使用方法是将装置背在背上，使用伸缩调节杆进行悬挂调节。通过调节悬挂点，使操作力矩变化，悬架弹簧连接伸缩采摘部分，使得手臂承受的力分解到后部，这样柔性和灵活性大大增加，工作范围变宽。
不使用时，可以用弹簧悬挂杠杆，以减少的手臂的受力，减轻手臂的疲劳。对于不同高度的果树，可以调节伸缩杆进行采摘，以实现不同高度的拣选操作。在选择好水果后，握住手柄，控制采摘抓，转动水果完成收集。收获完成后，手柄松开，水果落入收料网完成收割[2]。由于背负式采摘机结构简单，携带方便，且轻便，可有效地用于山地丘陵地区的林果采摘，并且能很大程度的避免引疲劳引起的肌肉酸疼，提高工作效率。
2采摘机对比实验研究
为了分析背负式采摘机和手持式采摘机对使用人员的影响，需要进行两个采摘机的对比实验。背包式水果采摘机可用于采摘不同类型的水果。在采集高度方面有着较为灵活的调节，而手持式水果采摘机只能手持操作，并通过拉伸采摘杆从不同高度采摘水果。对于选择的实验对象要求为体型区别不大，并且在测试之前无剧烈运动无疲劳积累。
分为手持式采摘机和背负式采摘机两组进行实验。使用背负式采摘机进行模拟采摘实验，实验过程中需要采集上肢肱二头肌表面肌肉电信号，通过公式进行相关的疲劳能量计算，将计算出的疲劳能量与borg主观评价表进行结合分析，综合对比背负式采摘机和手持式采摘机对工作人员的区别。对于选择的实验对象要求为体型区别不大，并且在测试之前无剧烈运动无疲劳积累。分为手持式采摘机和背负式采摘机两组进行实验。
通过一系列的模拟采摘实验，根据表面肌电信号，可以计算出相应的疲劳能量，然后将疲劳能量代入相关公式计算，可以得到实验人员的borg主观值，以此分析得出，手持状态下的主观价值明显大于背负状态。在手持状态下，采摘机的所有重量都需要由手臂承载;在后面状态下，采摘机的一部分重量可以由双肩承担[3]。
由于两个采摘机在手臂的作用力不一样，手臂肌肉收缩和疲劳能量值也就不一样，最后的结果是手持式的borg主观值高于背负式采摘机，也就是使用手持式采摘机比使用背负式采摘机更劳累。在人体工程学研究中，心率可以反映操作者的生理和心理负担，并且身体心率的变化与劳动强度和身体疲劳成正比。在实际工作中，工作疲劳越大，身体的心率变化就越大。在测量操作结束之后基于操作心率计算心率相对于稳定状态的增加率，可以获得疲劳程度。
在对实验人员测试中可以看出，虽然两组实验人员心率都呈现上升趋势，但是使用手持式采摘机实验人员的心率变化要大于背负式采摘机实验人员的心率变化，这是由于手持式采摘机使用时，要求实验人员必须长时间进行抬举工作，而背负式只需要背在背上即可。这就是心率加比不同的原因。表面肌肉电信号是肌肉收缩期间伴随的电信号。当肌肉开始运动时，运动单位电位的放电频率开始增加，力量增大，募集的运动单位数量就会增多，导致肌电信号增加。如果实施力量继续增大，运动单元电位将出现重叠，这进一步导致信号幅度增加，因此信号幅度越大，就越费力[4]。
3结果与分析
通过上述的手持式采摘机和背负式采摘机的对比实验可以得出以下结论：通过果实采收臂疲劳试验计算疲劳能量值，并结合Borg量表问卷值建立二次函数模型。该模型可以通过Borg主观值直观判断果实采摘过程中的上肢和二头肌的疲劳程度，不仅可用于手持式采摘机手臂疲劳特征分析。也用于分析背负式采摘机的疲劳特性。手持式采摘机使用者的Borg主观价值和心率增加率均大于背负型采摘机使用者。所以看来背负式采摘机要优于手持式采摘机，更容易减少人体产生的疲劳。
参考文献
[1]宋月鹏，耿晓阳，辛力，等.山东省果园机械化作业的现状与发展趋势[J].落叶果树，2018(2)：27-33.
[2]邓享，阚江明，李文彬.背负式林果采摘机的人机工程学评价[J].北京林业大学学报，2017(6)：131-136.
[3]何海龙.便携式枣果采摘机的研制[D].北京：中国林业科学研究院，2017.
[4]刘梦飞.核桃采摘机的设计与试验[D].西安：陕西科技大学，2015.
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