Diseño de una maquina cosechadora de tunas alfajayucanCésar Izcóatl Jimenéz Delgado

Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP), Facultad de ingeniería, Av. Dr. Manuel Nava 8, CP 78290 San Luis Potosí, S.L.P – México

(i_z_coatl@hotmail.com)

Resumen

El presente trabajo muestra el diseño de una maquina cosechadora de tuna tipo alfajayucan esta tuna es producida en una gran parte del territorio nacional como lo es: El valle y el estado de México, Hidalgo, Tlaxcala, Guanajuato, San Luis Potosí y Zacatecas.

Este trabajo, muestra el diseño de una máquina para el corte de tuna, El diseño de esta máquina es derivado de una selección dentro de varias alternativas propuestas, basadas estas a su vez en las condiciones mínimas con las que debe obtenerse el fruto, así como de las condiciones físicas donde se encuentran estos frutos.Como resultado final se presenta una descripción general de la maquina diseñada para el propósito deseado.

Introducción

La tuna fruto del nopal a través del tiempo ha sido utilizado como alimento fresco, hoy en día es utilizado en una gran variedad de productos tales como: mermeladas, dulces, bebidas fermentadas, pigmentos, etc.… por lo tanto surge la necesidad de lograr cultivar este fruto en un gran volumen. La cosecha de tuna, es una operación que al pasar del tiempo sigue siendo realizada de la misma manera generalmente manual apoyada de herramientas rudimentarias , esta es realizada principalmente de dos maneras, la primera consiste en una vara la cual tiene sujeta en uno de sus extremos un cuchillo cuyo objetivo es el de cortar parte de la penca del nopal con la finalidad de tener un fácil acceso a el fruto, el segundo método consiste de una vara la cual cuenta con una canastilla en el extremo, con el cual se trata de alcanzar el fruto y con esto obtenerlo. De estas el primer método es poco utilizado debido al potencial destructivo de la planta, el segundo método es aplicado en una gran cantidad de huertas situadas en su mayoría en el estado de México obteniendo resultados buenos en cosechas de bajo volumen pero no cuando se busca cosechar en grandes cantidades.

Debido a esto es que se busca la implementación de maquinaria que facilite la obtención de este fruto.

Antecedentes

Prácticas de cosecha

Las prácticas de cosecha no deberán causar muchos daños físicos al producto. Un cuidado extremo al entresacar, sujetar, desprender y manipular el producto, ayudará notablemen- te a reducir las pérdidas.

En algunos cultivos existe una zona de desprendimiento natural entre el pedúnculo del fruto y el tallo o rama de la planta o árbol cuando el producto está maduro. El recolector deberá fijar la fruta firme pero suavemente y tirar hacia arriba como se muestra en la siguiente ilustración. Los recolectores deberán usar guantes de algodón, recortarse las uñas y no usar anillos o joyas para reducir los daños físicos al producto durante la cosecha. Desprender la fruta cuidadosamente para evitar daños

.Recipientes de cosecha

Se pueden encontrar cestas, bolsas y cubetas de cosecha de diferentes tamaños y formas. Estos recipientes pueden hacerse tejiendo las bolsas de tal manera que se dejen ambos extremos abiertos para luego colocar lonas como fondo de las cestas ya preparadas, o bien colocarles bolsas con arneses ajustables o simplemente adaptar unas correas a los pequeños cestos. Las ilustraciones siguientes muestran algunos ejemplos.

Herramientas para la cosecha

Algunas frutas tienen que desprenderse con tijera o navaja de las plantas o árboles. Las navajas y tijeras que se vayan a utilizar deberán estar bien afiladas. Durante el corte, el pedúnculo o el tallo deberán dejarse tan pequeños como sea posible para evitar daños por punción a los frutos adyacentes durante el transporte.

Las tijeras de podar se usan frecuentemente para la cosecha de frutas, algunas hortalizas y flores. Existe una gran variedad de estilos como los modelos que se sujetan con la mano o los que se colocan en una vara, incluyendo aquéllos que cortan y retienen el tallo del producto cortado. Este último diseño permite al cosechador trabajar sin la bolsa colectora que se instala en un extremo de la vara sin peligro de dejar caer el producto.

Tijera de hojas rectas para frutos y flores

Tijera de hojas curvas para uvas y frutas

Tijera manual para corte

Tijerilla para cítricos

Tijera para corte montada en vara

Cuando es difícil alcanzar la fruta se usa una herramienta de corte instalada en una vara (palo o garrocha) lo suficientemente larga para alcanzar el fruto, como en el caso de mangos o aguacates. Los lados cortantes deben mantenerse afilados y la bolsa colectora que se coloca en un extremo de la vara deberá ser relativamente pequeña. El ángulo del filo cortante y la forma de la bolsa colectora pueden afectar la calidad de la fruta cosechada, por lo que es importante revisar cuidadosamente su funcionamiento antes de usarlos.

Uso de varas (palos o garrochas)

Las varas y sus bolsas colectores pueden ser hechas a mano 0 comprarse en las compartías suministradoras de instrumentos para horticultura. Las bolsas colectores que a continuación se ilustran se tejen a mano con un cordel fuerte o se confeccionan con tela de lona. El aro usado como borde de la bolsa así como la muesca cortante pueden hacerse a partir de una hoja de lámina, tubo de acero o piezas de metal reciclado. (www.fao.org)

Agustín E. M. (1991) menciona que para cosechar tuna se tienen las siguientes alterna-tivas:

Alternativa 1

Es un sistema semejante a la herramienta de corte por torsión. Consta de las quijadas 1 y 2 que se abren o cierran, según la tuerca 3 desciende o asciende. El movimiento de la tuerca se consigue al girar el tornillo 4 a través de la polea 5 y por medio de un cable. El corte de la penca se realiza por las cuchillas 7 y 6, fijas a las quijadas. A medida que se mueven, la tuna queda encerrada por los flejes 9 y 8. La tuna se libera al retornar el sistema a su posición abierta.

Alternativa 2

Tiene el mismo principio de corte: cizallamiento entre dos cuchillas. El corte se verifica por el movimiento del elemento 1, en cuyo extremo se encuentra la cuchilla 2. Esta se apoya en la cuchilla 3, fija al elemento 4 (también fijo). Cuando el elemento 1 cierra, la tuna queda retenida por los flejes 5 y 6. Al mismo tiempo, el resorte 7 se va comprimiendo. La tuna se libera al retirar la fuerza F del elemento 1.

Alternativa 3

Consiste del elemento móvil 1 accionado por el cable 2 y retornado a su posición original (abierta) por el resorte 3. El elemento 4, posee un elemento sensor 5; este posiciona el cuello de la tuna y controla la profundidad de corte, sirviendo además como apoyo, para facilitar la penetración de la cuchilla 6. La tuna se libera del fleje 7, cuando la quijada móvil retorna a su posición original.

De acuerdo a las alternativas antes planteadas Agustín E. M. (1991) considero la número 3 como la más adecuada basado en los siguientes criterios de evaluación: mínima

complejidad en operación y funcionamiento, peso reducido, formas simples para fabricación de elementos, movilidad, funcionalidad y confiabilidad. (Agustín E. M. 1991)

De igual manera otros autores han estado trabajando en el estudio de mecanismos para cosecha de tuna tanto selectiva como no selectiva. Dando como resultado una serie de soluciones preliminares a este problema, siendo algunas de estas las siguientes:

El principio de funcionamiento del dispositivo mostrado en la figura 1 es el que a continuación se enuncia: la tuna a ser cortada debe colocarse en el espacio C entre el cincho plástico D y los rodillos E, mientras el vástago de madera M es sujetado por una de las manos, una vez la fruta en la posición deseada, se tira la manija A produciendo una reducción en el espacio C hasta aprisionar la tuna, posteriormente como el espacio ya no puede ser disminuido debido a la presencia de la fruta , comienza a comprimirse el resorte B y a avanzar el cincho, si la tuna no se moviera de lugar, la acción conjunta del cincho y los rodillos producirían una torsión que supuestamente debe cortar la fruta. Posteriormente debido a la acción del resorte el sistema regresa a su posición original agrandándose el espacio C (dejando libre la manija A) y por lo tanto liberando la tuna. (Arturo L. L. 1986)

Figura 1

En la figura 2 se presenta otro dispositivo de corte que se basa también como el anterior en el principio de torsión, el funcionamiento trata de asemejar el corte con la mano esto es, tomar, aprisionar y luego torcer la tuna, lo que se realiza por la combinación de dos movimientos, avance y giro. El mecanismo es accionado tirando de la armella con una fuerza de tensión F produciendo que la barra con cuerda de avance rápido E, se desplace hacia la izquierda a la vez que gira por efecto de las piezas fijas roscadas C, mientras esto ocurre los flejes B unidos a la barra E son deformados por el tubo D cerrándose el espacio entre ellos donde se supone se coloca la tuna al mismo tiempo que giran. Así la tuna es simultáneamente tomada, aprisionada y torcida, todo esto producido únicamente por una fuerza de tensión F. Los flejes B también actúan como un resorte que almacena energía de deformación, para explicar lo anterior consideremos como posición de equilibrio cuando

los flejes están totalmente abiertos, al tirar con la fuerza F avanza el tornillo a la izquierda y los flejes se deforman por efecto del extremo del tubo almacenándose energía, si desapareciera la fuerza F los flejes tenderían a volver a su posición de equilibrio liberando la energía almacenada, provocando un desplazamiento del tornillo E hacia la derecha hasta abrirse totalmente los flejes, y con esto liberando la fruta luego de ser cortada. (Arturo L. L. 1986)

Figura 2

En la figura 3 se muestra otro dispositivo de corte basado en el principio de torsión, su funcionamiento es como sigue: accionando la polea E se hace girar el vástago roscado G, si la fricción en el coplea A es suficiente para que los flejes B unidos al disco no giren, la tuerca F se desplaza. Supongamos que la polea se giro de tal manera que la tuerca se mueve hacia la izquierda, produciendo que los flejes se cierren aprisionando la tuna, si continuamos girando la polea y por consiguiente el vástago, entonces los flejes no pueden cerrarse más debido a la presencia de la fruta, haciendo que la tuerca ya no avance, por consiguiente el movimiento se trasmite al cople A venciéndose la fricción, la que se puede ajustar con el resorte C y la tuerca D, así giran los flejes alrededor de su eje longitudinal provocando una torsión a la tuna y cortándola. Este mecanismo realiza los pasos del corte de manera muy semejante al corte manual esto es, toma la tuna, la presiona hasta cierto punto dependiendo de la fricción en el cople la que puede ser ajustada con la tensión en el resorte, y posteriormente le aplica el par requerido para cortarla.

Figura 3La figura 4 muestra un dispositivo de corte que aplica el principio de ahorcamiento, su funcionamiento es muy sencillo, pues soló basta tirar del cable A. Como tal principio se probó dando buenos resultados y debido a que el dispositivo en la siguiente lo aplica directamente, re procedió a realizar un mayor desarrollo, haciendo necesario adicionarle

una cesta o algo parecido para impedir que la tuna caiga entre las pencas luego de ser cortada, además de que el aparato sea cómodo y de fácil accionamiento. (Arturo L. L. 1986)

Figura 4

De investigaciones previas tendientes a conocer los dispositivos que actualmente son usados para cosechar tunas que no están al alcance de la mano humana, se encontraron dos herramientas con la característica de que ambos aplican la flexión para producir el corte de la fruta, figuras 5a y 5b, los cuales fueron encontrados en el municipio de San Martin de las Pirámides Edo. De México. Como se observo en los primeros experimentos, la flexión causa gran daño a la tuna comprobándose nuevamente lo anterior al cosechar con tales dispositivos, no obstante se les usa porque causan un mínimo de daño cuando la tuna está muy madura, en cambio no es adecuado el corte que producen en fruta que se destina para el consumo fuera de la región pues esta debe de cosecharse cuando está un poco verde para que se madure durante el traslado y el tiempo que pueda requerir su venta, por lo que debe cortarse sin daño alguno para que pueda conservarse en buen estado, lo que no ocurriría si se utilizaran las herramientas que aplican la flexión para el corte. (Arturo L. L. 1986)

Figura 5

Formas de cosecha aplicada a diferentes tipos de frutos y que pudieran ser aplicadas a la cosecha de la tuna son las siguientes:

Cosecha por vibraciones Cosecha Neumática

Siendo ejemplo de la cosecha por vibraciones las siguientes:

Cosecha del café con vibrador portátil

Las vibraciones aplicadas al tallo o al follaje se utilizan exitosamente para la cosecha de diferentes frutos, incluido el café. Para la cosecha de aceitunas y cerezas, entre otros, se emplean maquinas de gran tamaño y peso que permiten transportar y accionar vibradores inerciales que, en pocos segundos (menos de 5 segundos), desprenden más del 90 % de los frutos presentes en el árbol logrando un incremento en la eficiencia de la mano de obra y una importante reducción del costo unitario ($/kg) de la recolección de estos productos. También se utilizan en muchos cultivos equipos portátiles para vibrar directamente las ramas de los árboles. El peso de estos equipos puede variar entre 8 y 20 kg y se operan manualmente con motores a gasolina o con aire comprimido con potencias menores a 2,2 Kw, permitiendo incrementar el rendimiento operativo de la recolección hasta 5 veces, no obstante que el fruto desprendido requiere ser recogido del suelo generalmente con mallas o lonas.

En investigaciones realizadas en CENICAFE mediante la aplicación de vibraciones al tallo se ha encontrado que esta tecnología es promisoria para la cosecha mecanizada del café, dado que este arbusto en Colombia presenta una altura máxima media de 2,6 m, que permite vibrarlo con un equipo de poca potencia. Además el tiempo empleado en la vibración para desprender los frutos maduros es muy inferior al utilizado en la cosecha manual tradicional (menos del 5 %) lo cual implica que se puede incrementar notoriamente el rendimiento de la mano de obra (más de 20 veces). La calidad del café recolectado, medida como porcentaje de frutos inmaduros en la masa cosechada, es cercana al valor real observado en cosecha manual tradicional, incluyendo los frutos verdes que el recolector retira del café cosechado y arroja al suelo. Todo lo anterior ha justificado trabajar en tecnología de relativo bajo costo, apta para pendientes de terreno

de hasta 50 % y en plantaciones de alta densidad, que en la caficultura colombiana corresponden a más de 200.000 hectáreas.

Con la aplicación de vibraciones al tallo o a las ramas se generan fuerzas inerciales que someten al pedúnculo y a las uniones fruto-pedúnculo o pedúnculo-rama a ciclos de esfuerzos, principalmente de flexión, los cuales pueden ocasionar su ruptura y finalmente permitir el desprendimiento en pocos segundos de los frutos en forma individual o en conjunto.

En Colombia han sido realizadas varias investigaciones aplicando vibraciones circulares y multidireccionales al tallo del café con diferentes alturas de sujeción, con distintos tipos de tallos, y diferentes edades y variedades de café. En estos trabajos se estudiaron parámetros de operación como la frecuencia, la amplitud y el tiempo de la vibración, para encontrar las mejores condiciones de trabajo de los vibradores. Con estos estudios se han podido obtener en los equipos utilizados altos rendimientos de recolección, con buena calidad del café desprendido y con mínimo daño ocasionado a las estructuras del árbol.

En otros trabajos también se ha medido con alta precisión las aceleraciones en el punto de acople del vibrador con el tallo, para determinar la frecuencia y la amplitud de la vibración en el árbol, para estudiar como son transmitidas las vibraciones desde el equipo hacia las ramas y los frutos del café, y para encontrar el mejor punto de sujeción del equipo al tallo.

Los esfuerzos mecánicos que se generan en la corteza del tallo cuando un equipo cosechador vibra a determinada frecuencia y amplitud, también han sido estudiados con el propósito de reducir los daños que se inducen en los árboles de café recolectados por vibración. Los autores de esta investigación encontraron que el esfuerzo radial admisible de la corteza del café alcanza un valor límite de 2 MPa (300 PSI), por encima del cual se producen daños severos en esta estructura del árbol. (Oliveros, Benítez, Álvarez, Ramírez, Sanz. 2005 )

Recolección de aceituna: presente y futuro

Maquinaria usada en la actualidad

Los intentos de mecanizar la recogida de aceituna han sido y siguen siendo numerosísimos, pero las características culturales de la olivicultura española, con árboles de varios troncos, de uno solo, afrailados, en montaña, en llanura, grandes, pequeños..., ha impedido hasta el momento la consecución de una cosechadora integral de aceituna.

En el momento actual solo se ofrecen comercialmente a los agricultores maquinas que realizan de forma satisfactoria el derribo y la limpieza del fruto, no habiendo sido desarrolladas, más que a nivel de prototipo o de pruebas de adaptación al olivar, maquinas para la recogida de la aceituna del suelo y la recepción del fruto derribado.Evidentemente, al ser la operación de derribo la que más tiempo exige, es en la que se han volcado investigadores y constructores de todos los países interesados en el olivar.De todos los métodos ensayados puede afirmarse que la vibración mecánica se ha convertido en la forma más desarrollada de derribo de aceituna de los arboles. Gracias a ella se ha conseguido pasar de una cruda operación manual a un proceso altamente tecnificado. En la actualidad, y en los países más avanzados, son muchos los agricultores que utilizan este moderno sistema de recolección de fruta. Pero a pesar de la experiencia que existe de su uso, todavía hay agricultores y técnicos que dudan e incluso niegan sus posibilidades. Esto no es solo injustificado, sino que además es ingrato y desafortunado, ya que hasta llegar a los actuales vibradores de troncos y ramas de tipo multidireccional ha habido una evolución técnica basada en estudios y experimentos realizados durante casi medio siglo. En un primer avance se trato de mejorar los sistemas de recolección ma-nual.

Así, por ejemplo, se utilizaron en algunos frutales mazos con una longitud aproximada de un metro y provistos de un cojín de goma dura para el contacto con las ramas produciendo su impacto una vibración de alta frecuencia y baja amplitud que hacia caer el fruto. También se recogió fruta utilizando una vara provista en su extremo libre de un garfio con el que se enganchan y sacuden las ramas induciendo un movimiento de gran amplitud y baja frecuencia. Lógicamente el tamaño de las ramas que puedan ser sacudidas con mazos o varas con garfios es pequeño y constituye un factor altamente limitante de

estos sistemas de derribo. Ambos métodos son laboriosos, fatigantes y de baja ergonomía, pero han sido la base de la posterior mecanización.Los primeros pasos para mecanizar el derribo de fruto trataron de desarrollar ingenios mecánicos que simulaban la vibración producida por mazos y varas con garfios.Uno de los pioneros en la mecanización del derribo fue el ingeniero J. P. Fairbank de la Universidad de California, en Davis, quien ya en el año 1946, para recoger nueces, equipo un tractor con una excéntrica, la cual accionaba un cable. Este cable, por su extremo libre, tenía un garfio que se agarraba a las ramas de los arboles. El conductor del tractor lo desplazaba hasta tensar el cable y activando la excéntrica conseguía un movimiento de gran amplitud y con frecuencia máxima la natural de vibración del árbol, que provocaba la caída del fruto.

Se desarrollo otro tipo de vibradores, conocidos como vibradores de impacto, que fueron un sustituto mecánico del mazo. Su principio consistió en lanzar una maza a gran velocidad que chocaba produciendo un impacto. Se aplicaba al árbol mediante un cojín apoyado en la rama o tronco a sacudir. Estos modelos de vibrador, cuya eficacia y eficiencia son muy elevadas en ciertas especies como nogales, almendros, ciruelos ... , no ofrecen un porcentaje de derribo suficientemente elevado en arboles que, como el olivo, tienen un fruto pequeño y con un pedunculo resistente.Más tarde, para mejorar las características de la vibración producida, algunos constructores desarrollaron maquinas que sustituían el cable por un brazo rígido, en cuyo extremo se colocaba una pinza de agarre del árbol, provista de un sistema hidráulico de apertura y cierre, con la cual una tension-comprension sostenida podía ser aplicada a las ramas con una frecuencia variable a voluntad. Con ello, se eliminaba la necesidad de un hombre en el árbol, En la década de los 50 se ofrecía una selección de equipos de derribo con los que la mayoría de las nueces, almendras y ciruelas de California eran recogidas mecánicamente.

Pero a pesar de tener el nuevo sistema la ventaja de eliminar un operario y de provocar un movimiento regulable en frecuencia y amplitud, su aceptación por los agricultores estaba limitada por su adaptabilidad a algunas plantaciones, por las condiciones del terreno y porque el vehículo soporte recibía la reacción de la acción generada sobre el árbol.

Para evitar estos problemas se hizo necesaria la conjunción agronomía-mecanización y sustituir los principios, hasta aquel momento desarrollados, por nuevos conceptos. Fue preciso desarrollar los denominados vibradores de inercia, así como plantaciones adap-tadas a las necesidades de la mecanización. El primer vibrador de inercia fue proyectado por ADRIAN y FRIDLEY en la década de los 60 y usaba un mecanismo biela manivela que accionaba un brazo deslizante, el cual, mediante una pinza, se fijaba al árbol y originaba la necesaria vibración para derribar el fruto.

Al poco tiempo, y gracias a la conjunción agronomia-mecanizacion, los vibradores de inercia fueron adaptados para vibrar el tronco de los árboles y reducir con ello el numero de agarres requeridos y así simplificar las operaciones de recogida, ya que, lógicamente, es siempre preferible utilizar vibradores de troncos a los de ramas, para tener una mayor eficiencia de trabajo de las maquinas. Pero este notable avance no significo alcanzar el máximo desarrollo de estas maquinas, pues se observo que vibrando en varias direcciones se incrementaba notablemente el porcentaje de fruto derribado.Fue el ingeniero californiano BRANDT quien, en 1965, patento un modelo que más tarde se desarrollo comercialmente y que significo un avance tan notable que su principio constituye la base del funcionamiento de los vibradores del mercado actual.

El modelo comercial desarrollado por BRANDT tenía dos masas excéntricas que giraban alrededor de un eje común, una encima de la otra. El giro de ambas masas se realiza en sentido contrario y con velocidades angulares diferentes aunque próximas. De esta forma, al superponerse y oponerse generan una fuerza variable en modulo, dirección y sentido que origina la vibración multidireccional deseada.Hoy son numerosas las empresas que comercializan maquinas con este principio de funcionamiento, coma por ejemplo: Omi, Agruiz, Halcon, Inmeco, Estupiña y Sadrin en España; Omi, Cecma, Longuinotti en Italia; Omc, Fmc, Halsey, Kilby en California, etc.

En esencia, todas las maquinas vibradoras multidireccionales constan de dos partes diferenciadas: mecánica e hidráulica.La parte mecánica comprende los siguientes mecanismos: vehículo de transporte, sistema de anclaje al vehículo, y cabeza vibradora con: carcasa, sistema de transmisión de potencia, pinza con mecanismos de apertura y cierre, y los siguientes mecanismos de fijación al árbol: volteo, inclinación y elevación y descenso. (Porras, Humanes, Zurita. 1989)

Hoy en día la aplicación de la electrónica en conjunto con la mecánica facilita el diseño de maquinaria más eficiente gracias al gran avance de equipos electrónicos de alta eficiencia y bajo costo un ejemplo de la gran cantidad de aplicaciones y ventajas de la unión de estas dos ciencias es el siguiente:

La electrónica aplicada a la mecanización agraria

El empleo de dispositivos electrónicos en las labores agrícolas puede aportar las ventajas siguientes:

Producción: mejora de la productividad, aumento de los rendimientos, mejor utilización de los recursos, reducción de costes y de perdidas y mejora de la fiabilidad.

Mano de obra: reducción del esfuerzo físico, supresión de trabajos monótonos y repetitivos y a minoración de las sujeciones horarias.

Gestión: adquisición y tratamiento de datos, gestión de producción e información para la toma de decisiones.

Seguridad: mejora de la seguridad del hombre, de los animales y de las maquinas y reducción de la contaminación.

Actualmente, las aplicaciones de la electrónica y de la informática en la agricultura se derivan hacia las funciones de automatización y robotización, que pueden considerarse las etapas siguientes a la motorización o mecanización agraria:

Automatización: en este sentido se trata de facilitar la utilización de las maquinas y equipos, consiguiendo un mejor control y aumentando su capacidad de trabajo.

Robotización: con el objetivo principal de disminuir no solamente la dificultad del trabajo, sino también las necesidades de mano de obra.

Figura 6. Cosechadora robótica de naranjas.

Los procesos mecánicos tradicionales de laboreo del suelo, siembra, plantación y tratamientos fitosanitarios, están muy desarrollados y no parece que vayan a evolucionar de una forma considerable en el futuro. Por el contrario, se está trabajando con gran intensidad en el desarrollo de sensores que permitan un cambio en estos sistemas mecaniza dos hacia una automatización. Así, se están desarrollando sistemas informatizados para el control de maquinas agrícolas (distribución de concentrados en explotaciones ganaderas, gestión y programación de redes de riego, control de funcionamiento de aperos, desde el tractor, ordenadores de control en tractores, etc.). El paso siguiente, coma puede ser la aplicación de la robótica, aunque ya empieza a estar presente en algunos sectores (Laboreo, cultivos en invernadero, riego, aclareo forestal, re colección de frutos, ordeno, etc.), sigue evolucionando con investigaciones y programas de desarrollo mu)" activos. Estos programas se encuentran en esta dos experimentales en la mayoría de los casos y los primeros resultados apuntan a que pueden llegar a imponerse .en un futuro próximo, especialmente en aquellos sectores que tienen más eleva das necesidades de mane de obra. (Juste 1989)Estas técnicas de automatización o robotización han llegado a las fábricas, a los hogares, a las comunicaciones, etc., y tienen que llegar a las explotaciones agrícolas. Son muchos los técnicos y científicos que pensamos que la agricultura, con todo su entorno socio económico, va a sufrir una gran transformación en los próximos años.En este contexto, para que la agricultura europea sea competitiva, se prevé la desaparición de la mitad del número de explotaciones hasta finales de siglo y una reducción importante del personal asalariado en el mundo agrícola. Todos estos facto res hacen que la automatizacion y la robotización en la agricultura empiece a verse coma una necesidad absoluta y urgente, especial mente para los procesos de investigación y desarrollo.

Figura 7. Prototipo de cosechadora robótica de manzanas

Recolección de frutas y hortalizas

Dentro de este campo se están produciendo grandes innovaciones gracias a la electrónica e informática, permitiendo pensar en la posibilidad de una recolección individualizada de estos frutos. Con esa finalidad, se están realizando en todo el mundo numerosos

proyectos de cara a una recolección robotizada de frutas y hortalizas. Según un trabajo realizado en 1983 por J. PEJSA y E. URROCK, de la compañía Hopewell en Estados Unidos, se estudia con los cultivos más importantes y se llego a la conclusión de que los cultivos que tienen las mejores condiciones para ser recolectados mediante técnicas robotizadas eran: tabaco, frutas, fresas, uva, lechuga y espárragos.En general, la idea de un robot recogedor es la de imitar el proceso humano (visión, decisión, recogida y almacenamiento) de una forma rápida, fiable y sin producir daño a la fruta.Sistema de visión. Está compuesto por una o varias cámaras CCD trabajando sobre la misma escena. Este tipo de tecnología está muy avanzado en lo relativo a una visualización en el piano (x,y). Los problemas fundamentales son la identificación del fruto del resto del en tomo y la profundidad o coordenada (z). El desarrollo de algoritmos para la identificación y localización del fruto en el árbol representa el mayor problema con el que nos encontramos a la hora de reconocer un fruto. Primero, por las condiciones ambientales cambiantes, ya que se trabaja al exterior y, segundo, porque los frutos pueden estar ligera o casi totalmente cubiertos por hojas.En el caso de la recolección de naranjas, que es uno de los proyectos en los que actualmente estamos participando, la detección y selección se hace todavía más difícil, debido a la forma y estructura del árbol.Brazo articulado. La segunda parte del proceso, una vez que el ordenador ha detectado y seleccionado un fruto, consiste en enviar una señal de mando a un brazo robotizado para que se dirija al fruto. En la actualidad, existen industrialmente numerosos tipos de brazos robotizados pero ninguno de ellos es aplicable en agricultura, principalmente porque es necesario que sean robustos y baratos. En este sentido, algunas industrias españolas de maquinaria agrícola están trabajando en colaboración con Universidades y Centros de Investigación y con empresas del resto de Europa para desarrollar esta tecnología de brazos robotizados aplicados al sector agrario.Mecanismo de aprehensión. Finalmente debe recogerse el fruto de una forma rápida, sin producir daños y en las condiciones adecuadas para ser comercializado.Todos estos procesos constituyen la parte fundamental del robot, que además debe almacenar la fruta y moverse por el campo de una forma automática o semiautomática. La figura siguiente muestra de una forma esquemática la concepción de un robot recogedor de naranjas.

Existe todavía un largo camino por recorrer en el desarrollo de este tipo de maquinas, pero los primeros trabajos han empezado a dar resultados y ya existe en Francia un robot recolector de manzanas que puede llegar a ser comercial en pocos años (fig. I). Asimismo, en España estamos trabajando en colaboración con Francia, en el proyecto CITRUS-ROBOT, desarrollo de un robot recolector de cítricos. Proyectos similares se están iniciando en Estados Unidos, Japón, Israel e Italia, por lo que el tiempo de desarrollo de estas maquinas puede ser mucho más corto del previsto.

Trabajos análogos a la recolección de frutos se están realizando en espárragos, donde también existe un primer robot experimental basado en la detección y recolección individualizada del esparrago de forma similar a la recolección efectuada por el hombre. (Juste 1989)

Materiales y métodos

Para realizar este diseño fue necesaria la recopilación de datos que proporcionen los conocimientos necesarios para realizar la cosecha de la tuna de una forma adecuada así como los parámetros necesarios con los que debe de cumplir el fruto al momento de su cosecha. Algunos de estos datos es el análisis estadístico sobre las dimensiones de las tunas y las fuerzas requeridas para desprenderlas de la penca.

De igual manera se estudiaron los diferentes dispositivos que se han estado desarrollando para la cosecha de tuna, así como diferentes maneras de cosecha de algunos frutos distintos a la tuna, los cuales podrían aportar ideas para enriquecer este proyecto.

Como resultado de estos estudios se obtuvieron una serie de alternativas propuestas para la solución de este problema siendo estas mencionadas a continuación.

Alternativa 1

Esta alternativa consta de una extensión para alcanzar el fruto, un mecanismo accionado por un gatillo situado en mango de la extensión el cual mueve una cuchilla la cual realiza la función de cortar de la parte inferior de la tuna esto es solo un poco por arriba de la penca permaneciendo en esta posición mientras se tiene presionado el gatillo así junto con una cesta puesta en la parte superior de la extensión se asegura que el fruto permanezca aquí el tiempo deseado, al momento de soltar el gatillo un resorte forza a la cuchilla a regresar a su posición original dando libre acceso a el fruto.

Alternativa 2

Esta alternativa consta de una extensión para alcanzar el fruto, un mecanismo de sujeción de fruto accionado de igual manera por el gatillo situado en el mango de la extensión, este mecanismo realiza la cosecha por medio de torsión, esta torsión es transmitida al fruto

por medio de una polea que a su vez la transmite la torsión a el mecanismo de sujeción por medio de un tornillo. El mecanismo de sujeción consta de dos mandíbulas una fija y la otra móvil, accionada por el gatillo, esta ultima permite el acceso del fruto mientras se tiene accionado el gatillo cuando este se suelta esta regresa a su posición original deteniendo a el fruto, es en este momento cuando se le transmite un torque al fruto hasta desprenderlo.

Alternativa 3

Al igual que las anteriores esta alternativa consta de una extensión y es activada por medio de un gatillo, a diferencia de las anteriores esta realiza el corte por medio de un alambre fino situado al final de la extensión, el funcionamiento de este es el siguiente: el fruto seleccionado se hace pasar por en medio de la circunferencia formada por el alambre en este momento se acciona el mecanismo de sujeción, cuando el fruto está sujeto se retrae el alambre propiciando el corte en la base de la tuna.

Alternativa 4

En esta alternativa el corte se realiza produciendo una torsión directamente a la base, el funcionamiento es el siguiente: el fruto se hace pasar por la cuerda de sujeción, cuando el fruto está colocado en esta posición se activa la cuerda sujetando esta el fruto por su base en este momento es accionado el pistón produciendo un torque de esta manera desprendiendo el fruto, permaneciendo este sujeto hasta que es soltado el gatillo.

Alternativa 5

En esta alternativa se realiza el corte por medio de movimientos lineales hacia adelante y atrás así sucesivamente hasta realizar el corte. El funcionamiento del mecanismo es el siguiente: Las mandíbulas son las que sujetan el fruto, cuando el fruto está bien sujeto dentro de la caja 1 se activa el mecanismo de biela manivela produciendo este una serie de movimientos lineales dejando de realizarlos al momento de que el fruto es desprendido.

Alternativa 6

A diferencia de las alternativas anteriores en esta el proceso de cosecha no se realiza directamente sobre la tuna si no sobre la penca. El funcionamiento es el siguiente: el mecanismo de sujeción atrapa a toda la penca por su costado por medio de un pistón, cuando este proceso está listo, el mecanismo en la caja 1 que consta de un motor conectado a una flecha que lleva una masa excéntrica, el motor gira a una velocidad alta produciendo esto una vibración de alta frecuencia pero de baja amplitud, dando como resultado la cosecha de las tunas en esa penca.

Alternativa 7

Este dispositivo a diferencia del anterior realiza la cosecha por medio de un mecanismo de biela manivela, este dispositivo toma la penca pero esta vez por su parte frontal cuando esta se encuentra bien sujeta el mecanismo de biela manivela empieza a producir movimientos lineales de baja frecuencia pero alta amplitud.

Alternativa 8

En esta alternativa el desprendimiento del fruto se realiza por medio de un pistón que se encuentra en la caja 1 este a su vez va sujeto a una membrana que funciona mediante el uso de vacío, cuando esta membrana tiene sujeto el fruto el pistón lo desprende con un movimiento vertical.

Alternativa 9

Este mecanismo funciona por medio de una transmisión la cual es la que produce una torsión al fruto, el funcionamiento es el siguiente: el primer paso es la sujeción de la tuna por medio de una membrana que funciona mediante vacio una vez sujeto el fruto se activa el mecanismo por medio de un motor de pasos produciendo así una torsión bien definida y suficiente para desprender el fruto.

De acuerdo al problema planteado y las alternativas generadas se procede a seleccionar la más adecuada en función de ciertos parámetros tales como funcionalidad, simplicidad, costos, confiabilidad y nivel de producción.

Tabla de ventajas y desventajas

No. De Alternativa Ventajas DesventajasAlternativa No. 1 Sencillo

funcionamiento, alta confiabilidad, cosecha selectiva

Bajo nivel de cosecha, posible daño del fruto por la cuchilla

Alternativa No. 2 Cosecha parecida a la realizada

manualmente, cosecha selectiva

Bajo nivel de cosecha,

Alternativa No. 3 Sencillo funcionamiento,

costo de repuestos, cosecha

selectiva

Dificultad para colocar el

dispositivo, Bajo nivel de cosecha

Alternativa No. 4 Desprendimiento del fruto de raíz, cosecha selectiva

posible daño del fruto por el

pistón, Bajo nivel de cosecha,

Dificultad para colocar el dispositivo

Alternativa No. 5 Desprendimiento del fruto de raíz,

cosecha selectiva, alta confiabilidad

Bajo nivel de cosecha, Alto

peso

Alternativa No. 6 Alto nivel de cosecha, alta confiabilidad

Cosecha no selectiva,

Posible daño al fruto

Alternativa No. 7 Alto nivel de cosecha, alta confiabilidad

Cosecha no selectiva,

Posible daño a la penca y al fruto

Alternativa No. 8 Cosecha sin daños al fruto

Bajo nivel de cosecha, baja confiabilidad,

costoAlternativa No.9 Cosecha sin daños

al frutoBajo nivel de cosecha, baja confiabilidad,

costo

De acuerdo a los parámetros anteriores y a las ventajas que presenta se concluyo que la alternativa número 6 es la más factible para la solución del problema propuesto, debido que lo que se busca primordialmente es un alto nivel de cosecha siendo esta una de las que tiene esta ventaja sin causar los daños que el otro dispositivo podría causar a la penca.

Alternativa No. 6

1 Gatillo para accionamiento del mecanismo.2 Extensión para alcanzar el fruto.3 Amortiguador para evitar molestias al operador.4 Caja donde se encuentra el mecanismo de masa excéntrica.5 Tenazas que realiza la sujeción de la penca del nopal.6 Pistón que mueve las tenazas para la sujeción.

Diseño mejorado

Figura 8. Vista isométrica de la maquina diseñada.

Figura 9. Despiece general de la maquina diseñada.

El funcionamiento de esta máquina está basado en un motor de combustión interna de 1.05 kw o 1.4 CV ya que este es el que proporciona potencia a los demás componentes de la maquina. Lleva un compresor accionado por el motor antes mencionado el cual recibe la potencia a través de una transmisión de bandas y poleas, el compresor soporta una presión máxima de 250 Psi y proporciona una presión continua de 45 psi a el pistón que acciona las tenazas o pinzas que sujetan la penca del nopal, el movimiento a realizar para desprender los frutos se lleva a cabo partir de una transmisión la cual reduce la velocidad del motor de 3500 rpm a 1500 rpm ya con esta velocidad, la potencia es transmitida por dos flechas las cuales a su vez hacen girar una masa excéntrica la cual produce una serie de vibraciones a alta frecuencia durante un periodo de tiempo con esto logrando el desprendimiento del fruto. Esta serie de xxxxx se inicia cuando es presionado un interruptor principal situado en la agarradera de la maquina, mientras este se encuentra presionado el compresor proporcionara aire al pistón en un sentido el cual a su vez acciona las pinzas cerrándolas, en el momento en que es soltado el compresor pasa aire pero esta vez en sentido contrario durante un periodo de tiempo necesario solo para regresar las pinzas a su estado original liberando así a la penca. El tanque de combustible con el que cuenta es de aproximadamente 1.75 litros, este le proporciona independencia a la persona encargada de la cosecha ya que debido al bajo consumo del motor puede durar funcionando un tiempo considerable, toda esta máquina es trasladada en la espalda del operador permitiendo así un mayor tiempo de trabajo y comodidad para este. El peso aproximado de la maquina seria entre 7.5 y 8.5 kg.

Conclusión

Al realizar una evaluación comparativa de las herramientas de cosecha propuesta para la tuna, al igual de las de cosecha de otros frutos se obtuvo el diseño de varios dispositivos para la cosecha de tuna. Destacándose por una serie de características preestablecidas uno de estos, el cual daría como resultado una serie de mejoras para la cosecha de tunas alfajayucan, al propiciar una herramienta de gran funcionalidad y alto desempeño.

Bibliografía

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