卓有成 程清偉 張梓謙 莫永康 謝東燊 林曉鵬

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 廣東廣州 510800）

1 研究背景及意義

2019 年，海南椰子種植面積500 萬畝，年產(chǎn)約12 億個(gè)椰果。目前海南椰子種植業(yè)的主要問題是椰果采收是以手工方式為主。年產(chǎn)12 億個(gè)椰果，大部分均靠人工采摘，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

學(xué)術(shù)研究方面，印度Akshay Prasad Dubey 設(shè)計(jì)了一款椰子樹攀爬收獲機(jī)器人[1]，該機(jī)器人由上下兩個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)組成，交替抱樹實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上下攀升；印度尼西亞Politeknik Elektronika Negeri Surabaya（PENS）大學(xué)，研發(fā)了一種椰子收獲爬樹機(jī)[2]，該機(jī)器人有一個(gè)采用三輪連接的自動(dòng)緊固機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)不同直徑的樹木，安裝有彈簧彈簧，使機(jī)器人可以更好的纏在樹干上，同時(shí)使用切割刀成束切割采摘，如圖1 所示。

圖1 爬樹機(jī)

但是以上的采摘機(jī)器存在機(jī)器過大或者無法夾緊樹干導(dǎo)致滑落，因此結(jié)合市場(chǎng)需求，本論文設(shè)計(jì)一款小型椰果采摘機(jī)替代人工勞動(dòng)具有重要意義。

2 椰果采摘機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能環(huán)抱式采摘機(jī)主要由兩部分組成，一是智能爬行系統(tǒng)，二是智能椰果采摘系統(tǒng)。該機(jī)通過單作用氣缸的彈簧反力實(shí)現(xiàn)輪胎對(duì)樹干的夾緊，通過電機(jī)配合減速器驅(qū)動(dòng)輪胎提供足夠的爬行動(dòng)力，通過爬行系統(tǒng)上搭載的小型三軸機(jī)械臂對(duì)椰果進(jìn)行切割采摘。

智能環(huán)抱式椰果采摘機(jī)的工作原理：首先將椰果采摘機(jī)左右兩半部分環(huán)抱樹干，并且插上定位銷，單作用氣缸在彈簧反力的作用下，使得外環(huán)向內(nèi)擠壓，輪胎在外環(huán)的帶動(dòng)下緊緊壓在樹干上。這樣便實(shí)現(xiàn)了椰果采摘機(jī)的定位安裝工作，椰果采摘機(jī)也在16 個(gè)單作用氣缸的彈簧反力作用下通過摩擦力而固定在樹干上。電機(jī)和輪胎之間通過NRV 減速器進(jìn)行減速傳動(dòng)，使用的減速器傳動(dòng)比i=40 的降速傳動(dòng)，蝸桿蝸輪傳動(dòng)比i=40＞30，所以減速器可以實(shí)現(xiàn)自鎖。因此在電機(jī)沒有給驅(qū)動(dòng)力的情況下，椰果采摘機(jī)會(huì)依靠摩擦力牢牢固定在樹干上。工作時(shí)通過遙控控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪胎到可采摘高度時(shí)停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，隨后通過遙控控制3 軸機(jī)械臂進(jìn)行椰果成束切割采摘，整個(gè)采摘過程需要人工遙控控制切割采摘。

智能環(huán)抱式椰果采摘機(jī)總體機(jī)構(gòu)分為爬樹模塊和采摘模塊。設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。

圖2 椰果采摘機(jī)結(jié)構(gòu)

3 椰果采摘機(jī)中心位置要求

整機(jī)重心的位置在此椰果采摘機(jī)中也非常重要，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能保證該機(jī)器的重心在椰樹樹干的軸線上或是與樹干表面盡可能的貼近，偏心是此類機(jī)器人最大的缺陷之一，當(dāng)產(chǎn)生偏心時(shí)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生離心力，且這種離心力因速度的提升和偏心的增大而增大。此類機(jī)器偏心會(huì)造成整個(gè)樹木造成一定程度的損傷，因此本設(shè)計(jì)要盡量減小偏心距離。

在solidworks 軟件中給予相應(yīng)的零部件賦予相應(yīng)的材料后進(jìn)行重心測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖3 所示。在極限采摘狀態(tài)下，椰果采摘機(jī)的重心始終在樹干中軸線附近，貼近樹干表面的位置，因此設(shè)計(jì)符合重心位置要求。

圖3 椰果采摘機(jī)重心

4 智能環(huán)抱式椰果采摘機(jī)的WiFi 遙控系統(tǒng)搭建

隨著科技發(fā)展，使用WiFi 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ芤呀?jīng)十分完善，體積小，功耗低，因此十分適用于無線控制技術(shù)中。

利用手機(jī)或電腦等無線終端發(fā)送數(shù)據(jù)到WiFi 數(shù)據(jù)接收端，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)模塊內(nèi)存中，再經(jīng)由發(fā)送端發(fā)送到單片機(jī)等控制系統(tǒng)中作為各種命令指令，單片機(jī)解析這些指令后便可以執(zhí)行相應(yīng)的操作，以達(dá)到遙控目的。

單片機(jī)與外設(shè)通訊要經(jīng)過串口接收與發(fā)送數(shù)據(jù)，因此我們選擇的WiFi 模塊必須帶有串口轉(zhuǎn)接功能，綜合多種WiFi 模塊，我們選擇了USR-WIFI232-Bwifi 轉(zhuǎn)串口模塊，在滿足了基本要求的前提下，該模塊還支持IEEE802.11 的通訊模式，支持TCP/UDP/ARP/ICMP/HTTP/DNS/DHCP 等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持多客戶端連接，同時(shí)具有功耗低，穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 USR-WIFI232-Bwifi 轉(zhuǎn)串口模塊

圖5 無線WiFi 模塊部分設(shè)計(jì)程序

圖6 工作流程

5 智能環(huán)抱式椰果采摘機(jī)的應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)椰果采摘的前提是首先該機(jī)器需要爬升到一定高度在進(jìn)行相應(yīng)的采摘操作。因此，椰果采摘機(jī)首先是一個(gè)智能爬樹機(jī)器人，在應(yīng)用時(shí)能夠在一定負(fù)載下，以期望速度在椰樹樹干上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定爬升到一定高度。并且能針對(duì)同一椰樹樹干底部大，頂部小，不同椰樹樹干直徑有差別的情況，智能環(huán)抱椰果采摘機(jī)有一定自我調(diào)節(jié)適應(yīng)能力。

隨著我國沿海地區(qū)“百萬畝椰林”工程的建設(shè)，椰果的產(chǎn)量會(huì)逐年遞增。然而椰子采摘卻是困擾人民的一大問題，智能環(huán)抱式椰果采摘機(jī)能有效的解決椰果采摘問題。