吳 璞，薛 彪，吳卓雅，王旭峰，李重肖，吳婉婷

(太原工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，山西 太原 030008)

0 引言

蘋果作為一種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高且十分普遍的水果在我國(guó)有很大的需求量和種植量。然而全國(guó)很多地區(qū)在蘋果的采摘上依然主要靠人工，這種方式既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力[1-2]，且對(duì)于蘋果來(lái)說(shuō)，如果過(guò)了最佳采摘期，其品質(zhì)會(huì)有所下降。我國(guó)果園環(huán)境多位于碎石較多的山地，大型設(shè)備無(wú)法運(yùn)行，且成本較高，果農(nóng)難以負(fù)擔(dān)。

目前，國(guó)內(nèi)外的水果采摘方式主要有人工采摘、機(jī)械輔助采摘和機(jī)械化采摘三種[3]。針對(duì)蘋果采摘中存在的工作量大、作業(yè)范圍廣(果實(shí)分布高低不均)、觸碰力度控制要求高以及需選擇性采摘(單果成熟期不一致)等問(wèn)題[4]，本文將展開(kāi)小型輔助人工采摘裝置設(shè)計(jì)與制作，以提高蘋果采摘過(guò)程中采摘的效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和采摘成本，保障蘋果成品質(zhì)量。

1 主要研究?jī)?nèi)容

1.1 采摘對(duì)象及要求

該蘋果輔助采摘裝置對(duì)蘋果進(jìn)行采摘收集，蘋果直徑80 mm～100 mm;要求蘋果被采摘后無(wú)破損，收集過(guò)程中無(wú)劃傷、碰傷。機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，便于攜帶，安全性能好，便于維修，成本相對(duì)低。

1.2 蘋果采摘方案的擬定

通過(guò)人工代替機(jī)械移動(dòng)，人眼鎖定目標(biāo)。按動(dòng)手柄按鈕，通過(guò)單片機(jī)控制采摘臂移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的位置，將蘋果放入半球形采摘裝置中，再次控制電機(jī)進(jìn)行切割，完成采摘操作，采摘裝置復(fù)位。然后尋找下一個(gè)目標(biāo)，采摘下的蘋果進(jìn)入收集筐，完成蘋果收集。

半圓形采摘裝置出口處連接一個(gè)導(dǎo)管，使得采摘下來(lái)的蘋果直接沿著導(dǎo)管下滑進(jìn)入收集筐內(nèi)的螺旋狀收集管內(nèi)；收集筐內(nèi)部的收集管排列為特定的角度，使得下落的蘋果既能順著環(huán)形收集管下滑至底部，又能起到緩沖作用防止蘋果之間的碰撞。收集筐下側(cè)設(shè)有開(kāi)口，可將收集筐管道內(nèi)收納的一定量的蘋果通過(guò)這個(gè)口進(jìn)入收納袋。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

蘋果采摘裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由半球形采摘裝置、伸縮裝置、收集裝置三部分組成。伸縮裝置由一個(gè)三自由度機(jī)械臂構(gòu)成。收集裝置由與采摘裝置連接的導(dǎo)管和下部的收集筐構(gòu)成。

2.2 采摘裝置

采摘裝置是由兩個(gè)四分之一球殼組成的，如圖2所示。靜止時(shí)，兩個(gè)球殼在水平面下方形成閉合半球，刀片位于兩球殼靠近水平面的位置，取代了部分球殼，可以進(jìn)行拆裝，方便了后期的維護(hù)和替換。當(dāng)進(jìn)行采摘時(shí)，通過(guò)舵機(jī)使兩個(gè)球殼向上旋轉(zhuǎn)90°，在水平面上方閉合在一起，通過(guò)刀片將水果與樹(shù)分離。同時(shí)，兩個(gè)球殼旋轉(zhuǎn)至水平面上方后，下方通道口打開(kāi)，采摘后的蘋果直接掉入通道內(nèi)。在預(yù)定時(shí)間后，球殼恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)。

1-半球形采摘裝置；2-伸縮裝置；3-收集裝置

圖1蘋果采摘裝置總體結(jié)構(gòu) 圖2半圓形采摘裝置

2.3 伸縮裝置

伸縮裝置由具有俯仰、旋轉(zhuǎn)、升降三個(gè)自由度的機(jī)械臂構(gòu)成。通過(guò)俯仰舵機(jī)、旋轉(zhuǎn)舵機(jī)以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)；通過(guò)步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)其上升下降；通過(guò)錐齒輪的嚙合實(shí)現(xiàn)刀片的轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3為俯仰舵機(jī)和旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，圖4為升降部分。

圖3 俯仰舵機(jī)和旋轉(zhuǎn)舵機(jī)

圖4 升降部分

2.4 收集裝置

收集裝置由導(dǎo)管和收集筐構(gòu)成，如圖5所示。導(dǎo)管內(nèi)部采用有一定彈性的材料，收集筐內(nèi)部為坡道式設(shè)計(jì)，坡道內(nèi)有一個(gè)個(gè)小的活動(dòng)隔欄，將坡道分為一個(gè)個(gè)小格，當(dāng)蘋果從管道落下時(shí)，依次填充進(jìn)每一個(gè)格子內(nèi)。隔欄采用偏軟材料，使蘋果撞擊隔欄時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損傷。隔欄采用可拆卸設(shè)計(jì)，插在坡道上的卡槽內(nèi)，通過(guò)插在不同的卡槽內(nèi)，可以調(diào)整隔欄的間隔。

2.5 程序設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)涉及多種電機(jī)的控制，因此采用性能強(qiáng)大的STM32F103C8T6控制器進(jìn)行控制，先由控制器向TB6600驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送控制信號(hào)，從而控制由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的升降機(jī)構(gòu)，在到達(dá)指定位置后停止后，控制兩個(gè)舵機(jī)進(jìn)行俯仰旋轉(zhuǎn)，可由控制器控制每個(gè)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，以達(dá)到多角度的抓取。

2.6 樣機(jī)制作

圖6為制作出的蘋果采摘裝置樣機(jī)。該裝置單人即可進(jìn)行操作，方法簡(jiǎn)單易學(xué)，可以在較快的時(shí)間內(nèi)鎖定采摘目標(biāo)，并進(jìn)行順利采摘。采摘下來(lái)的蘋果順著導(dǎo)管進(jìn)入收集筐內(nèi)，極大地縮短了采摘時(shí)間，又保證了蘋果質(zhì)量。后期，采摘下來(lái)的蘋果可直接從收集筐出口取出，方便、快捷。

圖5 收集筐 圖6 制作的蘋果采摘裝置樣機(jī)

3 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的蘋果輔助采摘裝置整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便快捷，拋棄了傳統(tǒng)意義上的抓式結(jié)構(gòu)或者較為少見(jiàn)的吸附式結(jié)構(gòu)，采用半圓形刀刃閉合切斷蘋果梗。采用肩背式設(shè)計(jì)，以人體行走代替機(jī)械的整體移動(dòng)，以應(yīng)對(duì)各種條件下造成的移動(dòng)問(wèn)題。本裝置大大節(jié)省了采摘時(shí)間和人力，提高了蘋果的采摘效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和采摘成本，保障了蘋果成品質(zhì)量。