劉吉安

（廣東工業(yè)大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，廣東 廣州 510090）

根據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，2018年蘋果產(chǎn)量41 390×104t。在收貨季節(jié)，采摘蘋果基本依靠人工，收獲采摘基本占生產(chǎn)作業(yè)量的40%[1]。20世紀(jì)90年代中期，我國開始進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究，相較于發(fā)達(dá)國家起步較晚，也取得了一些成果[2]。以日本和美國為代表的發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)80年代開始研究采摘機(jī)器人，并取得了大量研究成果[3]。目前，我國采摘蘋果還存在一些關(guān)鍵難題。對于采摘機(jī)器的視覺而言，果園是十分復(fù)雜的自然環(huán)境，果園中光照條件不確定性、果實(shí)顏色相近、果實(shí)被枝葉遮擋、顏色不均勻、大量陰影、果實(shí)擾動以及果實(shí)重疊等因素都增加了目標(biāo)的識別和定位難度[4-8]。

為了解決這些問題，經(jīng)過實(shí)地調(diào)研和試驗(yàn)，設(shè)計了一種蘋果采摘裝置螺旋式末端。

1 總體設(shè)計方案

螺旋式末端的主要結(jié)構(gòu)見圖1。其中，右旋螺旋葉片與左旋螺旋葉片相鄰安裝，螺旋槽形成一對鉗口形狀見圖3。螺旋式末端成網(wǎng)格排列見圖2。采摘工作環(huán)境見圖4。右旋螺旋葉片與轉(zhuǎn)動軸同軸，左旋螺旋葉片與轉(zhuǎn)動軸同軸，軸承座安裝在機(jī)架上，轉(zhuǎn)動軸安裝在軸承座上，齒輪安裝在轉(zhuǎn)動軸的后端，皮帶連接皮帶輪一與皮帶輪二，電機(jī)連接皮帶輪一，電機(jī)安裝在機(jī)架上。

圖1 采摘裝置末端的側(cè)視圖Fig.1 The sideview of the end of the picking device

圖2 螺旋葉片網(wǎng)格排列示意圖Fig.2 The grid arrangement diagram of spiral blade

圖3 采摘示意圖Fig.3 The schematic diagram of picking apples

圖4 采摘工作環(huán)境示意Fig.4 The picking working environment

2 工作原理

（1）利用螺旋副傳動原理，螺旋升角越小，沿螺紋面方向的分力越小，垂直于螺紋面的分力越大；反之，沿垂直于螺紋面的分力越小。根據(jù)上述原理，螺旋葉片的軸向分力施加在蘋果上，可以產(chǎn)生拉力。因此，首選較小的螺旋升角，用來增強(qiáng)1對蘋果的拉力，提高采摘效果。拉力計算參考：計算公式參見機(jī)械設(shè)計手冊或絲軸制造企業(yè)行業(yè)手冊。

η——絲軸傳動效率，大約為0.9~0.95；P——拉力；T——轉(zhuǎn)矩；L——絲軸導(dǎo)程。

（2）螺旋葉片轉(zhuǎn)動，軸向分力像波浪一樣傳遞給接觸到的蘋果，即使蘋果被樹葉擋住，因?yàn)闃淙~柔軟可以輕易擺動，所以螺旋葉片可以隔著樹葉傳遞動力給蘋果。

（3）相鄰的轉(zhuǎn)動軸的間距小于蘋果直徑，所以被采摘下來的蘋果不會從軸間隙掉落到地面。

（4）采摘路徑規(guī)劃：先采摘樹根邊緣的蘋果，從突出的樹枝開始進(jìn)入，然后逐漸向樹頂采摘。這樣的采摘路徑可以減少采摘裝置碰掉周圍的蘋果。

3 使用方法

采摘作業(yè)時，螺旋式采摘裝置安裝在采摘機(jī)器的機(jī)械臂前端，前高后低。啟動電機(jī)正轉(zhuǎn)，右旋螺旋葉片逆時針轉(zhuǎn)動和左旋螺旋葉片順時針轉(zhuǎn)動，這樣轉(zhuǎn)動可以使螺旋葉片產(chǎn)生的推力方向一致。在自動化控制與機(jī)器視覺引導(dǎo)下，采摘裝置瞄準(zhǔn)有蘋果的大概位置，螺旋葉片像鉆頭一樣鉆進(jìn)枝葉中，相鄰的螺旋槽相對轉(zhuǎn)動，組成多個鉗口形狀，運(yùn)動效果是連續(xù)地咬合、推動的動作。螺旋葉片推動接觸到的蘋果和部分樹葉，即使蘋果被樹葉擋住，因?yàn)闃淙~柔軟可以輕易擺動，所以螺旋葉片可以隔著樹葉推動蘋果，電機(jī)也可以快速變換正反轉(zhuǎn)動，接觸到的蘋果和樹葉大幅度、高頻率的擺動，果柄和樹葉折斷，蘋果落入螺旋槽里。機(jī)械臂帶動采摘裝置從樹枝中退出，退出過程中，螺旋葉片保持轉(zhuǎn)動，采摘裝置保持前高后低，防止蘋果留在樹枝中或從前端掉落。退出樹枝后，采摘裝置降低高度，改為前低后高，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動，右旋螺旋葉片與左旋螺旋葉片都反向轉(zhuǎn)動，螺旋槽吐出蘋果。按照采摘路徑規(guī)劃，重復(fù)上述采摘動作，把果樹按照經(jīng)緯線分區(qū)，圍繞果樹轉(zhuǎn)一圈，就可以采摘下來整個樹的蘋果了。

4 可能遇到的問題及解決對策

螺旋葉片鉆進(jìn)果樹枝過程中，可能遇到的問題及解決方法如下。①頂?shù)綐涓苫虼执蟮臉渲?，柔軟、彈性的螺旋葉片和轉(zhuǎn)動軸可以被擠壓彈開，避讓阻擋物。②如果阻力過大，可以先退出樹枝，然后偏移一些位置再重新鉆進(jìn)樹枝中。③遇到樹枝茂密無法插入，避開正面茂密的樹枝，從兩側(cè)插入。④對于在采摘蘋果的過程中可能會碰落不少樹葉，經(jīng)過對部分果農(nóng)調(diào)研，果農(nóng)認(rèn)可在采摘過程中碰落樹葉，因?yàn)榍锸蘸?，果樹的樹葉基本都自行脫落了。⑤果柄的直徑小于樹枝的直徑，螺旋葉片的推力大于果柄折斷需要的力，小于樹枝損傷的力，就可以保護(hù)樹枝不會損傷。

5 結(jié)語

螺旋葉片呈網(wǎng)格布局，形成多層網(wǎng)狀，覆蓋面積大，可以接觸到掛果區(qū)表面和內(nèi)部的蘋果，一次可以采摘多個相鄰的蘋果。不需要精準(zhǔn)瞄準(zhǔn)蘋果或果柄，降低了設(shè)備軟件、硬件的要求，減少了成本，提高了生產(chǎn)效率。