便攜式雙刀片電動果園采收裝置設計

何家成　汪洋　蔣猛

摘要 [目的]解決華南丘陵山區水果摘采機械化難度大的問題。[方法]采用計算機模擬設計了一款便攜式雙刀片電動果園采收機具。首先通過建立力學模型的方式，論證了方案的可行性，排除了一次剪切不成功的情況；其次對機具的硬件選擇和電路控制，計算機工作程序等進行了設計。[結果]設計的雙刀片機械輔助果園采收機具，由兩片切割刀片，兩臺直流伺服電機、可伸縮支架桿等組成，工作時刀片始終在水果筐范圍內移動，不會出現因為刀片移動到筐外而損傷其余未摘水果的情況，可有效降低因采收機具而產生的產量損失。[結論]該設計方案通過切割力分析驗證，不存在一次切割不成功的情況；該機具搭載的直流電機，選用12V/6AH電池，每次可工作10 h，可滿足山地工作需求。

關鍵詞 便攜式；電動；水果采摘

中圖分類號 S225 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）05-01563-03

Abstract [Objective] To solve the problems in fruit picker mechanization in the hilly region of southern China. [Method] A portable double blade electric orchard recovery device was designed using computer simulation. First， we set up a model of physics to prove the feasibility of this project and also prove that the blade can cut off the branch in one time. Then we discuss the design of circuitry and software with this project. [Result] The designed recovery device consists of double blades， two DC servo motor， the telescopic support rod. [Conclusion] The design scheme was verified by cutting force； the DC motor used 12V/6AH battery， which can work 10 h each time and satisfy mountain work demands.

Key words Portable； Electric； Fruit

中國作為水果生產大國，截止2009年我國水果生產量為1.14億t，占全世界水果產量的19.42%，其中蘋果、梨、橙等生長在果樹上的水果產量均占世界前三[1]。整個水果生產過程中，果園采摘所占勞動力占其整個生產過程的35%～45%[2]，但是我國果園采摘機械化程度較低。農業機械化對提高單位耕地面積的農業總產值、降低農業勞動力的使用量、提高農業勞動生產率，以及優化農業的種植結構等方面發揮著十分重要的作用[3]。因此研制水果采摘機械改善果園作業方式具有重要而實際的意義。

當前果園機械采摘方法主要分為：機械輔助采收和機械化采收兩種形式[4]。國內機械化采收存在著效率不高，容易損傷果實、產量損失大等問題[4]。尤其是在我國南方丘陵山區地帶，這一地區恰好又是水果采摘園的所在地。這片地區由于地形限制，拖拉機等大型機械難以工作，加大了實現機械化采收的難度。但是在未來的日子里對于這一地區，機械輔助采收作將為主流的采收形式。基于這種情況，課題組設計了雙刀片機械輔助果園采收機械。采用了兩片刀片，使得刀片進行切割工作時始終在水果筐范圍移動，不會出現因為刀片移動到水果筐外而損傷其余未摘水果的情況，有效地降低了因采收水果而產生的產量損失。

1 系統基本結構及原理

該裝置由兩片切割刀片、兩臺直流伺服電機、可伸縮支架桿、切割按鈕、控制器、電池、軟質管組成。其裝配方式為：切割刀片安裝在直流伺服電機的旋轉軸上，直流伺服電機安裝在支架桿的頂端，在支架干的手持部分安裝有切割按鈕以及電池。工作時，由控制器檢測到切割按鈕被按下后，控制器啟動伺服電機帶動切割刀片切割。

1.1 供電系統的設計 考慮到整套裝置的移動性能，不宜采用220 V交流電直接供電，考慮電瓶重量的因素也不宜采用高于24 V的電瓶供電。故裝置采用12 V電瓶供電，其重量輕，且持續工作時間長。

1.2 電機的選擇 考慮到系統的工作特性，即需要切割刀片能夠快速啟動和切割完成后刀片快速停止旋轉并且切割刀片返回初始位置。由于伺服電機具有快速啟動以及停止的的特點，并且配合光電傳感器易于實現閉環控制。鑒于以上特性，該系統采用伺服電機，而不采用步進電機。

2.2 系統電路部分設計

該系統采用PIC系列單片機為主控芯片。系統整個電路可分為兩個單元：控制及監測單元與伺服電機驅動單元。

2.2.1 伺服電機驅動單元。

伺服電機驅動單元主要功能為，驅動伺服電機正轉、反轉以及立即停轉。為了實現以上功能，系統采用橋式驅動電路，當個驅動單元電路如圖5所示。若伺服電機正轉：Q1，Q4接通，Q2，Q3關斷；若伺服電機反轉：Q2，Q3接通，Q1，Q4關閉。當需要伺服電機立即停轉則：Q3，Q4接通，Q1，Q2關斷。由于Q3，Q4接通伺服電機運轉時產生的感應電動勢經Q3，Q4形成感應電流，所以伺服電機內部形成一個巨大的停轉扭矩迫使伺服電機電機立即停轉。

2.2.2 控制及監測單元。

系統主控芯片采用美國microchip公司的PIC18F23K20該芯片具有：支持3.3 V低壓工作，最大工作頻率64 MHz，支持PWM輸出，支持CCP捕捉等特性。功率驅動芯片采用美國IR公司的IR2136，其最大支持驅動6個場效應管工作。當需要電機工作時，單片機發出指令給IR2136，IR2136接收到指令以后，控制相關場效應管導通以及關閉，伺服電機也就執行相應的動作。

伺服電機轉角監測是通過伺服電機尾部光電編碼器傳出的脈沖信號以便計算轉角以及伺服電機旋轉方向。該單元的電路圖如圖6所示。

2.3 系統軟件設計

2.3.1 主程序設計。

主程序主要功能為：完成整個系統的初始化以及等待采摘按鈕按下。控制器檢測到采摘按鈕按下后，主程序將進入采摘子程序，采摘子程序會自動控制系統進行采摘作業。完成本次采摘作業后，將繼續等待采摘按鈕的下一次按下（圖7）。

2.3.2 采摘子程序設計。 采摘子程序流程如圖8所示。采摘子程序主要功能為：控制切割刀片完成一次采摘作業。完成采摘作業后，控制刀片回到初始位置以便進行下一次采摘作業。在完成上述功能后采摘子程序自動返回主程序，并且等待主程序下一次調用。

由于在前面在切割力分析時，已經論證了不存在刀片一次切割無法割斷果柄的情況。因此，該程序主要是通過：控制伺服電機啟動、計算切割刀片轉過的角度、急停以及反轉實現該程序的設計功能，無需考慮切割刀片一次切割切不斷的情況。

3 結論

便攜式雙刀片電動果園采收裝置的設計及控制進的關鍵在于：由于采用了雙刀片的形式，刀片始終在水果筐范圍移動，有效地避免了由于刀片旋轉而誤傷。通過切割力分析論證了，不存在切割刀片一次切割行程無法切斷果柄的情況。經試驗測定，系統搭載的伺服電機作電流為0.3 A。由于系統采用的12V/6AH電池，即系統工作支持連續工作10 h，并且，由于雙刀片的設計思路，有效地降低了因采摘過程而產生的水果產量損失。

參考文獻

[1] 2009年世界主要國家豆類、蔬菜、水果產量[J].世界農業，2012（1）：103-104.

[2] SANDERS K F.Orange harvesting systems review[J].Biosystems Engineering，2005，90（2）：115-125.

[3] 盧明湘.農業機械化對區域農業的影響[J].貴州農業科學，2012，40（2）：180-182.

[4] 段潔利，陸華忠，王慰祖，等.水果采收機械的現狀與發展[J].廣東農業科學，2012，39（16）：189-192.

[5] 曾正明.實用有色金屬材料手冊[M].2版.北京：機械工業出版社，2008：572-573.