蘋果采摘裝置的研究與探討

【摘要】蘋果采摘裝置適用于蘋果成熟后的蘋果采摘，智能化機械化的采摘模式解放了勞動力，提高了采摘效率，本裝置利用無線遙控技術，搭載移動平臺，安裝末端執行裝置即機械手，實現了蘋果采摘過程中的機械化，利于農業機器人的研發應用。

【關鍵詞】蘋果采摘；機械手；傳感器

Abstract：Apple picking device is suitable for mature apple picking，intelligent mechanization picking mode liberated the labor force，improve the picking efficiency，this device using the wireless remote control technology，with a mobile platform，installation of the manipulator end point device，realized in the process of apple picking mechanization，agricultural research and application of the robot.

Key words：Apple picking；Manipulator；The sensor

引言

21世紀以來，隨著我國城鎮化的社會進程，原始的農業勞動力逐漸減少，轉向其他行業，而水果采摘在農業生產中有很多弊端：第一是采摘中需要大量人力；第二是采摘是相對耗時長的一個生產環節；第三，采摘水果大都集中在一個時段；第四，人工采摘水果果實需要彎腰或者爬高，具有一定的危險性。隨著我國科技水平和農業機械化水平的逐步提高，用機械手來采摘水果果實成為可能，這樣不僅解放了農村勞動力，而且更加安全，方便。

國內外研究現狀：隨著科技的進步，近年來，國外在果蔬采摘機器人的研究方面取得不少成果，但由于技術，市場和價格多方面因素的影響，此類研究工作基本停頓，國內研究此類型的方面起步晚，相對來說成果少，對蘋果的采摘方面研究還很缺乏。隨著農業產業化發展進程加快，其種植越來越規模化，然而蘋果的采摘大部分還處于人工作業的情況，這大大降低了采摘效率，提高了成本，而且蘋果高度不一，人工采摘費時費力，容易疲勞，發生危險，所以對蘋果采摘設備的研究有重要意義[1]。

本文以蘋果為研究對象，討論蘋果采摘裝置，最終目標是確保順利采下蘋果，提高勞動效率，解放生產力。設計一種實用的蘋果采摘機械手，用于采摘蘋果果實。該機械手結構輕巧，操作靈活簡便。并且可以運用傳感器和單片機實現智能采摘。

1.蘋果采摘機械手的方案設計

1.1 移動平臺選取

為了實現蘋果的機械化采摘，首先需要選取移動平臺。近年來，農業機器人的廣泛應用使農業機械化發展迅速，對不同的移動方式了解比較之后，根據土地凹凸不平等特點，裝置在土地間運轉的話需要地面附著力大，面積大，可以跨越小土塊，堅固耐用，能量利用率高，穩定高速，機動性好等特點，采用履帶式行走方式，履帶式移動對地面附著力大，支承面大，接地壓力小，越障礙能力強，具有堅固耐用，容易維護保養等優點[2]。結合在蘋果采摘過程中道路情況的復雜性，簡化結構，易操作和成本低的要求，選用RP6車體，采用前輪驅動方式，在前輪內側搭載微型電機，采用2級展開式直齒圓柱齒輪傳動，由電動機的電流傳感器調節電機轉速，車體內置電池盒，為移動平臺供電，需要裝6節充電電池，提供9V電壓，可為電機運轉和平臺移動提供動力。

1.2 蘋果采摘裝置

蘋果采摘裝置主要由移動平臺，遙控裝置，機械手3部分組成。

1.3 無線電遙控

為了實現蘋果采摘機械的智能化和遙控，結合當今遙控越來越廣泛應用的時代背景，對不同的遙控方式比較分析后發現：紅外遙控是利用近紅外線傳送信號的遙控設備，不影響其他電器設備，但其缺點是無法穿透，接收信號的能力比較微弱，適合近距離遙控；無線電遙控器是用無線電波來傳送控制信號的，其特點是無方向性，可以不“面對面”控制，距離遠，可達數十米甚至數公里。基于本課題的設計要求，選用無線電遙控。其接收機是解碼電路，遙控器是編碼電路，接收機根據遙控器所發出的不同指令，接收后解碼，輸出到下級電路，控制各個開關管導通與關閉，把電流傳輸到遙控車的動作電機或電磁鐵來完成各種動作。 遙控器發射的是帶有編碼的無線電信號。

2.關鍵部件的設計

2.1 電機選擇

機械手本身結構尺寸較小，所以電機的尺寸也應盡量小，選用微型電機有刷直流電機，屬于鐵芯電機的一種，其優點是力矩大，調速性能優良，調速方便，能平穩地升降速，應用范圍廣，通過變勵磁方式可得到不同的運行特性。

2.2 機械手總體機構設計

本文討論的蘋果采摘機械手總體結構模仿人手的結構，由手掌，指頭構成，為了方便抓取，同時又可以采摘到蘋果，機械手是末端執行裝置，體積不易過大，運動也要簡單可行[4]。

機械本體的優化設計可以改善運動的靈活性和控制的復雜性。這些具有特殊運動和動力特性的機構的綜合具有廣泛應用前景。[5]所以定為360度空間內包含3個“指頭”，空間分布相差120度，一個指頭上有3個指節，3個指節中的2個關節。為了簡便，手掌設計為圓柱形，與手掌連接的指節是可以支撐其余2個指節的，第一個和第二個指節里面裝有異步電動機驅動，通過齒輪傳動完成操縱下一個指節的運動。在2個指節中間有連接件，傳遞運動。采摘機械手的驅動是一個指節操縱下一個指節，所以用微小型的齒輪減速器傳遞步進電動機產生的運動和力，提高傳動的穩定性。

2.3 驅動系統選擇

機械手的驅動系統：一般常用的有4種，液壓傳動，氣壓傳動，機械傳動，電力傳動。綜合比較，蘋果采摘所用的機械手用機械傳動，因為其運動準確可靠，動作頻率高，符合蘋果采摘裝置的要求。

2.4 材料選擇

為了減輕重量，而且蘋果也不是很大，所以采用鋁合金材料，為了避免損傷蘋果果實，所以在機械手上裝尼龍和橡膠材料的保護套，來保證蘋果不會被機械損壞變質，同時也增大了摩擦力，抓緊了果實，防止掉落。用來減少機械手抓取時對蘋果的抓力，既保證蘋果不會被機械損壞變質，同時也增大了摩擦力，抓緊了果實，防止掉落。

2.5 其他硬件系統

2.5.1 傳感器

傳感器是蘋果采摘裝置的重要組成部分，末端執行裝置對蘋果表皮的損害程度取決于傳感器元件，所以選用應變式壓力傳感器，其工作原理是利用彈性敏感元件和應變計將壓力轉換為相應電阻值變化。型號為OOmar齊平式膜片式壓力傳感器。

2.5.2 單片機

蘋果采摘裝置選用利用STC12C5A60S2單片機為核心元件，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換，針對電機控制。

2.6 工作原理

如圖3所示，機械手接近果實過程中和果實產生擠壓并產生壓力，此時壓力傳感器測的信號傳給單片機，判斷是否達到閉合值，這個閉合值是由多年農民的實際經驗是指，在不破壞果實的前提下采摘，完成采摘后機械手恢復原位。

3.總結與展望

蘋果采摘裝置整體從實際出發，集機械化，智能化為一體，適用于蘋果采摘，由此節省了勞動力，方便了農民，但是設計中還有很多不足之處，需要在以后的實際生產應用中逐步改進，相信將來采摘機械的廣泛應用可以帶來更大的便利和經濟效益。

參考文獻

[1]陳磊，陳帝伊，馬孝義.果蔬采摘機器人的研究[J].農業化研究，2011（1）.

[2]張建立，候忠良.履帶式行走裝置的結構組成與設計[J].城市建設，2011（14）：340-342.

[3]桑陽，劉軍強，雷吟春.摘果撿果機械手的設計[J].價值工程，2013（31）.

[4]王俊杰，王麗麗.采摘機械手結構設計[J]吉林農業，2010 （10）：118.

[5]趙景山，馮敬之.機器人機構自由度分析理論[M].科學出版社，2009-03-01.