半自動伸折式摘果器

李斌+許志

【摘 要】摘果器是果園大規模生產必不可少的設備，但目前市場上的小型摘果器，都有一些缺點，主要缺點有采摘時易損傷果實和果樹、采摘效率低下、自動化程度低。本文提出了一種基于Arduino UNO系統的半自動摘果器，操作人員只需簡單操作，系統即可控制循環移動機構、夾取機構以及剪切機構等部件動作，從樹枝上剪下果實，夾住，并運往樹下收集，如此循環往復，可實現對3—5米果樹的一次性采摘，既提高了采摘效率，又不損傷果樹和果實。

【關鍵詞】摘果器；半自動；Arduino UNO控制

中圖分類號： TH692.6 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0116-002

【Abstract】Picking fruit pickers are indispensable equipment for large-scale production of orchards. However， small fruit pickers currently on the market have some shortcomings. The main shortcomings are fruit and fruit trees which are easily damaged when picking， low picking efficiency and low degree of automation. In this paper， a semi-automatic picker based on Arduino UNO system is proposed. The operator can simply control the movement of the circular moving mechanism， the clipping mechanism and the cutting mechanism to cut the fruits from the branches， And transported to the collection under the tree， so the cycle back and forth， can achieve a one-time picking of 3-5 meters of fruit trees， both to improve the efficiency of picking， without damaging fruit trees and fruits.

【Key words】Picker； Semi-automatic； Arduino UNO control

0 引言

現在人們采用的小型摘果器可大致分為兩種： 一類是以簡單手動抓果器抓果實；另一類是用剪刀直接剪斷與果實相連的樹枝，用網或者導網接住果實，兩類產品都有其致命的缺點，所以實際市場占有率很低，產品沒有被人們普遍接受，導致我國采摘業自動化程度低，生產效率低下。為解決這一現狀，開發了半自動伸折式摘果器，填補國內這一領域空缺。

1 摘果器機構及工作原理

1.1 機械機構

圖中各部件的標記為：10支撐機構、101長腰形板、102銷軸、103條形通槽、104移位滑塊、105拉繩、106剪切支撐架、20循環移動機構、201傳動輪、202鏈帶、203限位塊、30夾取機構、300夾子、301第一夾體、302第二夾體、303移動桿、304擋塊、305彈簧、306滾輪、307楔形齒、310復位導軌、311復位滑塊、312鏤空槽、40剪切機構、401剪刀、50操縱機構、501伸縮桿、502連接架、503支架、504手握桿6、微動開關、505、球鉸鏈。

2 工作原理

2.1 主要機構功能簡介

支撐機構：主要由四塊中間鏤空的長腰形板通過軸承連接，其中中間的兩個軸承可以拆卸，如圖四所示拆下一個軸承，裝置就可以繞另一個軸承旋轉折疊；長腰形板中間開條形槽，在里面嵌入兩個連接好的平行軸承組成移位滑塊，移位滑塊通過連接架連接伸縮桿，再在它上面固定移位電機，移位電機軸接拉繩，拉繩另一端固定在長腰形板前端，通過電機正反轉，電機收放繩，即可實現移位滑塊在槽內移動，從而帶動整個長腰形板空間移動。

循環移動機構：驅動電動機與傳動輪同軸連接，連帶與夾子通過鉚接固定，連帶上每隔一定距離就安裝一個夾子，Arduino UNO控制電機啟停，從而帶動夾子按圖一所示方向循環移動。

夾取機構：如圖2所示夾子張開時（未被觸發），通過移動桿抵住擋塊抵消夾子閉合力，使夾子保持張開，當果實把（果實與樹枝的連接部分）抵住移動桿并繼續向夾子內部移動，移動桿漸漸被果實把推離擋塊，失去支撐力，夾子瞬間閉合夾住果實把。這是剪刀閉合，剪斷果實把，完成采摘。

剪切機構：由剪刀、舵機、連接桿組成，兩個舵機的舵盤通過連接桿與剪刀柄相連，通過Arduino UNO控制舵機轉動，再由機械連接桿帶動剪刀閉合和張開。

操縱機構：由兩段支架和手握桿組成，如圖一所示，手握桿實際上就是兩根 長軸，支架通過長軸連接，輔助彈簧的力量，可以折疊支架，伸長或縮短操縱機構的長度。

復位機構：如圖五所示連帶帶動夾子向V字形復位導軌移動，夾子接觸導軌上端時，夾子第一夾體上端的復位滑塊嵌入復位導軌中，夾子第二夾體鉚接在連帶上，連帶繼續帶動夾子向下移動，V字導軌越來越窄，夾子被擠開；同時夾子的移動桿在彈簧拉力的作用下，向擋塊轉動，抵到擋塊前端凸起停止運動，夾子復位完成，這樣夾子離開導軌后也能保持張開狀態。

2.2 電路部分

夾子內側裝有微動開關（用于檢測夾子的姿態：張開時微動開關未被觸發，夾子閉合時微動開關被觸發），剪刀通過連接機構連接舵機，Arduino UNO通過實時檢測微動開關的反饋信號，得出夾子所處位置，配合人的操作相應按鍵，給驅動電動機和舵機信號，決定裝置下一步運行方案。endprint

人通過按鍵給Arduino UNO信號，控制移位電動機正反轉，帶動滑塊在鏤空槽內移動，從而調整摘果器的空間位置。

在剪切機構上布置微型攝像頭，實時傳回圖像到顯示屏上，方便人為控制摘果器，讓夾子夾住果實把。

采用四塊12V鉛酸蓄電池供電，并通過DC/DC變壓模塊，輸出不同等級的電壓供不同電路模塊使用。

2.3 摘果器整體運行原理

通過循環移動機構攜帶夾子進行循環移動，當夾子移動到摘果位置（夾子在剪刀下方，離剪刀很近，且與剪刀平行）時，Arduino UNO控制驅動電動機停轉，人工操作摘果器輕微移動，使果實把進入夾子中，夾子夾住果實的把部，觸發安裝在夾子底部的微動開關，微動開關反饋信號給Arduino UNO，并控制剪切機構4將果實的把部剪斷，從而將果實摘下，然后Arduino UNO控制驅動電機帶著夾住果實的夾子繼續運行，下一個夾子進入摘果位時重復上述過程；當夾子移動到支撐機構末端時（樹下），通過復位導軌，夾子復位，果實落下，通過漸縮型導網收集，在連帶的帶動下張開的夾子返回摘果位，夾住果實的夾子向復位導軌移動，如此循環往復，實現連續高效無損摘果。

通過移位電機帶動移位滑塊在鏤空槽內移動、伸縮桿伸縮，可實現摘果器高度調節；人操作手握桿，摘果器可繞球鉸鏈360。旋轉，上下微調；結合兩種調節方式，可實現摘果器在3-5米的空間內無死角移動，方便采摘不同位置的果實。

3 結論

可以看出本摘果器可以替代純手工摘果，操作方便，安全可靠，快速高效，可連續摘取果實，而且果實不會直接下落，而是被帶到下側再進行收取，有效避免了果實的損壞。

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