水果自動采摘小型機械車的結構設計

鄒永+郭艦+袁澤辰+邱家興+徐昊+謝佳旗

摘 要：在現代社會發展極具迅速的時代，對水果的分類和采摘也成為了熱議的話題，利用先進的技術，減少人力和物力，對多種水果進行分類及采摘。我們提出了水果自動采摘小型機械車的初步設計。了解水果自動采摘小型機械車的設計背景、結構及工作流程，對其結構進行運動分析，并進行設計。水果自動采摘小型機械車不僅提高了采摘效率，而且降低了損傷率，節省了人工成本，提高了果農的經濟效益，因此，提高采摘作業機械化程度具有重要意義。隨著農業從業者的減少及老齡化趨勢的不斷加大，水果自動采摘小型機械車的開發利用具有巨大的經濟效益和廣闊的市場前景，水果自動采摘小型機械車對未來農業的發展將起到積極作用。

關鍵詞：水果自動采摘小型機械車；自動采摘識別；機械臂識別；初步設計

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）01-0119-02

Abstract： In the era of rapid development of modern society， the classification and picking of fruits has also become a hot topic. Using advanced technology， reducing manpower and material resources to classify and pick a variety of fruits， we put forward the preliminary design of the small mechanical vehicle for automatic fruit picking. To understand the design background， structure and work flow of the fruit automatic picking small mechanical vehicle， the structure of the movement analysis and design. Automatic fruit picking small mechanical vehicles not only improve the picking efficiency， but also reduce the damage rate， save labor costs， improve the economic benefits of fruit farmers， so it is of great significance to improve the degree of mechanization of picking operations. With the decrease of agricultural practitioners and the increasing trend of aging， the development and utilization of small mechanical vehicles for automatic fruit picking has great economic benefits and broad market prospects. Automatic fruit picking small mechanical vehicles will play a positive role in the future development of agriculture.

Keywords： small automatic fruit-picking mechanical vehicle； automatic picking identification； mechanical arm identification； preliminary design

1 概述

水果種植業的迅速發展提升了果園機械的市場需求。采摘作業所用勞動力占整個生產過程所用勞動力的33%～50%，采摘作業比較復雜，季節性很強，若使用人工采摘，不僅效率低、勞動量大，而且容易造成果實的損傷，直接影響到水果的品質。因而要實現水果自動采摘小型機械車對水果的收獲，關鍵是要從果樹中識別出水果并確定水果的準確空間位置，以便為機械手的運動提供參數，完成水果的采摘。

隨著社會的發展，自動化應用更加接近于我們的生活，在生活中，對于水果的分類和采摘就成為熱議的話題。水果自動采摘小型機械車不僅僅要能夠從背景中檢測出樹上的水果，而且要能夠對視場中的水果進行空間定位，從而指導自身的末端執行器件完成水果采摘作業。樹上水果通常采用雙目相機和多目相機，通過多視幾何方法和立體匹配技術進行空間定位；也有一些工作通過結合相機和其他距離傳感技術來進行空間定位。

2 水果自動采摘小型機械車基本結構及履帶設計及參數確定

2.1 性能指標

（1）水果自動采摘小型機械車設計用于采摘水果，機械手臂可以180度旋轉，摘取距離260mm直徑≤70mm的物體。（2）可以自動避開前方大型路障，并能輕松跨越路面坑洼，車身結構穩定。（3）可以持續工作3h。（4）正常工作載重2kg，最大載重2.5kg。

實現行走的部件是履帶，履帶適應各種復雜路況，快速準確地判斷路況信息，從而實現行走，機械手臂能夠主要通過顏色傳感器和紅外線傳感器進行位置判斷識別。

2.2 水果自動采摘小型機械車基本結構設計

機構分為二部分，履帶輪和機械手臂。兩部分的組合完成對水果的準確識別摘取。作為水果自動分采的主要組成部分，履帶輪的主副輪及其配件均采用鋁制，具有材料輕韌性好便于加工等諸多好處，履帶采用橡膠材質，具有韌性并具有較大摩擦力。并裝配了傳感器和紅外線傳感器，能通過傳感器反饋信息，通過數據處理，自動做出相應反應。我們之所以選擇履帶而沒有選擇輪式，因為履帶更能夠適應復雜路況，動力相對較大，比較穩定，水果采摘可能在不同環境，不同路況，履帶對于環境的適應性更強。endprint

2.3 履帶輪輪距以及履帶尺寸的確定

我們設計的水果自動采摘小型機械車的一對底部履帶輪各使用了一個電機進行驅動，采用電動機與主動輪之間直接使用聯軸器的方式將動力從電機軸傳遞給主動輪。采用電動機與主動輪之間直接使用聯軸器的目的是動力輸出大，之間的損耗小并且履帶輪在工作時可能需要翻越小石子等小型障礙物，需要足夠的輸出馬力才能完成。而平地行走時則依靠自身馬力完成運動。

2.4 水果自動采摘小型機械車受力分析及電機選擇

預計水果采摘車車體重量6.5kg～7kg，設水果采摘車的最大載荷為7kg。

水果采摘車的底座履帶輪關于水平中心軸線對稱，因而它負重的一半能通過計算推斷出來。水果采摘車一半的自由體受力在如圖1表示。

2.5 水果自動采摘小型機械車電動機選擇及其計算

Fn和G分別是單側履帶輪的支撐力與重力。f是履帶輪與地面之間的摩擦力，速度方向v與牽引力F方向一致都是水平向右，單側履帶輪總體平衡方程的推導如下：

其中m是水果采摘車質量的一半。

此外，我們需要使小車在最大負載時的速度保持為0.02m/s，所以其功率的計算公式為：

摩擦力：f=？滋mg=1×3.5×10=35N

牽引力：F=f=35N

功率：P=FV=35N×0.06m/s=2.1w

主動輪所需的最大扭矩為

T=■=■=0.6685Nm

齒輪傳動效率分別為η=0.96，聯軸器的效率為η=0.98

則電動機輸出功率為Pd=■=2.23W

那么，該水果自動采摘小型機械車的履帶驅動所需的電動機功率為2.23W，對已有電機進行篩選，可選擇的電動機如表1所示。

根據以上數據顯示，以及我們所需參數我們最后選擇“GM25-37-24140-75-14.5D10”為我們所用履帶傳動電機。

2.6 機械手臂理論設計

機械手臂整體為鋁合金，同樣是質量輕工藝性好，整個手臂分為三段，可以實現180度旋轉。機械手臂采用Arduino控制器，對手臂動作進行編程。手臂通過顏色傳感器識別物體，由紅外線傳感器進行距離的分析，從而準確無誤的摘取。

材料選擇：機械手臂材料使用亞格力板；手臂以及旋轉底座使用鋁合金材料完成。

電源選擇：7.4V直流電源。

電機選擇：因機械手臂設計重量為3kg～3.5kg，抓取最大物體后重量約為4kg，所以我們需使用大扭矩以及旋轉范圍在0°～180°之間，所以我們選擇了型號為LD-20MG的舵機進行運作機械臂。下圖為舵機分布圖，1、2、3、4、5、6分別為舵機標號。

控制系統：舵機控制板以及Arduino LEONARDO控制器進行控制機械臂識別運作。

傳感器選擇：顏色傳感器和紅外測距傳感器。

3 結束語

在分析現在水果采摘行業的優缺點情況下，該水果采摘機器人操作容易、結構相對簡單。可適用于各種場地的采摘，采用履帶可以使用山地、坡地等各種復雜環境，提高效率、減少勞動量，保護果實的完整性。大部分由簡單部件組成，易于生產。履帶輪的主副輪及相對應配件均是鋁制，履帶材料為橡膠，車體為亞格力板，機械臂同樣是鋁制，機械手為亞格力板，車身整體都采用輕質材料，便于攜帶且車身不大，可形成產業大批量生產。實現低成本制造，經濟合理，適合普及推廣。

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