半自動伸縮摘果器裝置研究

肖貴平，孫惠斌，劉家豪，唐 浩，夏 磊

（南京工程學院，江蘇 南京 211100）

在果蔬生產過程中，摘果為一大難題。目前，我國南方果園多位于丘陵山區，部分果蔬采摘期限短，需要集中作業，依靠人工采摘果實不僅耗時，同時費力。而采摘機器人距離實用化和商品化尚有一定距離，其行走裝置難以適應復雜的山區環境。因此，還要完成半自動伸縮摘果器裝置的研制，滿足果蔬生產的采摘作業需求。

1 半自動伸縮摘果器裝置結構設計

設計半自動伸縮摘果器，由伸縮式機械手臂、剪摘器、手持固定部分和傳送裝置等部分構成。通過與伸縮式機械手臂連接，實現簡單自如轉向和收縮，剪摘器可以從各方向準確安全的進行水果采摘。利用傳送裝置，采摘的果實可以落到指定位置，從高處安全順利的傳送至地面。設計手持固定部分，可以使裝置的穩定性得到增加，降低人員手腕疲勞程度。采用裝置可實現摘果器操作的手動和自動轉換，且整機結構簡單，體積小、重量輕，操作相對安全、可靠。

2 半自動伸縮摘果器裝置的開發實踐

2.1 裝置機構功能

在裝置開發過程中，剪摘器由剪切機構和收集裝置構成。剪摘器固定在伸縮式機械手臂的頂端，能夠在機械手臂的帶動下移動。其中，剪切機構包含剪刀、連接桿和舵機等部分，舵機利用舵盤與剪刀柄和連接桿連接，利用控制系統實現舵機轉動控制，并利用機械連接桿帶動剪刀開閉。在剪摘器末端，安裝有傳動裝置和微型電機。裝置采用的微控制系統能夠實現快速視覺伺服控制，在多照度環境中實現果實自適應精確識別，因此能夠快速進行果實位置定位，向微型電機發送控制指令。在微型電機控制下，傳動機構將帶動剪刀做往復運動，將果柄切斷，果實則會落入收集裝置。收集裝置由網兜轉軸、長網兜、伸縮桿、彈性繩圈和收集容器構成，長網兜的上緣能夠沿著網兜轉軸轉動，也能將方向固定，所以能夠為不同方向和高度的單果收集提供便利。利用夾子，可以固定長網兜上的彈性繩圈，使其與果實大小接近，促使長網兜發生形變，避免果實直接掉落受到損失。裝置裝設有自動開關，能夠將彈簧與傳動桿連接在一起，在果柄給予傳動桿推力時彈簧將會發生形變，促使開關動作，繼而使剪摘器自主動作。微動開關觸點之間的間距較小，在受到較小外力作用下就會發生瞬間開閉，為快速轉換開關，能在果實采摘中保持靈敏動作，滿足果實采摘要求。在開關動作后，剪刀連接的電磁吸盤回路將通電，使剪刀閉合，因此可以保證摘果器操作安全。

2.2 裝置運動控制

從裝置運動控制過程來看，機械手臂的伸縮式支桿與安裝在支桿頂端的電機、傳動機構和控制系統將利用支桿空腔中的電線連接。電機與傳動機構齒輪減速器輸入端連接在一起，輸出端與傳動機構的凸輪連接，其上安裝有滑塊。剪摘器一個把柄利用機架固定，另一個其上設有滑塊滑動的軌道。在裝置運動的過程中，在控制系統的驅動下，剪摘器將在電機帶動下循環移動，其上安裝的微型攝像頭會將圖像傳回，方便人為實現剪摘器的控制。而剪摘器移動到摘果的位置，電機將停轉，剪摘器則會發生輕微移動，使果柄接觸傳動桿，觸發微動開關，控制剪刀將果柄剪短，實現果實收集。

2.3 裝置使用效果

完成裝置開發后，需要驗證裝置使用效果，分別在蘋果園和橘園進行果實采摘，與徒手采摘效果相比較。采摘過程中選擇果實密度與高矮接近的兩組果樹，以十分鐘為限。從采摘效果來看，使用裝置采摘的果實為人工采摘的2 倍以上，前期操作十分迅速，節省了果實傳遞過程，使果實采摘更加輕松。在后期采摘過程中，由于蘋果密度較小，尋找目標需一定時間。而蘋果生長高度較高，因此伸縮式機械手臂發揮了重要作用。在橘園中采摘，由于橘子生長高度較低，可以快速、輕松完成采摘。此外，采摘的水果無擦破或碰傷情況，因此裝置操作安全可行，能夠帶來一定經濟收益。

3 結 語

從研究結果來看，研制的半自動伸縮摘果器能實現手工摘果方式的替代，能實現果實的連續、高效摘取，同時也能保證果實剪摘過程安全、可靠，采摘的果實無損傷，能帶來一定的經濟效益，獲得較好的應用前景。