電動式水果采摘收集一體機的研制

趙文寶，丁 頌，龐培釗，王 銘，郭 爽

(長春師范大學工程學院，吉林長春 130032)

中國是當今世界上最大的水果生產(chǎn)國和水果消費國，其中，僅蘋果在2016年的總產(chǎn)量就為3045萬噸。在整個水果生產(chǎn)過程中，水果采摘作業(yè)所需的勞動力占整個過程的35%～55%。目前，國內(nèi)外的水果采摘方式主要有人工采摘、機械輔助采摘和機械化采摘三種。近幾年來，機械化采摘在我國得到迅速發(fā)展，但現(xiàn)有的水果采收主要采用震動樹干的方式，容易造成果實損傷，未成熟的果實也會一起脫落。我國果園環(huán)境多位于碎石較多的山地，大型設備無法運行，且成本較高，果農(nóng)難以負擔。電動式水果采摘收集一體機是一款半自動化輔助采集設備，適應市場要求，能較好地解決水果采摘過程中存在的問題。

1 總體設計方案

電動式水果采摘收集一體機如圖1所示，由收集裝置1、采摘裝置2和伸縮裝置3組成，三個系統(tǒng)的主要零部件由水桶提手式切割刀片、控制器、采摘器、機械臂、蘋果傳輸器、水果集中收集筐、人工控制端等組成。整個裝置的采摘過程由慧魚程序控制，當確定采摘對象后，通過按鈕控制蘋果傳輸器選擇收集筐，絲杠傳動控制蘋果傳輸器前后運動，齒輪齒條傳動控制蘋果傳輸器左右運動，精確定位在相應收集筐上方，通過控制按鈕，機械臂帶動采摘器到采摘對象下方，采摘器中的感光傳感器感應到蘋果時，刀片旋轉(zhuǎn)，切斷果柄，落下的蘋果沿采集器進入蘋果傳輸器，傳輸?shù)街付ㄊ占穑瑢崿F(xiàn)蘋果人工輔助采摘。機械臂通過伸縮、彎曲變向，可采摘樹縫中不易采摘的水果。水果傳輸器是橡膠軟管，連接采摘裝置和收集裝置。此一體機體積較小，輕便易操作,適用于中小型果園中蘋果、梨、桔子等球型水果的采摘。

2 結構設計

2.1 收集裝置設計

收集裝置如圖2所示，由四個收集筐、絲桿2、收集接口3、齒輪齒條4、支柱5、絲桿底座6和直流電機7組成。當確定采摘對象后，通過控制按鈕控制蘋果傳輸器選擇收集筐，絲杠傳動控制蘋果傳輸器X方向運動，齒輪齒條傳動控制蘋果傳輸器Y方向運動，精確定位在相應收集筐上方，可使采摘器采摘下來的水果落入不同的收集筐中，根據(jù)水果的成熟度、大小不同讓水果落入不同的收集筐中。相比于一個收集筐設備，此設備能夠減少人工分類的麻煩，節(jié)約勞動力，提高水果采集的效率。

圖1 電動式水果采摘收集一體機

圖2 收集裝置

2.2 伸縮裝置設計

伸縮裝置如圖3所示，由橫臂和豎臂組成。橫臂由絲桿1、兩根滑道2、氣筒3、180°旋轉(zhuǎn)盤4、支柱5、蝸輪蝸桿6和支撐板7構成。程序控制電磁閥的開通，通過氣壓作用控制氣筒的伸縮，可現(xiàn)實水果在果樹上從內(nèi)到外的采摘。橫臂根部的180°齒輪盤旋轉(zhuǎn)可改變采摘器的高低；豎臂由支柱、絲桿和蝸輪蝸桿組成，由四根支柱作為整體的支撐，絲桿傳動控制橫臂在豎直方向的上下運動；根據(jù)水果高低的分布，調(diào)節(jié)橫臂的高低；底座360°的旋轉(zhuǎn)方便果農(nóng)在一個位置完成多個位置的水果采摘。橫臂和豎臂相配合,可讓橫臂末端的采摘器到達指定采摘對象的下方，完成果樹樹冠頂部、中部和底部從內(nèi)而外的所有空間點上水果的采摘。

圖3 伸縮裝置

圖4 采摘裝置

2.3 采摘裝置設計

采摘器如圖4所示，由收集筐2、水桶提手式切割刀片3和載果器主體4組成。當果農(nóng)操縱采摘裝置把采摘器對準水果時，觸發(fā)光電開關，控制采摘裝置的程序啟動，帶動正反轉(zhuǎn)電機旋轉(zhuǎn)，從而帶動連接在電機上的水桶提手式切割刀片。水桶提手式切割刀片轉(zhuǎn)動，切斷果柄，水果落入蘋果傳輸器中，下滑至收集裝置。整個采摘器運用水桶提手原理,使它始終保持一個豎直的狀態(tài)，提高效率。

3 程序設計

電動式水果采摘收集一體機控制程序主要由收集程序(圖5)、收集子程序(圖6)、采摘程序(圖7)組成。

收集程序開始是判斷I1、I7、I3、I8的開關狀態(tài)。當操作人員按動開關I1時，程序進入子程序(圖6)，執(zhí)行子程序1，M2轉(zhuǎn)動。當運動觸碰到開關I2或I5時，M2電機停止轉(zhuǎn)動，M1轉(zhuǎn)動。當觸碰到開關I6時，跳出子程序，M1停止轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)蘋果傳輸器準確定位在一號收集筐上方，如圖2所示。同理，當操作開關I7、I3、I8時，水果傳輸器會準確定位在相應的收集筐二、三、四號上方。

采摘程序首先操作開關I2、I3,使電機M1轉(zhuǎn)動，當觸碰到開關I4時,電機M1停止轉(zhuǎn)動，機械臂帶動采摘器到達水果的下方。在操作機械臂的同時，采摘器中的光敏傳感器I1一直判斷。當I1的數(shù)值大于12000時，電機M2正轉(zhuǎn)1秒反轉(zhuǎn)1秒；I1的數(shù)值小于13000時，電機M2停止轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機械臂帶動采摘器到達水果下方切斷果柄的功能。

圖5 收集程序

圖6 收集子程序

圖7 采摘程序

4 結語

電動式水果采摘收集一體機便于果農(nóng)單人操作，解決了果農(nóng)考慮經(jīng)濟利益而不得不放棄昂貴機械采摘設備的問題，符合市場需求。此半自動化一體機能夠很好地減少對水果和果樹的傷害，提高采摘效率。