便攜式自動(dòng)果實(shí)采摘機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

楊光 齊秀彪 左迎香 金琦雨 宋月文 林明澤 李士亮 湯壽山

【摘 要】設(shè)計(jì)一種便攜式自動(dòng)果實(shí)采摘機(jī)，利用機(jī)電結(jié)合的方式，集采摘、傳送、收集、運(yùn)輸于一體，具有體積小、使用方便、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，尤其適用于暖棚等有限作業(yè)空間，大大提高了采摘效率，具有較好的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】采摘機(jī)；便攜；機(jī)械結(jié)構(gòu)；控制部分

一、引言

我國是世界領(lǐng)土面積第三大國，廣闊的土地，鑄就了我國農(nóng)業(yè)大國的格局，農(nóng)業(yè)裝備的機(jī)械化、智能化是發(fā)展的必然趨勢，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)構(gòu)已逐步進(jìn)入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，雖然也出現(xiàn)了一些機(jī)械化的采摘設(shè)備，但由于成本高、體積大等，在使用上具有一定的局限性。因此研制一款價(jià)格較低，操作方便，工作可靠的采摘機(jī)是十分有必要的。

本文通過查閱相關(guān)資料，針對(duì)暖棚這樣的有限的作業(yè)空間，進(jìn)行了便攜式果實(shí)采摘機(jī)的設(shè)計(jì)和研究，并根據(jù)設(shè)計(jì)方案，制作了采摘機(jī)的結(jié)構(gòu)模型。

二、總體方案設(shè)計(jì)

本次采摘機(jī)所要實(shí)現(xiàn)的功能為果實(shí)識(shí)別、果實(shí)采摘以及果實(shí)運(yùn)輸?shù)热糠郑O(shè)計(jì)方案的主要包括機(jī)械和控制兩大部分，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（一）工作原理

本采摘機(jī)底部放置小車底盤，帶動(dòng)剪切機(jī)械手的機(jī)械臂坐落在小車底盤上，同時(shí)機(jī)械手上安裝有剪切刀片，在果實(shí)采摘時(shí)，通過傳感器對(duì)果實(shí)進(jìn)行識(shí)別，確定剪切位置，從而完成果實(shí)的剪切，剪切掉的果實(shí)，順著軟管下滑落入車后方的收集箱，然后返回到指定地點(diǎn)，完成果實(shí)的采摘與運(yùn)輸，動(dòng)作過程如圖2所示。

（二）機(jī)械結(jié)構(gòu)部分

（1）小車底盤

為了提高果實(shí)采摘的效率，減輕果農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度，便于果實(shí)運(yùn)輸，本次設(shè)計(jì)的采摘機(jī)底部安裝小車底盤，在采摘過程中，通過控制小車的運(yùn)動(dòng)，在采摘地點(diǎn)往復(fù)行走，與采摘機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)配合，完成果實(shí)的運(yùn)輸，便攜式果實(shí)采摘機(jī)的電動(dòng)機(jī)的使用特點(diǎn)為快速啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、承受過載、無調(diào)速要求。依據(jù)電動(dòng)機(jī)類型參照表，直流電動(dòng)機(jī)有著快速頻繁啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、大過載能力、順滑的速度、精切、方便使用、低價(jià)易于保養(yǎng)等特點(diǎn)。故本次采摘機(jī)模型制作首選用直流電動(dòng)機(jī)。機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，方便安裝，四個(gè)直流減速電機(jī)，轉(zhuǎn)彎靈活，方向性好，且底盤容易擴(kuò)展。對(duì)于復(fù)雜的地形，為了避免車體過于振動(dòng)，可以采用履帶式小車底盤。

（2）機(jī)械手臂

用于完成采摘?jiǎng)幼鞯臋C(jī)械手臂具有四個(gè)自由度，在顏色傳感器識(shí)別成熟果實(shí)后，觸發(fā)程序的控制下，帶動(dòng)機(jī)械手完成對(duì)在果實(shí)莖處進(jìn)行剪切，整個(gè)機(jī)械手臂的作用是帶動(dòng)剪切機(jī)械手完成果實(shí)的采摘?jiǎng)幼鳌?/p>

（3）傳送緩沖裝置

在機(jī)械手完成剪切動(dòng)作后，剪切掉的果實(shí)由于重力的作用會(huì)迅速下落，為了避免果實(shí)在下落的過程中受到損害，采摘機(jī)包含了傳送緩沖裝置[1]，將軟管與剪切機(jī)械手相連，其長度可根據(jù)機(jī)械手移動(dòng)的位置進(jìn)行調(diào)整，在果實(shí)落入收集裝置以前能夠在很大程度上減少了撞擊對(duì)水果果品產(chǎn)生的損害。

（4）收集裝置

為便于果實(shí)的收集，在車底盤后方安裝收集裝置，順著緩沖軌道下落的果實(shí)，直接落入收集裝置中，待小車行走到指定地點(diǎn)，再將果實(shí)卸下，提高了采摘的效率。

（三）控制部分

本次設(shè)計(jì)的控制部分主要是針對(duì)小車的行走路線、機(jī)械手的采摘?jiǎng)幼饕约岸咧g動(dòng)作的配合。控制方式采用基于Arduino的顏色傳感器識(shí)別[2]，控制程序流程如圖3所示：

三、結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的采摘機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，操作方便等特點(diǎn)，特別適用于在暖棚等有限作業(yè)空間內(nèi)工作，通過設(shè)定的采摘路線，利用機(jī)電結(jié)合的方式，降低了農(nóng)戶的勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了采摘的效率。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 許書菡.便攜式摘果器[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2016，19（10）：165-166.

[2]呂小蓮.基于顏色信息的采摘西紅柿識(shí)別方法[J].計(jì)算機(jī)工程，2010，36（11）：178-179，182.