基于慧魚模型的一種振動式大棗采摘裝置方案設計＊

閆磊，聶陽文，胡星

基于慧魚模型的一種振動式大棗采摘裝置方案設計＊

閆磊，聶陽文，胡星

（西安建筑科技大學機械基礎實驗中心，陜西 西安 710055）

現有的大棗采摘方式主要是人工采摘，果農用桿子將棗打下再收起來，采摘任務繁重，費時費力。設計了一種振動式大棗采摘裝置及采摘方法，以解決上述存在的技術問題。采摘裝置操作簡單，具有較高的安全性和可靠性，能夠提高采摘效率，節省人力物力，并較好地保證采摘水果的質量，減輕采摘時對大棗的損傷。

慧魚模型；大棗采摘；采摘裝置；方案設計

棗是北方的重要果樹之一，新疆、河北、山東、河南、山西、陜西等是大棗主要產區。大多數棗產區都在自然生態條件較差的干旱山區丘陵、河灘沙地、鹽堿灘地，甚至是大漠戈壁等不適耕作的貧困地區，對脫貧致富起重要作用。中國大棗產業發展迅猛，棗樹種植總面積超過250萬公頃，占世界棗樹種植總面積的50%以上，總產量360多萬噸，占世界總產量的1/3。中國是世界棗的唯一出口國，在相當長一段時間內，中國在世界紅棗生產和貿易中占有絕對主導地位。區別于北方其他常見果樹，如蘋果樹、梨樹等，棗樹本身有許多生物學特性是很符合高產穩產需要的。然而，棗樹的平均高度在3～5 m，樹枝繁密，縱橫交錯。目前采收棗的方法主要還是手摘法和打落法，手摘法只能針對較低矮的棗樹，且因為棗樹本身有尖刺所以導致工效很低，而針對較高大的棗樹的打落法則容易引起棗的損傷，對樹體的損傷也大，大棗的采摘是整個生產中最耗時耗力的一個環節，棗采摘期間與要投入的勞動力約占整個種植過程的50%～70%，人工采摘棗所需的成本在水果的整個生產成本中所占的比例竟高達33%～50%。采摘質量的好壞直接影響到棗的儲存、加工和銷售，從而最終影響市場價格和經濟效益。

針對棗類采摘問題，本文設計了一款交互性良好的小型半自動人工輔助采摘設備，本產品與手持式采摘果棗裝置相比，具有效率高、勞動強度低、操作簡單等特點。

1 方案設計與工作原理

采摘裝置如圖1所示，主要由行走部分、采摘部分和收集部分組成。

行走部分采用履帶驅動方案，履帶驅動方案具有通過性和爬坡性強等優點，適合在果園等復雜地形運動。

采摘部分由振動電機、傳動裝置和夾持裝置組成。振動電機通過傳動裝置對夾持裝置進行驅動。傳動裝置為一曲柄滑塊機構，振動電機固接在曲柄滑塊機構的曲柄之上，夾持裝置固接于曲柄滑塊機構的滑塊之上，通過傳動裝置，把電機的回轉轉化為夾持裝置的往復運動。夾持裝置采用氣缸驅動實現夾持與張開運動，當夾持裝置夾住樹干時，電機通過傳動裝置能夠帶動夾持裝置發生振動，進而實現果實的振動脫落。

收集裝置包括收集網和伸縮支架。伸縮支架架設在運動裝置底盤之上，收集網鋪設在伸縮支架之上，當夾持部分夾住樹干后，伸縮支架打開使得收集網張開，用于收集跌落的水果。

圖1 采摘裝置的總體結構

2 采摘裝置的設計

采摘系統由驅動部分和夾持部分組成。

2.1 驅動部分設計

驅動系統如圖2所示，采用曲柄搖桿機構與曲柄滑塊機構通過杠桿連接的設計方案，曲柄搖桿機構首先轉化電機的旋轉運動為往復運動，在搖桿上選取適當長度作為曲柄滑塊機構的曲柄，以曲柄往復擺動驅動夾持部分做往復運動，以實現果樹的振動。通過對曲柄滑塊機構曲柄長度的調解和馬達的調速，實現夾持部分以不同的振幅和頻率進行振動，以完成對不同大小果樹的采摘。

曲柄搖桿機構由大齒輪帶動小齒輪，小齒輪和連桿相連接，驅動小齒輪轉動。在采摘裝置振動電機轉速一定的情況下，該傳動方案可使小齒輪具有更高的轉速，提升了夾持部分的振動頻率。通過杠桿兩端不同臂長在運動時角速度相同，而線速度不同的原理，使曲柄滑塊機構的滑塊（夾持部分）能夠讓夾持系統實現高頻率、小振幅的振動，避免對果樹根基的損傷。

圖2 采摘驅動裝置

2.2 夾持部分設計

考慮到向果樹傳遞振動需要夾持部分保持一定的夾持力度，而通過電機驅動夾持部分難以控制夾持力的大小，夾持力過大會損傷果樹樹干，而過小則無法有效傳遞振動，因此夾持部分采用氣缸驅動一個變異的平面四桿機構來實現夾持的動作，夾持裝置如圖3所示。

通過調整溢流閥的額定壓力控制夾持部分的加持力度。左右兩個連桿以鉸接的方式與夾持部分雙臂連接，通過氣缸驅動，實現夾持部分對果樹的夾持功能。

圖3 夾持裝置

3 自動伸縮網的設計

自動收縮網由絲杠螺母機構與五組平面四邊形機構組成，連桿的一端鉸接在采摘裝置底盤上，另一端鉸接在螺母上，通過絲杠的雙向回轉運動實現網的收縮與伸張。小車前端兩組平面四邊形機構采用人工的方式帶動網對果樹的包攏，可以適應與樹冠大小不同的果樹，以人工輔助、人車配合的方式對果樹進行采摘。自動伸縮網裝置如圖4所示。

4 控制方案設計

4.1 控制器選擇

控制器采用兩套慧魚模型配套的Txcontroler控制板并聯，如圖5所示，分別控制設備的運動系統、振動系統及自動伸縮網系統，并且可通過藍牙或WALN連接到電腦、智能手機，或者通過紅外遙控、手柄操控等遠程控制方式實現對采收設備的控制。

圖4 自動伸縮網裝置

圖5 Txcontroler控制板

4.2 控制手柄

手柄由7個限位開關組成，如圖6所示，限位開關I4、I5、I6、I7號分別控制小車的前進、后退、左轉和右轉，限位開關I2號和I3號分別控制可自動收縮網的伸張和收縮，在網伸張到最大程度會觸碰小車上的限位開關，張網會自動停止。限位開關I1號變為常閉狀態。

圖6 控制手柄

5 結束語

本文設計的振動式大棗采摘裝置操作簡便，人機交互良好，具有較高的安全性和可靠性，并且在提高采摘效率、節省人力物力的基礎上，能夠較好地保證采摘水果的質量，減輕水果在采摘中受到的損傷，具有良好的推廣價值。

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TP241

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.018

2095－6835（2019）19－0045－02

西安建筑科技大學教學改革項目（編號：JG021725）

〔編輯：王霞〕