可適應性蘋果輔助采摘裝置研制

鄭曉峰，俞甬波，陳金龍，陳樟波，姚 坤

(浙江機電職業技術學院機械技術系，浙江 杭州310053)

0 引言

蘋果采摘是一項耗時、費力的勞動作業。目前，蘋果采摘方式主要有純人工采摘、輔助人工采摘、大型設備采摘以及機器人自動采摘等[1-2]。純人工采摘可根據水果的成熟度不同進行選擇采摘，損傷率極低，但存在勞動強度大、采摘效率低等問題，當果樹較高時，還需要借助梯子等工具，操作極不方便[3-4]。輔助人工采摘設備目前市場上有很多，但這些設備普遍存在適用性差，采摘效率不高等問題[5-6]。大型設備采摘以振搖式和撞擊式為主，采摘效率高，但對水果會造成很大的損傷[7-8]。機器人自動采摘一定程度上解放了勞動力，但因為水果大小、顏色和成熟度不同，給機器人的識別和采摘帶來很大難度，同時也存在果實受損率高、采摘耗時較長、對種植規范性要求高及難以用于大范圍推廣等問題[9-10]。

為了解決上述問題，設計并制作了一套可變式蘋果輔助采摘裝置，在確保采摘質量的前提下，與現有人工輔助采摘相比，其采摘效率有較大提升。同時，該裝置靈活多變，適用性強，成本低，采用拉桿式設計，簡潔便攜，適用于果園或個體果農采摘。

1 采摘裝置設計

可變式蘋果輔助采摘裝置應具備結構簡單、操作簡便、傷果率低、采摘效率高以及制造成本低等優點，整體方案設計包括可變式采摘模塊設計、分選與收集模塊設計及視頻輔助模塊設計。裝置特點是可變式采摘模塊可靈活自由調整，能更好地適應果子大小不同、方位不同及樹枝交錯的復雜情況；收集與分選模塊可自動快速收集并分選蘋果；視頻輔助模塊通過APP軟件使手機與前端攝像頭實時連接，通過手機視頻確定蘋果方位，可避免果農長時間仰頭采摘；裝置設置有相應保護措施，很好地降低了果實受損率。可變式蘋果輔助采摘裝置實物如圖1所示。

1.1可變式采摘模塊設計

可變式采摘模塊包括左右包容機構和前端采摘機構，整個模塊質量約550 g。左右包容機構可變換包容空間，當包容機構打開時，可用于采摘成串果實，以提升采摘效率；當果實處于果樹內部無法采摘時，可將包容機構縮小，方便整個采摘模塊伸進果樹內部。前端采摘機構設置有轉動式采摘爪和刀片切斷機構，可根據果實的大小、方位和成熟度等選擇鉤取采摘或切斷果梗采摘。可變式采摘模塊如圖2所示。

1.1.1左右包容機構組成及工作原理

(1)左右包容機構的組成。

左右包容機構由包容機構主體部分、左包容爪和右包容爪等構成。包容機構主體部分包括連桿1、連桿2、傳動軸、齒輪箱前后板和電機等。左右包容機構其內側兩關節可轉動的角度范圍為0～80°，外側兩關節轉動的角度范圍為0～120°，內外關節聯動，具有較大的可調空間。

(2)左右包容機構的工作原理。

左右包容機構創新不全形齒輪的應用，實現了欠驅動，可由1個電機驅動4個關節，且兩兩關節分離動作。其核心部件是包容機構主體部分，該主體部分左右對稱，為了說明其工作原理，以右半部分為例進行闡述，如圖3所示。圖中有兩條傳動鏈，分別是傳動鏈1和傳動鏈2。

傳動鏈1：主動輪1—從動輪1(不全形齒輪)—關節1。

傳動鏈2：主動輪2—從動輪2(不固定)—惰輪—從動輪3—關節2。

當從動輪1(不全形齒輪)處在嚙合區時，實現關節1的轉動，此時關節1與關節2無相對轉動。

當從動輪1(不全形齒輪)處在非嚙合區時，關節1停止轉動，此時通過傳動鏈2實現關節2轉動。

由此實現了關節1和關節2的分離動作，從而增大了可調包容區間。

1.1.2前端采摘機構組成及工作原理

(1)前端采摘機構的組成。

前端采摘機構由采摘爪、轉動軸、渦輪蝸桿機構、刀片和電機等組成，前端采摘機構如圖4所示。

采摘爪直徑為10 mm，長為110 mm，圓弧半徑為98 mm；轉動軸是直徑為10 mm的鋁軸；刀片選擇直徑為30 mm的硬質合金圓鋸片，刀口鋒利、質量輕且耐磨性好；渦輪蝸桿傳動比為1∶8。

刀片驅動電機選擇：前端采摘機構提供刀片切斷果梗采摘方式，刀片確定后，需要選擇合適的電機以驅動刀片轉動。蘋果果梗的直徑一般都<3 mm，性質接近于塑性材料，其在逆紋方向的許用切應力[τ]=10 MPa，安全系數S=0.6～0.8，為了保證圓鋸片能夠切斷果梗，取S=0.7，則計算得切應力[11-12]。

τ=[τ]S=100.7=14.29 MPa

(1)

通過計算法和試驗法，刀片驅動電機選擇額定電壓12 V、額定扭矩3 920 N·M以及額定轉速1 200 rmin，此時可達到較佳的切斷效果。

(2)前端采摘機構的工作原理。

采摘爪可繞軸任意轉動，能更好地采摘不同方向和位置的水果。轉動軸通過蝸輪蝸桿驅動，自鎖力矩大，可滿足不同水果的采摘力要求。刀片通過螺釘固定于法蘭盤上，可拆卸更換，由高速電機驅動實現旋轉切割果梗。

根據不同水果的特點及成熟度，前端采摘機構提供兩種采摘模式，即直接由采摘爪鉤取采摘和切斷果梗采摘。當水果成熟度較高時，由采摘爪單個或多個成串鉤取采摘；當水果成熟度不高時，由刀片切斷果梗實現采摘。

1.2分選與收集模塊設計

分選與收集模塊由網袋通道、分選機構和收集機構構成。網袋通道一端與采摘模塊相連，一端與分選機構前部相連。蘋果采摘后無須人工拾取，蘋果自動滑落至收集桶，可大大減少勞動強度，提升采摘效率。分選與收集模塊如圖5所示。

1.2.1分選機構組成及工作原理

分選機構由兩節管道組成，管道從小到大開梯形槽，上口小，下口大，上口最小槽寬45 mm，下口最大槽寬100 mm，通過抽拉管道可調節開口大小。當蘋果從管道滑落時，小蘋果從小口梯形槽滑落至收集桶1，大蘋果從大口梯形槽滑落至收集桶2，從而實現大小蘋果的分選。分選機構如圖6所示。

1.2.2收集機構組成及工作原理

收集機構由收集桶1、收集桶2、導軌和拉桿等組成，如圖7所示。通過滑軌將兩個收集桶相互嵌套在一起，可以通過抽拉實現擴容近1倍。利用拉桿可以推拉收集桶，減輕勞動力。整個收集機構采用拉桿式設計，大小桶相互嵌套，可分選，可擴大容量空間，簡潔便攜，可滿足各種復雜地形的使用要求。

1.2.3防損傷措施

蘋果采摘在提高效率的同時必須兼顧采摘質量，降低損傷率，為此設計了多重防護措施。在分選機構的梯形槽出口處和網袋通道的內部設有防碰撞網袋，當蘋果經過網袋時，由于摩擦力的作用減緩蘋果的滑落速度，避免嚴重碰撞而損傷蘋果。收集桶內布置有隔離布，蘋果經分選機構分選后，會先掉落在隔離布上繼續減速，然后滑至收集桶，從而更好地保護蘋果。收集桶內放置有收集網袋，當蘋果收集滿后，無須傾倒收集桶，只要將網袋提出即可，避免蘋果傾倒時受損。

1.3視頻輔助模塊設計

視頻輔助模塊由小型攝像頭，手機及APP軟件組成。攝像頭視覺廣角120°，質量約80 g，尺寸4.5 cm×4.5 cm×2 cm，無光夜視8 m。攝像頭安裝在輔助采摘模塊的后端，手機通過支架固定于伸長桿后端，如圖8所示。其工作過程為攝像頭實時捕捉采摘爪前端的狀況，如圖9a所示。然后通過藍牙或wifi將信息傳導至手機終端，經APP連接，即可在手機上實時顯示采摘爪前端的實際情況，如圖9b所示。視頻輔助模塊實現對蘋果的輔助定位，使采摘果實更加輕松，同時也避免果農長期仰頭工作，有效降低勞動強度。

2 采摘試驗

為了對可調式水果輔助采摘裝置的使用效果進行驗證，進行采摘試驗。試驗條件：以盛果期紅富士果樹為采摘對象；采摘組別分為試驗組(1人)、對照組(1人)。試驗組采用的是可變式水果輔助采摘裝置，對照組采用的是常規手工采摘方法；兩顆果樹高約2.5m且密度相近；輔助工具有剪刀、梯子、收集桶和籃子等。采摘方法：以10 min為限，由果樹下方開始向樹冠方向采摘，并記錄下每分鐘的采摘個數。

由表1和圖10可知，從采摘效率來看，在相同時間內(試驗時間為10 min)，使用可變式蘋果輔助采摘裝置采摘蘋果的個數為170個，使用常規手工采摘方法采摘蘋果的個數為95個，前者效率約是后者的1.8倍，與裝置的設計預期15個min相比，其效率超出預期；從采摘趨勢來看，當果樹越高時，單位時間內常規手工采摘蘋果個數呈遞減趨勢，可變式水果輔助采摘裝置基本不受影響；從采摘情況來看，兩者采摘方式的果實表面碰傷情況均較少，有果梗保留的蘋果其果梗長度也類似，兩個試驗組的采摘質量基本相同。

表1 蘋果采摘統計

3 結論

設計的可變式蘋果采摘裝置具備靈活可變的采摘爪和包容爪，既可適應采摘不同大小、不同方位的蘋果，又能克服樹枝交錯不易采摘的難題。提供了直接鉤取采摘(單個或成串)和刀片切斷果柄采摘兩種方式，可根據實際情況進行選擇。水果分選收集模塊采用拉桿式設計，攜帶方便，收集桶可擴容可分選，無須人工拾取，高效快捷。同時設置有緩沖防碰撞措施，極大降低了果實的受損率，確保采摘質量；視頻助模塊可對蘋果進行輔助定位，能夠更加方便地實現采摘。試驗表明，可變式蘋果輔助采摘裝置的采摘效率高，是常規手工采摘的1.8倍，且果實受損率低，采摘質量較佳。