水果采摘輔助機構的創新設計

王 歡 況威權 鄧小珍 鐘天亮

(南昌工程學院，江西 南昌330099)

1 概述

由于水果是季節性農作物，加上采摘環境的復雜性，在采摘作業中，目前國內的采摘作業基本上靠雇傭工人手工完成，成本高、效率低。因此研制一種可以降低勞動力投入、提高工作效率、增加經濟效益的水果采摘裝置，用于代替傳統相對落后的人工作業，具有重要的意義。本文以桃子的采摘為例，設計一種使用擰轉式為主要采摘方式的輔助采摘裝置。

2 采摘輔助裝置的總體設計

桃子采摘輔助裝置其特征是結構輕巧，適應性強，降低采摘時對果實以及果樹的損傷，從而增加果農的經濟利益。為了實現上述目標，本設計將對主要組成部分：夾持器裝置、槽輪轉動機構和收集裝置進行設計。圖1 為桃子采摘輔助裝置的示意圖

圖1 桃子采摘輔助裝置的示意圖

夾持器裝置主要由無桿氣缸、毛皮、Y 型支撐底架和接觸感應器組成。毛皮附在夾持元件上，夾持元件與無桿氣缸連接，通過氣壓的變化，以實現夾持元件的移動，從而調節三爪的抓取范圍，適應不同尺寸大小的桃子，完成抓取步驟。

槽輪轉動機構由三槽槽輪、單銷撥盤以及電動馬達組成。三槽槽輪與Y 型支撐底架連接，單銷撥盤與電動馬達連接，形成槽輪機構，撥盤通過圓銷撥動槽輪旋轉，從而帶動采摘器裝置轉動，完成將桃子從樹上取下的工作。

收集裝置由布袋組成，布袋內部有類似靜瓣膜的形狀的緩沖裝置，用以降低桃子掉落時的損傷；為使桃子能順利落入收集裝置中，本裝置采用曲柄滑塊機構和絲桿傳動機構，兩者共同作用，使夾持器裝置傾斜后，夾持元件松開，桃子掉落，完成采摘工作。

工作原理：采摘桃子時，按動充氣按鈕，無桿氣缸因為氣壓的變化帶動夾持元件滑動，三個夾持元件組成一個爪型抓取區域，當夾持元件與桃子表面接觸時，接觸壓力傳感器傳遞停止信號，無桿氣缸充氣停止，實現夾取作業。當夾取工作完成，按下電機2 啟動按鈕，控制電動馬達轉動一周，馬達帶動撥盤轉動，圓銷推動三槽槽輪，從而使得采摘器裝置扭轉 120°后反轉120°，仿造人手工作業，將桃子果梗擰斷，完成采摘作業。擰斷后通過曲柄滑塊機構，將采摘器裝置傾斜一定角度后，無桿氣缸放氣，抓取裝置松開，桃子從采摘器裝置落入收集裝置，桃子通過緩沖瓣膜，掉進布袋，完成整個采摘過程。

3 關鍵部件的設計

3.1 夾持器裝置的設計

根據對不同種類采摘形式的優缺點，結合桃子果實的特點，我們選用的是扭轉式采摘，最大尺度的保護桃子表面的原貌，降低對枝條以及樹基的損傷。本次選用的夾持器裝置基于要滿足整體結構輕便，避免頭重腳輕的要求，選用的夾持元件都是密度較小的塑料，為了能夾住不同大小桃子，本設計利用無桿氣缸，通過沖放氣，控制夾持元件平動，從而改變夾持元件間的相對距離，實現對尺寸不同的桃子的夾緊。夾持器工作原理如圖2 所示。

圖2 夾持器工作原理

3.2 收集裝置的設計

市面上的水果收集裝置，都是直接一個網兜，水果從采摘器上直接掉落到網兜，這對于一些表皮比較硬的水果，比如蘋果，梨子和臍橙等水果，沒有什么太大影響，但是對于像桃子這種表皮比較柔軟的水果，從高處掉落極易傷害其果皮，影響賣相，縮短水果的保質期，降低果農的經濟利益，本裝置采用了一種類心脈瓣膜的裝置。在布袋中加入一圈倒八型的緩沖材料，當桃子從采摘器中掉落時，從大口進入收集布袋，通過倒八緩沖的作用，減少一部分的力，從而對桃子表皮進行保護。為了使夾持器采摘下來的桃子果實順利落入收集布袋中，還需要設計一個機構，將前面的采摘器轉動一定角度，收集裝置工作原理如圖3所示：

圖3 收集裝置工作原理

裝有驅動裝置的結構充當曲柄AB，滑塊往上滑動時，通過連桿作用，曲柄AB 繞鉸鏈A 點旋轉，從而帶動整個采摘器裝置轉動一定角度，夾持器的無桿氣缸放氣，抓手開始松開，接著果實落入收集布袋中，滑塊往下滑動，夾持器裝置恢復原位，整個采摘過程完畢。為了驅使滑塊滑動，本設計采用了絲桿傳動結構。絲桿傳動結構主要由絲桿、電機組成。它能將電動機的回轉轉動轉化為一個滑塊平臺的直線運動，絲桿傳動結構的滑塊可以充當曲柄滑塊機構的滑塊，從而可以控制滑塊的移動，驅動曲柄轉動。

4 系統的控制設計

4.1 硬件系統設計

為實現采摘裝置的自動化，本論文選用單片機對相應電機進行控制，通過控制直流電機的正反轉，轉動時間來完成整個采摘過程，現選用AT89C51 單片機作為控制開發板，采摘裝置控制系統框圖如圖4 所示:

圖4 采摘裝置系統框圖

采摘裝置共有三個電機，且為更符合人機化設計，易于停錯暫停，所以這三個電機獨立運動，互不影響，由相應的按鍵開關控制，按鍵開關分別于單片機的P1 口連接，且電機需要控制正反轉，故需要介入"H" 橋電路，相應電機控制引腳如表1 所示：

表1 電機的控制引腳

4.2 系統的軟件設計

從裝置的工作流程來設計，系統由按鍵控制程序、直流電機控制程序和延時程序組成。具體程序流程圖如圖5 所示：

當單片機系統檢驗到按鍵按下，系統給相應的直流電機供電，從而控制電機的轉動，由于"H"橋的工作特性，系統通過給不同引腳高電平，可以實現直流電機的正反轉。

圖5 程序流程圖

結束語

本設計是針對短果梗、果實生長集中的果類設計的，本文以桃子為主要研究對象，設計了一種輕便省力的半自動化的采摘裝置。能為以上情形下的果類采摘提供設計思路，結合果實特性，通過調整夾持器抓取范圍的大小，實現采摘。本設計屬于半自動化裝置，如果將其人工手持部分改為機器的末端執行機構，結合現有的圖像識別技術，也可做成桃子采摘機器人，實現無人工參與，全自動化控制采摘作業，為我國的農業自動化的發展貢獻力量。