劉丁寧， 趙紅霞， 鐘昊天， 高國強， 杜克祥， 袁江雄， 唐夢園

（井岡山大學機電工程學院， 江西 吉安 343009）

引言

我國是蘋果生產大國，然而，目前絕大部分蘋果采用純手工采摘，效率低下，勞動強度大，需要彎腰或爬高，具有一定的危險性?，F有的蘋果采摘機械大多功能單一，可靠性差，效率不高，難以滿足果農的實際需要。國外發(fā)達國家的蘋果采摘機械體型大，且價格昂貴，使用技術要求較高，不適合我國作業(yè)條件。隨著人工成本的提高，果農對水果采摘機械的需求也日益提高。本研究旨在設計一種半自動化便攜式水果采摘桿，通過手柄上按鈕就能完成水果的采摘工作，對減輕勞動強度、促進蘋果產業(yè)發(fā)展具有重要的應用價值[1]。

1 系統(tǒng)構成及總體工作原理

如圖1所示，該機具由采摘機械爪、伸縮桿、手柄、控制器、落果收集及緩沖裝置五大部分組成。機械爪的夾持機構關節(jié)處裝有扭簧，使夾緊力度控制在一定范圍內，具有一定的自適應作用，防止對果實造成物理損傷。在靠近伸縮桿的絲杠螺母底端安裝了一個微動開關，用于校準機械爪的初始位置，防止機械累積誤差。采用腸胃式收集裝置，使果實經過緩沖環(huán)后儲存在收集馕中。

機械爪的運動過程，在伺服電機的驅動下，經過齒輪傳動和特殊螺旋傳動帶動機械爪旋轉，使兩絲杠螺母完成周期性的旋轉和直線運動，通過連桿傳動實現機械爪的收縮和擴張。初始狀態(tài)為張開狀態(tài)，短按按鈕機械爪收縮后扯，碰到微動開關后機械爪張開，使果實通過落果收集及緩沖裝置到收集馕中，同時機械爪恢復到初始張開位置，即完成一次采摘任務[2]。

圖1 簡易總體結構示意圖

2 機械爪的傳動機構設計

2.1 雙往復絲杠機構

往復絲杠在不改變主軸轉動方向前提下，使滑塊實現往復運動。如下頁圖2所示，兩段往復絲杠可使兩絲杠螺母的相對位置不同，形成一種時而遠離、時而靠近、時而相對靜止的奇妙運動現象。該機械爪的設計也是在此機構的基礎上完成的。

2.2 連桿機構

如下頁圖3所示，連桿機構是用鉸鏈、滑道方式，將構件相互聯接成的機構，用以實現運動變換及傳遞動力。在該產品連桿傳動機構的設計中，主要作用是將絲杠螺母的直線相對運動位置來控制末端執(zhí)行器的開合狀態(tài)。

圖2 雙往復絲杠軸（單位：mm）

為實現機械爪的周期運動，本次設計的重點在于往復絲桿在不改變主軸轉動方向前提下，使滑塊實現往復運動的特點，以盡量使機械爪輕巧、緊湊和運動穩(wěn)定為原則，合理設計絲桿螺母的外形尺寸以及傳動齒輪組的尺寸和位置，然后根據絲桿螺母的位置與安裝爪盤后的效果，設計爪盤和三爪夾持機構間的連桿機構。

圖3 機械爪總體結構設計圖

2.3 末端夾持機構的設計

該采摘機械爪采用三爪夾持機構，如圖4所示。采摘環(huán)境復雜多變，加之周邊枝葉和果實的干擾，在滿足抓取任務的前提下三爪能做到結構簡潔，同時受力均勻，大大提高了靈活性。末端夾持結構的設計直接影響蘋果的采摘效率和損傷程度，在執(zhí)行器抓牢果實后利用機械爪的旋轉擰斷果柄。如果利用電極或者切刀直接切斷果柄，則對蘋果的果柄方位的定位要求較高。結合實際采摘要求，為更加方便采摘作業(yè)，提高采摘效率，第一種方案更符合要求。

摘取方式采用包絡抓取擰斷方式。對于蘋果這樣的硬度較大、受力形變較小、形狀較規(guī)則、體積適中的水果，采用包絡抓取能穩(wěn)定地抓住水果，然后采用擰斷方式能成功達到無損采摘。

通過采摘手與連桿機構的鏈接與配合，將導桿的直線運動轉化為末端執(zhí)行器的夾、合運動。采摘手經過一定的外形設計加上特定扭簧的配合，能夠較好地降低蘋果的損傷率。這樣不僅省去了檢測果柄這一復雜過程，而且還提高了扭斷果柄的準確度和采摘效率，容錯率較高[3]。

圖4 末端夾持機構整體外形

3 控制系統(tǒng)的設計與分析

該系統(tǒng)使用LQFP48封裝的STC11F32XE單片機為主控芯片，主程序主要功能為：檢測按鍵是否被按下及復位?？刂破鳈z測到采摘按鈕按下后，判斷是短按或長按，短按時主程序將進入采摘子程序，采摘子程序會自動控制系統(tǒng)進行采摘作業(yè)。完成本次采摘作業(yè)后，將繼續(xù)等待采摘按鈕的下一次按下。長按為連續(xù)轉動，直到觸碰到復位開關。

4 結語

該研究就基于雙往復絲杠機構的便攜式水果采摘機械的設計進行了論述，其關鍵在于采用包絡抓取擰斷的摘取方式，往復絲杠的特殊螺旋傳動將旋轉轉化為直線運動，經過連桿傳動和兩螺母的相對位置使末端夾持機構完成張合動作，與此同時完成機械爪的直線運動。采用欠驅動的方式，用一個電機的轉動實現三爪的張合動作、機械爪的升降和轉動。這樣使結構更加的緊湊，操作更為方便，體積小，便攜，可以滿足廣大果農的日常采摘需求，具有非常廣闊的發(fā)展前景[4]。