張欣馳，霍緒堯，趙吉祥，徐勁

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，遼寧 錦州 1210001）

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今市場上水果機(jī)械采摘方式主要有振搖式、撞擊式以及切割式三種。振搖式是利用外力使樹體或樹枝發(fā)生震動(dòng)或振搖，使果實(shí)產(chǎn)生加速度，在連接最弱處與果實(shí)分離而掉落。撞擊式是撞擊部件直接沖撞果枝或敲打牽引果枝的棚架震落果實(shí)。切割式是將樹枝或果柄切斷使果實(shí)與果樹分離的方式。上述幾種機(jī)械水果采摘方式仍然以人工為主，機(jī)械為輔，沒有達(dá)到自動(dòng)化采摘的程度，我們研究設(shè)計(jì)一種新型水果自動(dòng)采摘車用來取代人工采摘，可實(shí)現(xiàn)水果的自動(dòng)采摘。本設(shè)計(jì)的水果自動(dòng)采摘車可以代替人工采摘生長在樹上的水果，能自動(dòng)采摘指定高度內(nèi)任意位置的水果，可以大大減輕果園勞動(dòng)者的負(fù)擔(dān)，提高水果采摘的自動(dòng)化程度。

1 水果自動(dòng)采摘車的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水果自動(dòng)采摘車主要包括行走裝置、識(shí)別裝置、升降裝置、切斷裝置、抓取裝置及控制器等六部分，如圖1所示。升降裝置主要完成抓取與切斷平臺(tái)的升降動(dòng)作，由垂直方向上的機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)。識(shí)別裝置通過圖像自動(dòng)識(shí)別傳感器處理，用來確定水果的具體位置，并將位置信息反饋到控制器，控制器發(fā)出信號(hào)到行走裝置，使采摘車移動(dòng)到待采摘水果的正下方，然后控制器發(fā)出信號(hào)到升降裝置，升降裝置抬升到待采摘水果位置后，再通過電磁鐵切斷及抓取裝置收集果實(shí)，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采摘的功能。

2 水果自動(dòng)采摘車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水果自動(dòng)采摘車控制流程如圖2所示，首先上電啟動(dòng)水果采摘車，識(shí)別裝置進(jìn)行圖像信息采集，確定待采摘目標(biāo)位置，控制器將待采摘目標(biāo)位置信息實(shí)時(shí)處理成方向矢量信號(hào)，并傳遞到水果自動(dòng)采摘車行走裝置，行走裝置自動(dòng)尋位至待采摘水果正下方，采摘車到達(dá)指定位置后，控制器輸出信號(hào)給升降裝置，升降裝置抬升到位后，切斷裝置執(zhí)行采摘?jiǎng)幼?，采摘完成的水果落入收集裝置，一次采摘完成?？刂破靼l(fā)出信號(hào)進(jìn)行下一目標(biāo)采摘，循環(huán)工作。

根據(jù)水果自動(dòng)采摘車控制需要，識(shí)別裝置采用Pixy Cmucam5圖像傳感器模塊并配有云臺(tái)支架，可實(shí)現(xiàn)360°仰視旋轉(zhuǎn)，目標(biāo)選擇范圍更廣泛，同時(shí)Pixy Cmucam5圖像傳感器模塊可對(duì)顏色進(jìn)行識(shí)別，可以自主區(qū)分成熟水果；控制器采用Arduino STM32開發(fā)板；行走裝置加裝簡易懸掛系統(tǒng)，更適應(yīng)果園顛簸不平的地形特征，行走裝置步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為7BYGH93-401A，其配套驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為2M542-N；升降裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)為110BYGH350D，配套驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為3M2060H；切斷裝置采用直流24V推拉式電磁鐵，行程末端裝有剪斷刀頭，慣性撞擊力可達(dá)2kg，足以剪斷待采摘水果梗。

3 水果自動(dòng)采摘車試測及效果

經(jīng)過不斷嘗試努力，試制出了水果自動(dòng)采摘車的模型樣車，如圖3所示。經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試，該模型樣車能夠很好實(shí)現(xiàn)水果自動(dòng)定位采摘的功能，可以很大程度上降低果農(nóng)的工作量，提高水果采摘的效率以及水果完好率。

圖2 水果采摘車控制流程圖

圖3 水果采摘車模型樣車

4 水果自動(dòng)采摘車的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）水果自動(dòng)采摘車擁有一套完整的信息模塊化處理的功能，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)都能做到精準(zhǔn)控制，操作簡單，穩(wěn)定性好。

（2）水果自動(dòng)采摘車?yán)秒姶徘袛嘌b置能實(shí)現(xiàn)對(duì)待采摘目標(biāo)進(jìn)行逐個(gè)采摘，相對(duì)于傳統(tǒng)的振搖式、撞擊式和切割式水果采摘車，更滿足現(xiàn)實(shí)中對(duì)水果完整性的需要。

（3）水果自動(dòng)采摘車的升降機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)上采用垂直升降的方法，大大節(jié)省了操作空間，能更好的適應(yīng)復(fù)雜的采摘環(huán)境。

5 結(jié)語

水果自動(dòng)采摘車能夠自動(dòng)完成一個(gè)完整的采摘流程，并且在采摘時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行逐個(gè)精準(zhǔn)操作，極大地提高了采摘效率，并且最大限度的保證了待采摘水果的完整性。本設(shè)計(jì)普遍適用于各種規(guī)模的果園。隨著本設(shè)計(jì)的推廣應(yīng)用，將大幅降低果農(nóng)的工作量，提高水果采摘的效率以及水果完好率。

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