趙文寶，丁 頌，龐培釗，王 銘，郭 爽

(長春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長春 130032)

中國是當(dāng)今世界上最大的水果生產(chǎn)國和水果消費(fèi)國，其中，僅蘋果在2016年的總產(chǎn)量就為3045萬噸。在整個(gè)水果生產(chǎn)過程中，水果采摘作業(yè)所需的勞動(dòng)力占整個(gè)過程的35%～55%。目前，國內(nèi)外的水果采摘方式主要有人工采摘、機(jī)械輔助采摘和機(jī)械化采摘三種。近幾年來，機(jī)械化采摘在我國得到迅速發(fā)展，但現(xiàn)有的水果采收主要采用震動(dòng)樹干的方式，容易造成果實(shí)損傷，未成熟的果實(shí)也會(huì)一起脫落。我國果園環(huán)境多位于碎石較多的山地，大型設(shè)備無法運(yùn)行，且成本較高，果農(nóng)難以負(fù)擔(dān)。電動(dòng)式水果采摘收集一體機(jī)是一款半自動(dòng)化輔助采集設(shè)備，適應(yīng)市場要求，能較好地解決水果采摘過程中存在的問題。

1 總體設(shè)計(jì)方案

電動(dòng)式水果采摘收集一體機(jī)如圖1所示，由收集裝置1、采摘裝置2和伸縮裝置3組成，三個(gè)系統(tǒng)的主要零部件由水桶提手式切割刀片、控制器、采摘器、機(jī)械臂、蘋果傳輸器、水果集中收集筐、人工控制端等組成。整個(gè)裝置的采摘過程由慧魚程序控制，當(dāng)確定采摘對(duì)象后，通過按鈕控制蘋果傳輸器選擇收集筐，絲杠傳動(dòng)控制蘋果傳輸器前后運(yùn)動(dòng)，齒輪齒條傳動(dòng)控制蘋果傳輸器左右運(yùn)動(dòng)，精確定位在相應(yīng)收集筐上方，通過控制按鈕，機(jī)械臂帶動(dòng)采摘器到采摘對(duì)象下方，采摘器中的感光傳感器感應(yīng)到蘋果時(shí)，刀片旋轉(zhuǎn)，切斷果柄，落下的蘋果沿采集器進(jìn)入蘋果傳輸器，傳輸?shù)街付ㄊ占穑瑢?shí)現(xiàn)蘋果人工輔助采摘。機(jī)械臂通過伸縮、彎曲變向，可采摘樹縫中不易采摘的水果。水果傳輸器是橡膠軟管，連接采摘裝置和收集裝置。此一體機(jī)體積較小，輕便易操作,適用于中小型果園中蘋果、梨、桔子等球型水果的采摘。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 收集裝置設(shè)計(jì)

收集裝置如圖2所示，由四個(gè)收集筐、絲桿2、收集接口3、齒輪齒條4、支柱5、絲桿底座6和直流電機(jī)7組成。當(dāng)確定采摘對(duì)象后，通過控制按鈕控制蘋果傳輸器選擇收集筐，絲杠傳動(dòng)控制蘋果傳輸器X方向運(yùn)動(dòng)，齒輪齒條傳動(dòng)控制蘋果傳輸器Y方向運(yùn)動(dòng)，精確定位在相應(yīng)收集筐上方，可使采摘器采摘下來的水果落入不同的收集筐中，根據(jù)水果的成熟度、大小不同讓水果落入不同的收集筐中。相比于一個(gè)收集筐設(shè)備，此設(shè)備能夠減少人工分類的麻煩，節(jié)約勞動(dòng)力，提高水果采集的效率。

圖1 電動(dòng)式水果采摘收集一體機(jī)

圖2 收集裝置

2.2 伸縮裝置設(shè)計(jì)

伸縮裝置如圖3所示，由橫臂和豎臂組成。橫臂由絲桿1、兩根滑道2、氣筒3、180°旋轉(zhuǎn)盤4、支柱5、蝸輪蝸桿6和支撐板7構(gòu)成。程序控制電磁閥的開通，通過氣壓作用控制氣筒的伸縮，可現(xiàn)實(shí)水果在果樹上從內(nèi)到外的采摘。橫臂根部的180°齒輪盤旋轉(zhuǎn)可改變采摘器的高低；豎臂由支柱、絲桿和蝸輪蝸桿組成，由四根支柱作為整體的支撐，絲桿傳動(dòng)控制橫臂在豎直方向的上下運(yùn)動(dòng)；根據(jù)水果高低的分布，調(diào)節(jié)橫臂的高低；底座360°的旋轉(zhuǎn)方便果農(nóng)在一個(gè)位置完成多個(gè)位置的水果采摘。橫臂和豎臂相配合,可讓橫臂末端的采摘器到達(dá)指定采摘對(duì)象的下方，完成果樹樹冠頂部、中部和底部從內(nèi)而外的所有空間點(diǎn)上水果的采摘。

圖3 伸縮裝置

圖4 采摘裝置

2.3 采摘裝置設(shè)計(jì)

采摘器如圖4所示，由收集筐2、水桶提手式切割刀片3和載果器主體4組成。當(dāng)果農(nóng)操縱采摘裝置把采摘器對(duì)準(zhǔn)水果時(shí)，觸發(fā)光電開關(guān)，控制采摘裝置的程序啟動(dòng)，帶動(dòng)正反轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)連接在電機(jī)上的水桶提手式切割刀片。水桶提手式切割刀片轉(zhuǎn)動(dòng)，切斷果柄，水果落入蘋果傳輸器中，下滑至收集裝置。整個(gè)采摘器運(yùn)用水桶提手原理,使它始終保持一個(gè)豎直的狀態(tài)，提高效率。

3 程序設(shè)計(jì)

電動(dòng)式水果采摘收集一體機(jī)控制程序主要由收集程序(圖5)、收集子程序(圖6)、采摘程序(圖7)組成。

收集程序開始是判斷I1、I7、I3、I8的開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)操作人員按動(dòng)開關(guān)I1時(shí)，程序進(jìn)入子程序(圖6)，執(zhí)行子程序1，M2轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)觸碰到開關(guān)I2或I5時(shí)，M2電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，M1轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)觸碰到開關(guān)I6時(shí)，跳出子程序，M1停止轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)蘋果傳輸器準(zhǔn)確定位在一號(hào)收集筐上方，如圖2所示。同理，當(dāng)操作開關(guān)I7、I3、I8時(shí)，水果傳輸器會(huì)準(zhǔn)確定位在相應(yīng)的收集筐二、三、四號(hào)上方。

采摘程序首先操作開關(guān)I2、I3,使電機(jī)M1轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)觸碰到開關(guān)I4時(shí),電機(jī)M1停止轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械臂帶動(dòng)采摘器到達(dá)水果的下方。在操作機(jī)械臂的同時(shí)，采摘器中的光敏傳感器I1一直判斷。當(dāng)I1的數(shù)值大于12000時(shí)，電機(jī)M2正轉(zhuǎn)1秒反轉(zhuǎn)1秒；I1的數(shù)值小于13000時(shí)，電機(jī)M2停止轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂帶動(dòng)采摘器到達(dá)水果下方切斷果柄的功能。

圖5 收集程序

圖6 收集子程序

圖7 采摘程序

4 結(jié)語

電動(dòng)式水果采摘收集一體機(jī)便于果農(nóng)單人操作，解決了果農(nóng)考慮經(jīng)濟(jì)利益而不得不放棄昂貴機(jī)械采摘設(shè)備的問題，符合市場需求。此半自動(dòng)化一體機(jī)能夠很好地減少對(duì)水果和果樹的傷害，提高采摘效率。