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。
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。
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
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
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。
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
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。