桑勇,楊琦,王瓊,朱戰(zhàn)勝,張家熹

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,安徽 馬鞍山,243032;2.安徽工業(yè)大學(xué) 創(chuàng)新教育學(xué)院,安徽 馬鞍山,243032;3.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 馬鞍山,243032)

水果的采摘是較為繁瑣和勞累的工作[1]。由于果農(nóng)往往采用簡(jiǎn)單的拽、拉和搖等方法,對(duì)高枝水果則需要爬樹、架梯子,存在采摘效率低、果品損耗量大和易發(fā)生危險(xiǎn)等缺陷,因此有必要研發(fā)一種便攜高效水果采摘機(jī)[2]。提高水果采摘作業(yè)機(jī)械化程度能有效地提高采摘效率、解放勞動(dòng)力,由于采摘作業(yè)涉及的技術(shù)和管理因素較多,國內(nèi)外專家和學(xué)者從不同的角度對(duì)水果采摘機(jī)進(jìn)行硏究,目前果園機(jī)械采摘方法主要分為機(jī)械化全自動(dòng)采摘和機(jī)械輔助半主動(dòng)采摘兩種形式[3]?；翥y龍[4]等設(shè)計(jì)的全自動(dòng)旋轉(zhuǎn)式柑橘機(jī)械采摘機(jī),自動(dòng)化程度高、采摘速度快,但存在果實(shí)識(shí)別率偏低、損傷率較高和制造成本高等問題,主要適用于地勢(shì)平坦的大面積種植區(qū)域。莊逸鋒[5]等設(shè)計(jì)的背負(fù)式水果采摘機(jī),雖然適用范圍廣,但目前存在操作復(fù)雜[6]、通用性差及采摘效率低等缺點(diǎn)。

本文提出了一種機(jī)電網(wǎng)綜合設(shè)計(jì)的水果采摘機(jī),其利用擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),由單片機(jī)控制舵機(jī)驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),使擺剪進(jìn)行剪切。該機(jī)械輔助采摘機(jī)具有操作簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)和采摘效率高等特點(diǎn)[7],適用于我國大多數(shù)果園的水果采摘。

1 采摘機(jī)的整體結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

1.1 采摘機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理

機(jī)電網(wǎng)綜合設(shè)計(jì)的水果采摘機(jī)主要由水果采摘系統(tǒng)、伸縮桿系統(tǒng)以及水果收集系統(tǒng)組成。

首先設(shè)計(jì)了采摘機(jī)的整體結(jié)構(gòu)方案一,如圖1所示。該方案采用鋸片切割果柄,采用彈性網(wǎng)傳送水果、收集桶收集水果,其具體工作過程是：采用定位式切割機(jī)構(gòu),有效將電機(jī)鋸片定位于需要切割的部位,防止切不到、切偏和切錯(cuò)等問題;伸縮傳送系統(tǒng)由彈性網(wǎng)與伸縮桿組成,伸縮桿在最大范圍內(nèi)可固定任意長(zhǎng)度,方便針對(duì)不同高度的水果進(jìn)行采摘,方便不工作時(shí)攜帶;彈性網(wǎng)在傳送水果的同時(shí),又可減緩水果的下降速度,起緩沖作用,有效保護(hù)水果免受損傷。水果收集系統(tǒng)是對(duì)收集桶進(jìn)行設(shè)計(jì),桶內(nèi)設(shè)置螺旋狀收集彎管;在入口設(shè)置減速保護(hù)裝置,使下落的水果速度降低至停止?fàn)顟B(tài),同時(shí)不損傷水果,由閥門控制入口的開關(guān),當(dāng)斷電時(shí),閥門緊閉,通電時(shí),閥門打開,水果再慢慢進(jìn)入彎管,呈螺旋狀擺放;底部設(shè)置出口,可打開出口門進(jìn)行水果收集后續(xù)處理。測(cè)試樣機(jī)發(fā)現(xiàn),鋸片切枝效果不理想且高速旋轉(zhuǎn)存在安全隱患,彈性網(wǎng)降低水果下降速度不明顯,收集裝置過于復(fù)雜,不利于移動(dòng)。

改進(jìn)后的水果采摘機(jī)整體結(jié)構(gòu)方案二,如圖2所示。該采摘機(jī)由水果采摘系統(tǒng)、伸縮桿和收集網(wǎng)三部分組成。水果采摘系統(tǒng)是整個(gè)采摘機(jī)的核心,將剪切機(jī)構(gòu)、電氣控制、觸發(fā)開關(guān)以及攝像頭巧妙地設(shè)計(jì)在同一框架內(nèi)。采摘機(jī)要求輕質(zhì)金屬(鋁合金)框架可拆卸,剪切工具要求強(qiáng)度大的金屬刀具。為了減輕重量,在受力要求不高的部位全部采用輕質(zhì)塑料,采用3D打印,同時(shí)保證裝置的強(qiáng)度能夠達(dá)到要求。

采摘機(jī)采摘系統(tǒng),如圖3所示。其末端執(zhí)行器包括：擺剪、觸發(fā)桿、限位開關(guān)、驅(qū)動(dòng)裝置和控制器。擺剪通過軸桿與剪切板鉸接連接,擺剪的刃口與剪切板的固定刀板配合形成剪切口;觸發(fā)桿活動(dòng)安裝在剪切板下方,且一端位于剪切口,另一端安裝有限位開關(guān);控制器與限位開關(guān)、驅(qū)動(dòng)裝置連接,用于接收限位開關(guān)的信號(hào)并向驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送執(zhí)行信號(hào);采摘機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)擺剪繞軸桿擺動(dòng),剪切口閉合進(jìn)行剪切動(dòng)作,從而實(shí)現(xiàn)果實(shí)的自動(dòng)采摘。運(yùn)用人機(jī)工學(xué)設(shè)計(jì),采摘系統(tǒng)還配以微型攝像頭,通過攝像頭觀察,將水果的圖像信號(hào)通過Wi-Fi傳輸至手柄處的手機(jī)端,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)剪切。在操作過程中,不需要人工控制擺剪,實(shí)用便捷,大大提高了采摘效率。伸縮桿方便針對(duì)不同高度的水果進(jìn)行采摘。水果收集網(wǎng)設(shè)計(jì)為可拆卸式,一次可以收集4～6個(gè)水果。

圖2 采摘機(jī)整體結(jié)構(gòu)(方案二)

圖3 采摘機(jī)采摘系統(tǒng)

1.2 采摘機(jī)的剪切裝置設(shè)計(jì)

1.2.1 剪切定位裝置設(shè)計(jì)

采摘機(jī)采摘任務(wù)能否順利完成取決于是否能夠有效地剪切斷果柄,因此設(shè)計(jì)了定位剪切板,起到導(dǎo)向作用,防止切錯(cuò)、切偏等問題。方案一(圖4a)中,此定位剪切板材料采用厚度為5 mm的亞克力板,此方案結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,制造容易,但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在定位效果上并不理想,厚度也影響了定位。方案二(圖4b)與方案一類似,但使用的材料是金屬,厚度僅為1.3 mm,結(jié)構(gòu)可靠,制作難度低。考慮采摘機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性,選擇方案二(圖4b)。

圖4 定位剪切板

1.2.2 剪切方法及剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)水果果柄的有效剪切是采摘機(jī)性能的最核心指標(biāo),剪切方法和剪切機(jī)構(gòu)是最重要的設(shè)計(jì),采用電機(jī)來驅(qū)動(dòng)剪切刀具,有效地提高采摘效率、降低采摘人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[8]。方案一(圖5a)使用了一個(gè)直徑為60 mm的鋼質(zhì)切割鋸片,鋸齒較鋒利,采用鋸片高速旋轉(zhuǎn)的方式將果柄切斷,這種方式在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及控制方面較簡(jiǎn)單,但在鋸片接觸懸空狀態(tài)的果柄時(shí),由于果柄后退而造成不易切斷。方案二(圖5b)利用擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),由單片機(jī)控制舵機(jī),舵機(jī)驅(qū)動(dòng)搖桿帶動(dòng)擺剪進(jìn)行剪切,類似于剪刀剪切的方式;這種方式,機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便,可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)且有效地剪切,優(yōu)選方案二(圖5b)。

圖5 剪切機(jī)構(gòu)

1.3 采摘機(jī)的收集裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)水果采摘后的收集問題,設(shè)計(jì)了兩種方案：方案一(圖6a)的設(shè)計(jì)想法較新穎,考慮到連續(xù)采摘及收集。水果在高空采摘后及時(shí)傳輸?shù)较路降氖占爸?但此方法對(duì)于枝葉茂密的果樹較難適用,傳輸網(wǎng)容易掛在樹枝上,給采摘工作帶來不便。方案二(圖6b)采用了一種可拆卸的收集網(wǎng),在空中收集水果,收集適當(dāng)數(shù)量的水果后再取下,并可靈活地采摘生長(zhǎng)在不同狀況枝葉處的水果?？紤]到采摘機(jī)的便攜性,采用方案二(圖6b)。

圖6 收集裝置

2 采摘流程

一種機(jī)電網(wǎng)綜合設(shè)計(jì)的水果采摘機(jī)采摘水果的過程是：(1)用手機(jī)通過攝像頭觀察,對(duì)水果位置和成熟度進(jìn)行初步判別,確定擬剪切的水果;(2)移動(dòng)伸縮桿,將擬剪切的果柄準(zhǔn)確定位于擺剪附近;(3)果柄輕觸觸發(fā)桿并有效觸發(fā)限位開關(guān),自動(dòng)啟動(dòng)采摘系統(tǒng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制舵機(jī)并驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),進(jìn)而帶動(dòng)擺剪進(jìn)行剪切,觸發(fā)桿和擺剪自動(dòng)回位,完成1個(gè)水果的采摘;(4)反復(fù)步驟(1)～(3)若干次,當(dāng)收集4～6個(gè)水果后,收桿,將收集網(wǎng)中的水果取出,完成1組水果的采摘。采摘流程如圖7所示。

圖7 水果采摘流程

3 理論設(shè)計(jì)及分析

3.1 采摘機(jī)尺寸設(shè)計(jì)

此采摘機(jī)的最大特色在于免除了手控,自動(dòng)方式進(jìn)行水果采摘,因此選擇合理的結(jié)構(gòu)和尺寸,采摘機(jī)才能更加協(xié)調(diào)地實(shí)現(xiàn)采摘功能。(1)采摘部位：為了減輕質(zhì)量,采摘部位的體積設(shè)計(jì)地盡可能小,長(zhǎng)180 mm、寬80 mm、高70 mm;考慮到成年人的雙臂負(fù)重能力及觀察角度等,剪切板組合后總厚度為4.3 mm,整個(gè)采摘部位凈重400 g;整體為長(zhǎng)方體,一半放置舵機(jī)、單片機(jī)和電源等,另一半空出便于水果采摘。(2)伸縮桿：根據(jù)大多數(shù)果樹高度,伸縮桿為2～4節(jié)桿,每節(jié)1.2 m。(3)收集網(wǎng)：收集網(wǎng)直徑為210 mm、深300 mm。各部分的尺寸如圖8所示。

圖8 采摘機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)(單位：mm)

3.2 四桿機(jī)構(gòu)

利用機(jī)構(gòu)組成原理進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新時(shí),在滿足相同工作要求的條件下,機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單、桿組的級(jí)別越低、構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)越少越好[9],力圖用最簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。采摘機(jī)工作時(shí),由單片機(jī)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)四桿機(jī)構(gòu),設(shè)置擺剪來剪切果柄。該四桿機(jī)構(gòu)是一種擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖9所示。

3.3 剪切力分析

采摘機(jī)工作效果的優(yōu)劣主要取決于擺剪能否順利剪切斷果柄,因此要對(duì)采摘機(jī)進(jìn)行剪切力分析與校核,剪切原理如圖10所示。

3.3.1 驅(qū)動(dòng)盤的輸出力

驅(qū)動(dòng)盤受力如圖11所示。舵機(jī)控制驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng),根據(jù)舵機(jī)扭矩與力臂可得出輸出力F1。舵機(jī)輸出扭矩T=250 N·cm,L1=2 cm,又T=F1×L1=F1×2 cm=250 N·cm,解得F1=125 N。

3.3.2 擺剪輸出的最大剪切力

剪切機(jī)構(gòu)如圖12所示,C端為驅(qū)動(dòng)盤輸出力處,B端為剪切端。假設(shè)剪切端B所受最大剪切力Fs的反作用力為F2, 整個(gè)桿件BC處于平衡狀態(tài)。由F1×L1-F2×L2=0,得F2=181.8 N,所以Fs=F2=181.8 N。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得剪切斷果柄所需要的最大剪切力F=120 N。因?yàn)镕s≥F,所以該采摘機(jī)滿足工作需求,能順利剪切斷果柄。

圖9 擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

圖10 剪切原理模擬

4 控制功能設(shè)計(jì)

4.1 硬件電路設(shè)計(jì)

采摘機(jī)部分硬件電路(見圖13)由供電電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、信號(hào)觸發(fā)電路、舵機(jī)控制電路以及攝像頭模塊等5部分構(gòu)成。

供電電路。電源采用2 000 mAh 7.4V 2Ah鋰電池組,尺寸為51 mm×38 mm×22 mm。STC89C52RC單片機(jī)、舵機(jī)和攝像頭的工作電壓均可5 V,通過LM2596S-ADJ可調(diào)降壓穩(wěn)壓電源模塊將7.4 V電源電壓降至5V后給這3個(gè)模塊供電,且此電源模塊電壓輸出紋波最大僅30 mV。雖然3個(gè)模塊由同一路電壓供電,經(jīng)試驗(yàn),舵機(jī)和攝像頭工作時(shí),對(duì)單片機(jī)最小系統(tǒng)正常工作無明顯影響。

核心控制板?？紤]到控制電路的復(fù)雜程度以及價(jià)格因素,最終選擇了STC89C52RC單片機(jī)。這款單片機(jī)[10]使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核,具有單倍速模式,也就是12T模式。在該模式下,STC89C52RC單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期具有12個(gè)振蕩周期(又稱時(shí)鐘周期)。晶振頻率為11.0592 MHz,單片機(jī)的運(yùn)算速度和功能可以滿足本采摘機(jī)的電路控制需求,并且價(jià)格低廉。

信號(hào)觸發(fā)電路。STC89C52RC單片機(jī)的P1.3引腳經(jīng)觸發(fā)開關(guān)(即限位開關(guān))與GND相連接。當(dāng)觸發(fā)開關(guān)因果柄觸碰觸發(fā)桿而接通,P1.3引腳被拉低,MCU檢測(cè)到低電平,然后進(jìn)行一系列舵機(jī)控制。

圖11 驅(qū)動(dòng)盤受力圖

圖12 剪切機(jī)構(gòu)

舵機(jī)控制電路。舵機(jī)信號(hào)線與STC89C52RC單片機(jī)的P1.0引腳相連接。MCU發(fā)送PWM波信號(hào)給舵機(jī),來控制舵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),進(jìn)而控制擺剪旋轉(zhuǎn)一定角度,并且穩(wěn)壓模塊最大輸出電流可達(dá)3 A,擺剪較鋒利,能夠輕松剪切斷果柄。

攝像頭模塊。攝像頭主要是用在枝繁葉茂、果柄位置不易觀察的場(chǎng)合。如果水果所處的位置容易被觀察到,可不需要打開攝像頭,所以單獨(dú)設(shè)置了一個(gè)開關(guān)來有選擇性地開斷攝像頭,達(dá)到節(jié)省電源電量的目的。

圖13 采摘機(jī)部分硬件電路

4.2 軟件程序設(shè)計(jì)

程序的主要控制思想是采用雙步中斷。STC89C52RC單片機(jī)共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,即定時(shí)器T0、T1和T2,通過定時(shí)器T0和定時(shí)器T1來裝計(jì)數(shù)值,工作模式寄存器TMOD來選擇定時(shí)器T0和定時(shí)器T1的工作模式,并設(shè)置定時(shí)器T0和定時(shí)器T1工作模式均為模式1,即設(shè)置為16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,定時(shí)器寄存器TLX和THX級(jí)聯(lián)構(gòu)成一個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。MCU檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)后,在主函數(shù)main()中先啟動(dòng)定時(shí)器0,在定時(shí)器0中斷子程序中產(chǎn)生周期約20 ms、高電平約1 ms的方波信號(hào),使舵機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至約45°位置;經(jīng)一段時(shí)間后,啟動(dòng)定時(shí)器1,在定時(shí)器1中斷子程序中產(chǎn)生周期約20 ms、高電平約2 ms的方波信號(hào),使舵機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至約135°的初始位置并停止,這樣就完成了一次水果采摘任務(wù)。如此反復(fù),可實(shí)現(xiàn)連續(xù)采摘控制。

中斷服務(wù)程序如下所示：

5 采摘機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)

該采摘機(jī)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)(見圖14)：(1)通過舵機(jī)控制擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行剪切,電動(dòng)控制使采摘更加便捷,并且經(jīng)過參數(shù)的合理配置,可使擺剪的剪切力最大化,讓剪切更加輕便;(2)利用觸發(fā)桿觸碰并接通限位開關(guān),自動(dòng)觸發(fā)采摘系統(tǒng)工作;(3)設(shè)置定位剪切板起導(dǎo)向作用,使剪切更加準(zhǔn)確,防止切不到、切偏等問題,微型攝像頭可以更加清楚地觀察果柄的位置以及水果成熟度,水果的圖像通過Wi-Fi傳輸至手柄處的手機(jī)端,有效地提高了采摘質(zhì)量;(4)設(shè)計(jì)帶有掛鉤并可拆卸的收集網(wǎng),便于根據(jù)不同使用條件下更換收集網(wǎng)。

圖14 采摘機(jī)部分創(chuàng)新點(diǎn)

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的水果采摘機(jī)提供了一種輔助人工采摘水果的解決方案,可以有效地輔助人工采摘水果,不僅能夠提高工作效率、降低生產(chǎn)成本,同時(shí)也可以保證采摘果品的質(zhì)量。該水果采摘機(jī)工作穩(wěn)定、性能可靠，功能實(shí)現(xiàn)效果較好，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。