吳先煥 楊俊杰

(武漢商學(xué)院機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430056)

1 水果采摘器研究現(xiàn)狀

1.1 國外水果采摘器的研究概況

由于國外發(fā)達國家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都是采取規(guī)?；a(chǎn)，但是從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人口卻不多，所以像美國、德國等發(fā)達國家對高性能的農(nóng)業(yè)機械非常地依賴。為此發(fā)達國家很早就開始對高性能的農(nóng)業(yè)機械進行了研究。例如美國為了解決西紅柿采摘過程效率低的問題，成功研制世界上第一個專門用于采摘西紅柿的機械手，西紅柿的采摘效率得到了顯著提高。隨后為了提高柑橘采摘的采摘效率，又研發(fā)出了對一種可以識別樹冠外果實的機械手。韓國為了解決蘋果采摘機械中定位不準、定位難的問題，研制了一種基于傳感器識別技術(shù)的蘋果采摘機械手，提高了蘋果的采摘效率。日本在水果采摘方面，利用的是人與機械手相互配合的方式來提高采摘效率的，人在采摘過程中主要負責(zé)定位，其他工作由機器完成。這樣的好處在于保證效率的同時降低機器制作成本。

1.2 國內(nèi)水果采摘器的研究概況

果業(yè)在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，為了提高水果采摘的效率，國內(nèi)專家也對高性能的水果采摘機械進行了研究。東北林業(yè)大學(xué)陸懷民，成功地研制出了松木球果實采摘機械裝置，該裝置單片作為控制核心，采用液壓裝置作為驅(qū)動裝置，為了解決攜帶不方便的問題，改裝置還設(shè)計有行走機構(gòu)。在進行果實采摘時，利用底部的行走機構(gòu)使整個裝置靠近目標果樹，然后由單片機控制液壓裝置實現(xiàn)對機械手的控制，從而實現(xiàn)對果實的精確采摘。為了解決在西紅柿采摘中無法精準定位果實的問題，張瑞合等人利用雙目立體視覺的辦法實現(xiàn)了對西紅柿精準的定位，極大地提高了采摘效率。但是，由于我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和發(fā)達國家不一樣，目前還沒有全部實現(xiàn)大規(guī)模種植，還是以散戶種植為主。對于價格比較高昂、攜帶不太方便的水果采摘機械裝置不太適合散戶種植的使用。因此研發(fā)出一種價格低廉、操作簡單、攜帶方便的水果采摘器是十分有意義的。

2 半自動可調(diào)式水果采摘器的設(shè)計

2.1 設(shè)計方向及總體方案

2.1.1 設(shè)計方向

(1)主要解決人不能站在地面上很輕松地采摘樹上的果實。(2)操作簡單，攜帶方便，采摘效率高，并且保證果實的成品質(zhì)量。(3)將果實整個包裹起來，再將果實結(jié)蒂切斷，不傷害里面的果實，也不會觸碰傷害旁邊的果實，保證水果的完好率。

2.1.2 總體方案

半自動可調(diào)式水果采摘器主要由水果夾手及其夾手座、反向蝸桿傳動機構(gòu)、齒輪傳動機構(gòu)、電機及傳動軸機構(gòu)和接受帶環(huán)、支撐架等零件組成。通過齒輪傳動機構(gòu)來控制夾手座轉(zhuǎn)動，進而達到調(diào)節(jié)夾手采摘水果角度，反向蝸桿傳動機構(gòu)來控制對水果的切割以及包覆果實，電機工作及傳動軸來保證以上2個控制單元的正常工作。本裝置能采摘各種高度、各種角度的水果，而且大部分材料都是由鋁合金制成的，所以成本比較低，且比較輕便。整個裝置操作簡單、便于攜帶，成本低，非常適合散戶果農(nóng)在日常的高枝水果采摘中使用。

本產(chǎn)品分為反向蝸桿傳動機構(gòu)、齒輪傳動機構(gòu)、電機和連軸傳動調(diào)節(jié)機構(gòu)3個部分組成，如圖1所示。下面將依次詳細介紹。

圖1 半自動可調(diào)式水果采摘器

1—半球型蓋；2—雙圓柱蝸桿軸；3—左右旋齒輪；4—直齒當量齒輪；5—減速電機；6—水果套袋圈箍；7—伸縮桿

2.2 反向蝸桿傳動結(jié)構(gòu)

2.2.1 機構(gòu)介紹

蝸桿傳動由蝸桿和蝸輪組成，蝸桿為主動件。蝸桿和螺紋一樣有右旋和左旋之分，分別稱為右旋蝸桿和左旋蝸桿。

2.2.2 機構(gòu)基本原理介紹

蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動，兩軸線間的夾角可為任意值，常用的角度為90°，蝸桿傳動主要用于在交錯軸間傳遞運動和動力。

2.2.3 蝸桿長度設(shè)計

該產(chǎn)品以采摘蘋果為主，經(jīng)過查找資料，一個蘋果標準的縱切面長度在8～12cm之間，半球型底座寬為3cm，同時還需要留有空隙，設(shè)計轉(zhuǎn)軸長為20cm。

2.3 電機及連軸傳動軸機構(gòu)

2.3.1 確定電機的功率

一般簡單機械都注明應(yīng)配套使用的電動機功率，更換或配套時方便，該采摘器為小型機械半自動化工具，比較輕巧，所以電動機功率得比它大10%即可。電機的功率不能選擇過小，否則難以帶動半球形球蓋角度的調(diào)整，同時電機的功率過小也可能使帶動半球型蓋閉合的力過小，使采摘器無法正常完成水果采摘。電動機的功率也不能過大，這樣會造成功率的浪費，同時也會使成本增加。

2.3.2 電機的選擇

根據(jù)上面對蝸桿及其連軸和齒輪的分析，然后根據(jù)實際情況得到一個蘋果在300g～450g左右，設(shè)蝸桿受到的驅(qū)動力矩為T1，工作阻力矩為T2，分別將蝸桿和蝸輪作為受力分析的分離體，由力對各自軸線的力矩平衡條件，以及各力之間的關(guān)系可得到各力的大小。從而粗選25GA-370電機，這款電機扭力較大，低噪音，高性能特點，應(yīng)用于各類小型機器半自動化設(shè)備中。

2.4 驅(qū)動系統(tǒng)

2.4.1 驅(qū)動芯片的選擇

為了使電機能夠正常的工作，還需要使用驅(qū)動芯片。關(guān)于驅(qū)動芯片，本裝置采用L298N芯片，作為驅(qū)動芯片。L298N是一種雙H橋電機驅(qū)動芯片，每個H橋可以提供2A的電流，功率部分的供電電壓范圍是2.5～48v，邏輯部分5v供電。選擇L298N理由如下：(1)半自動可調(diào)式水果采摘器要實現(xiàn)角度的可調(diào)和半球形球蓋的開啟和閉合，L298N可實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)及調(diào)速，滿足使用需求；(2)L298N啟動性能好，啟動轉(zhuǎn)矩大；(3)本裝置有2個電機，L298N可同時驅(qū)動2臺直流電機，滿足使用要求。

2.4.2 整體驅(qū)動原理

將控制反向蝸桿傳動的電機接入L298N驅(qū)動芯片的OUT1和OUT2，控制采摘器轉(zhuǎn)動的電機接入L298N驅(qū)動芯片的OUT3和OUT4，再將L298N驅(qū)動芯片和電源連接，用上下左右4個按鈕分別控制反向蝸桿的傳動和采摘器的轉(zhuǎn)動。

2.5 半自動可調(diào)式水果采摘器工作原理

(1)調(diào)節(jié)桿的長度，直到能摘到樹上的果實，將其固定住。(2)調(diào)節(jié)桿與收集筐的角度，使筐底部盡可能平行于地面。(3)按動開關(guān)，電機帶動采摘器開始工作，將要采摘的水果包裹起來，然后位于采摘器頂端的刀片將果實蒂切斷。(4)成功采摘果實后采摘器轉(zhuǎn)動至合適位置并松開，果實掉入收集筐中。

3 使用效果分析

(1)便于攜帶，操作方便。(2)可調(diào)節(jié)伸縮桿的長度，進行低位和高位采摘。(3)將果實包裹起來再將果實蒂切斷，不傷害里面的果實，也不會觸碰傷害旁邊的果實，保證了采摘下來水果的質(zhì)量。(4)采摘后的水果直接進入收集袋中，將收集和采摘功能同時實現(xiàn)，提高了采摘效率。(5)由于本裝置采用了自動化的技術(shù)，降低了果農(nóng)的勞動強度。

4 結(jié)論

半自動可調(diào)式水果采摘器便于攜帶、操作方便、價格低廉，可實現(xiàn)多方向的高位采摘，并適用于多種水果，特別適用于散戶種植的果農(nóng)。此采摘器使用自動化技術(shù)，降低了果農(nóng)的勞動強度。采用包裹式的切割，降低了水果損傷率。采摘后的果實可以直接收集進袋中，將收集和采摘的功能同時實現(xiàn)，大大提高了果農(nóng)的水果采摘效率。采摘者只需要通過4個按鈕控制電機的轉(zhuǎn)動從而帶動蝸桿的傳動和采摘器的轉(zhuǎn)動，便可讓采摘器自動完成采摘作業(yè)，操作十分方便?？偠灾?，該采摘器設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，適用范圍廣，使用便利，具有十分廣闊的市場。