李龍 黃宇珩 李毓雯

摘 要：針對(duì)落地蘋果收集過程中的費(fèi)時(shí)、費(fèi)力等問題，文章基于自動(dòng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款仿生無人化蘋果收集機(jī)器人。詳細(xì)闡述蘋果自動(dòng)收集機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，并利用結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)方面進(jìn)行推導(dǎo)，分析整個(gè)裝置的可行性。與傳統(tǒng)的收集果實(shí)方式相比較，仿生無人化蘋果收集機(jī)器人不僅能夠適應(yīng)多種場(chǎng)合的復(fù)雜地形，還可以自動(dòng)收集在地上散落的果實(shí)，將收集過程中對(duì)果實(shí)的損害降到最低，更有利于提高果農(nóng)的效益，促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：蘋果收集;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);仿生及自動(dòng)化

0?引言

蘋果中含有豐富的碳水化合物、維生素和微量元素，它不僅可以直接食用，還可以收集制作蘋果味飲料，使人們得到味覺上的享受。就2020年度而言，我國(guó)的蘋果種植面積仍在不斷增加，新的種植技術(shù)也在不斷推廣。引進(jìn)新的栽培技術(shù)之后，國(guó)內(nèi)蘋果的產(chǎn)量不斷上升，因此，需要不斷更新蘋果收集技術(shù)，提高生產(chǎn)效率，而使用仿生化蘋果收集機(jī)器人可以大大減少果園人工的成本，促進(jìn)種植業(yè)的發(fā)展。

在整個(gè)果實(shí)的生產(chǎn)過程中，果實(shí)的收集非常耗費(fèi)時(shí)間和成本，蘋果在收獲期間需要投入的勞動(dòng)力幾乎占了整個(gè)種植過程的一半，落地的蘋果更是增加了收集的難度。另外，果實(shí)受到了時(shí)效性的限制，如若不及時(shí)收集，就會(huì)發(fā)生潰爛，導(dǎo)致收益減少。目前，國(guó)外很多果園的自動(dòng)化設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很多功能，大多將采摘與收集結(jié)合，做成一體式設(shè)備，這類機(jī)器效率較高，但體型大，價(jià)格昂貴，使用技術(shù)要求較高。我國(guó)的農(nóng)林果樹地形地勢(shì)復(fù)雜，大型機(jī)械并不適合我國(guó)的作業(yè)條件。因此，研制一種功能完善、可靠性高、成本低的蘋果收集機(jī)器人不僅能減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高成本，還能在一定程度上促進(jìn)蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1?結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 仿生無人化蘋果收集機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

仿生無人化蘋果收集機(jī)器人整體三維模型如圖1所示。將左右的保護(hù)擋板拆下以后可以明顯看出，仿生無人化蘋果收集機(jī)器人主要由傳動(dòng)板、圓形輪、支撐體、回旋擋板、控制把手、內(nèi)箱體、左右保護(hù)擋板組成。

傳動(dòng)板在支撐體邊緣傳送帶的作用下按照特定的方向和速度轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到收集蘋果的目的;回旋擋板可以給蘋果提供向上的分力，左右保護(hù)擋板可以防止果實(shí)在運(yùn)輸過程中掉落;內(nèi)箱體可以將運(yùn)輸?shù)墓麑?shí)儲(chǔ)存起來;控制把手可以人為干預(yù)調(diào)整機(jī)器人的方向;圓形輪用來承載重量，同時(shí)與電機(jī)相連接，提供動(dòng)力。

1.2 仿生無人化蘋果收集機(jī)器人工圖作原理

蘋果收集器的工作過程可以用圖2進(jìn)行表示。收集前，小車在控制系統(tǒng)或人工的作用下行至至果園處;收集時(shí)，小車向前運(yùn)動(dòng)，地面上的蘋果從小車的前端進(jìn)入，支撐體履帶上的擋板與蘋果相對(duì)靜止或速度比蘋果略快。首先，蘋果隨著傳動(dòng)板一起水平運(yùn)動(dòng)。然后，再回旋擋板的作用下隨傳動(dòng)板向上運(yùn)動(dòng)，直到傳動(dòng)板運(yùn)動(dòng)至箱體上方開口入。最后，果實(shí)落入內(nèi)箱體中，完成蘋果的收集作業(yè)。該裝置能滿不同道路，多種大小的蘋果收集作業(yè)。

2 可行性分析

2.1? 數(shù)值分析推導(dǎo)可行性

假設(shè)某地一個(gè)果園占有1 000畝地：一畝約等于667 m2，按照行距2×4 m，畝載83株果樹。

在現(xiàn)有技術(shù)水平和管理?xiàng)l件下，五年生蘋果樹的樹體指標(biāo)為距地20 cm處的千周25 cm左右，單株枝量1 000個(gè)上下，樹株整齊度90%以上，畝枝量10萬，樹冠投影覆蓋率75%。在此基礎(chǔ)條件下，掌握以下栽培要點(diǎn)，畝產(chǎn)可望達(dá)到? ? ? ? ? ? 1 500 kg。以下效益按照畝產(chǎn)1 000 kg計(jì)算。

采用傳統(tǒng)的人工收集蘋果，每畝2 000斤（1 kg=2斤）可由4位收集工人一天完成，1 000畝地需要4 000人才能完成，按照市場(chǎng)價(jià)格每個(gè)工人100元/天，一共需要40萬元的雇傭成本費(fèi)用。但是采用仿生無人化蘋果收集機(jī)器人收集蘋果，一畝可由一個(gè)人來完成，只需要1 000人，一共需要10萬元的雇傭成本。

綜上兩種情況比較，在設(shè)定的情況下使用仿生無人化蘋果收集機(jī)器人可以減少3/4的成本，長(zhǎng)期使用可以大幅度增加經(jīng)濟(jì)效益，給果農(nóng)帶來了巨大的福利。

2.2 理論推導(dǎo)可行性

2.2.1 裝置特點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)方面：仿生無人化蘋果收集機(jī)器人，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而且符合機(jī)械原理的設(shè)計(jì)要求，既省力又穩(wěn)定。

（2）經(jīng)濟(jì)方面：該機(jī)械各個(gè)部件生產(chǎn)成本低，適用于擁有中等或大型果園的果農(nóng)，經(jīng)濟(jì)要求可以被大多數(shù)使用者所接受。機(jī)器人適用于所有類型的果園，可以用來收集大部分果實(shí)。在其他農(nóng)業(yè)場(chǎng)合甚至其他領(lǐng)域也可以使用。

（3）市場(chǎng)方面：由于勞動(dòng)力的緊缺，勞動(dòng)力昂貴，果農(nóng)迫切需要這種全自動(dòng)化機(jī)器來代替手工，減輕成本，從而獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2.2 裝置優(yōu)勢(shì)

（1）使用仿生無人化蘋果收集機(jī)器人自動(dòng)收集果實(shí)，能夠大大縮短勞動(dòng)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

（2）仿生無人化蘋果收集機(jī)器人能夠代替人力實(shí)現(xiàn)收集，大幅度減少果農(nóng)的雇傭成本，鼓勵(lì)更多的人投身于農(nóng)業(yè)種植行業(yè)，增大競(jìng)爭(zhēng)力。

（3）仿生無人化蘋果收集機(jī)器人順應(yīng)當(dāng)今農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化潮流，推進(jìn)果實(shí)自動(dòng)化收集產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，推進(jìn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化發(fā)展。

3?結(jié)語(yǔ)

仿生無人化蘋果收集機(jī)器人在盡可能減少人工操作的基礎(chǔ)上，采用機(jī)電一體化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)收集智能化，造價(jià)中等，適用于各種果園。同時(shí)，可以大幅提高收集效率并將果實(shí)收集中的損害降到最低，在提高果實(shí)收集效率的同時(shí)為果農(nóng)減少雇傭成本，符合當(dāng)代農(nóng)業(yè)的需要。理論分析表明，該采摘器的結(jié)構(gòu)合理，強(qiáng)度滿足要求，經(jīng)試驗(yàn)檢驗(yàn)采摘效率也明顯高于人工采摘，對(duì)水果種植業(yè)發(fā)展起到積極作用，所以該裝置具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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（編輯 姚 鑫）