吳海青，史 燕

(太原工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，山西 太原 030008)

0 引言

隨著我國(guó)種植技術(shù)的提高，蘋果產(chǎn)量正在以一個(gè)平穩(wěn)的趨勢(shì)迅速增長(zhǎng)[1]，這對(duì)機(jī)械化采摘提出了新的更高的要求。我國(guó)水果機(jī)械化采摘研究還處于初期階段，自動(dòng)化程度較低，需要進(jìn)一步研究推出更高效的機(jī)械化采摘機(jī)構(gòu)，以提高采摘效率。為此，本文設(shè)計(jì)了一款蘋果輔助采摘裝置，實(shí)現(xiàn)了蘋果的快速采摘和自動(dòng)回收。

1 研究方法

本文所設(shè)計(jì)的蘋果輔助采摘裝置是一款采摘車，整體結(jié)構(gòu)分為收集車、升降桿、采摘桿、收集滑道以及末端執(zhí)行器五大部分。

首先對(duì)蘋果樹的生物學(xué)特性和栽培方式進(jìn)行了調(diào)查，總結(jié)了果樹高度、蘋果疏密程度以及果園路況等采摘條件，以此確定采摘小車各模塊的結(jié)構(gòu)尺寸，例如采摘桿的長(zhǎng)度、升降桿的升降高度以及末端機(jī)械爪的結(jié)構(gòu)尺寸等。

然后利用SolidWorks進(jìn)行三維建模，采用自上而下的設(shè)計(jì)理念對(duì)采摘車進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，并對(duì)各模塊進(jìn)行虛擬裝配。

最后利用SolidWorks中motion功能對(duì)采摘小車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

2 蘋果采摘車本體設(shè)計(jì)

蘋果采摘車本體結(jié)構(gòu)分為手推收集車、升降桿和收集滑道三大部分。

2.1 手推收集車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手推車主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，收集車采用鋁型材搭建整體框架，外殼采用尼龍殼體，車上裝有承重網(wǎng)架以及下面的收集箱。

2.2 升降桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降桿的作用是給采摘桿提供懸掛點(diǎn)，使采摘人員從長(zhǎng)時(shí)間舉桿的高強(qiáng)度動(dòng)作中解放出來(lái)，通過(guò)升降桿的上下升降來(lái)改變懸掛點(diǎn)高度，以適應(yīng)不同高度的果樹采摘情況。

升降桿包括豎直升降機(jī)構(gòu)、探出桿、下垂頭和懸掛裝置四大部分。

升降桿結(jié)構(gòu)的三維模型如圖2所示。

圖1 手推車主體結(jié)構(gòu) 圖2 升降桿結(jié)構(gòu)

3 采摘桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采摘桿分為伸長(zhǎng)桿和末端執(zhí)行器兩部分。伸長(zhǎng)桿負(fù)責(zé)伸長(zhǎng)，將末端執(zhí)行器升到一定高度，末端執(zhí)行器負(fù)責(zé)抓取和擰斷果柄實(shí)現(xiàn)采摘。

采摘桿是采摘的主要工具，是采摘員操作最頻繁的工具。由于采摘桿外桿直徑僅為25 mm，因此本設(shè)計(jì)采用精密的絲桿進(jìn)給機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)采摘桿伸縮運(yùn)動(dòng)。采摘桿整體長(zhǎng)1.5 m，內(nèi)桿長(zhǎng)1 m，采摘桿全部伸長(zhǎng)達(dá)到2.2 m左右，可滿足大部分高樹冠的蘋果采摘，規(guī)避了高處作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

末端執(zhí)行器是水果采摘最重要的一環(huán)，采摘的成功與否與末端機(jī)械爪抓取的契合程度有決定性關(guān)系。機(jī)械爪結(jié)構(gòu)為二指夾取機(jī)構(gòu)，采用絲桿電機(jī)作為動(dòng)力，利用大面積的柔性?shī)A取殼左右夾緊蘋果，并隨著中空轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，將果柄與樹枝分離，這樣既不會(huì)因剪切而損傷蘋果也不會(huì)對(duì)果樹樹枝造成損傷[2]。

采摘桿的三維模型如圖3所示。

圖3 采摘桿結(jié)構(gòu)

4 動(dòng)畫仿真

利用SolidWorks軟件中的motion對(duì)所設(shè)計(jì)的蘋果采摘車進(jìn)行動(dòng)畫仿真，仿真效果真實(shí)，能順利將蘋果采摘下來(lái)。動(dòng)畫仿真效果如圖4所示。

圖4 動(dòng)畫仿真效果

5 結(jié)論和展望

本著自動(dòng)化輔助采摘的理念，本文設(shè)計(jì)了蘋果采摘小車，對(duì)于小批量的采摘來(lái)說(shuō)完全可以勝任，采摘效率和蘋果的完整程度都可以得到保證。但是對(duì)于大批量采摘來(lái)說(shuō)，蘋果采摘小車就顯得過(guò)于拖沓。

目前水果采摘的自動(dòng)化程度有望向全自動(dòng)無(wú)人式采摘機(jī)方向發(fā)展[3]，這就涉及到攝像頭識(shí)別、程序化控制、遠(yuǎn)程遙控等技術(shù)。