基于慧魚模具的菠蘿采集車設計

蔣冰瑤， 李毅舟

（武漢商學院， 湖北 武漢 430056）

引言

菠蘿因采摘難度大、種植地的地形地貌復雜，多采用人工采摘方式，且存在果實扎手、果實質量較大的問題，采摘費事費力，浪費大量人工。現有的菠蘿采集機械設計多分為兩種方式：一種為車型結構，使用農機進行菠蘿采摘；另一種為采摘機械手，能夠通過機械手上安裝的裝置切斷菠蘿莖部。兩種方式都能夠一定程度上降低人力需求，加大采摘效率，但也各有缺陷，如車型結構易損害菠蘿田地，采摘手仍需要人背負菠蘿果實。因此將兩種結構結合，選取其優點，最終設計出菠蘿采集車。該設計在完成采摘的同時，還能夠承載一定數量的菠蘿，同時搭載了轉向機構，更加靈活，能夠更好地適應地形地貌。

1 項目背景

水果采摘作業的耗時量、勞動強度、困難系數增加了產品的額外附加成本，因此保障水果采收產量的基礎上，降低收獲作業過程中的勞動力成本是產業增收的重要途徑。目前，國內菠蘿采摘作業基本為人工進行，自動化程度較低，采集時間較為集中。菠蘿果實長在菠蘿植株的中心上部，莖部較長，傳統采摘方式為人工掰斷菠蘿莖部，對勞動者要求較高，且大量耗費體力，果實表面的尖銳部分還可能傷害勞動者手部。

對于地上作物的收割，我國已有比較成熟的技術，因此綜合運用其理論和結構制成菠蘿采集車是可行的。

2 機械結構原理

2.1 特殊結構

2.1.1 采集車車身框架結構

菠蘿原產美洲熱帶和亞熱帶，是多年生草本植物，一般來說，采摘需保護其莖部，以便第二年菠蘿的生長。現在已有的幾種機械化菠蘿采摘設計如圖1所示。

圖1 采摘機械手

傳統菠蘿采摘，受果實質量較重、表面帶刺、植株生長較密集、枝條堅硬等因素限制，而現有的菠蘿采摘機械并不能較好地解決這幾個問題。采摘機械手仍需人工操作，消耗一定的人工，采摘車則會對地表進行一定的破壞，同時難以適應地形地貌[1]。

面對這一問題，結合農機發展現況，選用采集車車身框架結構，如下頁圖2所示。采集車利用車輪作為前行設備，能較好適應大面積菠蘿種植地的情況，適應連續性工作工況；同時，菠蘿采集場所為采集車下方，是依據菠蘿果實生長情況和種植分布情況而確定，既節約空間，也能保護地表植株二次生長。

尺寸的確定除考慮菠蘿植株的大小外，還需要考慮慧魚教具的特有性質，如不穩定性。框架結構不能過大，否則菠蘿的比例也要相應增大，車體零件數目增加，車輪所受壓力也大幅度增加，影響采集車功能的實現。

圖2 采集車車身框架結構實物圖

菠蘿的主要參數見表1。

表1 菠蘿實際參數 mm

選擇4:1的比例對菠蘿植株整體進行縮放，縮放之后的尺寸見表2。

表2 菠蘿縮放參數 mm

車體高度要大于菠蘿整體高度，為防止部分尺寸較大的菠蘿被鋸片切割模塊破壞，留有50 mm左右的空間，故采集車高度為250+50=300 mm。

采集車的寬度要能夠容納菠蘿及部分采摘、收集零件；為保證菠蘿采集車作業的連續性，需要將菠蘿采摘后暫時收納至車中采集籃內，故車體需要一定的長度，同時盡可能小，以保證不影響轉彎半徑。

最終確定的車體尺寸：高度為300 mm；寬度為210 mm；長度為300 mm。

2.1.2 前輪驅動結構

菠蘿采集車選用前輪驅動結構，通過一對嚙合的齒輪，將電機的旋轉運動從水平方向轉為豎直方向，同時，在前輪驅動部分設置有固定塊，確保齒輪間的嚙合，如圖3所示。

采用前輪作為驅動輪，選用慧魚教具中的編譯馬達帶動，其尺寸為60 mm×30 mm×30 mm。

選用編譯馬達的第八擋對前輪進行驅動，其轉速為1 800 r/min，前輪選用慧魚教具中的大輪胎，可以承受較大壓力，其直徑為80 mm，周長為s=πd=3.14×80≈251.33 mm。

圖3 前輪驅動結構實物圖

可進一步得出，前輪速度為：v=1 800×251.33≈452 984 mm。

由于馬達轉速較大，需要進行一定的降速，也為了更好地在采集車框架上安置馬達，不干涉其他部分的零件運作，選用兩個齒輪進行動力的傳遞，如圖4所示。

圖4 兩個互相垂直且嚙合的齒輪

兩個齒輪的齒數比為32:10,其中小齒輪與馬達相連，傳遞水平方向上的轉動。小齒輪與大齒輪互相垂直并嚙合，將水平方向上的轉動轉化為豎直方向上的轉動，而大齒輪與后輪同軸，即可帶動前輪轉動，實現采集車的驅動，由此可計算出采集車的理想速度。

采集車前輪的理想轉速為：

則在理想情況下，采集車一分鐘的行進距離為：l=v理想×c=562.5×251.33=141 373.132 mm,即141 m。

但因存在地表摩擦力、軸向位移、形變等情況，故必然無法達到既定的理想行進距離，為得到實際的行進距離數據進行了實驗，以測量實際的行進速度，采用慧魚編程軟件Fischertechnik ROBOTICs Terminal進行編程，程序如下頁圖5所示。

程序中，M2為驅動兩個前輪進行運動的編譯馬達，程序開始后，M2開始轉動，帶動前輪轉動，采集車開始運轉，運動30 s后，M2停止運動，采集車即停止運動。

經過測量，采集車在編譯馬達8擋的情況下，30 s的運行距離為6.5 m，則一分鐘的運行距離為13 m，較之計算得出的理想距離縮小了約10倍。

圖5 控制采集車直行程序

根據數據顯示與菠蘿果實實際尺寸的比較，得出菠蘿植株的大致分布圖，如圖6所示。以每列三顆菠蘿植株，共兩列進行設計。

圖6 菠蘿植株分布

為確保完整采摘每列菠蘿，設計車在第一顆菠蘿前開始運動，前輪距離菠蘿果實700 mm，在后輪距離第三顆菠蘿果實700 mm處開始轉向，采摘下一列菠蘿。經過計算，可得出采集車直行距離：

l=700+50+300+50+300+50+700+300=2 050 mm.根據采集車速度，可計算出直行時間為：

即約9.46 s，此處取10 s。

2.1.3 后輪轉向結構

菠蘿采集車需在種植地進行連續性工作，考慮到種植地地形特征，設計轉向模塊，滿足工作需要。

采集車通過后輪進行轉向，如圖7所示，通過XM電機進行驅動，其尺寸為60 mm×30 mm×30 mm。

圖7 后輪轉向結構實物圖

可調整1-8級速度，此處使用8級速度，電機上連接小齒輪，并與鏈條相連接，同另一大齒輪連接，完成運動傳遞，大齒輪下放置轉向模塊，帶動后輪進行轉向，如圖8所示[2]。

圖8 齒輪傳動

后輪同樣采用大輪胎進行傳動，其直徑為80 mm，周長為 s=πd=3.14×80≈251.33 mm。

連接后輪的電機選用8級速度，轉速為340 rpm，電機上連接了齒輪，與另一個齒輪通過鏈條進行運動傳遞，兩齒輪齒數比為30：10。其中小齒輪與電機連接，而大齒輪與轉向模塊相連，因此可算出后輪理想的轉動速度，即為:

即可算出轉一圈所需要的時間為：

因存在地表摩擦力、軸向位移、形變等情況，必然無法達到既定的理想轉速，為得到實際的轉速數據進行實驗，設計程序使采集車后輪不斷轉向5 s，以測量實際的旋轉速度，采用慧魚編程軟件Fischertechnik ROBOTICs Terminal進行編程，程序如圖9所示[3]。

圖9 控制采集車轉向程序

程序中，M1為驅動兩個后輪進行轉向運動的編譯馬達，程序開始后，M1開始轉動，帶動后輪轉動，采集車開始運轉，運動5 s后，M1停止運動，采集車即停止運動。

由于菠蘿的種植情況存在多樣性，故在轉彎處采集車的轉角調控也存在不同的情況，這是固定程序所無法調控的，為解決這一問題，設計了靈活性與可調性較高的遙控程序，如圖10所示。

圖10 可調節轉向程序

程序中設置了多個選擇命令，通過慧魚控制器進行操作，若操作者點選左轉鍵，則左轉命令被激活，右轉命令被關閉，編譯馬達控制采集車前輪左轉，從而實現左轉運動，反之則右轉。Play子程序中是控制采集車直行的程序，使采集車筆直走過一列菠蘿植株，采摘菠蘿。

2.1.4 雙圓盤采集結構

菠蘿采集過程中，設計雙圓盤結構，作為菠蘿收集輔助工具，利用皮帶輪將高速切割下的菠蘿通過雙圓盤完成果實傳送，減少對菠蘿的損傷，同時防止已采摘的菠蘿果實逃逸，如圖11、12所示[4]。

圖11 雙圓盤采集結構實物圖

圖12 雙圓盤結構

雙圓盤結構由圓盤及皮帶結構構成，圓盤結構帶動菠蘿向后傳輸，而皮帶結構起到防護作用，防止對菠蘿果實產生損壞。兩個圓盤的圓心距即為其半徑的二倍與菠蘿直徑之和，即d=50+50×2=150 mm。

以確保菠蘿可以順利進入后部采集籃[5]。

2.2 運動流程

菠蘿采集車的運作流程圖如圖13所示。

圖13 菠蘿采集流程圖

3 應用前景

隨著農業機械化發展程度、專業化水平的不斷提高，機械自動化設備應用于菠蘿等特殊水果種植、采摘領域越來越廣泛，特別是菠蘿等類型大規模承包種植地區，對菠蘿等水果的采摘、收割尤為重要。雖然市場上已經有各種菠蘿收割儀器，但由于菠蘿采摘難度系數較大，且植株分布較為不均，造成機械自動化水平較低，目前國內對菠蘿的收割方式仍普遍采用人工采摘的方式。

本產品具有結構簡單、便于操作等特點；它不僅可以較快地切割果實，更能通過雙圓盤模塊進行簡單的水果收集，為水果預裝袋做好準備工作；利用鋸片切割技術，相比于人工采摘更為便利，節約勞動成本；構建小車模型，采用后輪轉向，能更好地適用于菠蘿種植分布，使收割更為便利，機械自動化程度高[6]。

綜上所述，本產品在多個方面符合市場需求，體積較小，且易于拆裝維修，其物美價廉的特性將使得本產品易于大量推廣，因此，本產品具有較大的潛在市場及價值，將給果農工作帶來更多便利，促進果蔬產業發展。