一種高效的小型水果采摘裝置

郭子興 郝國凱 袁靜慧

摘 要：在科技高速發(fā)展，行業(yè)技術(shù)革新的現(xiàn)在。機(jī)器取代人工，實(shí)現(xiàn)高效經(jīng)濟(jì)的作業(yè)效果已成為社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)人力進(jìn)行水果采摘，人力成本高、效率低且具有作業(yè)人員安全隱患的情況，進(jìn)而設(shè)計(jì)一款用于水果采摘的裝置。致力于高效率、低成本、人性化實(shí)現(xiàn)采摘工作。為我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供一種安全可靠高效的生產(chǎn)裝置，對(duì)于我國水果種植業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響。

關(guān)鍵詞：水果采摘；高效；多品種

1 項(xiàng)目的背景：

現(xiàn)階段隨之工業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化越來越受到重視，把先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，不斷提高科技對(duì)生產(chǎn)的增產(chǎn)貢獻(xiàn)率。而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中水果種植行業(yè)的發(fā)展由于其的高利潤(rùn)性，因此必然是重中之重。

目前我國果園總面積和總產(chǎn)量一直穩(wěn)居世界第一。同時(shí)，果品的質(zhì)量和產(chǎn)業(yè)化水平也在不斷發(fā)展和提高。目前，果品產(chǎn)業(yè)已成為繼糧食、蔬菜之后的第三大農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)業(yè)，是國內(nèi)外市場(chǎng)前景廣闊且具有較強(qiáng)國際競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。其中，小型水果如：核桃，櫻桃，荔枝等種植較為廣泛。因此開展對(duì)此類水果的采摘方式的研究極有應(yīng)用前景和意義。

2 產(chǎn)品簡(jiǎn)介：

多品種小型水果采摘機(jī)，該作品主要是解決在水果采摘季節(jié)，果農(nóng)無法進(jìn)行大機(jī)器的批量化采摘，打破以往的主要依靠人工采摘這種低效浪費(fèi)的傳統(tǒng)采摘方式。該裝置的機(jī)械手臂在絲杠加光軸傳動(dòng)控制下，可以實(shí)現(xiàn)上下高低靈活運(yùn)動(dòng)，快速、準(zhǔn)確地夾持樹干進(jìn)行低頻振動(dòng)。以大棗為例，樹干上的大棗隨著振動(dòng)從樹體上快速脫落，落入裝置底部上一個(gè)傘形裝置內(nèi)以便果農(nóng)收集裝箱，同時(shí)由于不同成熟程度的果實(shí)在面臨晃動(dòng)時(shí)，其先后脫落的順序是不同的。成熟程度越大的果實(shí)，其果實(shí)與樹枝間的連接部位的連接越脆弱。反之，成熟程度越低的果實(shí)其連接處擺脫束縛所需的力量越大。因此我們創(chuàng)新性的提出通過控制振動(dòng)頻率的切換進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同成熟程度水果的區(qū)分性采摘。

該作品其主體結(jié)構(gòu)主要是以鋁型材為外部框架，內(nèi)部主要通過大扭矩直流電機(jī)搭配絲桿加光軸結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)裝置上部機(jī)械抓手裝置的上下運(yùn)動(dòng)。在絲杠平臺(tái)之上則主要依靠光軸與鏈輪所固定，而鏈輪則通過鏈條與其下部無刷電機(jī)相連接，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳輸。而在上部，則主要依靠光軸與偏心輪結(jié)構(gòu)相連接，從而實(shí)現(xiàn)將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械抓手的前后晃動(dòng)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹的晃動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)果實(shí)的采摘效果。此外，在絲杠升降過程中，我們采用獨(dú)特的二連桿彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)，利用彈簧的拉力以實(shí)現(xiàn)鏈輪與鏈條之間的配合。

3主要機(jī)械部分設(shè)計(jì)：

3.1二連桿彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)

本著機(jī)械服務(wù)于生活，更要來源于生活的態(tài)度。我們?cè)诿媾R著在絲杠升降過程中，主動(dòng)力電機(jī)與傳動(dòng)軸上鏈輪之間距離無法保持不變，鏈條無法與鏈輪進(jìn)行咬合的情況，我們從生活中經(jīng)常用到的自行車中收到了啟發(fā)。在看到變速自行車上可自主變速的變速器時(shí)，我們萌生了這種二連桿彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)的想法。該機(jī)構(gòu)其內(nèi)部主要是一大扭矩扭簧和一根普通彈簧以及連桿所組成，依靠于彈簧和扭簧的拉力，保證傳動(dòng)軸上的鏈輪、主動(dòng)力電機(jī)的鏈輪以及鏈條之間的嚙合。并且其成本低廉，簡(jiǎn)易安裝

3.2五連桿平夾自適應(yīng)機(jī)械手

該機(jī)械手采用五連桿的連接方式，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)1桿時(shí)，1桿帶動(dòng)2桿，2桿帶動(dòng)3桿，3桿帶動(dòng)4桿依次運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)包絡(luò)。

其自適應(yīng)主要體現(xiàn)在當(dāng)4桿受到阻力運(yùn)動(dòng)時(shí)，4桿保持不動(dòng)，1桿繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)2桿轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)3桿，但由于4桿受阻力無法移動(dòng)，此時(shí)3桿將以其于4桿鏈接部位進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得3桿頂端向下回旋進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)其所加持樹干的一個(gè)自適應(yīng)。

此外由于該機(jī)械抓爪采用五連桿的連接方式故在機(jī)械抓的運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械爪兩側(cè)3桿頂端始終處于同一水平線上，這就實(shí)現(xiàn)了機(jī)械爪的平夾功能，保證了完整的包絡(luò)樹干。

4電子部分設(shè)計(jì)

在電子控制方面，我們本著簡(jiǎn)單操作，容易上手的原則。目前模型采用遙控模式，通過一臺(tái)六通道遙控器控制多臺(tái)電機(jī)，避免了繁瑣復(fù)雜且困難的圖像識(shí)別技術(shù)。通過直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)電調(diào)、無刷電調(diào)、42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、ardunio單片機(jī)等模塊直接與六通道遙控器接收機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)一鍵式控制，簡(jiǎn)單操作，極易上手。

5.結(jié)語

替代傳統(tǒng)人工進(jìn)行生產(chǎn)，避免了生產(chǎn)效率慢，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)具有危險(xiǎn)性鄧問題，以及機(jī)器生產(chǎn)來代替人工生產(chǎn)，符合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，迎合時(shí)代發(fā)展潮流，是很有研究意義的。

參考文獻(xiàn)：

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