智能環抱式椰果采摘機設計及應用

卓有成 程清偉 張梓謙 莫永康 謝東燊 林曉鵬

（華南理工大學廣州學院 廣東廣州 510800）

1 研究背景及意義

2019 年，海南椰子種植面積500 萬畝，年產約12 億個椰果。目前海南椰子種植業的主要問題是椰果采收是以手工方式為主。年產12 億個椰果，大部分均靠人工采摘，勞動強度大。

學術研究方面，印度Akshay Prasad Dubey 設計了一款椰子樹攀爬收獲機器人[1]，該機器人由上下兩個環形結構組成，交替抱樹實現機器人的上下攀升；印度尼西亞Politeknik Elektronika Negeri Surabaya（PENS）大學，研發了一種椰子收獲爬樹機[2]，該機器人有一個采用三輪連接的自動緊固機構，以適應不同直徑的樹木，安裝有彈簧彈簧，使機器人可以更好的纏在樹干上，同時使用切割刀成束切割采摘，如圖1 所示。

圖1 爬樹機

但是以上的采摘機器存在機器過大或者無法夾緊樹干導致滑落，因此結合市場需求，本論文設計一款小型椰果采摘機替代人工勞動具有重要意義。

2 椰果采摘機結構設計

智能環抱式采摘機主要由兩部分組成，一是智能爬行系統，二是智能椰果采摘系統。該機通過單作用氣缸的彈簧反力實現輪胎對樹干的夾緊，通過電機配合減速器驅動輪胎提供足夠的爬行動力，通過爬行系統上搭載的小型三軸機械臂對椰果進行切割采摘。

智能環抱式椰果采摘機的工作原理：首先將椰果采摘機左右兩半部分環抱樹干，并且插上定位銷，單作用氣缸在彈簧反力的作用下，使得外環向內擠壓，輪胎在外環的帶動下緊緊壓在樹干上。這樣便實現了椰果采摘機的定位安裝工作，椰果采摘機也在16 個單作用氣缸的彈簧反力作用下通過摩擦力而固定在樹干上。電機和輪胎之間通過NRV 減速器進行減速傳動，使用的減速器傳動比i=40 的降速傳動，蝸桿蝸輪傳動比i=40＞30，所以減速器可以實現自鎖。因此在電機沒有給驅動力的情況下，椰果采摘機會依靠摩擦力牢牢固定在樹干上。工作時通過遙控控制電機驅動輪胎到可采摘高度時停止驅動電機工作，隨后通過遙控控制3 軸機械臂進行椰果成束切割采摘，整個采摘過程需要人工遙控控制切割采摘。

智能環抱式椰果采摘機總體機構分為爬樹模塊和采摘模塊。設計圖如圖2 所示。

圖2 椰果采摘機結構

3 椰果采摘機中心位置要求

整機重心的位置在此椰果采摘機中也非常重要，在設計時應該盡可能保證該機器的重心在椰樹樹干的軸線上或是與樹干表面盡可能的貼近，偏心是此類機器人最大的缺陷之一，當產生偏心時機器人在運動旋轉過程中會產生離心力，且這種離心力因速度的提升和偏心的增大而增大。此類機器偏心會造成整個樹木造成一定程度的損傷，因此本設計要盡量減小偏心距離。

在solidworks 軟件中給予相應的零部件賦予相應的材料后進行重心測量，測量結果如圖3 所示。在極限采摘狀態下，椰果采摘機的重心始終在樹干中軸線附近，貼近樹干表面的位置，因此設計符合重心位置要求。

圖3 椰果采摘機重心

4 智能環抱式椰果采摘機的WiFi 遙控系統搭建

隨著科技發展，使用WiFi 進行數據傳輸的功能已經十分完善，體積小，功耗低，因此十分適用于無線控制技術中。

利用手機或電腦等無線終端發送數據到WiFi 數據接收端，存儲到數據模塊內存中，再經由發送端發送到單片機等控制系統中作為各種命令指令，單片機解析這些指令后便可以執行相應的操作，以達到遙控目的。

單片機與外設通訊要經過串口接收與發送數據，因此我們選擇的WiFi 模塊必須帶有串口轉接功能，綜合多種WiFi 模塊，我們選擇了USR-WIFI232-Bwifi 轉串口模塊，在滿足了基本要求的前提下，該模塊還支持IEEE802.11 的通訊模式，支持TCP/UDP/ARP/ICMP/HTTP/DNS/DHCP 等多種網絡協議，支持多客戶端連接，同時具有功耗低，穩定性強等優點。

圖4 USR-WIFI232-Bwifi 轉串口模塊

圖5 無線WiFi 模塊部分設計程序

圖6 工作流程

5 智能環抱式椰果采摘機的應用

實現椰果采摘的前提是首先該機器需要爬升到一定高度在進行相應的采摘操作。因此，椰果采摘機首先是一個智能爬樹機器人，在應用時能夠在一定負載下，以期望速度在椰樹樹干上實現穩定爬升到一定高度。并且能針對同一椰樹樹干底部大，頂部小，不同椰樹樹干直徑有差別的情況，智能環抱椰果采摘機有一定自我調節適應能力。

隨著我國沿海地區“百萬畝椰林”工程的建設，椰果的產量會逐年遞增。然而椰子采摘卻是困擾人民的一大問題，智能環抱式椰果采摘機能有效的解決椰果采摘問題。