蘋果輔助采摘裝置的設計和制作

吳 璞，薛 彪，吳卓雅，王旭峰，李重肖，吳婉婷

(太原工業學院 機械工程系，山西 太原 030008)

0 引言

蘋果作為一種營養價值高且十分普遍的水果在我國有很大的需求量和種植量。然而全國很多地區在蘋果的采摘上依然主要靠人工，這種方式既費時又費力[1-2]，且對于蘋果來說，如果過了最佳采摘期，其品質會有所下降。我國果園環境多位于碎石較多的山地，大型設備無法運行，且成本較高，果農難以負擔。

目前，國內外的水果采摘方式主要有人工采摘、機械輔助采摘和機械化采摘三種[3]。針對蘋果采摘中存在的工作量大、作業范圍廣(果實分布高低不均)、觸碰力度控制要求高以及需選擇性采摘(單果成熟期不一致)等問題[4]，本文將展開小型輔助人工采摘裝置設計與制作，以提高蘋果采摘過程中采摘的效率、降低勞動強度和采摘成本，保障蘋果成品質量。

1 主要研究內容

1.1 采摘對象及要求

該蘋果輔助采摘裝置對蘋果進行采摘收集，蘋果直徑80 mm～100 mm;要求蘋果被采摘后無破損，收集過程中無劃傷、碰傷。機械結構簡單，操作方便，便于攜帶，安全性能好，便于維修，成本相對低。

1.2 蘋果采摘方案的擬定

通過人工代替機械移動，人眼鎖定目標。按動手柄按鈕，通過單片機控制采摘臂移動到對應的位置，將蘋果放入半球形采摘裝置中，再次控制電機進行切割，完成采摘操作，采摘裝置復位。然后尋找下一個目標，采摘下的蘋果進入收集筐，完成蘋果收集。

半圓形采摘裝置出口處連接一個導管，使得采摘下來的蘋果直接沿著導管下滑進入收集筐內的螺旋狀收集管內；收集筐內部的收集管排列為特定的角度，使得下落的蘋果既能順著環形收集管下滑至底部，又能起到緩沖作用防止蘋果之間的碰撞。收集筐下側設有開口，可將收集筐管道內收納的一定量的蘋果通過這個口進入收納袋。

2 總體設計

2.1 總體結構

蘋果采摘裝置總體結構如圖1所示，由半球形采摘裝置、伸縮裝置、收集裝置三部分組成。伸縮裝置由一個三自由度機械臂構成。收集裝置由與采摘裝置連接的導管和下部的收集筐構成。

2.2 采摘裝置

采摘裝置是由兩個四分之一球殼組成的，如圖2所示。靜止時，兩個球殼在水平面下方形成閉合半球，刀片位于兩球殼靠近水平面的位置，取代了部分球殼，可以進行拆裝，方便了后期的維護和替換。當進行采摘時，通過舵機使兩個球殼向上旋轉90°，在水平面上方閉合在一起，通過刀片將水果與樹分離。同時，兩個球殼旋轉至水平面上方后，下方通道口打開，采摘后的蘋果直接掉入通道內。在預定時間后，球殼恢復靜止狀態。

1-半球形采摘裝置；2-伸縮裝置；3-收集裝置

圖1蘋果采摘裝置總體結構 圖2半圓形采摘裝置

2.3 伸縮裝置

伸縮裝置由具有俯仰、旋轉、升降三個自由度的機械臂構成。通過俯仰舵機、旋轉舵機以實現旋轉和俯仰運動；通過步進電機來實現其上升下降；通過錐齒輪的嚙合實現刀片的轉動。圖3為俯仰舵機和旋轉舵機，圖4為升降部分。

圖3 俯仰舵機和旋轉舵機

圖4 升降部分

2.4 收集裝置

收集裝置由導管和收集筐構成，如圖5所示。導管內部采用有一定彈性的材料，收集筐內部為坡道式設計，坡道內有一個個小的活動隔欄，將坡道分為一個個小格，當蘋果從管道落下時，依次填充進每一個格子內。隔欄采用偏軟材料，使蘋果撞擊隔欄時不會產生損傷。隔欄采用可拆卸設計，插在坡道上的卡槽內，通過插在不同的卡槽內，可以調整隔欄的間隔。

2.5 程序設計

本次設計涉及多種電機的控制，因此采用性能強大的STM32F103C8T6控制器進行控制，先由控制器向TB6600驅動模塊發送控制信號，從而控制由兩個步進電機構成的升降機構，在到達指定位置后停止后，控制兩個舵機進行俯仰旋轉，可由控制器控制每個舵機旋轉的角度，以達到多角度的抓取。

2.6 樣機制作

圖6為制作出的蘋果采摘裝置樣機。該裝置單人即可進行操作，方法簡單易學，可以在較快的時間內鎖定采摘目標，并進行順利采摘。采摘下來的蘋果順著導管進入收集筐內，極大地縮短了采摘時間，又保證了蘋果質量。后期，采摘下來的蘋果可直接從收集筐出口取出，方便、快捷。

圖5 收集筐 圖6 制作的蘋果采摘裝置樣機

3 結語

本次設計的蘋果輔助采摘裝置整體結構簡單，操作方便快捷，拋棄了傳統意義上的抓式結構或者較為少見的吸附式結構，采用半圓形刀刃閉合切斷蘋果梗。采用肩背式設計，以人體行走代替機械的整體移動，以應對各種條件下造成的移動問題。本裝置大大節省了采摘時間和人力，提高了蘋果的采摘效率，降低了勞動強度和采摘成本，保障了蘋果成品質量。