一種旋轉切割式香蕉收割機控制設計

桂林電子科技大學機電工程學院 韋茗中 楊孟杰 韋義康 石 捷

結合當前人工采摘香蕉經驗與原理，同時針對市場上常規收割機器效率較低的問題，文章提出一款旋轉切割式的香蕉收割機設計。文章提出的香蕉收割機主要由夾持機構、旋轉切割機構、機械臂機構、旋轉底座裝置和感應控制系統組成。裝置實現了使用弧形刀片沿刀片軌道高速旋轉切割香蕉柄，保證平穩切割香蕉柄，同時不碰傷果實，降低果實損耗率，提高了收割效率。

香蕉目前是世界第一大出口貿易水果，而隨著世界經濟水平的提升，消費水平也水漲船高，再加上世界香蕉品質的提升，必然會為香蕉進入國際市場騰出更大的市場空間，香蕉世界貿易量未來幾年仍會穩定增長。這對于中國的香蕉產業的發展來說，既有國外市場的機遇，也有在本國內部擴容的機遇。在未來，香蕉種植規模會愈加龐大，單依靠傳統收割技術進行收獲，所消耗的成本會隨之增加。目前，香蕉采摘一般是采用人工采收和機械采收兩種方式，人工采收一般由2到3人組成一組，其中1人負責割斷穗桿，1人負責縛果梳，1人負責將果梳搬至加工工廠。這種采收方式收到人為因素影響極大，很難保障香蕉的收獲品質。除此之外，香蕉還受天氣的影響，需要在一定時間內完成香蕉采摘，這些都嚴重影響香蕉收割進程。文章提出了一種可精準切割香蕉串而不致其損傷，且收割效率較高的旋轉切割式香蕉收割機設計，綜合保證了香蕉的收獲品質。

1 裝置介紹

該機器由夾持機構、旋轉切割機構、機械臂機構、旋轉底座裝置和感應控制系統組成，整體機械裝置如圖1所示。

圖1 整體機械模型圖

1.1 夾持機構

夾持機構（如圖2所示），所述夾持機構是由電機、夾持齒輪、傳動齒條和機械爪組成。為了可以確保夾持機構可以抱緊香蕉果軸，以便于收割。夾持機構可以包括夾持電機，夾持電機的輸出軸與一夾持齒輪固定連接帶動其轉動，所述夾持齒輪與一傳動齒條的一端嚙合帶動其前后移動，傳動齒條的另一端兩側分別與1根第一連桿的一端鉸接帶動其里外移動，2根第一連桿的另一端分別與1根第二連桿鉸接帶動其里外移動，2根第二連桿分別與機械抓的一抓牙鉸接帶動機械抓張合。

圖2 夾持機構

1.2 旋轉切割機構和機械臂機構

旋轉切割機構（如圖3所示），所述旋轉切割機構安裝于機械臂上且可沿機械臂上下運動并位于夾持機構正下方，其包括弧形刀片、與弧形刀片形狀相同的刀片軌道、刀片開合驅動裝置和豎向驅動裝置，同時搭載了工業高清攝像頭。

圖3 旋轉切割機構圖解

調查顯示：市面大多的香蕉收割裝置為一種回轉式香蕉落梳機，包括機架、電機、第一齒輪、第二齒輪、軸承、軸套、刀盤、刀架、第一落梳刀和第二落梳刀，其有減少香蕉表面損傷等特點。但是上述裝置存在以下缺點：1、香蕉穗桿通常為彎曲狀，在旋轉切割，易于切裂果柄造成果把散開，還會損傷果實。2、在收割過程中，香蕉穗桿向下運動中，因香蕉梳的重量和向下拉力的作用，易于損傷香蕉樹甚至香蕉穗桿而無法完成收割。3、該裝置僅實現了香蕉果穗收割的半自動機械化，仍需要其人力將香蕉穗桿插入夾持孔內，效率提高效果有限。

本產品解決了這些問題，旋轉切割機構在夾持機構抓緊香蕉果軸時，通過工業高清攝像頭觀察香蕉果軸位置，弧形刀片轉出刀片軌道貼合香蕉果軸，然后在刀片旋轉驅動裝置的帶動下實現優弧形刀片的快速旋轉，同時在豎向驅動裝置的帶動下旋轉切割機構沿著機械臂下滑，實現香蕉果柄的切割，切割后的香蕉果柄落入收割袋中，完成香蕉的收割過程。

弧形刀片的上端安裝于刀片軌道內，并沿其周向開設有齒狀帶，弧形刀片和刀片軌道和弧長均為優弧，弧形刀片的弧長大于刀片軌道缺口部分的弧長。刀片軌道通過滑塊與豎向驅動裝置連接。

機械臂機構，機構含豎向驅動裝置和收割袋裝置。豎向驅動裝置是由鏈條、皮帶，加上電機、齒輪等結構組成的直線驅動裝置。具體為豎向電機的輸出軸與豎向主動輪固定連接，豎向主動輪通過豎向皮帶與安裝在機械臂上端的豎向從動輪連接，滑塊連接在豎向皮帶上，且滑塊的一端嵌入機械臂的滑軌內，實現滑塊的上下運動。收割袋裝置安裝于旋轉切割機構的正下方，便于對切割后的香蕉進行包裝。

1.3 旋轉底座機構

旋轉底座裝置（如圖4所示），旋轉底座安裝于行駛小車的前部。所含的旋轉電機的輸出軸與旋轉主動齒輪固定連接帶動其轉動。旋轉主動齒輪通過一旋轉鏈條與旋轉從動齒輪連接帶動，從而帶動機械臂旋轉。如此，機器可以從香蕉串的任意角度收割香蕉，以提高收割的效率和減少對香蕉果實的損傷。

圖4 旋轉底座裝置

1.4 控制系統組成

該設計的控制系統，通過有線或無線方式與夾持機構和旋轉切割機構連接并控制其運動。其中有線方式可以為mod-bus、485、232等，或者上述各類有線通信方式的組合。無線方式可以為WiFi、4G、ZigBee、射頻（Radio Frequency，RF）、藍牙（Bluetooth）等，或者上述各類無線通信方式的組合。上述網絡的實例包括但企業內部網、互聯網、移動通信網等。

2 具體實施方式

首先，香蕉收割機的夾持裝置處于一定高度，其張開范圍大于尋常香蕉串直徑，合并的范圍小于尋常香蕉串的直徑，香蕉串在豎直向下旋轉切割時，因夾持裝置的抓取，能夠快速，平穩的完成采摘。在進行豎直向下旋轉切割前，旋轉切割機構前端兩個高清攝像頭的輔助下，可精準捕捉香蕉串位置。旋轉切割機構中，刀片電機的輸出軸與一錐型齒輪連接帶動其旋轉，所述錐型齒輪與一刀片齒輪嚙合帶動其旋轉，該刀片齒輪與一刀片鏈條嚙合帶動刀片鏈條運動，刀片鏈條與齒狀帶嚙合控制優弧形刀片的旋轉，完成裝置閉合動作。再由豎向驅動裝置通過所述滑塊連接于機械臂上且可沿機械臂上下運動，完成香蕉果實和穗桿的分離。香蕉果實落入設于下方的收割袋，很大程度減少了香蕉落下的沖力，避免香蕉收到二次傷害。機械臂機構與旋轉底座機構連接在一起，可實現從香蕉串的任意角度收割香蕉，能更加得心應手的應對各種收獲香蕉的環境。

3 裝置特點

3.1 精準高效

夾持機構抱緊固定香蕉軸，保證旋轉切割機構能夠快速、平穩切割香蕉柄，實現精準切割。弧形刀片沿刀片軌道高速旋轉切割香蕉柄，且同時通過豎向驅動裝置帶動向下移動切割香蕉柄，實現對香蕉串從上往下高效采摘香蕉。

3.2 對果實損傷小

夾持機構、旋轉切割機構、收割袋垂直于機械臂，且從上往下位于一條垂直線上，保證了切割下來的香蕉掉入袋子中，減少運輸中對果實的傷害，進一步降低果實損耗率。

香蕉憑借著香甜軟糯的獨特的口感深受到人們的喜愛，香蕉種植規模也愈加龐大。市面上已有的收獲機械大多效率不高、果實損傷率較高。因此，本所述的一種旋轉切割式香蕉收割機設計針對以上問題考慮，實現了果實收割包裝合為一體，具有減少體力勞動、提高香蕉產后處理效率及減少香蕉表面損傷等特點，貼合果農的實際需求，具有較高市場價值。