新型智能水果緩沖收集裝置設計*

梁海龍，楊平平，于景華

(山西工學院，山西 朔州 036000)

0 引 言

隨著“智慧農業”技術的發展，智能化農機設備逐漸應用于農業生產的各個領域。水果采摘分類收集是農業生產的一大類，球形水果又占水果產業很大一部分，但是球形水果分類收集的勞動作業任務繁重而繁瑣，且容易損傷水果。每年我國因為水果收集分類不當而造成的經濟損失數以億計。因此實現水果安全分類收集的智能化變得越來越迫切，創新研發智能化的緩沖分類收集技術，研究開發水果緩沖收集機械具有重要意義。目前國內主流的智能化水果分類收集裝置功能單一、靈活度差、不適合多類水果分類收集。筆者重點通過對水果緩沖裝置的設計和樣機實驗得到了一種能夠靈活高效實現球形水果按照大小及成熟度等方式的智能分類裝置。該裝置可應用于山地、丘陵地帶果園的的球形水果收集，實現水果智能化分類收集，提高果農工作效率。

1 系統組成

新型智能水果緩沖收集裝置由緩沖部分、智能分類部分、剪叉式升降部分、絲杠傳動部分等組成，結構總圖如圖1。緩沖部分由緩沖軟管和內外緩沖盤等組成，結構如圖2所示；智能分類部分由單片機、壓力傳感器、顏色傳感器、電機、帶槽卡盤、轉動分類槽和滑槽等組成，結構如圖3所示；剪叉式升降部分由剪叉連桿和臺板等組成，結構如圖4所示；絲杠傳動部分由手動搖桿、錐齒輪、螺母和絲杠等組成，結構如圖5所示。使用時，將智能水果緩沖收集裝置推到目的區域，搖動手搖桿調節整個裝置的高度，將水果放入緩沖管，水果沿著管進入緩沖內盤，內盤轉動水果逐個通過卡盤進入轉動分類槽，轉動分類槽中的傳感器將收集的數據傳給控制器，再有控制器控制電機轉動將不同品質的水果進行分離入箱。該裝置能夠實現對水果自動快速的緩沖分類收集，保證水果無損傷，同時高效的對水果細致化分類收集，一方面有利于水果后期的儲存，另一方面減輕了人工分類收集的勞動強度。

圖1 結構總圖

圖2 緩沖部分結構圖

圖3 智能分類部分結構圖

圖4 剪叉式升降部分結構圖

圖5 絲杠傳動部分結構圖

2 工作原理

智能水果緩沖收集裝置工作原理如下：使用時，人將裝置推到預定的目標區域，搖動手動搖桿，調節好整個裝置的高度，把要分類的水果特征(水果重量、色澤)輸入控制器，把四個空果箱放到滑槽下方，把要分類的水果放入緩沖軟管(這里也可以直接加長軟管和采摘頭連接，讓采摘的水果直接進入軟管)。接著水果會足個進入緩沖內盤的U型槽，由于受重力的原因，緩沖內盤會轉動將水果送到帶槽卡盤(由于緩沖內盤結構的設計，水果在U型槽中不會與緩沖外盤底面接觸，水果也不會因為緩沖內盤轉動而擦傷)。每當一個水果進入帶槽卡盤的球形凹槽，壓力傳感器就會將壓力信息傳給控制器，再由控制器控制帶槽卡盤的電機轉動，從而控制帶槽卡盤轉動，帶槽卡盤轉動就會堵住緩沖外盤與帶槽卡盤的連接通道，從而阻止水果繼續進入帶槽卡盤。帶槽卡盤轉動90°，水果從帶槽卡盤滾入轉動分類槽，然后帶槽卡盤反向轉90°回到初始位置去迎接下一個水果。在轉動分類槽內滾動的水果逐漸接近球形凹槽的過程中，在轉動分類槽上的顏色傳感器不斷把收集的顏色數據傳給控制器，當水果滾入轉動分類槽的凹槽時，控制器控制與轉動分類槽連接的電機轉動，轉動分類槽按規定方向轉動90°，水果從轉動分類槽滾到滑槽上，轉動分類槽反轉90°回到初始位置去迎接下一個水果。滾到滑槽上的水果沿著滑槽進入果箱，這樣一個無傷水果完整的緩沖分類收集過程完成。

3 關鍵結構設計

3.1 緩沖及智能分類部分設計

緩沖部分由緩沖內盤、外盤、軸承和緩沖軟管組裝而成，如圖2所示。緩沖軟管為柱狀柔軟可伸縮結構，其與緩沖外盤上端圓柱口通過自鎖式卡扣連接。緩沖外盤為盤柱狀殼體類結構，其內部設計有凸軸，凸軸上裝配滾動軸承，滾動軸承與緩沖內盤裝配而構成轉動副。緩沖內盤安裝到前述滾動軸承上，可實現緩沖內盤繞緩沖外盤上的凸軸整周轉動，緩沖內盤上設計有U形卡槽，每個U形卡槽表面上都覆蓋有一層柔軟的橡膠，保證水果與U形卡槽表面接觸時不損傷水果。緩沖外盤底面與水平面設計成傾斜角為30°的傾斜結構，且其下部與鋼架固定連接。緩沖外盤下端出口平面固定于鋼架中間矩形板上，且其與智能分類部分銜接。

智能分類部分由帶槽卡盤、鋼架、電機、轉動分類槽和滑槽組成，如圖3所示，其中帶槽卡盤球型槽里安裝壓力傳感器，轉動分類槽上安裝顏色傳感器。帶槽卡盤下端有垂直于卡盤設置的軸與鋼架構成轉動副，帶槽卡盤可實現繞該軸轉動，卡盤與鋼架中間矩形板緊挨。電機固接在鋼架中部，用來驅動帶槽卡盤繞軸轉動。壓力傳感器固定于帶槽卡盤球形凹槽底端，用來實現智能控制采集數據。轉動分類槽下端設置轉軸，該軸與鋼架構成轉動副，鋼架兩端對稱分布兩組轉動分類槽，驅動轉動分類槽轉動的電機分別固接于鋼架兩端。轉動分類槽上固接的顏色傳感器可用來對進入轉動分類槽中的水果進行數據收集。滑槽固接于鋼架兩端，鋼架固接于上臺板上。上述所用電機均由單片機控制，調整其轉速和轉向。上述帶槽卡盤、轉動分類槽和滑槽等水果能接觸到的內表面均設置有一層柔軟的的橡膠。

3.2 升降及傳動部分設計

升降部分設計成剪叉式結構，其由下臺板、剪叉式連桿機構和上臺板組成，上臺板前端與剪叉式桿件構成轉動副，上臺板后端與剪叉式桿件構成移動副，剪叉式桿件在桿件中間插入銷軸實現剪叉式運動。下臺板前端與剪叉式桿件構成轉動副，剪叉式桿件與絲杠上的螺母構成轉動副，如圖4所示。下臺板下部安裝有四個車輪，實現地面行走和越障功能。

絲杠傳動部分如圖5所示，其包括螺母、絲杠、手動搖桿、錐齒輪機構。通過螺旋傳動和三對齒輪機構實現傳動功能。絲杠與下臺板構成轉動副，下臺板與手動搖桿構成轉動副。錐齒輪固定于軸兩端，軸與下臺板構成轉動副，絲杠與螺母螺旋傳動，下臺板與螺母構成移動副，搖動手動搖桿可直接調節螺母的前后方向移動。

4 控制系統設計

該智能水果緩沖收集裝置主控制器使用STC89C52RC單片機，其與電機進行ICC通信選用L298N電機驅動模塊傳輸信號，控制電機實現正反轉，顏色傳感器、壓力傳感器提供輸入信號。控制器電源信號和所有電機的供電都是由蓄電池24 V、10A的直流電源供應，總體控制方案見圖6。

系統控制流程圖見圖7，自動控制通過單片機、電機驅動模塊、傳感器、電機之間的數據傳輸相互配合完成。

圖7 系統控制流程圖

5 結 語

通過虛擬樣機實驗，驗證該裝置各機械部分運轉靈活、配合高效。通過單片機控制模塊上電運行，驗證控制系統運行順暢，能實現預定功能，后續將繼續開展樣機制作及調試運行。

該裝置巧妙地將機械結構與電控相結合，使得水果逐個無傷的進行細致化分類收集，升降裝置使得整體裝置可以縮的很小，小推車的結合可以把裝置靈活的推到目的區域，其適用面廣，采摘效率高、省力，降低了勞動強度，極大地節省了采摘成本，價格低廉具有一定的實用性，因此市場前景廣闊。