基于振動式棗類采摘系統(tǒng)的設計

王大鵬，李宏偉，牛得學，雷琦

（濱州學院機電工程學院，山東 濱州 256603）

1 研發(fā)意義

棗為鼠李科棗屬植物，是我國最古老的果樹之一，中國也是世界上棗的最大生產國和棗產品唯一出口國，隨著經濟發(fā)展和特色農業(yè)的建立，棗類種植業(yè)成為現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的一條新的產業(yè)項目，棗類產業(yè)已呈現(xiàn)出局域化布局、種類繁多、規(guī)模化發(fā)展、多種栽培模式盡顯其效的新格局。國內對于棗類采集機械設備的研制方面雖然有所成就，但仍然存在諸多問題。比如設備體積龐大，顯然受地形和環(huán)境的制約較大，而且不適用于矮型或密植棗樹的棗類采集；功能較為單一，智能化水平低，需要大量人力物力支持協(xié)助完成。此機械設備是介紹了棗類采集收集一體機的作業(yè)機構和控制系統(tǒng)、多傳感器信息融合等關鍵技術；并指出了傳統(tǒng)打棗方式中存在的問題,指明了基于振動式林果采摘的棗類采集收集一體機在標準化、模塊化、控制系統(tǒng)智能化等方面的發(fā)展趨勢,為它的進一步設計與開發(fā)提供了一些有用的信息。

2 總體設計方案

本設計旨在解決棗類收獲效率低及收獲過程中不能有效保護果實的問題，提高棗類收獲的機械化水平，并進一步實現(xiàn)棗類收獲的智能化作業(yè)。以stm32f103vet6芯片為控制核心，實現(xiàn)對基于振動式林果采摘的棗類采集收集一體機的整體控制。

基于振動式林果采摘的棗類采集收集一體機主要功能為集棗類采集、輸送、除雜、收集于一體。設計曲柄滑塊機構以實現(xiàn)振動式的棗果實采摘，并通過絲杠使得曲柄滑塊所在的晃動平臺實現(xiàn)上升下降自由調節(jié)；帆布展開形成的棗類接收裝置可實現(xiàn)對晃動下的棗類收集，并實現(xiàn)棗果實的軟著陸，減少采集過程中對棗果實帶來的損傷，而且接收裝置可通過無線遙控實現(xiàn)自由展開、收回，使得作品閑置時極大節(jié)約空間；帶有爬坡線的輸送帶經過高速電機三葉風扇構成的除雜機構后將棗類輸送至收集箱。以推桿電機提供轉向動力，以蝸桿式直流減速電機配合齒輪傳動構成整機運動系統(tǒng)動力，使得基于振動式林果采摘的棗類采集收集一體機更易適用于多變地形（如整體結構圖示）。

圖1 基于振動式林果采摘的棗類采集收集一體機整體結構

3 主要功能機構介紹

棗類收集機構是由兩側帆布分別展開270°而形成的碗狀收集機構，展開面積為3.6m2。棗類收集機構原理為帆布的一端固定于車架，另一端固定于主動桿，中間部分分別用2根從動桿固定在一起。

在10radmin的直流減速電機帶動下，主動桿沿方形導軌（方形導軌的設置主要是對主動桿起支撐作用）實現(xiàn)180°轉動，在主動桿的帶動下，固定于軸承上的兩根從動桿分別轉動120°和70°，實現(xiàn)將帆布完全展開及支撐的目的。當兩側直流減速減速電機轉動180°時停止轉動，使得兩側帆布完全展開并接觸。

振動機構固定于振動平臺上，由有刷電機、夾取機構及曲柄滑塊結構組成。額定轉速為2650RPM的有刷電機固定于振動平臺上，為曲柄滑塊結構組成的振動機構提供動力，并可以通過調速器對有刷電機的轉速進行調節(jié)，以實現(xiàn)針對不同品種或樹齡的棗樹采用合理的振動頻率，在保護棗樹的基礎上達到較高的收獲效率。

振動機構的設計利用了曲柄滑塊的死點位置，即連桿與從動桿共線時滿足傳動角γ=0°，此時與電機連接的主動件桿通過連桿作用于從動件夾取機構上的力恰好通過其回轉中心，以達到對棗樹最佳的振動效果。夾取機構內側貼有橡膠，在晃動棗樹時可有效保護樹干免受損傷；以冷軋鋼三節(jié)軌固定在晃動機構的另一端，保證夾取機構只進行橫向運動。

棗類輸送機構是由10radmin的減速直流電機、鏈條、鏈輪及輸送帶構成。10radmin的直流減速電機鏈接鏈輪，以1:2的傳動比帶動兩側輸送帶向上運輸，輸送帶與水平車架呈35度，下端位于棗類收集機構的最低位置。輸送帶上等距設置了4個寬200mm高25mm的爬坡線，以保證棗可順利輸送到除雜部分

除雜機構位于輸送帶上端，由兩組高速電機、四葉風扇及除雜導軌組成。振動機構工作時，難免會有樹葉等雜質摻雜落下。當棗類輸送至輸送帶頂端時，高速電機帶動四葉風扇工作，實現(xiàn)將樹葉等雜質沿除雜軌道吹走。利用Central Composite試驗設計方法針對矮型密植棗類建立了除雜率的回歸模型并檢驗了其可靠度，實驗結果除雜機構除雜率可達69.3%。

轉向機構設置在前輪，由兩根導程200mm、推力1300N的推桿電機提供轉向動力。推桿電機底座通過軸一與車架相連，另一端通過軸二連接在40×40mm方管鋼材制作的連接件上；連接件通過軸二與車底盤相連，通過軸三與車輪配合，使得前車輪的最大轉向角度為70°，以滿足車體轉向的目的。驅動機構動力來源于額定力矩為20kg.cm的蝸桿直流減速電機，并通過1:2的轉動比帶動后輪轉動并實現(xiàn)減速的目的。

4 控制流程

控制工作流程使用該系統(tǒng)時根據(jù)液晶顯示器提供的的工作信息觸動按鍵，按鍵形成的信號傳給單片機，判斷哪個按鍵被按下。通過無線遙控使得車身前進后退，當棗樹樹干到達夾取機構內側指定位置時，車身停止運動，2個10r/min的直流減速提供動力，使得兩側帆布在主動桿的帶動下實現(xiàn)180°轉動并完全展開，升降平臺通過絲杠調節(jié)到最佳的振動位置，然后有刷電機通過曲柄滑塊機構帶動夾取機構實現(xiàn)對棗樹樹干的橫向晃動。振動下的棗收集到帆布最低端，按下相應工作按鈕后輸送機構與除雜機構同步工作，輸送帶向上運輸棗果實，經過除雜機構除雜后落入收集箱內，完成整個棗類收獲過程。

4 結語

目前，國內普遍的棗類收獲方式以人工打棗為主，機械化、智能化程度較低，且需要多人配合進行打棗，浪費勞動力。國外有比較先進的打棗機械，但是由于體積過于龐大，不適合矮化密植紅棗的采集工作，而且造價較為高昂，對于多數(shù)棗農而言是不劃算的。本產品針對上述存在的問題，設計了一種高效率，高可靠性，智能化，集打棗、傳送、除雜、收集于一體的棗類采集收集一體機，并通過研究了各影響因素對響應指標的影響規(guī)律，最終確定了撿拾裝置的最優(yōu)工作參數(shù)組合：輸送機構轉速53r/min、振動機構轉速316r/min、除雜機構轉速11000r/min、采凈率為93.6%、損傷率為3.6%、除雜率為69.3%。。該產品利用合理有效的機械結構，并采用多傳感器信息融合技術以及無線遙控，不僅大大減少了作業(yè)環(huán)節(jié)，減少農時，還最大限度保護了棗果實免受棗類收獲過程中的損傷和浪費，實現(xiàn)了農業(yè)打棗的智能化作業(yè)，并為后續(xù)的產品研發(fā)提供了一些有用信息。