基于慧魚模型的一種振動式大棗采摘裝置方案設(shè)計＊

閆磊，聶陽文，胡星

基于慧魚模型的一種振動式大棗采摘裝置方案設(shè)計＊

閆磊，聶陽文，胡星

（西安建筑科技大學(xué)機械基礎(chǔ)實驗中心，陜西 西安 710055）

現(xiàn)有的大棗采摘方式主要是人工采摘，果農(nóng)用桿子將棗打下再收起來，采摘任務(wù)繁重，費時費力。設(shè)計了一種振動式大棗采摘裝置及采摘方法，以解決上述存在的技術(shù)問題。采摘裝置操作簡單，具有較高的安全性和可靠性，能夠提高采摘效率，節(jié)省人力物力，并較好地保證采摘水果的質(zhì)量，減輕采摘時對大棗的損傷。

慧魚模型；大棗采摘；采摘裝置；方案設(shè)計

棗是北方的重要果樹之一，新疆、河北、山東、河南、山西、陜西等是大棗主要產(chǎn)區(qū)。大多數(shù)棗產(chǎn)區(qū)都在自然生態(tài)條件較差的干旱山區(qū)丘陵、河灘沙地、鹽堿灘地，甚至是大漠戈壁等不適耕作的貧困地區(qū)，對脫貧致富起重要作用。中國大棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，棗樹種植總面積超過250萬公頃，占世界棗樹種植總面積的50%以上，總產(chǎn)量360多萬噸，占世界總產(chǎn)量的1/3。中國是世界棗的唯一出口國，在相當(dāng)長一段時間內(nèi)，中國在世界紅棗生產(chǎn)和貿(mào)易中占有絕對主導(dǎo)地位。區(qū)別于北方其他常見果樹，如蘋果樹、梨樹等，棗樹本身有許多生物學(xué)特性是很符合高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)需要的。然而，棗樹的平均高度在3～5 m，樹枝繁密，縱橫交錯。目前采收棗的方法主要還是手摘法和打落法，手摘法只能針對較低矮的棗樹，且因為棗樹本身有尖刺所以導(dǎo)致工效很低，而針對較高大的棗樹的打落法則容易引起棗的損傷，對樹體的損傷也大，大棗的采摘是整個生產(chǎn)中最耗時耗力的一個環(huán)節(jié)，棗采摘期間與要投入的勞動力約占整個種植過程的50%～70%，人工采摘棗所需的成本在水果的整個生產(chǎn)成本中所占的比例竟高達(dá)33%～50%。采摘質(zhì)量的好壞直接影響到棗的儲存、加工和銷售，從而最終影響市場價格和經(jīng)濟效益。

針對棗類采摘問題，本文設(shè)計了一款交互性良好的小型半自動人工輔助采摘設(shè)備，本產(chǎn)品與手持式采摘果棗裝置相比，具有效率高、勞動強度低、操作簡單等特點。

1 方案設(shè)計與工作原理

采摘裝置如圖1所示，主要由行走部分、采摘部分和收集部分組成。

行走部分采用履帶驅(qū)動方案，履帶驅(qū)動方案具有通過性和爬坡性強等優(yōu)點，適合在果園等復(fù)雜地形運動。

采摘部分由振動電機、傳動裝置和夾持裝置組成。振動電機通過傳動裝置對夾持裝置進行驅(qū)動。傳動裝置為一曲柄滑塊機構(gòu)，振動電機固接在曲柄滑塊機構(gòu)的曲柄之上，夾持裝置固接于曲柄滑塊機構(gòu)的滑塊之上，通過傳動裝置，把電機的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為夾持裝置的往復(fù)運動。夾持裝置采用氣缸驅(qū)動實現(xiàn)夾持與張開運動，當(dāng)夾持裝置夾住樹干時，電機通過傳動裝置能夠帶動夾持裝置發(fā)生振動，進而實現(xiàn)果實的振動脫落。

收集裝置包括收集網(wǎng)和伸縮支架。伸縮支架架設(shè)在運動裝置底盤之上，收集網(wǎng)鋪設(shè)在伸縮支架之上，當(dāng)夾持部分夾住樹干后，伸縮支架打開使得收集網(wǎng)張開，用于收集跌落的水果。

圖1 采摘裝置的總體結(jié)構(gòu)

2 采摘裝置的設(shè)計

采摘系統(tǒng)由驅(qū)動部分和夾持部分組成。

2.1 驅(qū)動部分設(shè)計

驅(qū)動系統(tǒng)如圖2所示，采用曲柄搖桿機構(gòu)與曲柄滑塊機構(gòu)通過杠桿連接的設(shè)計方案，曲柄搖桿機構(gòu)首先轉(zhuǎn)化電機的旋轉(zhuǎn)運動為往復(fù)運動，在搖桿上選取適當(dāng)長度作為曲柄滑塊機構(gòu)的曲柄，以曲柄往復(fù)擺動驅(qū)動夾持部分做往復(fù)運動，以實現(xiàn)果樹的振動。通過對曲柄滑塊機構(gòu)曲柄長度的調(diào)解和馬達(dá)的調(diào)速，實現(xiàn)夾持部分以不同的振幅和頻率進行振動，以完成對不同大小果樹的采摘。

曲柄搖桿機構(gòu)由大齒輪帶動小齒輪，小齒輪和連桿相連接，驅(qū)動小齒輪轉(zhuǎn)動。在采摘裝置振動電機轉(zhuǎn)速一定的情況下，該傳動方案可使小齒輪具有更高的轉(zhuǎn)速，提升了夾持部分的振動頻率。通過杠桿兩端不同臂長在運動時角速度相同，而線速度不同的原理，使曲柄滑塊機構(gòu)的滑塊（夾持部分）能夠讓夾持系統(tǒng)實現(xiàn)高頻率、小振幅的振動，避免對果樹根基的損傷。

圖2 采摘驅(qū)動裝置

2.2 夾持部分設(shè)計

考慮到向果樹傳遞振動需要夾持部分保持一定的夾持力度，而通過電機驅(qū)動夾持部分難以控制夾持力的大小，夾持力過大會損傷果樹樹干，而過小則無法有效傳遞振動，因此夾持部分采用氣缸驅(qū)動一個變異的平面四桿機構(gòu)來實現(xiàn)夾持的動作，夾持裝置如圖3所示。

通過調(diào)整溢流閥的額定壓力控制夾持部分的加持力度。左右兩個連桿以鉸接的方式與夾持部分雙臂連接，通過氣缸驅(qū)動，實現(xiàn)夾持部分對果樹的夾持功能。

圖3 夾持裝置

3 自動伸縮網(wǎng)的設(shè)計

自動收縮網(wǎng)由絲杠螺母機構(gòu)與五組平面四邊形機構(gòu)組成，連桿的一端鉸接在采摘裝置底盤上，另一端鉸接在螺母上，通過絲杠的雙向回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)網(wǎng)的收縮與伸張。小車前端兩組平面四邊形機構(gòu)采用人工的方式帶動網(wǎng)對果樹的包攏，可以適應(yīng)與樹冠大小不同的果樹，以人工輔助、人車配合的方式對果樹進行采摘。自動伸縮網(wǎng)裝置如圖4所示。

4 控制方案設(shè)計

4.1 控制器選擇

控制器采用兩套慧魚模型配套的Txcontroler控制板并聯(lián)，如圖5所示，分別控制設(shè)備的運動系統(tǒng)、振動系統(tǒng)及自動伸縮網(wǎng)系統(tǒng)，并且可通過藍(lán)牙或WALN連接到電腦、智能手機，或者通過紅外遙控、手柄操控等遠(yuǎn)程控制方式實現(xiàn)對采收設(shè)備的控制。

圖4 自動伸縮網(wǎng)裝置

圖5 Txcontroler控制板

4.2 控制手柄

手柄由7個限位開關(guān)組成，如圖6所示，限位開關(guān)I4、I5、I6、I7號分別控制小車的前進、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，限位開關(guān)I2號和I3號分別控制可自動收縮網(wǎng)的伸張和收縮，在網(wǎng)伸張到最大程度會觸碰小車上的限位開關(guān)，張網(wǎng)會自動停止。限位開關(guān)I1號變?yōu)槌ｉ]狀態(tài)。

圖6 控制手柄

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的振動式大棗采摘裝置操作簡便，人機交互良好，具有較高的安全性和可靠性，并且在提高采摘效率、節(jié)省人力物力的基礎(chǔ)上，能夠較好地保證采摘水果的質(zhì)量，減輕水果在采摘中受到的損傷，具有良好的推廣價值。

［1］張瑩，劉芳，何忠偉.我國紅棗產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟分析與前景展望［J］.農(nóng)業(yè)展望，2011，7（10）：36-40.

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TP241

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.018

2095－6835（2019）19－0045－02

西安建筑科技大學(xué)教學(xué)改革項目（編號：JG021725）

〔編輯：王霞〕