半自動(dòng)可調(diào)式水果采摘器的設(shè)計(jì)

吳先煥 楊俊杰

(武漢商學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430056)

1 水果采摘器研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外水果采摘器的研究概況

由于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都是采取規(guī)?；a(chǎn)，但是從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人口卻不多，所以像美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)高性能的農(nóng)業(yè)機(jī)械非常地依賴。為此發(fā)達(dá)國(guó)家很早就開(kāi)始對(duì)高性能的農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行了研究。例如美國(guó)為了解決西紅柿采摘過(guò)程效率低的問(wèn)題，成功研制世界上第一個(gè)專門(mén)用于采摘西紅柿的機(jī)械手，西紅柿的采摘效率得到了顯著提高。隨后為了提高柑橘采摘的采摘效率，又研發(fā)出了對(duì)一種可以識(shí)別樹(shù)冠外果實(shí)的機(jī)械手。韓國(guó)為了解決蘋(píng)果采摘機(jī)械中定位不準(zhǔn)、定位難的問(wèn)題，研制了一種基于傳感器識(shí)別技術(shù)的蘋(píng)果采摘機(jī)械手，提高了蘋(píng)果的采摘效率。日本在水果采摘方面，利用的是人與機(jī)械手相互配合的方式來(lái)提高采摘效率的，人在采摘過(guò)程中主要負(fù)責(zé)定位，其他工作由機(jī)器完成。這樣的好處在于保證效率的同時(shí)降低機(jī)器制作成本。

1.2 國(guó)內(nèi)水果采摘器的研究概況

果業(yè)在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，為了提高水果采摘的效率，國(guó)內(nèi)專家也對(duì)高性能的水果采摘機(jī)械進(jìn)行了研究。東北林業(yè)大學(xué)陸懷民，成功地研制出了松木球果實(shí)采摘機(jī)械裝置，該裝置單片作為控制核心，采用液壓裝置作為驅(qū)動(dòng)裝置，為了解決攜帶不方便的問(wèn)題，改裝置還設(shè)計(jì)有行走機(jī)構(gòu)。在進(jìn)行果實(shí)采摘時(shí)，利用底部的行走機(jī)構(gòu)使整個(gè)裝置靠近目標(biāo)果樹(shù)，然后由單片機(jī)控制液壓裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的精確采摘。為了解決在西紅柿采摘中無(wú)法精準(zhǔn)定位果實(shí)的問(wèn)題，張瑞合等人利用雙目立體視覺(jué)的辦法實(shí)現(xiàn)了對(duì)西紅柿精準(zhǔn)的定位，極大地提高了采摘效率。但是，由于我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和發(fā)達(dá)國(guó)家不一樣，目前還沒(méi)有全部實(shí)現(xiàn)大規(guī)模種植，還是以散戶種植為主。對(duì)于價(jià)格比較高昂、攜帶不太方便的水果采摘機(jī)械裝置不太適合散戶種植的使用。因此研發(fā)出一種價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便的水果采摘器是十分有意義的。

2 半自動(dòng)可調(diào)式水果采摘器的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方向及總體方案

2.1.1 設(shè)計(jì)方向

(1)主要解決人不能站在地面上很輕松地采摘樹(shù)上的果實(shí)。(2)操作簡(jiǎn)單，攜帶方便，采摘效率高，并且保證果實(shí)的成品質(zhì)量。(3)將果實(shí)整個(gè)包裹起來(lái)，再將果實(shí)結(jié)蒂切斷，不傷害里面的果實(shí)，也不會(huì)觸碰傷害旁邊的果實(shí)，保證水果的完好率。

2.1.2 總體方案

半自動(dòng)可調(diào)式水果采摘器主要由水果夾手及其夾手座、反向蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電機(jī)及傳動(dòng)軸機(jī)構(gòu)和接受帶環(huán)、支撐架等零件組成。通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)控制夾手座轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)夾手采摘水果角度，反向蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)控制對(duì)水果的切割以及包覆果實(shí)，電機(jī)工作及傳動(dòng)軸來(lái)保證以上2個(gè)控制單元的正常工作。本裝置能采摘各種高度、各種角度的水果，而且大部分材料都是由鋁合金制成的，所以成本比較低，且比較輕便。整個(gè)裝置操作簡(jiǎn)單、便于攜帶，成本低，非常適合散戶果農(nóng)在日常的高枝水果采摘中使用。

本產(chǎn)品分為反向蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電機(jī)和連軸傳動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3個(gè)部分組成，如圖1所示。下面將依次詳細(xì)介紹。

圖1 半自動(dòng)可調(diào)式水果采摘器

1—半球型蓋；2—雙圓柱蝸桿軸；3—左右旋齒輪；4—直齒當(dāng)量齒輪；5—減速電機(jī)；6—水果套袋圈箍；7—伸縮桿

2.2 反向蝸桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 機(jī)構(gòu)介紹

蝸桿傳動(dòng)由蝸桿和蝸輪組成，蝸桿為主動(dòng)件。蝸桿和螺紋一樣有右旋和左旋之分，分別稱為右旋蝸桿和左旋蝸桿。

2.2.2 機(jī)構(gòu)基本原理介紹

蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)，兩軸線間的夾角可為任意值，常用的角度為90°，蝸桿傳動(dòng)主要用于在交錯(cuò)軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。

2.2.3 蝸桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品以采摘蘋(píng)果為主，經(jīng)過(guò)查找資料，一個(gè)蘋(píng)果標(biāo)準(zhǔn)的縱切面長(zhǎng)度在8～12cm之間，半球型底座寬為3cm，同時(shí)還需要留有空隙，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)為20cm。

2.3 電機(jī)及連軸傳動(dòng)軸機(jī)構(gòu)

2.3.1 確定電機(jī)的功率

一般簡(jiǎn)單機(jī)械都注明應(yīng)配套使用的電動(dòng)機(jī)功率，更換或配套時(shí)方便，該采摘器為小型機(jī)械半自動(dòng)化工具，比較輕巧，所以電動(dòng)機(jī)功率得比它大10%即可。電機(jī)的功率不能選擇過(guò)小，否則難以帶動(dòng)半球形球蓋角度的調(diào)整，同時(shí)電機(jī)的功率過(guò)小也可能使帶動(dòng)半球型蓋閉合的力過(guò)小，使采摘器無(wú)法正常完成水果采摘。電動(dòng)機(jī)的功率也不能過(guò)大，這樣會(huì)造成功率的浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)使成本增加。

2.3.2 電機(jī)的選擇

根據(jù)上面對(duì)蝸桿及其連軸和齒輪的分析，然后根據(jù)實(shí)際情況得到一個(gè)蘋(píng)果在300g～450g左右，設(shè)蝸桿受到的驅(qū)動(dòng)力矩為T(mén)1，工作阻力矩為T(mén)2，分別將蝸桿和蝸輪作為受力分析的分離體，由力對(duì)各自軸線的力矩平衡條件，以及各力之間的關(guān)系可得到各力的大小。從而粗選25GA-370電機(jī)，這款電機(jī)扭力較大，低噪音，高性能特點(diǎn)，應(yīng)用于各類小型機(jī)器半自動(dòng)化設(shè)備中。

2.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2.4.1 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇

為了使電機(jī)能夠正常的工作，還需要使用驅(qū)動(dòng)芯片。關(guān)于驅(qū)動(dòng)芯片，本裝置采用L298N芯片，作為驅(qū)動(dòng)芯片。L298N是一種雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，每個(gè)H橋可以提供2A的電流，功率部分的供電電壓范圍是2.5～48v，邏輯部分5v供電。選擇L298N理由如下：(1)半自動(dòng)可調(diào)式水果采摘器要實(shí)現(xiàn)角度的可調(diào)和半球形球蓋的開(kāi)啟和閉合，L298N可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速，滿足使用需求；(2)L298N啟動(dòng)性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；(3)本裝置有2個(gè)電機(jī)，L298N可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2臺(tái)直流電機(jī)，滿足使用要求。

2.4.2 整體驅(qū)動(dòng)原理

將控制反向蝸桿傳動(dòng)的電機(jī)接入L298N驅(qū)動(dòng)芯片的OUT1和OUT2，控制采摘器轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)接入L298N驅(qū)動(dòng)芯片的OUT3和OUT4，再將L298N驅(qū)動(dòng)芯片和電源連接，用上下左右4個(gè)按鈕分別控制反向蝸桿的傳動(dòng)和采摘器的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.5 半自動(dòng)可調(diào)式水果采摘器工作原理

(1)調(diào)節(jié)桿的長(zhǎng)度，直到能摘到樹(shù)上的果實(shí)，將其固定住。(2)調(diào)節(jié)桿與收集筐的角度，使筐底部盡可能平行于地面。(3)按動(dòng)開(kāi)關(guān)，電機(jī)帶動(dòng)采摘器開(kāi)始工作，將要采摘的水果包裹起來(lái)，然后位于采摘器頂端的刀片將果實(shí)蒂切斷。(4)成功采摘果實(shí)后采摘器轉(zhuǎn)動(dòng)至合適位置并松開(kāi)，果實(shí)掉入收集筐中。

3 使用效果分析

(1)便于攜帶，操作方便。(2)可調(diào)節(jié)伸縮桿的長(zhǎng)度，進(jìn)行低位和高位采摘。(3)將果實(shí)包裹起來(lái)再將果實(shí)蒂切斷，不傷害里面的果實(shí)，也不會(huì)觸碰傷害旁邊的果實(shí)，保證了采摘下來(lái)水果的質(zhì)量。(4)采摘后的水果直接進(jìn)入收集袋中，將收集和采摘功能同時(shí)實(shí)現(xiàn)，提高了采摘效率。(5)由于本裝置采用了自動(dòng)化的技術(shù)，降低了果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)論

半自動(dòng)可調(diào)式水果采摘器便于攜帶、操作方便、價(jià)格低廉，可實(shí)現(xiàn)多方向的高位采摘，并適用于多種水果，特別適用于散戶種植的果農(nóng)。此采摘器使用自動(dòng)化技術(shù)，降低了果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度。采用包裹式的切割，降低了水果損傷率。采摘后的果實(shí)可以直接收集進(jìn)袋中，將收集和采摘的功能同時(shí)實(shí)現(xiàn)，大大提高了果農(nóng)的水果采摘效率。采摘者只需要通過(guò)4個(gè)按鈕控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)蝸桿的傳動(dòng)和采摘器的轉(zhuǎn)動(dòng)，便可讓采摘器自動(dòng)完成采摘作業(yè)，操作十分方便?？偠灾?，該采摘器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用范圍廣，使用便利，具有十分廣闊的市場(chǎng)。