基于自動控制技術的仿生無人化蘋果收集機器人設計

李龍 黃宇珩 李毓雯

摘 要：針對落地蘋果收集過程中的費時、費力等問題，文章基于自動控制技術，設計了一款仿生無人化蘋果收集機器人。詳細闡述蘋果自動收集機器人的結構特點和工作原理，并利用結構和數(shù)據(jù)方面進行推導，分析整個裝置的可行性。與傳統(tǒng)的收集果實方式相比較，仿生無人化蘋果收集機器人不僅能夠適應多種場合的復雜地形，還可以自動收集在地上散落的果實，將收集過程中對果實的損害降到最低，更有利于提高果農(nóng)的效益，促進社會生產(chǎn)力的發(fā)展。

關鍵詞：蘋果收集;結構設計;仿生及自動化

0?引言

蘋果中含有豐富的碳水化合物、維生素和微量元素，它不僅可以直接食用，還可以收集制作蘋果味飲料，使人們得到味覺上的享受。就2020年度而言，我國的蘋果種植面積仍在不斷增加，新的種植技術也在不斷推廣。引進新的栽培技術之后，國內(nèi)蘋果的產(chǎn)量不斷上升，因此，需要不斷更新蘋果收集技術，提高生產(chǎn)效率，而使用仿生化蘋果收集機器人可以大大減少果園人工的成本，促進種植業(yè)的發(fā)展。

在整個果實的生產(chǎn)過程中，果實的收集非常耗費時間和成本，蘋果在收獲期間需要投入的勞動力幾乎占了整個種植過程的一半，落地的蘋果更是增加了收集的難度。另外，果實受到了時效性的限制，如若不及時收集，就會發(fā)生潰爛，導致收益減少。目前，國外很多果園的自動化設備已經(jīng)實現(xiàn)了很多功能，大多將采摘與收集結合，做成一體式設備，這類機器效率較高，但體型大，價格昂貴，使用技術要求較高。我國的農(nóng)林果樹地形地勢復雜，大型機械并不適合我國的作業(yè)條件。因此，研制一種功能完善、可靠性高、成本低的蘋果收集機器人不僅能減輕勞動強度，提高成本，還能在一定程度上促進蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1?結構及工作原理

1.1 仿生無人化蘋果收集機器人整體結構

仿生無人化蘋果收集機器人整體三維模型如圖1所示。將左右的保護擋板拆下以后可以明顯看出，仿生無人化蘋果收集機器人主要由傳動板、圓形輪、支撐體、回旋擋板、控制把手、內(nèi)箱體、左右保護擋板組成。

傳動板在支撐體邊緣傳送帶的作用下按照特定的方向和速度轉動，達到收集蘋果的目的;回旋擋板可以給蘋果提供向上的分力，左右保護擋板可以防止果實在運輸過程中掉落;內(nèi)箱體可以將運輸?shù)墓麑崈Υ嫫饋?控制把手可以人為干預調(diào)整機器人的方向;圓形輪用來承載重量，同時與電機相連接，提供動力。

1.2 仿生無人化蘋果收集機器人工圖作原理

蘋果收集器的工作過程可以用圖2進行表示。收集前，小車在控制系統(tǒng)或人工的作用下行至至果園處;收集時，小車向前運動，地面上的蘋果從小車的前端進入，支撐體履帶上的擋板與蘋果相對靜止或速度比蘋果略快。首先，蘋果隨著傳動板一起水平運動。然后，再回旋擋板的作用下隨傳動板向上運動，直到傳動板運動至箱體上方開口入。最后，果實落入內(nèi)箱體中，完成蘋果的收集作業(yè)。該裝置能滿不同道路，多種大小的蘋果收集作業(yè)。

2 可行性分析

2.1? 數(shù)值分析推導可行性

假設某地一個果園占有1 000畝地：一畝約等于667 m2，按照行距2×4 m，畝載83株果樹。

在現(xiàn)有技術水平和管理條件下，五年生蘋果樹的樹體指標為距地20 cm處的千周25 cm左右，單株枝量1 000個上下，樹株整齊度90%以上，畝枝量10萬，樹冠投影覆蓋率75%。在此基礎條件下，掌握以下栽培要點，畝產(chǎn)可望達到? ? ? ? ? ? 1 500 kg。以下效益按照畝產(chǎn)1 000 kg計算。

采用傳統(tǒng)的人工收集蘋果，每畝2 000斤（1 kg=2斤）可由4位收集工人一天完成，1 000畝地需要4 000人才能完成，按照市場價格每個工人100元/天，一共需要40萬元的雇傭成本費用。但是采用仿生無人化蘋果收集機器人收集蘋果，一畝可由一個人來完成，只需要1 000人，一共需要10萬元的雇傭成本。

綜上兩種情況比較，在設定的情況下使用仿生無人化蘋果收集機器人可以減少3/4的成本，長期使用可以大幅度增加經(jīng)濟效益，給果農(nóng)帶來了巨大的福利。

2.2 理論推導可行性

2.2.1 裝置特點

（1）結構方面：仿生無人化蘋果收集機器人，采用電機驅(qū)動，而且符合機械原理的設計要求，既省力又穩(wěn)定。

（2）經(jīng)濟方面：該機械各個部件生產(chǎn)成本低，適用于擁有中等或大型果園的果農(nóng)，經(jīng)濟要求可以被大多數(shù)使用者所接受。機器人適用于所有類型的果園，可以用來收集大部分果實。在其他農(nóng)業(yè)場合甚至其他領域也可以使用。

（3）市場方面：由于勞動力的緊缺，勞動力昂貴，果農(nóng)迫切需要這種全自動化機器來代替手工，減輕成本，從而獲得更多的經(jīng)濟效益。

2.2.2 裝置優(yōu)勢

（1）使用仿生無人化蘋果收集機器人自動收集果實，能夠大大縮短勞動時間，提高生產(chǎn)效率。

（2）仿生無人化蘋果收集機器人能夠代替人力實現(xiàn)收集，大幅度減少果農(nóng)的雇傭成本，鼓勵更多的人投身于農(nóng)業(yè)種植行業(yè)，增大競爭力。

（3）仿生無人化蘋果收集機器人順應當今農(nóng)業(yè)機械自動化潮流，推進果實自動化收集產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進步，推進農(nóng)業(yè)自動化發(fā)展。

3?結語

仿生無人化蘋果收集機器人在盡可能減少人工操作的基礎上，采用機電一體化的技術實現(xiàn)收集智能化，造價中等，適用于各種果園。同時，可以大幅提高收集效率并將果實收集中的損害降到最低，在提高果實收集效率的同時為果農(nóng)減少雇傭成本，符合當代農(nóng)業(yè)的需要。理論分析表明，該采摘器的結構合理，強度滿足要求，經(jīng)試驗檢驗采摘效率也明顯高于人工采摘，對水果種植業(yè)發(fā)展起到積極作用，所以該裝置具有良好的應用前景和推廣價值。

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（編輯 姚 鑫）