新型智能水果緩沖收集裝置設(shè)計*

梁海龍，楊平平，于景華

(山西工學(xué)院，山西 朔州 036000)

0 引 言

隨著“智慧農(nóng)業(yè)”技術(shù)的發(fā)展，智能化農(nóng)機設(shè)備逐漸應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。水果采摘分類收集是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一大類，球形水果又占水果產(chǎn)業(yè)很大一部分，但是球形水果分類收集的勞動作業(yè)任務(wù)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(jīng)濟損失數(shù)以億計。因此實現(xiàn)水果安全分類收集的智能化變得越來越迫切，創(chuàng)新研發(fā)智能化的緩沖分類收集技術(shù)，研究開發(fā)水果緩沖收集機械具有重要意義。目前國內(nèi)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(shè)計和樣機實驗得到了一種能夠靈活高效實現(xiàn)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(yīng)用于山地、丘陵地帶果園的的球形水果收集，實現(xiàn)水果智能化分類收集，提高果農(nóng)工作效率。

1 系統(tǒng)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(jié)構(gòu)總圖如圖1。緩沖部分由緩沖軟管和內(nèi)外緩沖盤等組成，結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動分類槽和滑槽等組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示；剪叉式升降部分由剪叉連桿和臺板等組成，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖5所示。使用時，將智能水果緩沖收集裝置推到目的區(qū)域，搖動手搖桿調(diào)節(jié)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(nèi)盤，內(nèi)盤轉(zhuǎn)動水果逐個通過卡盤進入轉(zhuǎn)動分類槽，轉(zhuǎn)動分類槽中的傳感器將收集的數(shù)據(jù)傳給控制器，再有控制器控制電機轉(zhuǎn)動將不同品質(zhì)的水果進行分離入箱。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)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(jié)構(gòu)總圖

圖2 緩沖部分結(jié)構(gòu)圖

圖3 智能分類部分結(jié)構(gòu)圖

圖4 剪叉式升降部分結(jié)構(gòu)圖

圖5 絲杠傳動部分結(jié)構(gòu)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(yù)定的目標區(qū)域，搖動手動搖桿，調(diào)節(jié)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(nèi)盤的U型槽，由于受重力的原因，緩沖內(nèi)盤會轉(zhuǎn)動將水果送到帶槽卡盤(由于緩沖內(nèi)盤結(jié)構(gòu)的設(shè)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(nèi)盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，從而控制帶槽卡盤轉(zhuǎn)動，帶槽卡盤轉(zhuǎn)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(xù)進入帶槽卡盤。帶槽卡盤轉(zhuǎn)動90°，水果從帶槽卡盤滾入轉(zhuǎn)動分類槽，然后帶槽卡盤反向轉(zhuǎn)90°回到初始位置去迎接下一個水果。在轉(zhuǎn)動分類槽內(nèi)滾動的水果逐漸接近球形凹槽的過程中，在轉(zhuǎn)動分類槽上的顏色傳感器不斷把收集的顏色數(shù)據(jù)傳給控制器，當水果滾入轉(zhuǎn)動分類槽的凹槽時，控制器控制與轉(zhuǎn)動分類槽連接的電機轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動分類槽按規(guī)定方向轉(zhuǎn)動90°，水果從轉(zhuǎn)動分類槽滾到滑槽上，轉(zhuǎn)動分類槽反轉(zhuǎn)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 緩沖及智能分類部分設(shè)計

緩沖部分由緩沖內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，其內(nèi)部設(shè)計有凸軸，凸軸上裝配滾動軸承，滾動軸承與緩沖內(nèi)盤裝配而構(gòu)成轉(zhuǎn)動副。緩沖內(nèi)盤安裝到前述滾動軸承上，可實現(xiàn)緩沖內(nèi)盤繞緩沖外盤上的凸軸整周轉(zhuǎn)動，緩沖內(nèi)盤上設(shè)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(shè)計成傾斜角為30°的傾斜結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)置的軸與鋼架構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，帶槽卡盤可實現(xiàn)繞該軸轉(zhuǎn)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(qū)動帶槽卡盤繞軸轉(zhuǎn)動。壓力傳感器固定于帶槽卡盤球形凹槽底端，用來實現(xiàn)智能控制采集數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)動分類槽下端設(shè)置轉(zhuǎn)軸，該軸與鋼架構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，鋼架兩端對稱分布兩組轉(zhuǎn)動分類槽，驅(qū)動轉(zhuǎn)動分類槽轉(zhuǎn)動的電機分別固接于鋼架兩端。轉(zhuǎn)動分類槽上固接的顏色傳感器可用來對進入轉(zhuǎn)動分類槽中的水果進行數(shù)據(jù)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(diào)整其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。上述帶槽卡盤、轉(zhuǎn)動分類槽和滑槽等水果能接觸到的內(nèi)表面均設(shè)置有一層柔軟的的橡膠。

3.2 升降及傳動部分設(shè)計

升降部分設(shè)計成剪叉式結(jié)構(gòu)，其由下臺板、剪叉式連桿機構(gòu)和上臺板組成，上臺板前端與剪叉式桿件構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，上臺板后端與剪叉式桿件構(gòu)成移動副，剪叉式桿件在桿件中間插入銷軸實現(xiàn)剪叉式運動。下臺板前端與剪叉式桿件構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，剪叉式桿件與絲杠上的螺母構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，如圖4所示。下臺板下部安裝有四個車輪，實現(xiàn)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(gòu)。通過螺旋傳動和三對齒輪機構(gòu)實現(xiàn)傳動功能。絲杠與下臺板構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，下臺板與手動搖桿構(gòu)成轉(zhuǎn)動副。錐齒輪固定于軸兩端，軸與下臺板構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，絲杠與螺母螺旋傳動，下臺板與螺母構(gòu)成移動副，搖動手動搖桿可直接調(diào)節(jié)螺母的前后方向移動。

4 控制系統(tǒng)設(shè)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(qū)動模塊傳輸信號，控制電機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，顏色傳感器、壓力傳感器提供輸入信號?？刂破麟娫葱盘柡退须姍C的供電都是由蓄電池24 V、10A的直流電源供應(yīng)，總體控制方案見圖6。

系統(tǒng)控制流程圖見圖7，自動控制通過單片機、電機驅(qū)動模塊、傳感器、電機之間的數(shù)據(jù)傳輸相互配合完成。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖

5 結(jié) 語

通過虛擬樣機實驗，驗證該裝置各機械部分運轉(zhuǎn)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(tǒng)運行順暢，能實現(xiàn)預(yù)定功能，后續(xù)將繼續(xù)開展樣機制作及調(diào)試運行。

該裝置巧妙地將機械結(jié)構(gòu)與電控相結(jié)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(jié)合可以把裝置靈活的推到目的區(qū)域，其適用面廣，采摘效率高、省力，降低了勞動強度，極大地節(jié)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。