搖晃式沙果采摘機的設(shè)計**

李昀澤 ，周泓昊 ，管士睿 ，劉 鵬 ，王鑫鵬

（佳木斯大學(xué)機械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展，林果業(yè)在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的占比越來越大，我國已成為世界上林果覆蓋面積以及產(chǎn)量最大的國家，林果業(yè)成為許多地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。沙果在中國已有8 000多年的栽種歷史，有降低血壓、保護肝臟、抗癌抑癌的功效[2]。沙果的采摘是目前亟需完善的重要環(huán)節(jié)，國內(nèi)的沙果采摘主要是靠人工作業(yè)，采摘費用約占成本的30%～45%，且人工敲打采摘易損壞沙果[3-4]。因此，實現(xiàn)沙果的機械化采摘，在降低生產(chǎn)成本和成果破損率、提高農(nóng)民的收入等方面均具有重要的意義。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

搖晃式沙果采摘機如圖1所示。該機的主要功能是利用機器手抓樹干，以不同的頻率晃動樹干進行沙果的采集，再通過在分級裝置上安裝篩分震動馬達和軸流風(fēng)機實現(xiàn)沙果與果葉的分離以及沙果的分級處理。此外，還在收集箱中配置了RGB傳感器。由于沙果成熟度的標識采用了RGB顏色特征表示，利用顏色值確定沙果成熟度的標準，從而將成熟度較高和較低的沙果區(qū)分出來，實現(xiàn)對沙果成熟度的識別。利用傳動機構(gòu)使發(fā)電機采用V帶傳動與曲柄連桿機構(gòu)相連時，與曲柄連桿機構(gòu)相接的曲柄滑塊會左右移動，并且曲柄滑塊上有兩個可調(diào)整的連桿機構(gòu)，能夠按照樹身的高低調(diào)整兩板之間的距離，還有柔性橡膠墊保護樹身，在可調(diào)節(jié)頻率和強度的狀況下并不會對果樹生長產(chǎn)生什么影響。機械下部有限位軸用來穩(wěn)定樹身，當(dāng)機械運轉(zhuǎn)時，在機械爪下面的收集裝置能夠圍住果樹，而在搖動過程中沙果會滑落在采集設(shè)備里，從而便于采集。同時，機械機架上還預(yù)留了柴油引擎安裝位置，便于在大規(guī)模栽培的情形下采用，該機器能夠大幅減少勞動成本、提高生產(chǎn)效率以及保證沙果的新鮮度。

整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 搖晃式沙果采摘分級一體化機器人三維結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 搖晃機械手

沙果樹的震蕩頻率和振幅程度是影響采摘率的主要因素，因此，對振幅和頻率的控制是關(guān)鍵，自動控制系統(tǒng)主要是根據(jù)沙果樹的振幅調(diào)節(jié)馬達轉(zhuǎn)速。機器在工作時，機械爪抓緊沙果樹主干上部，樹干在進入集果板縫隙的過程中，集果板上的履帶被動運動，將集果板的縫隙填滿。隨后，電機開啟連帶往復(fù)結(jié)構(gòu)運動使得機械爪作搖晃運動，此時利用傳感器測得樹干的振幅程度，將實時參數(shù)進行對比匹配，利用反饋控制步進電機的轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)液壓回路的流量，使沙果樹振幅達到最佳。搖晃機械手三維圖如圖2所示。

圖2 搖晃機械手

2.2 立體三級分級裝置

如圖3所示，立體三級分級裝置總體外形為長方體，長度為600 mm，寬度為500 mm，高度為400 mm，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為分級和收集兩部分。在分級箱與輸送管的連接位置，用分篩板形成分級裝置。在分級箱內(nèi)部設(shè)置斜坡和安裝軸流風(fēng)機，沙果從采摘器滾落到斜坡的同時實現(xiàn)沙果與果葉的分離，在由上至下的滾動過程中掉落至不同的孔徑中，從而實現(xiàn)沙果的分級。同時，不同的縫隙之間采用隔板隔開，分級箱做成抽屜的形式，極大地節(jié)省了人力，提高了工作效率。

圖3 立體三級分級裝置

通過多次實驗，發(fā)現(xiàn)在分級裝置中的斜槽傾角為30°時，沙果從斜槽中能夠順利滑落到指定的箱子中，于是便將斜槽傾角設(shè)定為30°。然后對調(diào)查情況和沙果的實際規(guī)格進行分析，通過依次降低高度來設(shè)定適當(dāng)?shù)目讖?，把沙果?jīng)過篩選的孔徑分成40 mm以內(nèi)、40 mm ～55 mm之間和55 mm以上三層，再通過分級法來設(shè)定適當(dāng)?shù)拈g距，實現(xiàn)了按照沙果尺寸的分級。

分級裝置由篩分板和篩分震動馬達組成，所述篩網(wǎng)孔徑大小根據(jù)篩選需求選擇，并且自上至下依次設(shè)置在篩分板上。所述篩分板的底部四角固定有彈簧，共有4個彈簧，均固定在機箱外殼和篩分板之間。篩分震動馬達通過螺栓固定在篩分板的底部，并通過導(dǎo)線與電源開關(guān)連接。

3 理論設(shè)計計算

3.1 步進電機的微震動模擬算法理論

傳統(tǒng)狀況下，電動機的工作過程多是勻速運動，而步進電機則在速度受到頻率控制的情況下運動。因此，必須在工作過程的啟動與終止過程中，同時解決因啟動頻率過高而造成的失步問題和因終止時速度過快而造成的振動問題[5]。處理該問題的辦法有許多，常見的一種解決模型有直線規(guī)則的勻加減速限制、階梯規(guī)則的車速限制以及指數(shù)規(guī)則的車速限制[6-7]。

在微震動仿真平臺的實際操作中，軸的直徑是一定的，而在整個仿真流程中，根據(jù)圖4給出的對S型曲線的計算，整個流程又可以分成加速階段和下降階段[8]。在滿足所規(guī)定的最高車速時，如果軸長不滿足上述條件，則需要根據(jù)具體要復(fù)現(xiàn)的高加速度場景來規(guī)劃行走路線，并且按照在各種場合下加速度和速度差的大小，從而結(jié)合實際的軸長來測算相應(yīng)的位置。按照測算出的軸長來選取各種拋物線型的S型曲線，設(shè)置出在減速至靜止階段時的移動距離。

圖4 S型曲線

以四段型曲線算法為例，在0～t1時段，設(shè)加速度曲線上，加速度的加速率即加速度曲線的斜率為Amax，則可得a(t)=Amax*t。對加速度函數(shù)加以計算，并代入速率曲線起始位置(0,v0)，可得速率時刻函數(shù)表達式為v(t)=Amax*t2/2+v0，進而得出第一加速時段的定位為S(t)=Amax*t3/6+v0*t，那么0～t1時段內(nèi)所形成的位置即為：

在t1到t2時間段，加速度函數(shù)設(shè)為a(t)=kt+b，代入坐標點(t1,Amax*t)、(2*t1,0)，運算得到a(t)=Amax*t+2Amax*t1，經(jīng)積分后得到的加速函數(shù)為：

進而求得位移函數(shù)為：

則時間段t1到t2之間的位移為：

時間0到t2之間的位移為：

3.2 系統(tǒng)構(gòu)成與算法的實現(xiàn)

單軸的步進電機等待上位機下達命令給相應(yīng)的控制器，并通過控制器對控制電動機進行一定的加減速動作[9-10]?？刂破魍ㄟ^32位芯片的STM32和步進電機驅(qū)動器構(gòu)成驅(qū)動層，并用作下位機來實現(xiàn)和上位機之間的命令通信。步進電機將一次微步的間距設(shè)為s，速度v則應(yīng)該用在加速階段的工作轉(zhuǎn)速運算公式v(t)=Amax*t2/2+v0，其定時時間為：

將定時器周期T轉(zhuǎn)換為微秒Tμs，則：

再將變量t轉(zhuǎn)換為tμs=t/1 000 000，得：

此時分母最小為2v0，因此v0越小，其差值也越大?？梢园逊肿臃帜笖?shù)同時增加一百倍，從而減小誤差，以提高定時器的計時準確度，否則會由于定時器計時周期變大，而造成步進電機加轉(zhuǎn)速不持續(xù)，則沒有了S型曲線和加減的含義。為了實現(xiàn)最高精確度，使用了時鐘頻率較高的STM32F103系列晶片，該晶片的高頻能夠做到72 MHz，而且定時器資源也相當(dāng)充足。

4 結(jié)論

1）課題組設(shè)計了一款適合在丘陵山區(qū)將沙果進行采摘、收集、分級的搖晃式沙果采摘機。

2）通過理論設(shè)計和系統(tǒng)構(gòu)成的算法計算，實現(xiàn)步進電機在工作時對加減速的控制，提高采摘機的工作穩(wěn)定性。

3）分級裝置中增加震動電機對分級箱產(chǎn)生上下擺動，實現(xiàn)快速分級，另外安裝軸流風(fēng)機，在收集過程中實現(xiàn)沙果與果葉的分離。