半自動(dòng)伸折式摘果器

李斌+許志

【摘 要】摘果器是果園大規(guī)模生產(chǎn)必不可少的設(shè)備，但目前市場(chǎng)上的小型摘果器，都有一些缺點(diǎn)，主要缺點(diǎn)有采摘時(shí)易損傷果實(shí)和果樹、采摘效率低下、自動(dòng)化程度低。本文提出了一種基于Arduino UNO系統(tǒng)的半自動(dòng)摘果器，操作人員只需簡(jiǎn)單操作，系統(tǒng)即可控制循環(huán)移動(dòng)機(jī)構(gòu)、夾取機(jī)構(gòu)以及剪切機(jī)構(gòu)等部件動(dòng)作，從樹枝上剪下果實(shí)，夾住，并運(yùn)往樹下收集，如此循環(huán)往復(fù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)3—5米果樹的一次性采摘，既提高了采摘效率，又不損傷果樹和果實(shí)。

【關(guān)鍵詞】摘果器；半自動(dòng)；Arduino UNO控制

中圖分類號(hào)： TH692.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）23-0116-002

【Abstract】Picking fruit pickers are indispensable equipment for large-scale production of orchards. However， small fruit pickers currently on the market have some shortcomings. The main shortcomings are fruit and fruit trees which are easily damaged when picking， low picking efficiency and low degree of automation. In this paper， a semi-automatic picker based on Arduino UNO system is proposed. The operator can simply control the movement of the circular moving mechanism， the clipping mechanism and the cutting mechanism to cut the fruits from the branches， And transported to the collection under the tree， so the cycle back and forth， can achieve a one-time picking of 3-5 meters of fruit trees， both to improve the efficiency of picking， without damaging fruit trees and fruits.

【Key words】Picker； Semi-automatic； Arduino UNO control

0 引言

現(xiàn)在人們采用的小型摘果器可大致分為兩種： 一類是以簡(jiǎn)單手動(dòng)抓果器抓果實(shí)；另一類是用剪刀直接剪斷與果實(shí)相連的樹枝，用網(wǎng)或者導(dǎo)網(wǎng)接住果實(shí)，兩類產(chǎn)品都有其致命的缺點(diǎn)，所以實(shí)際市場(chǎng)占有率很低，產(chǎn)品沒有被人們普遍接受，導(dǎo)致我國(guó)采摘業(yè)自動(dòng)化程度低，生產(chǎn)效率低下。為解決這一現(xiàn)狀，開發(fā)了半自動(dòng)伸折式摘果器，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域空缺。

1 摘果器機(jī)構(gòu)及工作原理

1.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)

圖中各部件的標(biāo)記為：10支撐機(jī)構(gòu)、101長(zhǎng)腰形板、102銷軸、103條形通槽、104移位滑塊、105拉繩、106剪切支撐架、20循環(huán)移動(dòng)機(jī)構(gòu)、201傳動(dòng)輪、202鏈帶、203限位塊、30夾取機(jī)構(gòu)、300夾子、301第一夾體、302第二夾體、303移動(dòng)桿、304擋塊、305彈簧、306滾輪、307楔形齒、310復(fù)位導(dǎo)軌、311復(fù)位滑塊、312鏤空槽、40剪切機(jī)構(gòu)、401剪刀、50操縱機(jī)構(gòu)、501伸縮桿、502連接架、503支架、504手握桿6、微動(dòng)開關(guān)、505、球鉸鏈。

2 工作原理

2.1 主要機(jī)構(gòu)功能簡(jiǎn)介

支撐機(jī)構(gòu)：主要由四塊中間鏤空的長(zhǎng)腰形板通過軸承連接，其中中間的兩個(gè)軸承可以拆卸，如圖四所示拆下一個(gè)軸承，裝置就可以繞另一個(gè)軸承旋轉(zhuǎn)折疊；長(zhǎng)腰形板中間開條形槽，在里面嵌入兩個(gè)連接好的平行軸承組成移位滑塊，移位滑塊通過連接架連接伸縮桿，再在它上面固定移位電機(jī)，移位電機(jī)軸接拉繩，拉繩另一端固定在長(zhǎng)腰形板前端，通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)，電機(jī)收放繩，即可實(shí)現(xiàn)移位滑塊在槽內(nèi)移動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)長(zhǎng)腰形板空間移動(dòng)。

循環(huán)移動(dòng)機(jī)構(gòu)：驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)輪同軸連接，連帶與夾子通過鉚接固定，連帶上每隔一定距離就安裝一個(gè)夾子，Arduino UNO控制電機(jī)啟停，從而帶動(dòng)夾子按圖一所示方向循環(huán)移動(dòng)。

夾取機(jī)構(gòu)：如圖2所示夾子張開時(shí)（未被觸發(fā)），通過移動(dòng)桿抵住擋塊抵消夾子閉合力，使夾子保持張開，當(dāng)果實(shí)把（果實(shí)與樹枝的連接部分）抵住移動(dòng)桿并繼續(xù)向夾子內(nèi)部移動(dòng)，移動(dòng)桿漸漸被果實(shí)把推離擋塊，失去支撐力，夾子瞬間閉合夾住果實(shí)把。這是剪刀閉合，剪斷果實(shí)把，完成采摘。

剪切機(jī)構(gòu)：由剪刀、舵機(jī)、連接桿組成，兩個(gè)舵機(jī)的舵盤通過連接桿與剪刀柄相連，通過Arduino UNO控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再由機(jī)械連接桿帶動(dòng)剪刀閉合和張開。

操縱機(jī)構(gòu)：由兩段支架和手握桿組成，如圖一所示，手握桿實(shí)際上就是兩根 長(zhǎng)軸，支架通過長(zhǎng)軸連接，輔助彈簧的力量，可以折疊支架，伸長(zhǎng)或縮短操縱機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度。

復(fù)位機(jī)構(gòu)：如圖五所示連帶帶動(dòng)夾子向V字形復(fù)位導(dǎo)軌移動(dòng)，夾子接觸導(dǎo)軌上端時(shí)，夾子第一夾體上端的復(fù)位滑塊嵌入復(fù)位導(dǎo)軌中，夾子第二夾體鉚接在連帶上，連帶繼續(xù)帶動(dòng)夾子向下移動(dòng)，V字導(dǎo)軌越來(lái)越窄，夾子被擠開；同時(shí)夾子的移動(dòng)桿在彈簧拉力的作用下，向擋塊轉(zhuǎn)動(dòng)，抵到擋塊前端凸起停止運(yùn)動(dòng)，夾子復(fù)位完成，這樣夾子離開導(dǎo)軌后也能保持張開狀態(tài)。

2.2 電路部分

夾子內(nèi)側(cè)裝有微動(dòng)開關(guān)（用于檢測(cè)夾子的姿態(tài)：張開時(shí)微動(dòng)開關(guān)未被觸發(fā)，夾子閉合時(shí)微動(dòng)開關(guān)被觸發(fā)），剪刀通過連接機(jī)構(gòu)連接舵機(jī)，Arduino UNO通過實(shí)時(shí)檢測(cè)微動(dòng)開關(guān)的反饋信號(hào)，得出夾子所處位置，配合人的操作相應(yīng)按鍵，給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和舵機(jī)信號(hào)，決定裝置下一步運(yùn)行方案。endprint

人通過按鍵給Arduino UNO信號(hào)，控制移位電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)滑塊在鏤空槽內(nèi)移動(dòng)，從而調(diào)整摘果器的空間位置。

在剪切機(jī)構(gòu)上布置微型攝像頭，實(shí)時(shí)傳回圖像到顯示屏上，方便人為控制摘果器，讓夾子夾住果實(shí)把。

采用四塊12V鉛酸蓄電池供電，并通過DC/DC變壓模塊，輸出不同等級(jí)的電壓供不同電路模塊使用。

2.3 摘果器整體運(yùn)行原理

通過循環(huán)移動(dòng)機(jī)構(gòu)攜帶夾子進(jìn)行循環(huán)移動(dòng)，當(dāng)夾子移動(dòng)到摘果位置（夾子在剪刀下方，離剪刀很近，且與剪刀平行）時(shí)，Arduino UNO控制驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，人工操作摘果器輕微移動(dòng)，使果實(shí)把進(jìn)入夾子中，夾子夾住果實(shí)的把部，觸發(fā)安裝在夾子底部的微動(dòng)開關(guān)，微動(dòng)開關(guān)反饋信號(hào)給Arduino UNO，并控制剪切機(jī)構(gòu)4將果實(shí)的把部剪斷，從而將果實(shí)摘下，然后Arduino UNO控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶著夾住果實(shí)的夾子繼續(xù)運(yùn)行，下一個(gè)夾子進(jìn)入摘果位時(shí)重復(fù)上述過程；當(dāng)夾子移動(dòng)到支撐機(jī)構(gòu)末端時(shí)（樹下），通過復(fù)位導(dǎo)軌，夾子復(fù)位，果實(shí)落下，通過漸縮型導(dǎo)網(wǎng)收集，在連帶的帶動(dòng)下張開的夾子返回摘果位，夾住果實(shí)的夾子向復(fù)位導(dǎo)軌移動(dòng)，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效無(wú)損摘果。

通過移位電機(jī)帶動(dòng)移位滑塊在鏤空槽內(nèi)移動(dòng)、伸縮桿伸縮，可實(shí)現(xiàn)摘果器高度調(diào)節(jié)；人操作手握桿，摘果器可繞球鉸鏈360。旋轉(zhuǎn)，上下微調(diào)；結(jié)合兩種調(diào)節(jié)方式，可實(shí)現(xiàn)摘果器在3-5米的空間內(nèi)無(wú)死角移動(dòng)，方便采摘不同位置的果實(shí)。

3 結(jié)論

可以看出本摘果器可以替代純手工摘果，操作方便，安全可靠，快速高效，可連續(xù)摘取果實(shí)，而且果實(shí)不會(huì)直接下落，而是被帶到下側(cè)再進(jìn)行收取，有效避免了果實(shí)的損壞。

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