半自動(dòng)伸縮摘果器裝置研究

肖貴平，孫惠斌，劉家豪，唐 浩，夏 磊

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

在果蔬生產(chǎn)過程中，摘果為一大難題。目前，我國(guó)南方果園多位于丘陵山區(qū)，部分果蔬采摘期限短，需要集中作業(yè)，依靠人工采摘果實(shí)不僅耗時(shí)，同時(shí)費(fèi)力。而采摘機(jī)器人距離實(shí)用化和商品化尚有一定距離，其行走裝置難以適應(yīng)復(fù)雜的山區(qū)環(huán)境。因此，還要完成半自動(dòng)伸縮摘果器裝置的研制，滿足果蔬生產(chǎn)的采摘作業(yè)需求。

1 半自動(dòng)伸縮摘果器裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)半自動(dòng)伸縮摘果器，由伸縮式機(jī)械手臂、剪摘器、手持固定部分和傳送裝置等部分構(gòu)成。通過與伸縮式機(jī)械手臂連接，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單自如轉(zhuǎn)向和收縮，剪摘器可以從各方向準(zhǔn)確安全的進(jìn)行水果采摘。利用傳送裝置，采摘的果實(shí)可以落到指定位置，從高處安全順利的傳送至地面。設(shè)計(jì)手持固定部分，可以使裝置的穩(wěn)定性得到增加，降低人員手腕疲勞程度。采用裝置可實(shí)現(xiàn)摘果器操作的手動(dòng)和自動(dòng)轉(zhuǎn)換，且整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、重量輕，操作相對(duì)安全、可靠。

2 半自動(dòng)伸縮摘果器裝置的開發(fā)實(shí)踐

2.1 裝置機(jī)構(gòu)功能

在裝置開發(fā)過程中，剪摘器由剪切機(jī)構(gòu)和收集裝置構(gòu)成。剪摘器固定在伸縮式機(jī)械手臂的頂端，能夠在機(jī)械手臂的帶動(dòng)下移動(dòng)。其中，剪切機(jī)構(gòu)包含剪刀、連接桿和舵機(jī)等部分，舵機(jī)利用舵盤與剪刀柄和連接桿連接，利用控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制，并利用機(jī)械連接桿帶動(dòng)剪刀開閉。在剪摘器末端，安裝有傳動(dòng)裝置和微型電機(jī)。裝置采用的微控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速視覺伺服控制，在多照度環(huán)境中實(shí)現(xiàn)果實(shí)自適應(yīng)精確識(shí)別，因此能夠快速進(jìn)行果實(shí)位置定位，向微型電機(jī)發(fā)送控制指令。在微型電機(jī)控制下，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將帶動(dòng)剪刀做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將果柄切斷，果實(shí)則會(huì)落入收集裝置。收集裝置由網(wǎng)兜轉(zhuǎn)軸、長(zhǎng)網(wǎng)兜、伸縮桿、彈性繩圈和收集容器構(gòu)成，長(zhǎng)網(wǎng)兜的上緣能夠沿著網(wǎng)兜轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，也能將方向固定，所以能夠?yàn)椴煌较蚝透叨鹊膯喂占峁┍憷?。利用夾子，可以固定長(zhǎng)網(wǎng)兜上的彈性繩圈，使其與果實(shí)大小接近，促使長(zhǎng)網(wǎng)兜發(fā)生形變，避免果實(shí)直接掉落受到損失。裝置裝設(shè)有自動(dòng)開關(guān)，能夠?qū)椈膳c傳動(dòng)桿連接在一起，在果柄給予傳動(dòng)桿推力時(shí)彈簧將會(huì)發(fā)生形變，促使開關(guān)動(dòng)作，繼而使剪摘器自主動(dòng)作。微動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)之間的間距較小，在受到較小外力作用下就會(huì)發(fā)生瞬間開閉，為快速轉(zhuǎn)換開關(guān)，能在果實(shí)采摘中保持靈敏動(dòng)作，滿足果實(shí)采摘要求。在開關(guān)動(dòng)作后，剪刀連接的電磁吸盤回路將通電，使剪刀閉合，因此可以保證摘果器操作安全。

2.2 裝置運(yùn)動(dòng)控制

從裝置運(yùn)動(dòng)控制過程來看，機(jī)械手臂的伸縮式支桿與安裝在支桿頂端的電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)將利用支桿空腔中的電線連接。電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪減速器輸入端連接在一起，輸出端與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的凸輪連接，其上安裝有滑塊。剪摘器一個(gè)把柄利用機(jī)架固定，另一個(gè)其上設(shè)有滑塊滑動(dòng)的軌道。在裝置運(yùn)動(dòng)的過程中，在控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，剪摘器將在電機(jī)帶動(dòng)下循環(huán)移動(dòng)，其上安裝的微型攝像頭會(huì)將圖像傳回，方便人為實(shí)現(xiàn)剪摘器的控制。而剪摘器移動(dòng)到摘果的位置，電機(jī)將停轉(zhuǎn)，剪摘器則會(huì)發(fā)生輕微移動(dòng)，使果柄接觸傳動(dòng)桿，觸發(fā)微動(dòng)開關(guān)，控制剪刀將果柄剪短，實(shí)現(xiàn)果實(shí)收集。

2.3 裝置使用效果

完成裝置開發(fā)后，需要驗(yàn)證裝置使用效果，分別在蘋果園和橘園進(jìn)行果實(shí)采摘，與徒手采摘效果相比較。采摘過程中選擇果實(shí)密度與高矮接近的兩組果樹，以十分鐘為限。從采摘效果來看，使用裝置采摘的果實(shí)為人工采摘的2 倍以上，前期操作十分迅速，節(jié)省了果實(shí)傳遞過程，使果實(shí)采摘更加輕松。在后期采摘過程中，由于蘋果密度較小，尋找目標(biāo)需一定時(shí)間。而蘋果生長(zhǎng)高度較高，因此伸縮式機(jī)械手臂發(fā)揮了重要作用。在橘園中采摘，由于橘子生長(zhǎng)高度較低，可以快速、輕松完成采摘。此外，采摘的水果無擦破或碰傷情況，因此裝置操作安全可行，能夠帶來一定經(jīng)濟(jì)收益。

3 結(jié) 語

從研究結(jié)果來看，研制的半自動(dòng)伸縮摘果器能實(shí)現(xiàn)手工摘果方式的替代，能實(shí)現(xiàn)果實(shí)的連續(xù)、高效摘取，同時(shí)也能保證果實(shí)剪摘過程安全、可靠，采摘的果實(shí)無損傷，能帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，獲得較好的應(yīng)用前景。