一種柑橘類水果電動采摘裝置設計

王立剛

（宜賓學院 智能制造學部，四川 宜賓 644007）

宜賓市柑橘類水果種植較多，目前主要靠人工采摘，存在安全隱患較多、采摘成本過高等問題，因此，急需一種能大大提升采摘效率、保障采摘安全、降低采摘成本的水果采摘機器。文中提出的采摘裝置以電機為驅動，電機通過減速箱減速，減速后增加剪切驅動力，再由錐齒輪帶動往復式刀片實現果柄剪切，在刀片下方還有接水果使用的緩沖網，可接住水果，使水果不受破壞，完成采摘。本裝置結構簡單、操作方便、成本低廉、適用范圍廣，能有效減輕果農的勞動強度。

1 總體方案設計

便攜式電動水果采摘器工作流程，見圖1。

圖1 系統工作流程框圖Fig.1 The system work flow block diagram

2 系統硬件設計

2.1 控制電路設計

本設計采用L293D 驅動模塊驅動電機，輸出引腳OUT1和OUT2 控制電機兩端的高低電平，實現電機正反轉。當控制電機的開關按下時，電機一端高電平一端低電平促使電機正轉，完成剪切工作。當關閉控制電機的開關時，之前的高低電平反向促使電機反轉，回到工作前的位置，為下一次剪切任務做好準備。

2.2 果實收納緩沖網的設計

果實收納緩沖網接在剪切刀片正下方，在準備剪切時，刀片處于果柄處，果實正好在收納網的網口處，當剪刀完成剪切時，果實順勢落入收納網中。

2.3 支撐伸縮桿設計

支撐桿由2 根中空鋁合金管構成，通過伸縮裝置完成支撐桿的伸縮。支撐桿伸長到4 m 時能夠承受3 kg 的質量，適用于絕大多數果實的采摘。伸縮轉換裝置是由一個彈簧卡扣組成，在中空伸縮桿上分布著均勻的小孔，卡豆可卡在任意小孔中，以此來固定支撐桿的伸縮長度。卡扣卡住支撐桿后，支撐桿便不會再任意滑動。

2.4 剪刀頭的設計

剪刀頭分為2部分刀片，一半刀片固定，另外一半刀片運動，中間有旋轉軸，尾部為齒條，并且和減速箱輸出軸的圓錐齒輪嚙合，可在圓錐齒輪轉動下完成旋轉，完成果柄剪切和枝條修剪。該剪刀片對普通果柄可隨意剪切，也可修剪直徑＜14 mm的枝條，空裁剪切頻率為0.8 s/次。

2.5 整體外觀的設計

該便攜式電動水果采摘器總體呈現長型，上部分為采摘頭，中間部分為伸縮支撐桿，尾部為控制開關。總體長度為1.5 m，質量為3 kg，攜帶十分方便，操作簡單。便攜式電動水果采摘器整體外觀，見圖2。

圖2 便攜式電動水果采摘器整體外觀Fig.2 The overall design of portable electric fruit picker

3 系統軟件設計與仿真

3.1 系統軟件設計

系統軟件設計流程，見圖3。

圖3 程序流程圖Fig.3 The program flow chart

3.2 系統仿真

首先將編寫好的程序文件導入控制芯片中，開始仿真測試，此時未按下任何開關，整個電路圖，見圖4。

圖4 電路準備狀態(tài)Fig.4 The circuit preparation diagram

如果按下開關K2，電機和LED 燈都不會工作，因為總開關K1 未按下，此時電路不工作。按下K1 時LED 燈亮起，同時按下開關K2，根據程序邏輯可得此時電機正轉，正轉轉速為1 000 r/min。同理，電機正在正轉，當轉過一定角度時就會觸發(fā)下限位開關K3，此時電機正轉到極限位置，由于下限位開關K3被觸發(fā)，電機此時停止轉動，轉速為0。

當完成采摘任務時松開開關K2，電機正轉時兩端的高低電平交換，由于高低電平的交換，限位開關K3 自動彈回，電機反向轉動，電機轉速為1 000 kr/min。剪刀片又回到之前的位置，為下一次采摘做好準備。當電機正在反轉，轉過一定角度時就會觸發(fā)上限位開關K4，此時電機反轉到極限位置，由于上限位開關K4被觸發(fā)，電機此時停止轉動，轉速為0。

以上5 個步驟則為電控部分一個循環(huán)，經過以上步驟之后完成一個采摘循環(huán)，即將進入下一個采摘循環(huán)。

4 創(chuàng)新點分析

4.1 電動化采摘

傳統的水果采摘是用剪刀進行采摘，而且需要爬到樹上進行作業(yè)，效率低下，成本提高并且存在安全隱患。本次設計的便攜式電動水果采摘器改傳統的純人工采摘方式為機械電動化輔助采摘方式，站在地上就可以進行操作。電動化采摘方式能夠大大提升采摘的效率，站在地上作業(yè)能夠大大保障操作者的安全。

4.2 果實收納

傳統采摘方式不能夠連續(xù)作業(yè)，采摘效率低下，缺少保護裝置，容易損壞果實，從而造成損失。而新型便攜式電動水果采摘器在剪刀頭下方加裝了一個果實收納網，剪切斷果柄之后果實順勢落入收納網，直接裝箱，可以連續(xù)作業(yè)，既保障了果實品質，又保障了采摘效率。

5 結語

在借鑒前人成果的基礎上，從提升采摘效率、降低采摘成本等方面入手，對水果采摘器定位和創(chuàng)新。結合果農的各種需求，人可站在地上實現不同高矮的果樹采摘，同時該裝置還可以對果樹枝條修剪。該裝置大大節(jié)省勞動力，結構簡單，操作方便，成本低廉，可使用性強，比較適合于中小農戶。