便携式双刀片电动果园采收装置设计

何家成　汪洋　蒋猛

摘要 [目的]解决华南丘陵山区水果摘采机械化难度大的问题。[方法]采用计算机模拟设计了一款便携式双刀片电动果园采收机具。首先通过建立力学模型的方式，论证了方案的可行性，排除了一次剪切不成功的情况；其次对机具的硬件选择和电路控制，计算机工作程序等进行了设计。[结果]设计的双刀片机械辅助果园采收机具，由两片切割刀片，两台直流伺服电机、可伸缩支架杆等组成，工作时刀片始终在水果筐范围内移动，不会出现因为刀片移动到筐外而损伤其余未摘水果的情况，可有效降低因采收机具而产生的产量损失。[结论]该设计方案通过切割力分析验证，不存在一次切割不成功的情况；该机具搭载的直流电机，选用12V/6AH电池，每次可工作10 h，可满足山地工作需求。

关键词 便携式；电动；水果采摘

中图分类号 S225 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）05-01563-03

Abstract [Objective] To solve the problems in fruit picker mechanization in the hilly region of southern China. [Method] A portable double blade electric orchard recovery device was designed using computer simulation. First， we set up a model of physics to prove the feasibility of this project and also prove that the blade can cut off the branch in one time. Then we discuss the design of circuitry and software with this project. [Result] The designed recovery device consists of double blades， two DC servo motor， the telescopic support rod. [Conclusion] The design scheme was verified by cutting force； the DC motor used 12V/6AH battery， which can work 10 h each time and satisfy mountain work demands.

Key words Portable； Electric； Fruit

中国作为水果生产大国，截止2009年我国水果生产量为1.14亿t，占全世界水果产量的19.42%，其中苹果、梨、橙等生长在果树上的水果产量均占世界前三[1]。整个水果生产过程中，果园采摘所占劳动力占其整个生产过程的35%～45%[2]，但是我国果园采摘机械化程度较低。农业机械化对提高单位耕地面积的农业总产值、降低农业劳动力的使用量、提高农业劳动生产率，以及优化农业的种植结构等方面发挥着十分重要的作用[3]。因此研制水果采摘机械改善果园作业方式具有重要而实际的意义。

当前果园机械采摘方法主要分为：机械辅助采收和机械化采收两种形式[4]。国内机械化采收存在着效率不高，容易损伤果实、产量损失大等问题[4]。尤其是在我国南方丘陵山区地带，这一地区恰好又是水果采摘园的所在地。这片地區由于地形限制，拖拉机等大型机械难以工作，加大了实现机械化采收的难度。但是在未来的日子里对于这一地区，机械辅助采收作将为主流的采收形式。基于这种情况，课题组设计了双刀片机械辅助果园采收机械。采用了两片刀片，使得刀片进行切割工作时始终在水果筐范围移动，不会出现因为刀片移动到水果筐外而损伤其余未摘水果的情况，有效地降低了因采收水果而产生的产量损失。

1 系统基本结构及原理

该装置由两片切割刀片、两台直流伺服电机、可伸缩支架杆、切割按钮、控制器、电池、软质管组成。其装配方式为：切割刀片安装在直流伺服电机的旋转轴上，直流伺服电机安装在支架杆的顶端，在支架干的手持部分安装有切割按钮以及电池。工作时，由控制器检测到切割按钮被按下后，控制器启动伺服电机带动切割刀片切割。

1.1 供电系统的设计 考虑到整套装置的移动性能，不宜采用220 V交流电直接供电，考虑电瓶重量的因素也不宜采用高于24 V的电瓶供电。故装置采用12 V电瓶供电，其重量轻，且持续工作时间长。

1.2 电机的选择 考虑到系统的工作特性，即需要切割刀片能够快速启动和切割完成后刀片快速停止旋转并且切割刀片返回初始位置。由于伺服电机具有快速启动以及停止的的特点，并且配合光电传感器易于实现闭环控制。鉴于以上特性，该系统采用伺服电机，而不采用步进电机。

2.2 系统电路部分设计

该系统采用PIC系列单片机为主控芯片。系统整个电路可分为两个单元：控制及监测单元与伺服电机驱动单元。

2.2.1 伺服电机驱动单元。

伺服电机驱动单元主要功能为，驱动伺服电机正转、反转以及立即停转。为了实现以上功能，系统采用桥式驱动电路，当个驱动单元电路如图5所示。若伺服电机正转：Q1，Q4接通，Q2，Q3关断；若伺服电机反转：Q2，Q3接通，Q1，Q4关闭。当需要伺服电机立即停转则：Q3，Q4接通，Q1，Q2关断。由于Q3，Q4接通伺服电机运转时产生的感应电动势经Q3，Q4形成感应电流，所以伺服电机内部形成一个巨大的停转扭矩迫使伺服电机电机立即停转。

2.2.2 控制及监测单元。

系统主控芯片采用美国microchip公司的PIC18F23K20该芯片具有：支持3.3 V低压工作，最大工作频率64 MHz，支持PWM输出，支持CCP捕捉等特性。功率驱动芯片采用美国IR公司的IR2136，其最大支持驱动6个场效应管工作。当需要电机工作时，单片机发出指令给IR2136，IR2136接收到指令以后，控制相关场效应管导通以及关闭，伺服电机也就执行相应的动作。

伺服电机转角监测是通过伺服电机尾部光电编码器传出的脉冲信号以便计算转角以及伺服电机旋转方向。该单元的电路图如图6所示。

2.3 系统软件设计

2.3.1 主程序设计。

主程序主要功能为：完成整个系统的初始化以及等待采摘按钮按下。控制器检测到采摘按钮按下后，主程序将进入采摘子程序，采摘子程序会自动控制系统进行采摘作业。完成本次采摘作业后，将继续等待采摘按钮的下一次按下（图7）。

2.3.2 采摘子程序设计。 采摘子程序流程如图8所示。采摘子程序主要功能为：控制切割刀片完成一次采摘作业。完成采摘作业后，控制刀片回到初始位置以便进行下一次采摘作业。在完成上述功能后采摘子程序自动返回主程序，并且等待主程序下一次调用。

由于在前面在切割力分析时，已经论证了不存在刀片一次切割无法割断果柄的情况。因此，该程序主要是通过：控制伺服电机启动、计算切割刀片转过的角度、急停以及反转实现该程序的设计功能，无需考虑切割刀片一次切割切不断的情况。

3 结论

便携式双刀片电动果园采收装置的设计及控制进的关键在于：由于采用了双刀片的形式，刀片始终在水果筐范围移动，有效地避免了由于刀片旋转而误伤。通过切割力分析论证了，不存在切割刀片一次切割行程无法切断果柄的情况。经试验测定，系统搭载的伺服电機作电流为0.3 A。由于系统采用的12V/6AH电池，即系统工作支持连续工作10 h，并且，由于双刀片的设计思路，有效地降低了因采摘过程而产生的水果产量损失。

参考文献

[1] 2009年世界主要国家豆类、蔬菜、水果产量[J].世界农业，2012（1）：103-104.

[2] SANDERS K F.Orange harvesting systems review[J].Biosystems Engineering，2005，90（2）：115-125.

[3] 卢明湘.农业机械化对区域农业的影响[J].贵州农业科学，2012，40（2）：180-182.

[4] 段洁利，陆华忠，王慰祖，等.水果采收机械的现状与发展[J].广东农业科学，2012，39（16）：189-192.

[5] 曾正明.实用有色金属材料手册[M].2版.北京：机械工业出版社，2008：572-573.