半自动伸折式摘果器

李斌+许志

【摘 要】摘果器是果园大规模生产必不可少的设备，但目前市场上的小型摘果器，都有一些缺点，主要缺点有采摘时易损伤果实和果树、采摘效率低下、自动化程度低。本文提出了一种基于Arduino UNO系统的半自动摘果器，操作人员只需简单操作，系统即可控制循环移动机构、夹取机构以及剪切机构等部件动作，从树枝上剪下果实，夹住，并运往树下收集，如此循环往复，可实现对3—5米果树的一次性采摘，既提高了采摘效率，又不损伤果树和果实。

【关键词】摘果器；半自动；Arduino UNO控制

中图分类号： TH692.6 文献标识码： A 文章编号： 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

現在人们采用的小型摘果器可大致分为两种： 一类是以简单手动抓果器抓果实；另一类是用剪刀直接剪断与果实相连的树枝，用网或者导网接住果实，两类产品都有其致命的缺点，所以实际市场占有率很低，产品没有被人们普遍接受，导致我国采摘业自动化程度低，生产效率低下。为解决这一现状，开发了半自动伸折式摘果器，填补国内这一领域空缺。

1 摘果器机构及工作原理

1.1 机械机构

图中各部件的标记为：10支撑机构、101长腰形板、102销轴、103条形通槽、104移位滑块、105拉绳、106剪切支撑架、20循环移动机构、201传动轮、202链带、203限位块、30夹取机构、300夹子、301第一夹体、302第二夹体、303移动杆、304挡块、305弹簧、306滚轮、307楔形齿、310复位导轨、311复位滑块、312镂空槽、40剪切机构、401剪刀、50操纵机构、501伸缩杆、502连接架、503支架、504手握杆6、微动开关、505、球铰链。

2 工作原理

2.1 主要机构功能简介

支撑机构：主要由四块中间镂空的长腰形板通过轴承连接，其中中间的两个轴承可以拆卸，如图四所示拆下一个轴承，装置就可以绕另一个轴承旋转折叠；长腰形板中间开条形槽，在里面嵌入两个连接好的平行轴承组成移位滑块，移位滑块通过连接架连接伸缩杆，再在它上面固定移位电机，移位电机轴接拉绳，拉绳另一端固定在长腰形板前端，通过电机正反转，电机收放绳，即可实现移位滑块在槽内移动，从而带动整个长腰形板空间移动。

循环移动机构：驱动电动机与传动轮同轴连接，连带与夹子通过铆接固定，连带上每隔一定距离就安装一个夹子，Arduino UNO控制电机启停，从而带动夹子按图一所示方向循环移动。

夹取机构：如图2所示夹子张开时（未被触发），通过移动杆抵住挡块抵消夹子闭合力，使夹子保持张开，当果实把（果实与树枝的连接部分）抵住移动杆并继续向夹子内部移动，移动杆渐渐被果实把推离挡块，失去支撑力，夹子瞬间闭合夹住果实把。这是剪刀闭合，剪断果实把，完成采摘。

剪切机构：由剪刀、舵机、连接杆组成，两个舵机的舵盘通过连接杆与剪刀柄相连，通过Arduino UNO控制舵机转动，再由机械连接杆带动剪刀闭合和张开。

操纵机构：由两段支架和手握杆组成，如图一所示，手握杆实际上就是两根 长轴，支架通过长轴连接，辅助弹簧的力量，可以折叠支架，伸长或缩短操纵机构的长度。

复位机构：如图五所示连带带动夹子向V字形复位导轨移动，夹子接触导轨上端时，夹子第一夹体上端的复位滑块嵌入复位导轨中，夹子第二夹体铆接在连带上，连带继续带动夹子向下移动，V字导轨越来越窄，夹子被挤开；同时夹子的移动杆在弹簧拉力的作用下，向挡块转动，抵到挡块前端凸起停止运动，夹子复位完成，这样夹子离开导轨后也能保持张开状态。

2.2 电路部分

夹子内侧装有微动开关（用于检测夹子的姿态：张开时微动开关未被触发，夹子闭合时微动开关被触发），剪刀通过连接机构连接舵机，Arduino UNO通过实时检测微动开关的反馈信号，得出夹子所处位置，配合人的操作相应按键，给驱动电动机和舵机信号，决定装置下一步运行方案。endprint

人通过按键给Arduino UNO信号，控制移位电动机正反转，带动滑块在镂空槽内移动，从而调整摘果器的空间位置。

在剪切机构上布置微型摄像头，实时传回图像到显示屏上，方便人为控制摘果器，让夹子夹住果实把。

采用四块12V铅酸蓄电池供电，并通过DC/DC变压模块，输出不同等级的电压供不同电路模块使用。

2.3 摘果器整体运行原理

通过循环移动机构携带夹子进行循环移动，当夹子移动到摘果位置（夹子在剪刀下方，离剪刀很近，且与剪刀平行）时，Arduino UNO控制驱动电动机停转，人工操作摘果器轻微移动，使果实把进入夹子中，夹子夹住果实的把部，触发安装在夹子底部的微动开关，微动开关反馈信号给Arduino UNO，并控制剪切机构4将果实的把部剪断，从而将果实摘下，然后Arduino UNO控制驱动电机带着夹住果实的夹子继续运行，下一个夹子进入摘果位时重复上述过程；当夹子移动到支撑机构末端时（树下），通过复位导轨，夹子复位，果实落下，通过渐缩型导网收集，在连带的带动下张开的夹子返回摘果位，夹住果实的夹子向复位导轨移动，如此循环往复，实现连续高效无损摘果。

通过移位电机带动移位滑块在镂空槽内移动、伸缩杆伸缩，可实现摘果器高度调节；人操作手握杆，摘果器可绕球铰链360。旋转，上下微调；结合两种调节方式，可实现摘果器在3-5米的空间内无死角移动，方便采摘不同位置的果实。

3 结论

可以看出本摘果器可以替代纯手工摘果，操作方便，安全可靠，快速高效，可连续摘取果实，而且果实不会直接下落，而是被带到下侧再进行收取，有效避免了果实的损坏。

【參考文献】

[1]李文荣.《机械设计基础》[M].北京：化学工业出版社，2011.1.

[2]李光友，王建民，孙雨萍.《控制电机》[M].2版北京：机械工业出版社，2015.3.

[3]阮毅，陈伯时.《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》[M].4版.北京：机械工业出版社，2009.8.

[4]王兆安，刘进军.《电力电子技术》[M].5版.北京：机械工业出版社.2009.5.

[5]李哓竹.《电机与拖动》[M].徐州：中国矿业大学出版社，2009.1.

[6]丘关源.《电路》[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.5.

[7]李明亮.《Arduino项目DIY》[M].北京：清华大学出版社，2015.

[8]李斌.《一种摘果器》[P].中国：201720375277.1，2017.9.endprint