半自动可调式水果采摘器的设计

吴先焕 杨俊杰

(武汉商学院机电工程学院，湖北 武汉 430056)

1 水果采摘器研究现状

1.1 国外水果采摘器的研究概况

由于国外发达国家的农业生产都是采取规模化生产，但是从事农业生产的人口却不多，所以像美国、德国等发达国家对高性能的农业机械非常地依赖。为此发达国家很早就开始对高性能的农业机械进行了研究。例如美国为了解决西红柿采摘过程效率低的问题，成功研制世界上第一个专门用于采摘西红柿的机械手，西红柿的采摘效率得到了显著提高。随后为了提高柑橘采摘的采摘效率，又研发出了对一种可以识别树冠外果实的机械手。韩国为了解决苹果采摘机械中定位不准、定位难的问题，研制了一种基于传感器识别技术的苹果采摘机械手，提高了苹果的采摘效率。日本在水果采摘方面，利用的是人与机械手相互配合的方式来提高采摘效率的，人在采摘过程中主要负责定位，其他工作由机器完成。这样的好处在于保证效率的同时降低机器制作成本。

1.2 国内水果采摘器的研究概况

果业在我国农业生产中占据重要地位，为了提高水果采摘的效率，国内专家也对高性能的水果采摘机械进行了研究。东北林业大学陆怀民，成功地研制出了松木球果实采摘机械装置，该装置单片作为控制核心，采用液压装置作为驱动装置，为了解决携带不方便的问题，改装置还设计有行走机构。在进行果实采摘时，利用底部的行走机构使整个装置靠近目标果树，然后由单片机控制液压装置实现对机械手的控制，从而实现对果实的精确采摘。为了解决在西红柿采摘中无法精准定位果实的问题，张瑞合等人利用双目立体视觉的办法实现了对西红柿精准的定位，极大地提高了采摘效率。但是，由于我国的农业生产方式和发达国家不一样，目前还没有全部实现大规模种植，还是以散户种植为主。对于价格比较高昂、携带不太方便的水果采摘机械装置不太适合散户种植的使用。因此研发出一种价格低廉、操作简单、携带方便的水果采摘器是十分有意义的。

2 半自动可调式水果采摘器的设计

2.1 设计方向及总体方案

2.1.1 设计方向

(1)主要解决人不能站在地面上很轻松地采摘树上的果实。(2)操作简单，携带方便，采摘效率高，并且保证果实的成品质量。(3)将果实整个包裹起来，再将果实结蒂切断，不伤害里面的果实，也不会触碰伤害旁边的果实，保证水果的完好率。

2.1.2 总体方案

半自动可调式水果采摘器主要由水果夹手及其夹手座、反向蜗杆传动机构、齿轮传动机构、电机及传动轴机构和接受带环、支撑架等零件组成。通过齿轮传动机构来控制夹手座转动，进而达到调节夹手采摘水果角度，反向蜗杆传动机构来控制对水果的切割以及包覆果实，电机工作及传动轴来保证以上2个控制单元的正常工作。本装置能采摘各种高度、各种角度的水果，而且大部分材料都是由铝合金制成的，所以成本比较低，且比较轻便。整个装置操作简单、便于携带，成本低，非常适合散户果农在日常的高枝水果采摘中使用。

本产品分为反向蜗杆传动机构、齿轮传动机构、电机和连轴传动调节机构3个部分组成，如图1所示。下面将依次详细介绍。

图1 半自动可调式水果采摘器

1—半球型盖；2—双圆柱蜗杆轴；3—左右旋齿轮；4—直齿当量齿轮；5—减速电机；6—水果套袋圈箍；7—伸缩杆

2.2 反向蜗杆传动结构

2.2.1 机构介绍

蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，蜗杆为主动件。蜗杆和螺纹一样有右旋和左旋之分，分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。

2.2.2 机构基本原理介绍

蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动，两轴线间的夹角可为任意值，常用的角度为90°，蜗杆传动主要用于在交错轴间传递运动和动力。

2.2.3 蜗杆长度设计

该产品以采摘苹果为主，经过查找资料，一个苹果标准的纵切面长度在8～12cm之间，半球型底座宽为3cm，同时还需要留有空隙，设计转轴长为20cm。

2.3 电机及连轴传动轴机构

2.3.1 确定电机的功率

一般简单机械都注明应配套使用的电动机功率，更换或配套时方便，该采摘器为小型机械半自动化工具，比较轻巧，所以电动机功率得比它大10%即可。电机的功率不能选择过小，否则难以带动半球形球盖角度的调整，同时电机的功率过小也可能使带动半球型盖闭合的力过小，使采摘器无法正常完成水果采摘。电动机的功率也不能过大，这样会造成功率的浪费，同时也会使成本增加。

2.3.2 电机的选择

根据上面对蜗杆及其连轴和齿轮的分析，然后根据实际情况得到一个苹果在300g～450g左右，设蜗杆受到的驱动力矩为T1，工作阻力矩为T2，分别将蜗杆和蜗轮作为受力分析的分离体，由力对各自轴线的力矩平衡条件，以及各力之间的关系可得到各力的大小。从而粗选25GA-370电机，这款电机扭力较大，低噪音，高性能特点，应用于各类小型机器半自动化设备中。

2.4 驱动系统

2.4.1 驱动芯片的选择

为了使电机能够正常的工作，还需要使用驱动芯片。关于驱动芯片，本装置采用L298N芯片，作为驱动芯片。L298N是一种双H桥电机驱动芯片，每个H桥可以提供2A的电流，功率部分的供电电压范围是2.5～48v，逻辑部分5v供电。选择L298N理由如下：(1)半自动可调式水果采摘器要实现角度的可调和半球形球盖的开启和闭合，L298N可实现电机正反转及调速，满足使用需求；(2)L298N启动性能好，启动转矩大；(3)本装置有2个电机，L298N可同时驱动2台直流电机，满足使用要求。

2.4.2 整体驱动原理

将控制反向蜗杆传动的电机接入L298N驱动芯片的OUT1和OUT2，控制采摘器转动的电机接入L298N驱动芯片的OUT3和OUT4，再将L298N驱动芯片和电源连接，用上下左右4个按钮分别控制反向蜗杆的传动和采摘器的转动。

2.5 半自动可调式水果采摘器工作原理

(1)调节杆的长度，直到能摘到树上的果实，将其固定住。(2)调节杆与收集筐的角度，使筐底部尽可能平行于地面。(3)按动开关，电机带动采摘器开始工作，将要采摘的水果包裹起来，然后位于采摘器顶端的刀片将果实蒂切断。(4)成功采摘果实后采摘器转动至合适位置并松开，果实掉入收集筐中。

3 使用效果分析

(1)便于携带，操作方便。(2)可调节伸缩杆的长度，进行低位和高位采摘。(3)将果实包裹起来再将果实蒂切断，不伤害里面的果实，也不会触碰伤害旁边的果实，保证了采摘下来水果的质量。(4)采摘后的水果直接进入收集袋中，将收集和采摘功能同时实现，提高了采摘效率。(5)由于本装置采用了自动化的技术，降低了果农的劳动强度。

4 结论

半自动可调式水果采摘器便于携带、操作方便、价格低廉，可实现多方向的高位采摘，并适用于多种水果，特别适用于散户种植的果农。此采摘器使用自动化技术，降低了果农的劳动强度。采用包裹式的切割，降低了水果损伤率。采摘后的果实可以直接收集进袋中，将收集和采摘的功能同时实现，大大提高了果农的水果采摘效率。采摘者只需要通过4个按钮控制电机的转动从而带动蜗杆的传动和采摘器的转动，便可让采摘器自动完成采摘作业，操作十分方便。总而言之，该采摘器设计结构简单，适用范围广，使用便利，具有十分广阔的市场。