苹果采摘装置螺旋式末端的设计

刘吉安

（广东工业大学艺术与设计学院，广东 广州 510090）

根据国家统计局数据，2018年苹果产量41 390×104t。在收货季节，采摘苹果基本依靠人工，收获采摘基本占生产作业量的40%[1]。20世纪90年代中期，我国开始进行农业机器人的研究，相较于发达国家起步较晚，也取得了一些成果[2]。以日本和美国为代表的发达国家从20世纪80年代开始研究采摘机器人，并取得了大量研究成果[3]。目前，我国采摘苹果还存在一些关键难题。对于采摘机器的视觉而言，果园是十分复杂的自然环境，果园中光照条件不确定性、果实颜色相近、果实被枝叶遮挡、颜色不均匀、大量阴影、果实扰动以及果实重叠等因素都增加了目标的识别和定位难度[4-8]。

为了解决这些问题，经过实地调研和试验，设计了一种苹果采摘装置螺旋式末端。

1 总体设计方案

螺旋式末端的主要结构见图1。其中，右旋螺旋叶片与左旋螺旋叶片相邻安装，螺旋槽形成一对钳口形状见图3。螺旋式末端成网格排列见图2。采摘工作环境见图4。右旋螺旋叶片与转动轴同轴，左旋螺旋叶片与转动轴同轴，轴承座安装在机架上，转动轴安装在轴承座上，齿轮安装在转动轴的后端，皮带连接皮带轮一与皮带轮二，电机连接皮带轮一，电机安装在机架上。

图1 采摘装置末端的侧视图Fig.1 The sideview of the end of the picking device

图2 螺旋叶片网格排列示意图Fig.2 The grid arrangement diagram of spiral blade

图3 采摘示意图Fig.3 The schematic diagram of picking apples

图4 采摘工作环境示意Fig.4 The picking working environment

2 工作原理

（1）利用螺旋副传动原理，螺旋升角越小，沿螺纹面方向的分力越小，垂直于螺纹面的分力越大；反之，沿垂直于螺纹面的分力越小。根据上述原理，螺旋叶片的轴向分力施加在苹果上，可以产生拉力。因此，首选较小的螺旋升角，用来增强1对苹果的拉力，提高采摘效果。拉力计算参考：计算公式参见机械设计手册或丝轴制造企业行业手册。

η——丝轴传动效率，大约为0.9~0.95；P——拉力；T——转矩；L——丝轴导程。

（2）螺旋叶片转动，轴向分力像波浪一样传递给接触到的苹果，即使苹果被树叶挡住，因为树叶柔软可以轻易摆动，所以螺旋叶片可以隔着树叶传递动力给苹果。

（3）相邻的转动轴的间距小于苹果直径，所以被采摘下来的苹果不会从轴间隙掉落到地面。

（4）采摘路径规划：先采摘树根边缘的苹果，从突出的树枝开始进入，然后逐渐向树顶采摘。这样的采摘路径可以减少采摘装置碰掉周围的苹果。

3 使用方法

采摘作业时，螺旋式采摘装置安装在采摘机器的机械臂前端，前高后低。启动电机正转，右旋螺旋叶片逆时针转动和左旋螺旋叶片顺时针转动，这样转动可以使螺旋叶片产生的推力方向一致。在自动化控制与机器视觉引导下，采摘装置瞄准有苹果的大概位置，螺旋叶片像钻头一样钻进枝叶中，相邻的螺旋槽相对转动，组成多个钳口形状，运动效果是连续地咬合、推动的动作。螺旋叶片推动接触到的苹果和部分树叶，即使苹果被树叶挡住，因为树叶柔软可以轻易摆动，所以螺旋叶片可以隔着树叶推动苹果，电机也可以快速变换正反转动，接触到的苹果和树叶大幅度、高频率的摆动，果柄和树叶折断，苹果落入螺旋槽里。机械臂带动采摘装置从树枝中退出，退出过程中，螺旋叶片保持转动，采摘装置保持前高后低，防止苹果留在树枝中或从前端掉落。退出树枝后，采摘装置降低高度，改为前低后高，电机反向转动，右旋螺旋叶片与左旋螺旋叶片都反向转动，螺旋槽吐出苹果。按照采摘路径规划，重复上述采摘动作，把果树按照经纬线分区，围绕果树转一圈，就可以采摘下来整个树的苹果了。

4 可能遇到的问题及解决对策

螺旋叶片钻进果树枝过程中，可能遇到的问题及解决方法如下。①顶到树干或粗大的树枝，柔软、弹性的螺旋叶片和转动轴可以被挤压弹开，避让阻挡物。②如果阻力过大，可以先退出树枝，然后偏移一些位置再重新钻进树枝中。③遇到树枝茂密无法插入，避开正面茂密的树枝，从两侧插入。④对于在采摘苹果的过程中可能会碰落不少树叶，经过对部分果农调研，果农认可在采摘过程中碰落树叶，因为秋收后，果树的树叶基本都自行脱落了。⑤果柄的直径小于树枝的直径，螺旋叶片的推力大于果柄折断需要的力，小于树枝损伤的力，就可以保护树枝不会损伤。

5 结语

螺旋叶片呈网格布局，形成多层网状，覆盖面积大，可以接触到挂果区表面和内部的苹果，一次可以采摘多个相邻的苹果。不需要精准瞄准苹果或果柄，降低了设备软件、硬件的要求，减少了成本，提高了生产效率。