基于自动控制技术的仿生无人化苹果收集机器人设计

李龙 黄宇珩 李毓雯

摘 要：针对落地苹果收集过程中的费时、费力等问题，文章基于自动控制技术，设计了一款仿生无人化苹果收集机器人。详细阐述苹果自动收集机器人的结构特点和工作原理，并利用结构和数据方面进行推导，分析整个装置的可行性。与传统的收集果实方式相比较，仿生无人化苹果收集机器人不仅能够适应多种场合的复杂地形，还可以自动收集在地上散落的果实，将收集过程中对果实的损害降到最低，更有利于提高果农的效益，促进社会生产力的发展。

关键词：苹果收集;结构设计;仿生及自动化

0 引言

苹果中含有丰富的碳水化合物、维生素和微量元素，它不仅可以直接食用，还可以收集制作苹果味饮料，使人们得到味觉上的享受。就2020年度而言，我国的苹果种植面积仍在不断增加，新的种植技术也在不断推广。引进新的栽培技术之后，国内苹果的产量不断上升，因此，需要不断更新苹果收集技术，提高生产效率，而使用仿生化苹果收集机器人可以大大减少果园人工的成本，促进种植业的发展。

在整个果实的生产过程中，果实的收集非常耗费时间和成本，苹果在收获期间需要投入的劳动力几乎占了整个种植过程的一半，落地的苹果更是增加了收集的难度。另外，果实受到了时效性的限制，如若不及时收集，就会发生溃烂，导致收益减少。目前，国外很多果园的自动化设备已经实现了很多功能，大多将采摘与收集结合，做成一体式设备，这类机器效率较高，但体型大，价格昂贵，使用技术要求较高。我国的农林果树地形地势复杂，大型机械并不适合我国的作业条件。因此，研制一种功能完善、可靠性高、成本低的苹果收集机器人不仅能减轻劳动强度，提高成本，还能在一定程度上促进苹果产业发展。

1 结构及工作原理

1.1 仿生无人化苹果收集机器人整体结构

仿生无人化苹果收集机器人整体三维模型如图1所示。将左右的保护挡板拆下以后可以明显看出，仿生无人化苹果收集机器人主要由传动板、圆形轮、支撑体、回旋挡板、控制把手、内箱体、左右保护挡板组成。

传动板在支撑体边缘传送带的作用下按照特定的方向和速度转动，达到收集苹果的目的;回旋挡板可以给苹果提供向上的分力，左右保护挡板可以防止果实在运输过程中掉落;内箱体可以将运输的果实储存起来;控制把手可以人为干预调整机器人的方向;圆形轮用来承载重量，同时与电机相连接，提供动力。

1.2 仿生无人化苹果收集机器人工图作原理

苹果收集器的工作过程可以用图2进行表示。收集前，小车在控制系统或人工的作用下行至至果园处;收集时，小车向前运动，地面上的苹果从小车的前端进入，支撑体履带上的挡板与苹果相对静止或速度比苹果略快。首先，苹果随着传动板一起水平运动。然后，再回旋挡板的作用下随传动板向上运动，直到传动板运动至箱体上方开口入。最后，果实落入内箱体中，完成苹果的收集作业。该装置能满不同道路，多种大小的苹果收集作业。

2 可行性分析

2.1  数值分析推导可行性

假设某地一个果园占有1 000亩地：一亩约等于667 m2，按照行距2×4 m，亩载83株果树。

在现有技术水平和管理条件下，五年生苹果树的树体指标为距地20 cm处的千周25 cm左右，单株枝量1 000个上下，树株整齐度90%以上，亩枝量10万，树冠投影覆盖率75%。在此基础条件下，掌握以下栽培要点，亩产可望达到            1 500 kg。以下效益按照亩产1 000 kg计算。

采用传统的人工收集苹果，每亩2 000斤（1 kg=2斤）可由4位收集工人一天完成，1 000亩地需要4 000人才能完成，按照市场价格每个工人100元/天，一共需要40万元的雇佣成本费用。但是采用仿生无人化苹果收集机器人收集苹果，一亩可由一个人来完成，只需要1 000人，一共需要10万元的雇佣成本。

综上两种情况比较，在设定的情况下使用仿生无人化苹果收集机器人可以减少3/4的成本，长期使用可以大幅度增加经济效益，给果农带来了巨大的福利。

2.2 理论推导可行性

2.2.1 装置特点

（1）结构方面：仿生无人化苹果收集机器人，采用电机驱动，而且符合机械原理的设计要求，既省力又稳定。

（2）经济方面：该机械各个部件生产成本低，适用于拥有中等或大型果园的果农，经济要求可以被大多数使用者所接受。机器人适用于所有类型的果园，可以用来收集大部分果实。在其他农业场合甚至其他领域也可以使用。

（3）市场方面：由于劳动力的紧缺，劳动力昂贵，果农迫切需要这种全自动化机器来代替手工，减轻成本，从而获得更多的经济效益。

2.2.2 装置优势

（1）使用仿生无人化苹果收集机器人自动收集果实，能够大大缩短劳动时间，提高生产效率。

（2）仿生无人化苹果收集机器人能够代替人力实现收集，大幅度减少果农的雇佣成本，鼓励更多的人投身于农业种植行业，增大竞争力。

（3）仿生无人化苹果收集机器人顺应当今农业机械自动化潮流，推进果实自动化收集产业的发展和进步，推进农业自动化发展。

3 结语

仿生无人化苹果收集机器人在尽可能减少人工操作的基础上，采用机电一体化的技术实现收集智能化，造价中等，适用于各种果园。同时，可以大幅提高收集效率并将果实收集中的损害降到最低，在提高果实收集效率的同时为果农减少雇佣成本，符合当代农业的需要。理论分析表明，该采摘器的结构合理，强度满足要求，经试验检验采摘效率也明显高于人工采摘，对水果种植业发展起到积极作用，所以该装置具有良好的应用前景和推广价值。

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（编辑 姚 鑫）