新型智能水果缓冲收集装置设计*

梁海龙，杨平平，于景华

(山西工学院，山西 朔州 036000)

0 引 言

随着“智慧农业”技术的发展，智能化农机设备逐渐应用于农业生产的各个领域。水果采摘分类收集是农业生产的一大类，球形水果又占水果产业很大一部分，但是球形水果分类收集的劳动作业任务繁重而繁琐，且容易损伤水果。每年我国因为水果收集分类不当而造成的经济损失数以亿计。因此实现水果安全分类收集的智能化变得越来越迫切，创新研发智能化的缓冲分类收集技术，研究开发水果缓冲收集机械具有重要意义。目前国内主流的智能化水果分类收集装置功能单一、灵活度差、不适合多类水果分类收集。笔者重点通过对水果缓冲装置的设计和样机实验得到了一种能够灵活高效实现球形水果按照大小及成熟度等方式的智能分类装置。该装置可应用于山地、丘陵地带果园的的球形水果收集，实现水果智能化分类收集，提高果农工作效率。

1 系统组成

新型智能水果缓冲收集装置由缓冲部分、智能分类部分、剪叉式升降部分、丝杠传动部分等组成，结构总图如图1。缓冲部分由缓冲软管和内外缓冲盘等组成，结构如图2所示；智能分类部分由单片机、压力传感器、颜色传感器、电机、带槽卡盘、转动分类槽和滑槽等组成，结构如图3所示；剪叉式升降部分由剪叉连杆和台板等组成，结构如图4所示；丝杠传动部分由手动摇杆、锥齿轮、螺母和丝杠等组成，结构如图5所示。使用时，将智能水果缓冲收集装置推到目的区域，摇动手摇杆调节整个装置的高度，将水果放入缓冲管，水果沿着管进入缓冲内盘，内盘转动水果逐个通过卡盘进入转动分类槽，转动分类槽中的传感器将收集的数据传给控制器，再有控制器控制电机转动将不同品质的水果进行分离入箱。该装置能够实现对水果自动快速的缓冲分类收集，保证水果无损伤，同时高效的对水果细致化分类收集，一方面有利于水果后期的储存，另一方面减轻了人工分类收集的劳动强度。

图1 结构总图

图2 缓冲部分结构图

图3 智能分类部分结构图

图4 剪叉式升降部分结构图

图5 丝杠传动部分结构图

2 工作原理

智能水果缓冲收集装置工作原理如下：使用时，人将装置推到预定的目标区域，摇动手动摇杆，调节好整个装置的高度，把要分类的水果特征(水果重量、色泽)输入控制器，把四个空果箱放到滑槽下方，把要分类的水果放入缓冲软管(这里也可以直接加长软管和采摘头连接，让采摘的水果直接进入软管)。接着水果会足个进入缓冲内盘的U型槽，由于受重力的原因，缓冲内盘会转动将水果送到带槽卡盘(由于缓冲内盘结构的设计，水果在U型槽中不会与缓冲外盘底面接触，水果也不会因为缓冲内盘转动而擦伤)。每当一个水果进入带槽卡盘的球形凹槽，压力传感器就会将压力信息传给控制器，再由控制器控制带槽卡盘的电机转动，从而控制带槽卡盘转动，带槽卡盘转动就会堵住缓冲外盘与带槽卡盘的连接通道，从而阻止水果继续进入带槽卡盘。带槽卡盘转动90°，水果从带槽卡盘滚入转动分类槽，然后带槽卡盘反向转90°回到初始位置去迎接下一个水果。在转动分类槽内滚动的水果逐渐接近球形凹槽的过程中，在转动分类槽上的颜色传感器不断把收集的颜色数据传给控制器，当水果滚入转动分类槽的凹槽时，控制器控制与转动分类槽连接的电机转动，转动分类槽按规定方向转动90°，水果从转动分类槽滚到滑槽上，转动分类槽反转90°回到初始位置去迎接下一个水果。滚到滑槽上的水果沿着滑槽进入果箱，这样一个无伤水果完整的缓冲分类收集过程完成。

3 关键结构设计

3.1 缓冲及智能分类部分设计

缓冲部分由缓冲内盘、外盘、轴承和缓冲软管组装而成，如图2所示。缓冲软管为柱状柔软可伸缩结构，其与缓冲外盘上端圆柱口通过自锁式卡扣连接。缓冲外盘为盘柱状壳体类结构，其内部设计有凸轴，凸轴上装配滚动轴承，滚动轴承与缓冲内盘装配而构成转动副。缓冲内盘安装到前述滚动轴承上，可实现缓冲内盘绕缓冲外盘上的凸轴整周转动，缓冲内盘上设计有U形卡槽，每个U形卡槽表面上都覆盖有一层柔软的橡胶，保证水果与U形卡槽表面接触时不损伤水果。缓冲外盘底面与水平面设计成倾斜角为30°的倾斜结构，且其下部与钢架固定连接。缓冲外盘下端出口平面固定于钢架中间矩形板上，且其与智能分类部分衔接。

智能分类部分由带槽卡盘、钢架、电机、转动分类槽和滑槽组成，如图3所示，其中带槽卡盘球型槽里安装压力传感器，转动分类槽上安装颜色传感器。带槽卡盘下端有垂直于卡盘设置的轴与钢架构成转动副，带槽卡盘可实现绕该轴转动，卡盘与钢架中间矩形板紧挨。电机固接在钢架中部，用来驱动带槽卡盘绕轴转动。压力传感器固定于带槽卡盘球形凹槽底端，用来实现智能控制采集数据。转动分类槽下端设置转轴，该轴与钢架构成转动副，钢架两端对称分布两组转动分类槽，驱动转动分类槽转动的电机分别固接于钢架两端。转动分类槽上固接的颜色传感器可用来对进入转动分类槽中的水果进行数据收集。滑槽固接于钢架两端，钢架固接于上台板上。上述所用电机均由单片机控制，调整其转速和转向。上述带槽卡盘、转动分类槽和滑槽等水果能接触到的内表面均设置有一层柔软的的橡胶。

3.2 升降及传动部分设计

升降部分设计成剪叉式结构，其由下台板、剪叉式连杆机构和上台板组成，上台板前端与剪叉式杆件构成转动副，上台板后端与剪叉式杆件构成移动副，剪叉式杆件在杆件中间插入销轴实现剪叉式运动。下台板前端与剪叉式杆件构成转动副，剪叉式杆件与丝杠上的螺母构成转动副，如图4所示。下台板下部安装有四个车轮，实现地面行走和越障功能。

丝杠传动部分如图5所示，其包括螺母、丝杠、手动摇杆、锥齿轮机构。通过螺旋传动和三对齿轮机构实现传动功能。丝杠与下台板构成转动副，下台板与手动摇杆构成转动副。锥齿轮固定于轴两端，轴与下台板构成转动副，丝杠与螺母螺旋传动，下台板与螺母构成移动副，摇动手动摇杆可直接调节螺母的前后方向移动。

4 控制系统设计

该智能水果缓冲收集装置主控制器使用STC89C52RC单片机，其与电机进行ICC通信选用L298N电机驱动模块传输信号，控制电机实现正反转，颜色传感器、压力传感器提供输入信号。控制器电源信号和所有电机的供电都是由蓄电池24 V、10A的直流电源供应，总体控制方案见图6。

系统控制流程图见图7，自动控制通过单片机、电机驱动模块、传感器、电机之间的数据传输相互配合完成。

图7 系统控制流程图

5 结 语

通过虚拟样机实验，验证该装置各机械部分运转灵活、配合高效。通过单片机控制模块上电运行，验证控制系统运行顺畅，能实现预定功能，后续将继续开展样机制作及调试运行。

该装置巧妙地将机械结构与电控相结合，使得水果逐个无伤的进行细致化分类收集，升降装置使得整体装置可以缩的很小，小推车的结合可以把装置灵活的推到目的区域，其适用面广，采摘效率高、省力，降低了劳动强度，极大地节省了采摘成本，价格低廉具有一定的实用性，因此市场前景广阔。