半自动伸缩摘果器装置研究

肖贵平，孙惠斌，刘家豪，唐 浩，夏 磊

（南京工程学院，江苏 南京 211100）

在果蔬生产过程中，摘果为一大难题。目前，我国南方果园多位于丘陵山区，部分果蔬采摘期限短，需要集中作业，依靠人工采摘果实不仅耗时，同时费力。而采摘机器人距离实用化和商品化尚有一定距离，其行走装置难以适应复杂的山区环境。因此，还要完成半自动伸缩摘果器装置的研制，满足果蔬生产的采摘作业需求。

1 半自动伸缩摘果器装置结构设计

设计半自动伸缩摘果器，由伸缩式机械手臂、剪摘器、手持固定部分和传送装置等部分构成。通过与伸缩式机械手臂连接，实现简单自如转向和收缩，剪摘器可以从各方向准确安全的进行水果采摘。利用传送装置，采摘的果实可以落到指定位置，从高处安全顺利的传送至地面。设计手持固定部分，可以使装置的稳定性得到增加，降低人员手腕疲劳程度。采用装置可实现摘果器操作的手动和自动转换，且整机结构简单，体积小、重量轻，操作相对安全、可靠。

2 半自动伸缩摘果器装置的开发实践

2.1 装置机构功能

在装置开发过程中，剪摘器由剪切机构和收集装置构成。剪摘器固定在伸缩式机械手臂的顶端，能够在机械手臂的带动下移动。其中，剪切机构包含剪刀、连接杆和舵机等部分，舵机利用舵盘与剪刀柄和连接杆连接，利用控制系统实现舵机转动控制，并利用机械连接杆带动剪刀开闭。在剪摘器末端，安装有传动装置和微型电机。装置采用的微控制系统能够实现快速视觉伺服控制，在多照度环境中实现果实自适应精确识别，因此能够快速进行果实位置定位，向微型电机发送控制指令。在微型电机控制下，传动机构将带动剪刀做往复运动，将果柄切断，果实则会落入收集装置。收集装置由网兜转轴、长网兜、伸缩杆、弹性绳圈和收集容器构成，长网兜的上缘能够沿着网兜转轴转动，也能将方向固定，所以能够为不同方向和高度的单果收集提供便利。利用夹子，可以固定长网兜上的弹性绳圈，使其与果实大小接近，促使长网兜发生形变，避免果实直接掉落受到损失。装置装设有自动开关，能够将弹簧与传动杆连接在一起，在果柄给予传动杆推力时弹簧将会发生形变，促使开关动作，继而使剪摘器自主动作。微动开关触点之间的间距较小，在受到较小外力作用下就会发生瞬间开闭，为快速转换开关，能在果实采摘中保持灵敏动作，满足果实采摘要求。在开关动作后，剪刀连接的电磁吸盘回路将通电，使剪刀闭合，因此可以保证摘果器操作安全。

2.2 装置运动控制

从装置运动控制过程来看，机械手臂的伸缩式支杆与安装在支杆顶端的电机、传动机构和控制系统将利用支杆空腔中的电线连接。电机与传动机构齿轮减速器输入端连接在一起，输出端与传动机构的凸轮连接，其上安装有滑块。剪摘器一个把柄利用机架固定，另一个其上设有滑块滑动的轨道。在装置运动的过程中，在控制系统的驱动下，剪摘器将在电机带动下循环移动，其上安装的微型摄像头会将图像传回，方便人为实现剪摘器的控制。而剪摘器移动到摘果的位置，电机将停转，剪摘器则会发生轻微移动，使果柄接触传动杆，触发微动开关，控制剪刀将果柄剪短，实现果实收集。

2.3 装置使用效果

完成装置开发后，需要验证装置使用效果，分别在苹果园和橘园进行果实采摘，与徒手采摘效果相比较。采摘过程中选择果实密度与高矮接近的两组果树，以十分钟为限。从采摘效果来看，使用装置采摘的果实为人工采摘的2 倍以上，前期操作十分迅速，节省了果实传递过程，使果实采摘更加轻松。在后期采摘过程中，由于苹果密度较小，寻找目标需一定时间。而苹果生长高度较高，因此伸缩式机械手臂发挥了重要作用。在橘园中采摘，由于橘子生长高度较低，可以快速、轻松完成采摘。此外，采摘的水果无擦破或碰伤情况，因此装置操作安全可行，能够带来一定经济收益。

3 结 语

从研究结果来看，研制的半自动伸缩摘果器能实现手工摘果方式的替代，能实现果实的连续、高效摘取，同时也能保证果实剪摘过程安全、可靠，采摘的果实无损伤，能带来一定的经济效益，获得较好的应用前景。