一种新型的多品种小型水果快速采摘机器人

高卿光 李嘉 李根

摘要：随着新农业生产模式和新技术的发展与应用，农业机器人逐步迈向农业生产主力军的行列，推动智慧农业的发展，采摘机器人作为农业机器人的重要类型，具有很大的发展潜力。为了进一步的提高水果采摘的工作效率，减轻果农的劳动负担，同时也为了增大果农的利润空间，使果农本身从劳累的工作中解放出来。在这种情况下，该采摘机器人主要以农用机械为载体通过改装和增加部分装置来实现对“枣”，“樱桃”，“核桃”等小型水果的机器自动化采摘。目前进行多品种小型水果快速采摘机的研究具有深远意义和广阔的应用空间，符合现代化农业的发展需求，迎合时代发展潮流。

关键词：多品种;小型水果;现代化农业;采摘机器人;

1项目背景及主要内容

1.1项目背景

我国现有甜樱桃种植面积约6万余公顷;大枣种植面积约992万亩;核桃种植面积5275万亩，产量近70万吨。目前大多数果农在收获季节进行水果收获时主要采用的依旧是传统的人工采摘方式，在大枣采摘时，采摘大枣的传统方法是人工采摘，现阶段国内大枣、核桃采摘普遍采用的方法是“棍棒敲打法”一次完成收获，这种方法劳动强度大、具有一定的危险性、用工量多、效率低、成本高等劣势。而在樱桃收获之时果农还只能采用人工用手摘取，人工采摘主要存在以下的几个问题：（1）生产效率低;（2）雇佣成本高，增加了果农的生产成本，减少了果农的利润空间;（3）人工采摘对人力的体力与精力消耗过大，无法长时间作业。纵观目前水果的采摘方式，都有其不可避免的缺点！

在目前各行各业普遍进行大机器生产的大环境之下，发明一种机器替代人工进行生产是很有研究意义的。

本发明的目的是在于提供一种新型的多品种小型水果快速采摘机。该采摘机不仅操作简单、方便，与树干进行无损伤夹持，而且灵活、高效、工作空间要求小，采收效率高。

该新型多品种小型水果快速采摘机符合现代化农业的发展需求，迎合时代发展潮流。

1.2主要内容

该水果采摘机器人主要应用于大型果农种植园，帮助果农解决小型水果采摘困难浪费大量人力物力的问题，解放劳动力，提高果农的经济效益。该装置的机械手臂在液压控制操作下，可以上下、左右、前后高低灵活运动，快速、准确地夹持树干进行低频振动，树干上的大枣随着振动从树体上快速脱落，落入地面上一个伞形装置内以便收集，同时通过控制振动频率的切换进而实现对不同成熟程度水果的区分采摘。

1.3主要原理

多品种小型水果采摘机的工作过程是将振动机构产生的机械振动传给枣树枝，果枝受到外加的强迫振动后以一定的频率和振幅（与振动机构的频率和振幅不同）振动，这样就使果实因振动而加速运动，从而受到惯性力的作用。当惯性力大于大枣果实与果柄之间的連结力时，果实就会被振落。

2主要结构

该装置的设计采用了液压传动和控制技术的振动机械手和倒伞形的收集装置，实现了果树可靠加持，无损伤振动落果和果实的快速收集。

多品种小型水果快速采摘机的机械部分由果树振摇装置、液压控制系统、倒伞形的收集装置等主要部件组成。该采摘机的振动采摘装置能对不同位置距离和不同高低的果树进行夹持，同时也可以根据地形的需要采用履带式行走装置，以适用在丘陵地区，尤其是适用山地道路坡度大的土作面上采摘水果。

在技术上有较大突破和创新，在机器结构、作业性能、机动性和果实收集方面具有新颖性和先进性。

2.1机械结构装置

2.1.1液压控制系统

果树振摇装置安装在拖拉机前端，包含左、右侧面支架、主梁架、伸缩支臂、振动头悬挂架以及钳式振动头。

该液压控制系统采用多路换向阀控制回路。液压系统中的液压油缸分别驱动5种运动：伸缩臂的升降;伸缩臂的伸缩;③振动头悬挂叉上下摆动;振动头悬挂叉的左右偏转;振动头的夹持。液压马达驱动振动头内的偏心机构运转。上述的液压油缸和液压马达所有操作均由多路换向阀控制。多路换向阀安装在拖拉机的驱动轮防护罩上面，便于驾驶员的操作。

2.1.2曲柄连杆机构

该曲柄连杆机构结构简单，将发动机的圆周运动转化为连杆往复直线运动，本机采用偏距为20～30mm的偏心式凸轮结构方式连接，以此实现较小行程的往复直线运动，满足设计需由便携式汽油机的动力经带传动输入的要求。偏心式曲柄的动力是由便携式汽油机的动力经汽油机的动力经带传动输入的。

2.1.3果树振摇装置

其安装在机架后部，通过铰接与机架相连。该结构主要有夹持装置以及振动装置组成。夹持装置主要由两组机械手组成，较下端的机械手用于夹持树干底部，保持非振动状态，用于稳定树干，防止上层剧烈振动毁坏果树根系;较上部的可移动的夹持装置通过凸轮结构用于振落果实，达到采摘的目的。其夹持和振动果树的动作由液压控制系统操作，能对拖拉机前进方向进行横向以及纵向采果作业，液压控制系统采用多路换向阀控制回路。液压系统中的液压油缸可以分别驱动5种运动：伸缩臂的升降;伸缩臂的伸缩;③振动头悬挂叉上下摆动;振动头悬挂叉的左右偏转;振动头的夹持。从而实现对果树的振摇从而达到采摘水果的目的！

2.1.4伞形果实收集装置

晃落果实通过倒伞形果实收集装置进行收集。该果实收集装置具有操作方便、结构简单、作业范围可调、携带方便的特点。

倒伞形果实收集装置，其特征在于：所述果实收集装置包括一组卷布筒单元，该组卷布筒单元围绕果树布置成具有开口的多边形结构，每个卷布筒单元的果实收集篷布向着果树伸出并固定在果树上;所述开口处设有一个连接篷布，该连接篷布从所述开口向着果树伸出并固定在果树上;相邻的果实收集篷布之间以及连接篷布与两侧的果实收集篷布之间均相互拼接，形成一个用于盛接掉落果实的多边形布面，该多边形布面的中部向下凹陷以形成利于果实向中部集中的倒伞形。该结构保证了绝大多数的果实能够落在收集装置中，从而大大的提高了收集效率，方便快捷。

3技术特色

3.1多品种采摘

多品种小型水果采摘机器人可以实现对多种水果的采摘，一台机器帮助果农解决“枣”，“樱桃”、“核桃”等小型水果的的采摘问题，真正的实现一机多用。

3.2不同成熟程度区分采摘

多品种小型水果采摘机器人可以通过控制电机转速来实现对果树震动频率的控制，进而实现对不同成熟程度果实的区分和筛选采摘。

3.3暴力快速采摘

该装置主要是通过不同频率的晃动来实现对果实的采摘，经初步估算大概三十秒完成一棵果树的快速采摘，简单粗暴，但又不毁坏果树。同时我们在装置上部添加有可自主收缩的呈漏斗状的结构，便于用来收集掉落下来的果实，防止果散落其他地方，方便快捷，省时省力。极大地提高了采摘效率。

3.4分段夹持，保护果树

夹持装置主要由两组机械手组成，较下端固定的机械手用于夹持树干稍底部，保持非振动状态，用于稳定树干，防止上层剧烈振动毁坏果树根系;较上部的可移动的夹持装置通过凸轮结构用于振落果实，达到采摘的目的。

4结语：

在目前各行各业普遍进行大机器生产的大环境之下，该机器具有深远意义和广阔的应用空间，符合现代化农业的发展需求，迎合时代发展潮流。

参考文献：

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[5]叶敏邹湘军蔡沛锋邹海鑫《水果采摘机器人通用夹持机构设计》[J].农业机械学报 2011-11-30