基于振动式枣类采摘系统的设计

王大鹏，李宏伟，牛得学，雷琦

（滨州学院机电工程学院，山东 滨州 256603）

1 研发意义

枣为鼠李科枣属植物，是我国最古老的果树之一，中国也是世界上枣的最大生产国和枣产品唯一出口国，随着经济发展和特色农业的建立，枣类种植业成为现代农业发展的一条新的产业项目，枣类产业已呈现出局域化布局、种类繁多、规模化发展、多种栽培模式尽显其效的新格局。国内对于枣类采集机械设备的研制方面虽然有所成就，但仍然存在诸多问题。比如设备体积庞大，显然受地形和环境的制约较大，而且不适用于矮型或密植枣树的枣类采集；功能较为单一，智能化水平低，需要大量人力物力支持协助完成。此机械设备是介绍了枣类采集收集一体机的作业机构和控制系统、多传感器信息融合等关键技术；并指出了传统打枣方式中存在的问题,指明了基于振动式林果采摘的枣类采集收集一体机在标准化、模块化、控制系统智能化等方面的发展趋势,为它的进一步设计与开发提供了一些有用的信息。

2 总体设计方案

本设计旨在解决枣类收获效率低及收获过程中不能有效保护果实的问题，提高枣类收获的机械化水平，并进一步实现枣类收获的智能化作业。以stm32f103vet6芯片为控制核心，实现对基于振动式林果采摘的枣类采集收集一体机的整体控制。

基于振动式林果采摘的枣类采集收集一体机主要功能为集枣类采集、输送、除杂、收集于一体。设计曲柄滑块机构以实现振动式的枣果实采摘，并通过丝杠使得曲柄滑块所在的晃动平台实现上升下降自由调节；帆布展开形成的枣类接收装置可实现对晃动下的枣类收集，并实现枣果实的软着陆，减少采集过程中对枣果实带来的损伤，而且接收装置可通过无线遥控实现自由展开、收回，使得作品闲置时极大节约空间；带有爬坡线的输送带经过高速电机三叶风扇构成的除杂机构后将枣类输送至收集箱。以推杆电机提供转向动力，以蜗杆式直流减速电机配合齿轮传动构成整机运动系统动力，使得基于振动式林果采摘的枣类采集收集一体机更易适用于多变地形（如整体结构图示）。

图1 基于振动式林果采摘的枣类采集收集一体机整体结构

3 主要功能机构介绍

枣类收集机构是由两侧帆布分别展开270°而形成的碗状收集机构，展开面积为3.6m2。枣类收集机构原理为帆布的一端固定于车架，另一端固定于主动杆，中间部分分别用2根从动杆固定在一起。

在10radmin的直流减速电机带动下，主动杆沿方形导轨（方形导轨的设置主要是对主动杆起支撑作用）实现180°转动，在主动杆的带动下，固定于轴承上的两根从动杆分别转动120°和70°，实现将帆布完全展开及支撑的目的。当两侧直流减速减速电机转动180°时停止转动，使得两侧帆布完全展开并接触。

振动机构固定于振动平台上，由有刷电机、夹取机构及曲柄滑块结构组成。额定转速为2650RPM的有刷电机固定于振动平台上，为曲柄滑块结构组成的振动机构提供动力，并可以通过调速器对有刷电机的转速进行调节，以实现针对不同品种或树龄的枣树采用合理的振动频率，在保护枣树的基础上达到较高的收获效率。

振动机构的设计利用了曲柄滑块的死点位置，即连杆与从动杆共线时满足传动角γ=0°，此时与电机连接的主动件杆通过连杆作用于从动件夹取机构上的力恰好通过其回转中心，以达到对枣树最佳的振动效果。夹取机构内侧贴有橡胶，在晃动枣树时可有效保护树干免受损伤；以冷轧钢三节轨固定在晃动机构的另一端，保证夹取机构只进行横向运动。

枣类输送机构是由10radmin的减速直流电机、链条、链轮及输送带构成。10radmin的直流减速电机链接链轮，以1:2的传动比带动两侧输送带向上运输，输送带与水平车架呈35度，下端位于枣类收集机构的最低位置。输送带上等距设置了4个宽200mm高25mm的爬坡线，以保证枣可顺利输送到除杂部分

除杂机构位于输送带上端，由两组高速电机、四叶风扇及除杂导轨组成。振动机构工作时，难免会有树叶等杂质掺杂落下。当枣类输送至输送带顶端时，高速电机带动四叶风扇工作，实现将树叶等杂质沿除杂轨道吹走。利用Central Composite试验设计方法针对矮型密植枣类建立了除杂率的回归模型并检验了其可靠度，实验结果除杂机构除杂率可达69.3%。

转向机构设置在前轮，由两根导程200mm、推力1300N的推杆电机提供转向动力。推杆电机底座通过轴一与车架相连，另一端通过轴二连接在40×40mm方管钢材制作的连接件上；连接件通过轴二与车底盘相连，通过轴三与车轮配合，使得前车轮的最大转向角度为70°，以满足车体转向的目的。驱动机构动力来源于额定力矩为20kg.cm的蜗杆直流减速电机，并通过1:2的转动比带动后轮转动并实现减速的目的。

4 控制流程

控制工作流程使用该系统时根据液晶显示器提供的的工作信息触动按键，按键形成的信号传给单片机，判断哪个按键被按下。通过无线遥控使得车身前进后退，当枣树树干到达夹取机构内侧指定位置时，车身停止运动，2个10r/min的直流减速提供动力，使得两侧帆布在主动杆的带动下实现180°转动并完全展开，升降平台通过丝杠调节到最佳的振动位置，然后有刷电机通过曲柄滑块机构带动夹取机构实现对枣树树干的横向晃动。振动下的枣收集到帆布最低端，按下相应工作按钮后输送机构与除杂机构同步工作，输送带向上运输枣果实，经过除杂机构除杂后落入收集箱内，完成整个枣类收获过程。

4 结语

目前，国内普遍的枣类收获方式以人工打枣为主，机械化、智能化程度较低，且需要多人配合进行打枣，浪费劳动力。国外有比较先进的打枣机械，但是由于体积过于庞大，不适合矮化密植红枣的采集工作，而且造价较为高昂，对于多数枣农而言是不划算的。本产品针对上述存在的问题，设计了一种高效率，高可靠性，智能化，集打枣、传送、除杂、收集于一体的枣类采集收集一体机，并通过研究了各影响因素对响应指标的影响规律，最终确定了捡拾装置的最优工作参数组合：输送机构转速53r/min、振动机构转速316r/min、除杂机构转速11000r/min、采净率为93.6%、损伤率为3.6%、除杂率为69.3%。。该产品利用合理有效的机械结构，并采用多传感器信息融合技术以及无线遥控，不仅大大减少了作业环节，减少农时，还最大限度保护了枣果实免受枣类收获过程中的损伤和浪费，实现了农业打枣的智能化作业，并为后续的产品研发提供了一些有用信息。