一种机电网综合设计的水果采摘机

桑勇,杨琦,王琼,朱战胜,张家熹

(1.安徽工业大学 电气与信息工程学院,安徽 马鞍山,243032;2.安徽工业大学 创新教育学院,安徽 马鞍山,243032;3.安徽工业大学 机械工程学院,安徽 马鞍山,243032)

水果的采摘是较为繁琐和劳累的工作[1]。由于果农往往采用简单的拽、拉和摇等方法,对高枝水果则需要爬树、架梯子,存在采摘效率低、果品损耗量大和易发生危险等缺陷,因此有必要研发一种便携高效水果采摘机[2]。提高水果采摘作业机械化程度能有效地提高采摘效率、解放劳动力,由于采摘作业涉及的技术和管理因素较多,国内外专家和学者从不同的角度对水果采摘机进行硏究,目前果园机械采摘方法主要分为机械化全自动采摘和机械辅助半主动采摘两种形式[3]。霍银龙[4]等设计的全自动旋转式柑橘机械采摘机,自动化程度高、采摘速度快,但存在果实识别率偏低、损伤率较高和制造成本高等问题,主要适用于地势平坦的大面积种植区域。庄逸锋[5]等设计的背负式水果采摘机,虽然适用范围广,但目前存在操作复杂[6]、通用性差及采摘效率低等缺点。

本文提出了一种机电网综合设计的水果采摘机,其利用摆动导杆机构,由单片机控制舵机驱动摆动导杆机构,使摆剪进行剪切。该机械辅助采摘机具有操作简单、通用性强和采摘效率高等特点[7],适用于我国大多数果园的水果采摘。

1 采摘机的整体结构与功能设计

1.1 采摘机的整体结构和工作原理

机电网综合设计的水果采摘机主要由水果采摘系统、伸缩杆系统以及水果收集系统组成。

首先设计了采摘机的整体结构方案一,如图1所示。该方案采用锯片切割果柄,采用弹性网传送水果、收集桶收集水果,其具体工作过程是：采用定位式切割机构,有效将电机锯片定位于需要切割的部位,防止切不到、切偏和切错等问题;伸缩传送系统由弹性网与伸缩杆组成,伸缩杆在最大范围内可固定任意长度,方便针对不同高度的水果进行采摘,方便不工作时携带;弹性网在传送水果的同时,又可减缓水果的下降速度,起缓冲作用,有效保护水果免受损伤。水果收集系统是对收集桶进行设计,桶内设置螺旋状收集弯管;在入口设置减速保护装置,使下落的水果速度降低至停止状态,同时不损伤水果,由阀门控制入口的开关,当断电时,阀门紧闭,通电时,阀门打开,水果再慢慢进入弯管,呈螺旋状摆放;底部设置出口,可打开出口门进行水果收集后续处理。测试样机发现,锯片切枝效果不理想且高速旋转存在安全隐患,弹性网降低水果下降速度不明显,收集装置过于复杂,不利于移动。

改进后的水果采摘机整体结构方案二,如图2所示。该采摘机由水果采摘系统、伸缩杆和收集网三部分组成。水果采摘系统是整个采摘机的核心,将剪切机构、电气控制、触发开关以及摄像头巧妙地设计在同一框架内。采摘机要求轻质金属(铝合金)框架可拆卸,剪切工具要求强度大的金属刀具。为了减轻重量,在受力要求不高的部位全部采用轻质塑料,采用3D打印,同时保证装置的强度能够达到要求。

采摘机采摘系统,如图3所示。其末端执行器包括：摆剪、触发杆、限位开关、驱动装置和控制器。摆剪通过轴杆与剪切板铰接连接,摆剪的刃口与剪切板的固定刀板配合形成剪切口;触发杆活动安装在剪切板下方,且一端位于剪切口,另一端安装有限位开关;控制器与限位开关、驱动装置连接,用于接收限位开关的信号并向驱动装置发送执行信号;采摘机的驱动装置带动摆剪绕轴杆摆动,剪切口闭合进行剪切动作,从而实现果实的自动采摘。运用人机工学设计,采摘系统还配以微型摄像头,通过摄像头观察,将水果的图像信号通过Wi-Fi传输至手柄处的手机端,实现精准剪切。在操作过程中,不需要人工控制摆剪,实用便捷,大大提高了采摘效率。伸缩杆方便针对不同高度的水果进行采摘。水果收集网设计为可拆卸式,一次可以收集4～6个水果。

图2 采摘机整体结构(方案二)

图3 采摘机采摘系统

1.2 采摘机的剪切装置设计

1.2.1 剪切定位装置设计

采摘机采摘任务能否顺利完成取决于是否能够有效地剪切断果柄,因此设计了定位剪切板,起到导向作用,防止切错、切偏等问题。方案一(图4a)中,此定位剪切板材料采用厚度为5 mm的亚克力板,此方案结构较为简单,制造容易,但试验发现,在定位效果上并不理想,厚度也影响了定位。方案二(图4b)与方案一类似,但使用的材料是金属,厚度仅为1.3 mm,结构可靠,制作难度低。考虑采摘机的稳定性和可靠性,选择方案二(图4b)。

图4 定位剪切板

1.2.2 剪切方法及剪切机构设计

对水果果柄的有效剪切是采摘机性能的最核心指标,剪切方法和剪切机构是最重要的设计,采用电机来驱动剪切刀具,有效地提高采摘效率、降低采摘人员的劳动强度[8]。方案一(图5a)使用了一个直径为60 mm的钢质切割锯片,锯齿较锋利,采用锯片高速旋转的方式将果柄切断,这种方式在机械结构设计以及控制方面较简单,但在锯片接触悬空状态的果柄时,由于果柄后退而造成不易切断。方案二(图5b)利用摆动导杆机构,由单片机控制舵机,舵机驱动摇杆带动摆剪进行剪切,类似于剪刀剪切的方式;这种方式,机械结构简单、控制方便,可实现精准且有效地剪切,优选方案二(图5b)。

图5 剪切机构

1.3 采摘机的收集装置设计

针对水果采摘后的收集问题,设计了两种方案：方案一(图6a)的设计想法较新颖,考虑到连续采摘及收集。水果在高空采摘后及时传输到下方的收集桶中,但此方法对于枝叶茂密的果树较难适用,传输网容易挂在树枝上,给采摘工作带来不便。方案二(图6b)采用了一种可拆卸的收集网,在空中收集水果,收集适当数量的水果后再取下,并可灵活地采摘生长在不同状况枝叶处的水果。考虑到采摘机的便携性,采用方案二(图6b)。

图6 收集装置

2 采摘流程

一种机电网综合设计的水果采摘机采摘水果的过程是：(1)用手机通过摄像头观察,对水果位置和成熟度进行初步判别,确定拟剪切的水果;(2)移动伸缩杆,将拟剪切的果柄准确定位于摆剪附近;(3)果柄轻触触发杆并有效触发限位开关,自动启动采摘系统：单片机控制舵机并驱动摆动导杆机构,进而带动摆剪进行剪切,触发杆和摆剪自动回位,完成1个水果的采摘;(4)反复步骤(1)～(3)若干次,当收集4～6个水果后,收杆,将收集网中的水果取出,完成1组水果的采摘。采摘流程如图7所示。

图7 水果采摘流程

3 理论设计及分析

3.1 采摘机尺寸设计

此采摘机的最大特色在于免除了手控,自动方式进行水果采摘,因此选择合理的结构和尺寸,采摘机才能更加协调地实现采摘功能。(1)采摘部位：为了减轻质量,采摘部位的体积设计地尽可能小,长180 mm、宽80 mm、高70 mm;考虑到成年人的双臂负重能力及观察角度等,剪切板组合后总厚度为4.3 mm,整个采摘部位净重400 g;整体为长方体,一半放置舵机、单片机和电源等,另一半空出便于水果采摘。(2)伸缩杆：根据大多数果树高度,伸缩杆为2～4节杆,每节1.2 m。(3)收集网：收集网直径为210 mm、深300 mm。各部分的尺寸如图8所示。

图8 采摘机的尺寸设计(单位：mm)

3.2 四杆机构

利用机构组成原理进行机构创新时,在满足相同工作要求的条件下,机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件数和运动副数越少越好[9],力图用最简单的机构实现预期功能。采摘机工作时,由单片机控制舵机转动,进而驱动四杆机构,设置摆剪来剪切果柄。该四杆机构是一种摆动导杆机构,其机构简图如图9所示。

3.3 剪切力分析

采摘机工作效果的优劣主要取决于摆剪能否顺利剪切断果柄,因此要对采摘机进行剪切力分析与校核,剪切原理如图10所示。

3.3.1 驱动盘的输出力

驱动盘受力如图11所示。舵机控制驱动盘转动,根据舵机扭矩与力臂可得出输出力F1。舵机输出扭矩T=250 N·cm,L1=2 cm,又T=F1×L1=F1×2 cm=250 N·cm,解得F1=125 N。

3.3.2 摆剪输出的最大剪切力

剪切机构如图12所示,C端为驱动盘输出力处,B端为剪切端。假设剪切端B所受最大剪切力Fs的反作用力为F2, 整个杆件BC处于平衡状态。由F1×L1-F2×L2=0,得F2=181.8 N,所以Fs=F2=181.8 N。经试验测得剪切断果柄所需要的最大剪切力F=120 N。因为Fs≥F,所以该采摘机满足工作需求,能顺利剪切断果柄。

图9 摆动导杆机构

图10 剪切原理模拟

4 控制功能设计

4.1 硬件电路设计

采摘机部分硬件电路(见图13)由供电电路、单片机最小系统、信号触发电路、舵机控制电路以及摄像头模块等5部分构成。

供电电路。电源采用2 000 mAh 7.4V 2Ah锂电池组,尺寸为51 mm×38 mm×22 mm。STC89C52RC单片机、舵机和摄像头的工作电压均可5 V,通过LM2596S-ADJ可调降压稳压电源模块将7.4 V电源电压降至5V后给这3个模块供电,且此电源模块电压输出纹波最大仅30 mV。虽然3个模块由同一路电压供电,经试验,舵机和摄像头工作时,对单片机最小系统正常工作无明显影响。

核心控制板。考虑到控制电路的复杂程度以及价格因素,最终选择了STC89C52RC单片机。这款单片机[10]使用经典的MCS-51内核,具有单倍速模式,也就是12T模式。在该模式下,STC89C52RC单片机的一个机器周期具有12个振荡周期(又称时钟周期)。晶振频率为11.0592 MHz,单片机的运算速度和功能可以满足本采摘机的电路控制需求,并且价格低廉。

信号触发电路。STC89C52RC单片机的P1.3引脚经触发开关(即限位开关)与GND相连接。当触发开关因果柄触碰触发杆而接通,P1.3引脚被拉低,MCU检测到低电平,然后进行一系列舵机控制。

图11 驱动盘受力图

图12 剪切机构

舵机控制电路。舵机信号线与STC89C52RC单片机的P1.0引脚相连接。MCU发送PWM波信号给舵机,来控制舵机的运转,进而控制摆剪旋转一定角度,并且稳压模块最大输出电流可达3 A,摆剪较锋利,能够轻松剪切断果柄。

摄像头模块。摄像头主要是用在枝繁叶茂、果柄位置不易观察的场合。如果水果所处的位置容易被观察到,可不需要打开摄像头,所以单独设置了一个开关来有选择性地开断摄像头,达到节省电源电量的目的。

图13 采摘机部分硬件电路

4.2 软件程序设计

程序的主要控制思想是采用双步中断。STC89C52RC单片机共3个16位定时器/计数器,即定时器T0、T1和T2,通过定时器T0和定时器T1来装计数值,工作模式寄存器TMOD来选择定时器T0和定时器T1的工作模式,并设置定时器T0和定时器T1工作模式均为模式1,即设置为16位定时器/计数器,定时器寄存器TLX和THX级联构成一个16位定时器/计数器。MCU检测到触发信号后,在主函数main()中先启动定时器0,在定时器0中断子程序中产生周期约20 ms、高电平约1 ms的方波信号,使舵机逆时针旋转至约45°位置;经一段时间后,启动定时器1,在定时器1中断子程序中产生周期约20 ms、高电平约2 ms的方波信号,使舵机顺时针旋转至约135°的初始位置并停止,这样就完成了一次水果采摘任务。如此反复,可实现连续采摘控制。

中断服务程序如下所示：

5 采摘机的创新点

该采摘机具有以下创新点(见图14)：(1)通过舵机控制摆动导杆机构进行剪切,电动控制使采摘更加便捷,并且经过参数的合理配置,可使摆剪的剪切力最大化,让剪切更加轻便;(2)利用触发杆触碰并接通限位开关,自动触发采摘系统工作;(3)设置定位剪切板起导向作用,使剪切更加准确,防止切不到、切偏等问题,微型摄像头可以更加清楚地观察果柄的位置以及水果成熟度,水果的图像通过Wi-Fi传输至手柄处的手机端,有效地提高了采摘质量;(4)设计带有挂钩并可拆卸的收集网,便于根据不同使用条件下更换收集网。

图14 采摘机部分创新点

6 结论

本文设计的水果采摘机提供了一种辅助人工采摘水果的解决方案,可以有效地辅助人工采摘水果,不仅能够提高工作效率、降低生产成本,同时也可以保证采摘果品的质量。该水果采摘机工作稳定、性能可靠，功能实现效果较好，具有广阔的市场应用前景。