智能环抱式椰果采摘机设计及应用

2020-05-11卓有成程清伟张梓谦莫永康谢东燊林晓鹏

花卉 2020年8期

卓有成程清伟张梓谦莫永康谢东燊林晓鹏

（华南理工大学广州学院广东广州 510800）

1 研究背景及意义

2019 年，海南椰子种植面积500 万亩，年产约12 亿个椰果。目前海南椰子种植业的主要问题是椰果采收是以手工方式为主。年产12 亿个椰果，大部分均靠人工采摘，劳动强度大。

学术研究方面，印度Akshay Prasad Dubey 设计了一款椰子树攀爬收获机器人[1]，该机器人由上下两个环形结构组成，交替抱树实现机器人的上下攀升；印度尼西亚Politeknik Elektronika Negeri Surabaya（PENS）大学，研发了一种椰子收获爬树机[2]，该机器人有一个采用三轮连接的自动紧固机构，以适应不同直径的树木，安装有弹簧弹簧，使机器人可以更好的缠在树干上，同时使用切割刀成束切割采摘，如图1 所示。

图1 爬树机

但是以上的采摘机器存在机器过大或者无法夹紧树干导致滑落，因此结合市场需求，本论文设计一款小型椰果采摘机替代人工劳动具有重要意义。

2 椰果采摘机结构设计

智能环抱式采摘机主要由两部分组成，一是智能爬行系统，二是智能椰果采摘系统。该机通过单作用气缸的弹簧反力实现轮胎对树干的夹紧，通过电机配合减速器驱动轮胎提供足够的爬行动力，通过爬行系统上搭载的小型三轴机械臂对椰果进行切割采摘。

智能环抱式椰果采摘机的工作原理：首先将椰果采摘机左右两半部分环抱树干，并且插上定位销，单作用气缸在弹簧反力的作用下，使得外环向内挤压，轮胎在外环的带动下紧紧压在树干上。这样便实现了椰果采摘机的定位安装工作，椰果采摘机也在16 个单作用气缸的弹簧反力作用下通过摩擦力而固定在树干上。电机和轮胎之间通过NRV 减速器进行减速传动，使用的减速器传动比i=40 的降速传动，蜗杆蜗轮传动比i=40＞30，所以减速器可以实现自锁。因此在电机没有给驱动力的情况下，椰果采摘机会依靠摩擦力牢牢固定在树干上。工作时通过遥控控制电机驱动轮胎到可采摘高度时停止驱动电机工作，随后通过遥控控制3 轴机械臂进行椰果成束切割采摘，整个采摘过程需要人工遥控控制切割采摘。

智能环抱式椰果采摘机总体机构分为爬树模块和采摘模块。设计图如图2 所示。

图2 椰果采摘机结构

3 椰果采摘机中心位置要求

整机重心的位置在此椰果采摘机中也非常重要，在设计时应该尽可能保证该机器的重心在椰树树干的轴线上或是与树干表面尽可能的贴近，偏心是此类机器人最大的缺陷之一，当产生偏心时机器人在运动旋转过程中会产生离心力，且这种离心力因速度的提升和偏心的增大而增大。此类机器偏心会造成整个树木造成一定程度的损伤，因此本设计要尽量减小偏心距离。

在solidworks 软件中给予相应的零部件赋予相应的材料后进行重心测量，测量结果如图3 所示。在极限采摘状态下，椰果采摘机的重心始终在树干中轴线附近，贴近树干表面的位置，因此设计符合重心位置要求。

图3 椰果采摘机重心

4 智能环抱式椰果采摘机的WiFi 遥控系统搭建

随着科技发展，使用WiFi 进行数据传输的功能已经十分完善，体积小，功耗低，因此十分适用于无线控制技术中。

利用手机或电脑等无线终端发送数据到WiFi 数据接收端，存储到数据模块内存中，再经由发送端发送到单片机等控制系统中作为各种命令指令，单片机解析这些指令后便可以执行相应的操作，以达到遥控目的。

单片机与外设通讯要经过串口接收与发送数据，因此我们选择的WiFi 模块必须带有串口转接功能，综合多种WiFi 模块，我们选择了USR-WIFI232-Bwifi 转串口模块，在满足了基本要求的前提下，该模块还支持IEEE802.11 的通讯模式，支持TCP/UDP/ARP/ICMP/HTTP/DNS/DHCP 等多种网络协议，支持多客户端连接，同时具有功耗低，稳定性强等优点。