苹果辅助采摘装置的设计和制作

吴 璞，薛 彪，吴卓雅，王旭峰，李重肖，吴婉婷

(太原工业学院 机械工程系，山西 太原 030008)

0 引言

苹果作为一种营养价值高且十分普遍的水果在我国有很大的需求量和种植量。然而全国很多地区在苹果的采摘上依然主要靠人工，这种方式既费时又费力[1-2]，且对于苹果来说，如果过了最佳采摘期，其品质会有所下降。我国果园环境多位于碎石较多的山地，大型设备无法运行，且成本较高，果农难以负担。

目前，国内外的水果采摘方式主要有人工采摘、机械辅助采摘和机械化采摘三种[3]。针对苹果采摘中存在的工作量大、作业范围广(果实分布高低不均)、触碰力度控制要求高以及需选择性采摘(单果成熟期不一致)等问题[4]，本文将展开小型辅助人工采摘装置设计与制作，以提高苹果采摘过程中采摘的效率、降低劳动强度和采摘成本，保障苹果成品质量。

1 主要研究内容

1.1 采摘对象及要求

该苹果辅助采摘装置对苹果进行采摘收集，苹果直径80 mm～100 mm;要求苹果被采摘后无破损，收集过程中无划伤、碰伤。机械结构简单，操作方便，便于携带，安全性能好，便于维修，成本相对低。

1.2 苹果采摘方案的拟定

通过人工代替机械移动，人眼锁定目标。按动手柄按钮，通过单片机控制采摘臂移动到对应的位置，将苹果放入半球形采摘装置中，再次控制电机进行切割，完成采摘操作，采摘装置复位。然后寻找下一个目标，采摘下的苹果进入收集筐，完成苹果收集。

半圆形采摘装置出口处连接一个导管，使得采摘下来的苹果直接沿着导管下滑进入收集筐内的螺旋状收集管内；收集筐内部的收集管排列为特定的角度，使得下落的苹果既能顺着环形收集管下滑至底部，又能起到缓冲作用防止苹果之间的碰撞。收集筐下侧设有开口，可将收集筐管道内收纳的一定量的苹果通过这个口进入收纳袋。

2 总体设计

2.1 总体结构

苹果采摘装置总体结构如图1所示，由半球形采摘装置、伸缩装置、收集装置三部分组成。伸缩装置由一个三自由度机械臂构成。收集装置由与采摘装置连接的导管和下部的收集筐构成。

2.2 采摘装置

采摘装置是由两个四分之一球壳组成的，如图2所示。静止时，两个球壳在水平面下方形成闭合半球，刀片位于两球壳靠近水平面的位置，取代了部分球壳，可以进行拆装，方便了后期的维护和替换。当进行采摘时，通过舵机使两个球壳向上旋转90°，在水平面上方闭合在一起，通过刀片将水果与树分离。同时，两个球壳旋转至水平面上方后，下方通道口打开，采摘后的苹果直接掉入通道内。在预定时间后，球壳恢复静止状态。

1-半球形采摘装置；2-伸缩装置；3-收集装置

图1苹果采摘装置总体结构 图2半圆形采摘装置

2.3 伸缩装置

伸缩装置由具有俯仰、旋转、升降三个自由度的机械臂构成。通过俯仰舵机、旋转舵机以实现旋转和俯仰运动；通过步进电机来实现其上升下降；通过锥齿轮的啮合实现刀片的转动。图3为俯仰舵机和旋转舵机，图4为升降部分。

图3 俯仰舵机和旋转舵机

图4 升降部分

2.4 收集装置

收集装置由导管和收集筐构成，如图5所示。导管内部采用有一定弹性的材料，收集筐内部为坡道式设计，坡道内有一个个小的活动隔栏，将坡道分为一个个小格，当苹果从管道落下时，依次填充进每一个格子内。隔栏采用偏软材料，使苹果撞击隔栏时不会产生损伤。隔栏采用可拆卸设计，插在坡道上的卡槽内，通过插在不同的卡槽内，可以调整隔栏的间隔。

2.5 程序设计

本次设计涉及多种电机的控制，因此采用性能强大的STM32F103C8T6控制器进行控制，先由控制器向TB6600驱动模块发送控制信号，从而控制由两个步进电机构成的升降机构，在到达指定位置后停止后，控制两个舵机进行俯仰旋转，可由控制器控制每个舵机旋转的角度，以达到多角度的抓取。

2.6 样机制作

图6为制作出的苹果采摘装置样机。该装置单人即可进行操作，方法简单易学，可以在较快的时间内锁定采摘目标，并进行顺利采摘。采摘下来的苹果顺着导管进入收集筐内，极大地缩短了采摘时间，又保证了苹果质量。后期，采摘下来的苹果可直接从收集筐出口取出，方便、快捷。

图5 收集筐 图6 制作的苹果采摘装置样机

3 结语

本次设计的苹果辅助采摘装置整体结构简单，操作方便快捷，抛弃了传统意义上的抓式结构或者较为少见的吸附式结构，采用半圆形刀刃闭合切断苹果梗。采用肩背式设计，以人体行走代替机械的整体移动，以应对各种条件下造成的移动问题。本装置大大节省了采摘时间和人力，提高了苹果的采摘效率，降低了劳动强度和采摘成本，保障了苹果成品质量。