小型可升降苹果采摘机的设计

小 型 可 升 降 苹 果 采 摘 机 的 设 计 樊琛 曹凡 杨振坤 西安交通大学 城市学院 西安710018 摘要 针对农村果园收获作业急需机械化 自动化设备的现状 设计研制了一种小型可升降苹果采摘机 该机 具有机构简单 使用方便 成本低廉等特点 同时 主要介绍了小型可升降苹果采摘机的设计方案 工作原理 结 构特点 主要技术参数以及方案分析论证等 关键词 苹果 可升降 采摘机 中图分类号 S225 93文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2013 01 0129 04 0引言 果树种植产业是我国农业中的重要产业之一 近 几十年来 我国果树种植产业规模和产量有大幅度的 增长 其中苹果产量居世界第一位 如果在每年苹果 收获季节 由自动化 机械化采摘机代替人工劳作 不 仅能够大大提高苹果采摘效率 降低劳动强度 解决 劳动力的不足 提高经济效率 还能够改善农业的生 产环境 促进我国农业科技进步 加速农业现代化进 程 据农业部统计 2008 年全国苹果栽培面积和产量 为 199 22 万 hm2和 2 984 66 万 t 占全国水果总面积 和总产量的18 56 和26 32 面积和产量均居水果 生产的首位 与 2007 年相比 2008 年苹果的面积和 产量分别增加3 04 万 hm2和198 67 万 t 同比增长了 1 55 和 7 13 2010 年中国苹果总需求约 3 120 万 t 2015 年苹果总需求达到约 3 370 万 t 但目前苹 果收获主要由人工不定时对果实进行成熟度判断和 采摘 劳动强度大 消耗时间长 具有一定危险性 随 着苹果种植园生产的扩大 规模化 多样化 精确化 时令需求以及农民外出打工增多等因素使劳动力不 足的现象越来越明显 人们自然不断地对农业机械提 出新的要求 于是果园收获作业机械化 自动化成为 广大果农们最为关注的热点问题 采摘机器人便应运 而生 1 一般苹果在采摘收获的基本受力原理主要 有拉伸 弯曲 剪切 折断 撞击以及下落冲击等 研 究表明 由于苹果果柄具有韧性大 易剪断 位置高 收稿日期 2012 01 17 基金项目 西安交通大学城市学院青年教师科研基金项目 2010XJTU CC10006 作者简介 樊琛 1983 女 济南人 助教 E mail fanc 163 com 低不定等特点 为保护果树枝干不受较大损坏 且苹 果收获时不受或少受撞击损伤 苹果采摘机一般由底 座支撑机构 伸缩机构 剪切机构 缓冲机构 装运机 构和可移动机构等组成 苹果采摘机的问世 有望改变传统的劳动方式 改善农民的生活劳动状态 为此 本文针对我国苹果 种植的情况以及规模 果树的区域生长特点 考虑到 使用者 果农 的经济情况和文化水平 设计出一种高 效率 低成本 操作简单的设计方案 满足了广大果农 的需求 1苹果采摘机的总体结构设计 苹果采摘机的总体结构主要包括切割机构 伸缩 机构 果实安全传输机构 运输行走机构和果实识别 与定位机构 其设计原理方案及主要部件构成如表 1 所示 表 1结构设计方案与主要部件 结构原理方案主要部件 切割机构 平面四连杆机构 和简单机械 机构设计 1 圆锥螺旋压缩弹簧 2 剪刀 3 剪刀连接销 4 小拉杆 5 拉杆连接销 6 纵向拉杆 7 钢丝绳 伸缩机构螺纹锁紧方法 1 外杆 2 外杆剪断部 3 螺纹锁紧装置 4 螺纹 5 内杆 果实安全 传输机构 柔性布筒传输 1 剪刀 2 铁圈 3 网兜 4 撑杆 5 柔性布筒 6 布筒支架 2切割机构设计 2 1切割机构的设计方案 从国内外的研究成果来看 对于果柄的打断 基 本上采用以下两种方式 1 利用手腕的旋转和周转关节在执行器抓牢果 921 2013 年 1 月 农 机 化 研 究第 1 期 实后拧断果柄 2 利用切刀或者电极直接切断果柄 2 第 1 种方法对于果柄易断的果蔬较为实用 如西 红柿的采摘 但对于果柄柔韧性比较高的果蔬则采 摘成功率较低 末端执行器需要比较大的操作空间 从而难于避障 而第2 种方法首先对果柄的方位要做 出精确的检测 同时手腕要有必要的自由度 根据果 柄的方位 由手腕调整末端执行器的采摘姿态后 切 刀才能精准地切断果柄 这虽然可以提高采摘的成 功率 但采摘效率相应降低 同时增加了机器人结构 和控制的复杂性 成本较高 针对这两种切断果柄的 不足之处 结合采摘苹果的具体实际 研究设计了 3 个方案 2 1 1直流电机旋转切割研究方案 直流电机旋转切割机构包括 直流电机 微璎蜗 轮蜗杆减速器 钢丝绕盘 钢丝 下软管架 弹性软管 上软管架 刀架 刀架转轮 转盘轴和楔形刀片等 如 图 1 所示 该装置采用直流电机作为动力源 利用软 管和钢丝传动 驱动刀片通过转盘轴绕手指外廓做近 l 周的旋转 以切割位于手指周向上任意位置的苹果 柄 这样省掉了检测果柄方位和调整末端执行器位 姿的复杂过程 提高了采摘效率 同时 刀片设计成 楔形 使得在切割过程中果柄与刀刃有滑动 更易切 断果柄 保证了采摘的成功率 1 楔形刀片2 转盘轴3 刀架转轮 4 刀架5 上软管架 6 弹性软管7 下软管架 8 钢丝9 钢丝绕盘 10 微璎蜗轮蜗杆减速器11 直流电机 图 1切割装置示意图 2 1 2电磁原理切割研究方案 电磁原理切割机构包括交流电机 磁性剪刀 电 池电源 开关和导线等 利用电磁原理 通过改变电 路正负极方向改变剪刀两端磁性实现切割 例如 左 边剪刀定为 S 级 开始右边为 S 级 同性相斥 剪刀为 打开状态 然后通电改变右边剪刀磁性 使其变为 N 级 异性相吸 剪刀为闭合状态 从而实现切割 2 1 3机械机构设计原理切割研究方案 本机构包括 圆锥螺旋压缩弹簧 剪刀 剪刀连接 销 小拉杆 拉杆连接销 纵向拉杆 钢丝绳 钢丝绳 拉片 螺母 连杆和拉杆 利用平面四连杆机构和简 单机械机构设计达到切割目的 如图 2 和图 3 所示 1 圆锥螺旋压缩弹簧2 剪刀3 剪刀连接销 4 小拉杆 5 拉杆连接销6 纵向拉杆7 钢丝绳 图 2切割机构 上部 1 钢丝绳2 拉片 3 螺母4 连杆 5 拉杆 图 3切割机构 下部 该机构利用瞬间拉动拉杆 通过连杆拉动钢丝 绳 纵向拉杆向后 两个小拉杆角度变小 使得剪刀柄 角度变小 然后弹簧收紧 剪刀闭合实现切割 当切 割完毕后 弹簧收缩 剪刀打开 剪刀柄 小拉杆角度 031 2013 年 1 月 农 机 化 研 究第 1 期 恢复 钢丝绳 拉杆自动恢复原状 以上 3 种方法中 方法 1 用到了直流电机和蜗轮 蜗杆减速器 而且结构复杂 用于小型的采摘装置不 合适 方法 2 结构较简单 设计也合理 不足的是需要 电池或者电机 不好实现控制 方法 3 结构简单 设计 合理 直接利用人工就可以实现简单操作 所以 本 设计拟用方法 3 的切割机构设计 2 2切割机构的分析计算及其论证 依据机械机构原理设计切割机构 以下是通过计 算分析对切割机构的一些可行性论证 剪刀剪断果 枝的可行性论证 苹果枝半径为 1 5mm 剪刀末端切割苹果枝时 角度为 40 其受力分析如图 4 所示 图 4剪断力受力分析 剪刀剪断果枝用 F2 10N 的力 两角度可近看做 60 根据图中剪切力受力分析可得 F 2F1cos20 1 F2 F1sin20 2 F 2F2 tan20 55N 3 通过上述分析可以得出 当剪刀与苹果果柄相切 时 需要的拉力为 55N 而拉动拉杆使其达到切割目 的的力是瞬间力 比这个力大得多 所以剪刀可以剪 断果枝 3伸缩机构设计 3 1可伸缩机构的设计方案 伸缩机构即伸缩杆 主要起支撑剪切机构并根据 苹果位置自由上下伸缩升降作用的 主要部件构成 如图 5 所示 3 2可伸缩机构的分析计算及其论证 苹果树最高为 4m 3 所以 可伸缩杆总长为 3m 再加上果农的身高 采摘高度足够 其中 可伸缩杆 外杆为 2m 内杆为 1m 内杆可自由伸缩 所以此伸缩 杆长度变动范围为 2 3m 可见能够满足采摘要求 可伸缩机构中 锁紧开关部位存在应力 需要计 算该部位应力值 以便在使用时安全 可靠 锁紧部位应力计算如下 杆件上连接部分 剪刀 网兜及其连接件 的质量 约为 1kg 果农进行采摘时 杆与水平夹角为 80 受 力图如图 6 所示 1 外杆2 外杆剪断部 3 螺纹锁紧装置4 螺纹5 内杆 图 5可伸缩机构 图 6剪切力受力分析 从图 6 中可得杆所受剪切力为 F1 Fsin10 1 7N 4 F2 Fcos10 9 8N 5 剪切应力 为 4 F1 A F1 d 2 4 2 4MPa 6 通过计算可以看出剪切应力很小 而伸缩杆采用 LY12 材料 该材料是铝 铜 镁合金系中的典型硬 铝合金 其成份比较合理 综合性能较好 5 合金杆 的许用应力为 370MPa 而其所受剪切应力为 2 4MPa 远小于合金杆许用应力 因此伸缩杆结构 强度完全 符合要求 由图 6 可得延杆受向下的力 F2为 9 8N 而螺纹 锁紧装置的锁紧力可达 500N 所以其完全可达到锁紧 目的 131 2013 年 1 月 农 机 化 研 究第 1 期 4安全传输机构设计方案 根据苹果大小及下落安全 结构简单 安装使用 方便等要求 设计安全传输机构如图 7 所示 1 剪刀2 铁圈 3 网兜4 撑杆 5 柔性布筒6 布筒支架 图 7果实安全传输机构 撑杆的端部固定设置有铁圈 铁圈直径 15cm 足 够苹果落入 铁圈上设有网兜 网兜的下端与柔性布 筒相通 柔性布筒通过布筒支架固定在撑杆上 柔性 布筒采用柔性带 可收缩 带有弹性 而且柔软有张 力 内安装有弹性网 可以使果实下落时减速 不会伤 果 布筒可以直接连到苹果筐内 其结构简单 使用 方便 有利于降低劳动强度 减少人力消耗 提高工作 效率 保障人身安全 柔性带有如下优点 1 抗拉能力强 高强抗拉力 可承受 0 5 8 5t 的拉力 2 高抗冲击性能 由于它的延展性和变形后的 回复性 聚酯打包带可以比钢带更好地吸收冲击能 量 并且在货物收缩或膨胀后不会变松 3 接扣强度高 该捆扎带的特色是连接钢扣 是 一种最牢固的连接方式 并且可以重复收紧 在某些 应用中 打包扣可以重复使用 4 使用安全 它质量小并且柔软 当它被剪断时 也不会弹开 伤及使用者 因为其质地柔软 没有尖锐 的边角 用过的带子也非常容易处理 5 不伤产品 柔韧的质地可以保护产品的表面 免受划伤 6 不生锈不变质 能经得住各种气候条件的变 化 不生锈不变质 不会污染产品 7 节约成本 磨损很小 维修费用低 5运送行走机构 由于果实生长的植株是固定的 所以小型苹果采 摘机在采摘果实时通过运送行走机构移动 配合采摘 苹果 可移动式苹果采摘机的行走机构方案一般有 3 种 车轮式 履带式和人形结构 其中 车轮式应用最 广泛 车轮式的行走机构转弯半径小 转向灵活 但 轮式的结构对于松软的地面适应性较差 会影响切割 机构的精度 而履带式的行走机构对地面的适应性 较好 但因其转弯半径过大 转向不灵活 目前只有 葡萄 采 摘 机 器 人 使 用 履 带 式 行 走 机 构 日 本 Ogasawara 等人尝试将人形机器人引入到移动式采摘 机器人中 但这种技术目前还不成熟 有待进一步的 研制开发 采用智能导航技术的无人驾驶自主式小 车是智能采摘机器人行走部分的发展趋势 6 6果实识别和定位机构 果实的识别和定位是果实采摘机器人的难点 同 时识别和定位的准确性关系到采摘机器人工作效率 实现机器人对果实的采摘 最关键的是要获得果实在 空间的准确位置 从而为机械手提供精确的空间位置 参数 机器视觉技术最早起源于 1968 年 美国学者 Schertz 和 Brown 提出用光信号对果实检测 即用果实 和叶子在电磁光谱的可见光和红外区域反射率不同 检测水果的思想 后来的研究大多遵循这种思想 1977 年 Parrish 和 Goksel 根据这种想法建立了一个较 为实用的苹果识别系统视觉系统 7 9 目前的采摘机器人视觉系统在环境比较规则的情 况下能取得比较好的效果 但在自然环境下的应用仍 需要进一步的研究 这需要研究出合适 有效 快速 的算法 将果实分辨出来 在目前这种技术还不是很 成熟的情况下 可以采用人工辅助选择目标和定位 7结论 小型可升降苹果采摘机设计机构简单 使用方 便 成本低廉 非常适合果园种植面积大 劳动人力不 足的广大农村 大大降低农民在集中收获苹果时的劳 动强度 下转第 137 页 231 2013 年 1 月 农 机 化 研 究第 1 期 4 56 60 4 吴沧海 黄跃江 张振英 水质自动监控系统在水产养殖 业上的应用 J 上海环境科学 2002 21 4 254 255 5 李增祥 杨霞 李田泽 AVR 单片机在鱼塘溶解氧检测中 的应用 J 湖北农业科学 2010 49 7 1712 1713 6 Hamiltion S J Faerber W L Inexpensive monitoring of equip ment operation in long term studies J The Progressive Fish culturist 1990 52 133 136 7 Ebeling J M A computer based water quality monitoring and management system for pond aquaculture C In proceed ings from the symposium Comell University Ithoca 1991 233 248 8 朱祥贤 卢素峰 Zigbee 技术在水产养殖中应用 J 现 代电子技术 2009 23 168 170 9 肖忠 陈怡 莫洪林 鱼塘溶解氧自动监控系统的设计与 研究 J 农机化研究 2009 31 5 142 145 Study on Aquacultual Intelligent Suplemental Oxygen System Zhang Zuojing Chen Xitong Feng Jianhe Li Dongxiang Liu Junyan College of Electromechanical Engineering Northwest A F University Yangling 712100 China Abstract In order to improve the density of fish breeding in case of low amount of dissolved oxygen which results in the death of fish we develop this automatic suplemental oxygen system based on Zigbee technology The system can monitor the amount of dissolved oxygen throng type of dissolved oxygen sensor RY952 and send the data through Zigbee technolo gy support user defined threshold of dissolved oxygen and compensate the dissolved oxygen value in according to differ ent temperature It realizes remote wireless automatic control on aerator Application shows that this system can realize re al time control of dissolved oxygen which reduces the labor intensity of fishermen and increases the economic benefits of aquaculture Key words fish breeding aerator Zigbee technology dissolved oxygen 上接第 132 页 随着科技发展以及各种智能器件制作工艺的提高 小 型可升降苹果采摘机在使用中还将不断改进 逐步增 加自动化 可视化和避障化等功能 参考文献 1 柳洪 宋伟刚 机器人技术基础 M 北京 冶金出版社 2002 36 149 2 徐丽明 张铁中 果蔬果实收获机器人的研究现状及关 键问题和对策 J 农业工程学报 2004 5 10 19 3 HAYASHI S GANNO K ISHII Y Machine vision algorithm of plant recognition forrobotic harvesting J JSHITA 2002 12 55 63 4 陆怀