苹果采摘装置的研究与探讨

苹果采摘装置的研究与探讨

【摘要】苹果采摘装置适用于苹果成熟后的苹果采摘，智能化机械化的采摘模式解放了劳动力，提高了采摘效率，本装置利用无线遥控技术，搭载移动平台，安装末端执行装置即机械手，实现了苹果采摘过程中的机械化，利于农业机器人的研发应用。

【关键词】苹果采摘；机械手；传感器

Abstract：Apple picking device is suitable for mature apple picking，intelligent mechanization picking mode liberated the labor force，improve the picking efficiency，this device using the wireless remote control technology，with a mobile platform，installation of the manipulator end point device，realized in the process of apple picking mechanization，agricultural research and application of the robot.

Key words：Apple picking；Manipulator；The sensor

引言

21世纪以来，随着我国城镇化的社会进程，原始的农业劳动力逐渐减少，转向其他行业，而水果采摘在农业生产中有很多弊端：第一是采摘中需要大量人力；第二是采摘是相对耗时长的一个生产环节；第三，采摘水果大都集中在一个时段；第四，人工采摘水果果实需要弯腰或者爬高，具有一定的危险性。随着我国科技水平和农业机械化水平的逐步提高，用机械手来采摘水果果实成为可能，这样不仅解放了农村劳动力，而且更加安全，方便。

国内外研究现状：随着科技的进步，近年来，国外在果蔬采摘机器人的研究方面取得不少成果，但由于技术，市场和价格多方面因素的影响，此类研究工作基本停顿，国内研究此类型的方面起步晚，相对来说成果少，对苹果的采摘方面研究还很缺乏。随着农业产业化发展进程加快，其种植越来越规模化，然而苹果的采摘大部分还处于人工作业的情况，这大大降低了采摘效率，提高了成本，而且苹果高度不一，人工采摘费时费力，容易疲劳，发生危险，所以对苹果采摘设备的研究有重要意义[1]。

本文以苹果为研究对象，讨论苹果采摘装置，最终目标是确保顺利采下苹果，提高劳动效率，解放生产力。设计一种实用的苹果采摘机械手，用于采摘苹果果实。该机械手结构轻巧，操作灵活简便。并且可以运用传感器和单片机实现智能采摘。

1.苹果采摘机械手的方案设计

1.1 移动平台选取

为了实现苹果的机械化采摘，首先需要选取移动平台。近年来，农业机器人的广泛应用使农业机械化发展迅速，对不同的移动方式了解比较之后，根据土地凹凸不平等特点，装置在土地间运转的话需要地面附着力大，面积大，可以跨越小土块，坚固耐用，能量利用率高，稳定高速，机动性好等特点，采用履带式行走方式，履带式移动对地面附着力大，支承面大，接地压力小，越障碍能力强，具有坚固耐用，容易维护保养等优点[2]。结合在苹果采摘过程中道路情况的复杂性，简化结构，易操作和成本低的要求，选用RP6车体，采用前轮驱动方式，在前轮内侧搭载微型电机，采用2级展开式直齿圆柱齿轮传动，由电动机的电流传感器调节电机转速，车体内置电池盒，为移动平台供电，需要装6节充电电池，提供9V电压，可为电机运转和平台移动提供动力。

1.2 苹果采摘装置

苹果采摘装置主要由移动平台，遥控装置，机械手3部分组成。

1.3 无线电遥控

为了实现苹果采摘机械的智能化和遥控，结合当今遥控越来越广泛应用的时代背景，对不同的遥控方式比较分析后发现：红外遥控是利用近红外线传送信号的遥控设备，不影响其他电器设备，但其缺点是无法穿透，接收信号的能力比较微弱，适合近距离遥控；无线电遥控器是用无线电波来传送控制信号的，其特点是无方向性，可以不“面对面”控制，距离远，可达数十米甚至数公里。基于本课题的设计要求，选用无线电遥控。其接收机是解码电路，遥控器是编码电路，接收机根据遥控器所发出的不同指令，接收后解码，输出到下级电路，控制各个开关管导通与关闭，把电流传输到遥控车的动作电机或电磁铁来完成各种动作。遥控器发射的是带有编码的无线电信号。

2.关键部件的设计

2.1 电机选择

机械手本身结构尺寸较小，所以电机的尺寸也应尽量小，选用微型电机有刷直流电机，属于铁芯电机的一种，其优点是力矩大，调速性能优良，调速方便，能平稳地升降速，应用范围广，通过变励磁方式可得到不同的运行特性。

2.2 机械手总体机构设计

本文讨论的苹果采摘机械手总体结构模仿人手的结构，由手掌，指头构成，为了方便抓取，同时又可以采摘到苹果，机械手是末端执行装置，体积不易过大，运动也要简单可行[4]。

机械本体的优化设计可以改善运动的灵活性和控制的复杂性。这些具有特殊运动和动力特性的机构的综合具有广泛应用前景。[5]所以定为360度空间内包含3个“指头”，空间分布相差120度，一个指头上有3个指节，3个指节中的2

个关节。为了简便，手掌设计为圆柱形，与手掌连接的指节是可以支撑其余2个指节的，第一个和第二个指节里面装有异步电动机驱动，通过齿轮传动完成操纵下一个指节的运动。在2个指节中间有连接件，传递运动。采摘机械手的驱动是一个指节操纵下一个指节，所以用微小型的齿轮减速器传递步进电动机产生的运动和力，提高传动的稳定性。

2.3 驱动系统选择

机械手的驱动系统：一般常用的有4种，液压传动，气压传动，机械传动，电力传动。综合比较，苹果采摘所用的机械手用机械传动，因为其运动准确可靠，动作频率高，符合苹果采摘装置的要求。2.4 材料选择

为了减轻重量，而且苹果也不是很大，所以采用铝合金材料，为了避免损伤苹果果实，所以在机械手上装尼龙和橡胶材料的保护套，来保证苹果不会被机械损坏变质，同时也增大了摩擦力，抓紧了果实，防止掉落。用来减少机械手抓取时对苹果的抓力，既保证苹果不会被机械损坏变质，同时也增大了摩擦力，抓紧了果实，防止掉落。

2.5 其他硬件系统

2.5.1 传感器

传感器是苹果采摘装置的重要组成部分，末端执行装置对苹果表皮的损害程度取决于传感器元件，所以选用应变式压力传感器，其工作原理是利用弹性敏感元件和应变计将压力转换为相应电阻值变化。型号为OOmar齐平式膜片式压力传感器。

2.5.2 单片机

苹果采摘装置选用利用STC12C5A60S2单片机为核心元件，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制。

2.6 工作原理

如图3所示，机械手接近果实过程中和果实产生挤压并产生压力，此时压力传感器测的信号传给单片机，判断是否达到闭合值，这个闭合值是由多年农民的实际经验是指，在不破坏果实的前提下采摘，完成采摘后机械手恢复原位。

3.总结与展望

苹果采摘装置整体从实际出发，集机械化，智能化为一体，适用于苹果采摘，由此节省了劳动力，方便了农民，但是设计中还有很多不足之处，需要在以后的