小型水果智能采收装置的设计

江东博，张维，孙立成，路通，姚文特，孔德刚，周永杰

河北农业大学 现代科技学院 河北保定 071001

摘要：小型水果，如李子、枣、杏、杨梅、琵琶、小柿子等目前大多数仍然采用手摘方式，费时费力，生产效率低，登高采摘具有一定的危险性，且果园地区大地形复杂，不熟悉的采摘者容易迷路，研究开发小型水果采摘智能机械具有重要的现实意义。本团队结合小型水果的结构特性，设计出一种集采摘、收集、枝叶分离、输送、分级及导航定位于一体的小型水果智能无损采收装置，该装置应用仿人手的梳齿采集爪实现小型水果无损采摘；利用V形布置的两组橡胶对辊达到枝叶分离目的；分层布置的圆带输送实现分级要求。该装置可利用计数称重装置，对采摘的小型水果进行数量的统计和重量的称取，以此作为人工采摘效率的依据。利用无线传输模块、GPS模块和电子罗盘模块搭建自主导航平台，实现采收背袋与智能运输车之间的通信、采摘车的定位以及采摘车自主导航至采收车所在位置的功能。

关键词：小型水果；梳齿采收；智能运输；枝叶分离

1 引言

近几年，我国的机械化和智能化在各行各业得到了不断推进，相关技术不断完善和发展。但各个行业间，机械化和智能化发展水平极不均衡，尤其是在农业的机械化和智能化，发展比较缓慢。我国是农业大国，发展农业机械对于提高农业生产效率、增加农民收入等具有重要意义。对此，我们对李子、枣、杏、杨梅、琵琶及小柿子等水果的采摘方式进行了调研，以河北省主要产李子、杏、小柿子的满城县为例，农民主要采摘方式依然是人力用杆子击打成熟的果实，待其落到地面后进行拾取分拣，亦或者是直接人工采集，效率低下，费时费力。因此，急需设计一种可以减轻农民负担的多功能采摘装置，减轻农民负担，提高生产效率。

2 总体方案设计

小型水果智能无损采收装置集采摘、收集、枝叶分离、输送、分级、计数及导航定位于一体。可将小型水果分级采收，且体积较小，便于运输，可进入复杂地区进行工作。该装置主要由采集装置、支撑架、手持伸缩杆、输送管、智能运输小车、计数及定位导航装置组成。总体结构如图1所示。

图1 小型水果智能无损采收装置总体结构图

3 梳齿采集爪的设计

采集爪采用仿人手的梳齿爪结构，梳齿爪的整体结构如图2所示，分为带孔的尼龙棒轴和钢爪两部分。梳齿爪做旋转运动，当梳齿爪旋转到带有小型水果的树枝后，树枝通过梳齿爪的间距通过，而果实被两爪卡住，将其采摘下来。采集爪的驱动电机与梳齿爪轴间具有过载保护装置。采集爪应该尽可能的抓住大部分的小型水果，所以两个爪之间的距离不应太大，否则会导致采摘率的下降。另外，这个距离也不能太小，否则 会出现采集爪卡到枝叶的现象，影响采集效率。

图2 梳齿采集爪结构图

4 橡胶对辊的设计与分级功能设计

V形橡胶对辊结构如图3所示，上橡胶轴和下橡胶轴组成枝叶分离对辊，位于采集罩下部，两端由端面轴承座支撑，上橡胶轴在下橡胶轴上侧，上橡胶轴与下橡胶轴外圆相切布置，上橡胶轴与枝叶分离驱动电机固定连接，上橡胶轴与下橡胶轴通过齿轮组二传动，下橡胶轴之间通过齿轮组一传动。采用分层布置的圆带输送实现小型水果分级要求，如图4所示。

图3 V形橡胶对辊结构图 图4 分级装置结构图

4 创新点

1、一种集采摘、收集、枝叶分离、输送及分级于一体的多功能的小型水果采摘装置，功能齐全，结构简单。

2、通过仿人手的梳齿采集爪实现对小型水果的无损采摘；利用V形布置的两组橡胶对辊实现枝叶分离目的。

3、采用计数装置对采摘的小型水果进行数量的统计和重量的称取，显示采摘作业费用。

4、利用无线传输模块、GPS模块和电子罗盘模块搭建自主导航平台，实现收集背袋与智能运输车之间的通信、定位以及自动导航。

参考文献

[1] 孙金华．水果采摘机的设计[J]. 农民致富之友，2014(12)：220-221-139．

[2] 郝连君，张庆辉．冬枣采摘和贮藏技术[J]. 现代农业科技，2005(11)：18．

[3] 李占坤. 果树采摘机器人控制系统研究与设计[D]. 江苏大学,2010.

[4] 高自成,李立君,李昕,闵淑辉,易春峰.齿梳式油茶果采摘机采摘执行机构的研制与试验[J]. 农业工程学报,2013,29(10):19-25.

[5] 葛君山.基于单片机和GPS定位的自主导航采摘机器人设计[J]. 农机化研究,2016,38(12):237-241.

[6] 梁建平,肖志红,杨浩生,韩益博.小林果实采摘工作头装置结构的设计[J]. 农机化研究,2014,36(03):113-116.

基金项目：河北省大中学生科技创新能力培育专项项目《小型椭球类水果智能采收装置》；河北农业大学大学生创新创业训练计划项目《小型椭球类水果智能采收装置》（2022215）；地方农业院校创新创业实践型人才培养教学改革与研究（2020校级）。

作者简介：江东博，男，2000.05.12，河北雄安人，本科在读，研究方向：机械设计制造及其自动化。