一種新型的多品種小型水果快速采摘機器人

高卿光 李嘉 李根

摘要：隨著新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式和新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，農(nóng)業(yè)機器人逐步邁向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主力軍的行列，推動智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，采摘機器人作為農(nóng)業(yè)機器人的重要類型，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。為了進一步的提高水果采摘的工作效率，減輕果農(nóng)的勞動負擔(dān)，同時也為了增大果農(nóng)的利潤空間，使果農(nóng)本身從勞累的工作中解放出來。在這種情況下，該采摘機器人主要以農(nóng)用機械為載體通過改裝和增加部分裝置來實現(xiàn)對“棗”，“櫻桃”，“核桃”等小型水果的機器自動化采摘。目前進行多品種小型水果快速采摘機的研究具有深遠意義和廣闊的應(yīng)用空間，符合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，迎合時代發(fā)展潮流。

關(guān)鍵詞：多品種;小型水果;現(xiàn)代化農(nóng)業(yè);采摘機器人;

1項目背景及主要內(nèi)容

1.1項目背景

我國現(xiàn)有甜櫻桃種植面積約6萬余公頃;大棗種植面積約992萬畝;核桃種植面積5275萬畝，產(chǎn)量近70萬噸。目前大多數(shù)果農(nóng)在收獲季節(jié)進行水果收獲時主要采用的依舊是傳統(tǒng)的人工采摘方式，在大棗采摘時，采摘大棗的傳統(tǒng)方法是人工采摘，現(xiàn)階段國內(nèi)大棗、核桃采摘普遍采用的方法是“棍棒敲打法”一次完成收獲，這種方法勞動強度大、具有一定的危險性、用工量多、效率低、成本高等劣勢。而在櫻桃收獲之時果農(nóng)還只能采用人工用手摘取，人工采摘主要存在以下的幾個問題：（1）生產(chǎn)效率低;（2）雇傭成本高，增加了果農(nóng)的生產(chǎn)成本，減少了果農(nóng)的利潤空間;（3）人工采摘對人力的體力與精力消耗過大，無法長時間作業(yè)?？v觀目前水果的采摘方式，都有其不可避免的缺點！

在目前各行各業(yè)普遍進行大機器生產(chǎn)的大環(huán)境之下，發(fā)明一種機器替代人工進行生產(chǎn)是很有研究意義的。

本發(fā)明的目的是在于提供一種新型的多品種小型水果快速采摘機。該采摘機不僅操作簡單、方便，與樹干進行無損傷夾持，而且靈活、高效、工作空間要求小，采收效率高。

該新型多品種小型水果快速采摘機符合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，迎合時代發(fā)展潮流。

1.2主要內(nèi)容

該水果采摘機器人主要應(yīng)用于大型果農(nóng)種植園，幫助果農(nóng)解決小型水果采摘困難浪費大量人力物力的問題，解放勞動力，提高果農(nóng)的經(jīng)濟效益。該裝置的機械手臂在液壓控制操作下，可以上下、左右、前后高低靈活運動，快速、準確地夾持樹干進行低頻振動，樹干上的大棗隨著振動從樹體上快速脫落，落入地面上一個傘形裝置內(nèi)以便收集，同時通過控制振動頻率的切換進而實現(xiàn)對不同成熟程度水果的區(qū)分采摘。

1.3主要原理

多品種小型水果采摘機的工作過程是將振動機構(gòu)產(chǎn)生的機械振動傳給棗樹枝，果枝受到外加的強迫振動后以一定的頻率和振幅（與振動機構(gòu)的頻率和振幅不同）振動，這樣就使果實因振動而加速運動，從而受到慣性力的作用。當(dāng)慣性力大于大棗果實與果柄之間的連結(jié)力時，果實就會被振落。

2主要結(jié)構(gòu)

該裝置的設(shè)計采用了液壓傳動和控制技術(shù)的振動機械手和倒傘形的收集裝置，實現(xiàn)了果樹可靠加持，無損傷振動落果和果實的快速收集。

多品種小型水果快速采摘機的機械部分由果樹振搖裝置、液壓控制系統(tǒng)、倒傘形的收集裝置等主要部件組成。該采摘機的振動采摘裝置能對不同位置距離和不同高低的果樹進行夾持，同時也可以根據(jù)地形的需要采用履帶式行走裝置，以適用在丘陵地區(qū)，尤其是適用山地道路坡度大的土作面上采摘水果。

在技術(shù)上有較大突破和創(chuàng)新，在機器結(jié)構(gòu)、作業(yè)性能、機動性和果實收集方面具有新穎性和先進性。

2.1機械結(jié)構(gòu)裝置

2.1.1液壓控制系統(tǒng)

果樹振搖裝置安裝在拖拉機前端，包含左、右側(cè)面支架、主梁架、伸縮支臂、振動頭懸掛架以及鉗式振動頭。

該液壓控制系統(tǒng)采用多路換向閥控制回路。液壓系統(tǒng)中的液壓油缸分別驅(qū)動5種運動：伸縮臂的升降;伸縮臂的伸縮;③振動頭懸掛叉上下擺動;振動頭懸掛叉的左右偏轉(zhuǎn);振動頭的夾持。液壓馬達驅(qū)動振動頭內(nèi)的偏心機構(gòu)運轉(zhuǎn)。上述的液壓油缸和液壓馬達所有操作均由多路換向閥控制。多路換向閥安裝在拖拉機的驅(qū)動輪防護罩上面，便于駕駛員的操作。

2.1.2曲柄連桿機構(gòu)

該曲柄連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，將發(fā)動機的圓周運動轉(zhuǎn)化為連桿往復(fù)直線運動，本機采用偏距為20～30mm的偏心式凸輪結(jié)構(gòu)方式連接，以此實現(xiàn)較小行程的往復(fù)直線運動，滿足設(shè)計需由便攜式汽油機的動力經(jīng)帶傳動輸入的要求。偏心式曲柄的動力是由便攜式汽油機的動力經(jīng)汽油機的動力經(jīng)帶傳動輸入的。

2.1.3果樹振搖裝置

其安裝在機架后部，通過鉸接與機架相連。該結(jié)構(gòu)主要有夾持裝置以及振動裝置組成。夾持裝置主要由兩組機械手組成，較下端的機械手用于夾持樹干底部，保持非振動狀態(tài)，用于穩(wěn)定樹干，防止上層劇烈振動毀壞果樹根系;較上部的可移動的夾持裝置通過凸輪結(jié)構(gòu)用于振落果實，達到采摘的目的。其夾持和振動果樹的動作由液壓控制系統(tǒng)操作，能對拖拉機前進方向進行橫向以及縱向采果作業(yè)，液壓控制系統(tǒng)采用多路換向閥控制回路。液壓系統(tǒng)中的液壓油缸可以分別驅(qū)動5種運動：伸縮臂的升降;伸縮臂的伸縮;③振動頭懸掛叉上下擺動;振動頭懸掛叉的左右偏轉(zhuǎn);振動頭的夾持。從而實現(xiàn)對果樹的振搖從而達到采摘水果的目的！

2.1.4傘形果實收集裝置

晃落果實通過倒傘形果實收集裝置進行收集。該果實收集裝置具有操作方便、結(jié)構(gòu)簡單、作業(yè)范圍可調(diào)、攜帶方便的特點。

倒傘形果實收集裝置，其特征在于：所述果實收集裝置包括一組卷布筒單元，該組卷布筒單元圍繞果樹布置成具有開口的多邊形結(jié)構(gòu)，每個卷布筒單元的果實收集篷布向著果樹伸出并固定在果樹上;所述開口處設(shè)有一個連接篷布，該連接篷布從所述開口向著果樹伸出并固定在果樹上;相鄰的果實收集篷布之間以及連接篷布與兩側(cè)的果實收集篷布之間均相互拼接，形成一個用于盛接掉落果實的多邊形布面，該多邊形布面的中部向下凹陷以形成利于果實向中部集中的倒傘形。該結(jié)構(gòu)保證了絕大多數(shù)的果實能夠落在收集裝置中，從而大大的提高了收集效率，方便快捷。

3技術(shù)特色

3.1多品種采摘

多品種小型水果采摘機器人可以實現(xiàn)對多種水果的采摘，一臺機器幫助果農(nóng)解決“棗”，“櫻桃”、“核桃”等小型水果的的采摘問題，真正的實現(xiàn)一機多用。

3.2不同成熟程度區(qū)分采摘

多品種小型水果采摘機器人可以通過控制電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)對果樹震動頻率的控制，進而實現(xiàn)對不同成熟程度果實的區(qū)分和篩選采摘。

3.3暴力快速采摘

該裝置主要是通過不同頻率的晃動來實現(xiàn)對果實的采摘，經(jīng)初步估算大概三十秒完成一棵果樹的快速采摘，簡單粗暴，但又不毀壞果樹。同時我們在裝置上部添加有可自主收縮的呈漏斗狀的結(jié)構(gòu)，便于用來收集掉落下來的果實，防止果散落其他地方，方便快捷，省時省力。極大地提高了采摘效率。

3.4分段夾持，保護果樹

夾持裝置主要由兩組機械手組成，較下端固定的機械手用于夾持樹干稍底部，保持非振動狀態(tài)，用于穩(wěn)定樹干，防止上層劇烈振動毀壞果樹根系;較上部的可移動的夾持裝置通過凸輪結(jié)構(gòu)用于振落果實，達到采摘的目的。

4結(jié)語：

在目前各行各業(yè)普遍進行大機器生產(chǎn)的大環(huán)境之下，該機器具有深遠意義和廣闊的應(yīng)用空間，符合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，迎合時代發(fā)展潮流。

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