柑橘采摘收集一体化装置设计

1 引言

三峡地区的柑橘产业因当地优越自然条件而果品优良、品牌众多，政府支持使其竞争力不断增强。但重庆柑橘采摘多依赖人工，效率低、成本高且面临用工难题[1-3]。因此，研发一款集多种功能于一体的便捷采摘装置，对提升产业效率、降低成本、推动三峡柑橘产业发展意义重大。

2 柑橘的生物特性

本文研究的装置主要针对古红橘，古红橘是特色柑橘之一，其形状是横径大于纵径呈扁球形状，查阅相关文献，得出一百个古红橘的相关参数[4]，表1 所示。

由表可以得出古红橘的平均横径为 53mm ，平均纵径为 45mm ，平均质量为 88g ，果梗平均直径为 2.1mm ，本装置的设计将以此数据为基础。

3 行走机构的设计

行走机构负责支撑装置个所有重量，包括采摘机构、分拣和收集机构、采摘的柑橘，除此之外，行走机构还需要提供足够的动力使整个装置在柑橘园中运动，这就需要行走机构有足够的刚度、稳定性和动力[5-6]。本设计采用的是麦克纳姆全向轮如图1 所示。

4 采摘机构的末端执行器的设计

本文为柑橘采摘收集一体化装置设计了一种成本低、结构简单、具有一定柔性的末端执行器[7-8]，该末端执行器为手指式，其有三根手指，由指尖、指中、之底、连杆组成，其通过电机带动连杆，再由连杆带动手指运动，实现手指的伸张和抓取动作，电机还能够驱使整个执行器进行旋转。通过 SolidWorks 三维建模，末端执行器三模型及末端执行机构抓取果实示意如图 2 所示。手指内部与柑橘果实所接触的面有软硅橡胶，以减小果实的机械损伤、增大手指与手指内表面的摩擦力。

通过表 1 中的实验数据可知，实验所测的 100 个古红橘横径最大值为65mm ，最小值为 46mm ，平均值为 53mm ，纵径最大值为 58mm ，最小值为 36mm ,平均值为 45mm 。由此确定采摘末端执行器的运动范围，使其能采摘柑橘的最佳范围为：最大横径 80mm ，最小横径 35mm ，最大纵径 70mm ，最小纵径 30mm 。

5 分拣收集装置

柑橘完成采摘流程后，还需进行收集和分拣，分拣时需要根据柑橘的大小进行分类，常规的分拣方式大多为人工分拣，而人工分拣存在分拣速度慢、增加了人力成本、人工易疲劳、出错等问题[9]，所以，本设计也增加了分拣和收集装置，装置的功能更加完善，其 SolidWorks 三维建模如图3 所示。根据表1 中的实验数据，将三个等级的数值分别定为 40mm ， 70mm ，90mm 。即从上到下，第一个分拣口允许通过的柑橘的横径和纵径的最大值为 40mm ，第二个分拣口允许通过的柑橘横的径和纵径的范围在 40-70mm ，第三个分拣口允许通过的柑橘的横径和纵径范围在 70-90mm 。

3 结论

本文所设计的柑橘采摘收集一体化装置，在人工确定柑橘采摘位置后，控制行走机构靠近柑橘树，由视觉识别系统识别到适合采摘的柑橘，确定柑橘位置坐标后，机械臂调整到最佳姿态，末端执行器找到最佳位置后采摘柑橘，采摘方式为通过拉扯旋转扯断果梗，完成采摘后，再调整机械臂和末端执行器，将柑橘送入碗状收集器中，柑橘经过传输管、缓冲板，进入分拣筒中，不同大小范围的柑橘进入不同的收集盒，至此柑橘采摘分拣收集工作完成。有助于减轻果农工作负担，提高生产效率。

参考文献：

[1]张益维，罗强，王海宝.重庆地区柑橘机械化采摘问题分析[J].广西农业机械化,2019,(6): 14

[2]Harrell R C, Slaughter D C, Adsit P D. A fruit-tracking system for robotic harvesting[J]. Machine Vision and Applications, 1989, 2: 69-80.

[3]近藤直.农业机器人[M].中国农业大学出版社，2009.

[4]秦雪静.柑橘无损采摘机构末端执行器设计[D].重庆三峡学院,2021

[5]蔡健荣.柑橘采摘机器人的柔性采摘装置和方法[P].中国专利：CN101273688,2008.10.01

[6]魏博，何金银，石阳.欠驱动式柑橘采摘末端执行器设计与试验[J].农业机械学报,2021,第 52 卷(10): 120-128

[7]郑涵.柑橘采摘机器人末端执行器设计与分析[D].重庆三峡学院,2022

[8]刘晓冉，杨茜，王若瑜.1980—2009 年三峡库区空中水资源变化特征[J].自然资源学报,2012,(9): 1550-1560

[9]邱冰.串并混联式柑橘采摘机构设计与研究[D].南昌大学,202通讯作者：刘江，副教授，农业机械研究。

基金项目：重庆市大学生创新创业训练计划项目（S202410643016）