郭钰琪 通讯作者张李娴 欧亚通
西北农林科技大学机电学院 陕西省咸阳市 712100
摘要：随着社会的发展，苹果在朝着产业化方向发展，在这一背景下人们对于果实的采摘效率提出了更高的要求，传统的人工采摘方式不仅效率低，而且还会造成严重的人力资源浪费，基于本文设计了苹果采摘装置，希望可以有效地提高苹果的采摘效率。
关键词：苹果采摘；机械臂；设计
1 前言
苹果是一种深受我国人民喜爱的一种水果，在我国有大规模的种植，当前我国大部分地区都采用人工方式来完成苹果的采摘工作，人工采摘苹果对劳动力的需求比较多，而且劳动强度也比较大，生产效率也比较低。通过对当前我国苹果种植情况进行调查发现，当前苹果的人工采摘方式有伸缩杆剪刀采摘、伸缩杆仿生爪采摘、吸盘式采摘等，人工采摘方式主要存在三方面的缺点[1]：
（1）当前最常用的苹果采摘工具是，采摘人员手持可控伸缩杆，杆的顶部则固定有剪刀或者是机械爪，利用其将果柄剪断或者拧断，这样苹果就会从下方的布兜处落下，从而完成苹果的采集。这种苹果的采摘方式具有操作简单的特点，但是采摘的效率比较低，在实际采摘过程中，采摘人员经常会因为杆力臂过长而非常费力，导致其采摘人员需要耗费大量的精力，影响采摘效率。
（2）吸盘式采摘也是常用的一种苹果采摘方式，主要利用空气泵来抽气，使得塑胶制成的吸盘处于真空的状态，这样吸盘就能够吸附在苹果的表面，这样可以使苹果和果柄都落入到下方的网兜中，从而完成苹果的采摘和收集。这种采摘方式的采摘效率要高于采摘人员手持可控收缩杆来进行采摘的效率，但是现在还没有实现完全的普及，而且这种采摘方式还存在一个显著的问题，就是操作比较复杂，不能够完全保证吸盘一次就可以吸附果实，不适用于个体和果园进行采摘使用[2]。
（3）机械摇撞法是除了上述两种方法之外，另一种常用的采摘方法。这种方法存在明显的缺陷，不仅效率低，而且容易伤害到果实，成本比较高，不具有通用性[3]。
总的来说，当前我国果农在苹果采摘方面有几种可选的手段，但是都存在一些缺陷，影响到了苹果的采摘效率，基于这种问题，设计一款新型的苹果采摘装置，提高苹果采摘的效率就显得尤为重要，在这样的背景下本文设计了一种苹果采摘方式。
2 总体结构设计
当前我国苹果采摘过程中存在采摘效率低、劳动力要求高等方面的问题，为了提高苹果的采摘效率，降低苹果采摘过程中的劳动强度，本文设计了一个小型苹果采摘机，这种苹果采摘装置可以显著的提高苹果的采摘效率，而且成本可控，能够解决苹果采摘过程中面临的各种困难，有这比较好的发展前景。
本文设计的小型苹果采摘机的主体是推车，这种不需要人工手持工具，而是由推车推行，降低劳动强度。而且在推车上可以设置多个工位，能够同时进行作业，能够有效地提高采摘的效率。采摘部分由电动推杆+机械爪+红外传感器组成，能够实现自动采摘，在采摘过程中只需要人工对电动推杆伸长和缩短就可以了；在电动推杆上安装有固定可视化设备，通过这一装置可以使采摘人员不需要进行仰头采摘，更加的方便；最后，在推车上还设置有分拣装置，利用这一装置可以实现采摘、分拣的一体化，提供苹果采摘的效率。苹果采摘装置如图1所示：
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图1 苹果采摘装置结构图
3 功能设计
本文设计的苹果采摘装置主要具有可控伸缩、定点采摘、自动摘取、可视化和分拣装箱等方面的功能，下面对这几部分功能进行介绍：
（1）可控伸缩。电动推杆具有可控伸缩的特点，因此在实际应用中可以根据苹果树的实际高度来对伸缩杆的长短进行控制，从而提升采摘范围，提高采摘装置的适用范围，更好地完成苹果的采摘工作。
（2）自动摘取。本文设置的苹果采摘装置具有红外传感器+机械爪+传感器+摄像头等部分，基于这些部分可以实现苹果的自动摘取。
（3）定点采摘。本文设计的苹果采摘装置，电动推杆是规定在多自由度支架上的，通过支架其可以实现自动旋转，基于这样的设计其在一个位置上就能够多点采摘。在实际应用过程中，采摘人员只需要通过控制手柄上的两个开关从而控制电动推杆的伸长与缩短即可完成整个采摘过程．可以提高采摘效率。
（4）可视化。在电动推杆上设置了固定微型摄像头模块加显示屏，这样就可以实现可视化操作，使采摘人员不需要仰头来确定苹果的位置，使采摘人员的工作过程更加轻松、舒适，有助于提高采摘的效率。
（5）分拣装箱。除了采摘功能之外，本文设计的苹果采摘装置还具有分拣功能，从而可以实现采摘、分拣的一体化作业，帮助工人们简单的进行分拣装箱作业，这样可以极大的挺高工作的效率。
4 工作过程
本文设计的苹果采摘装置，其工作过程主要包括可视化采摘多方位自动采摘：
（1）可视化采摘。在电动推杆上装有微型摄像头和显示屏，基于这种设计，采摘人员可以通过显示屏直接准确定位苹果位置，而不需要像使用传统采摘举杆那样仰头确定苹果的位置，从而有效的提高采摘的效率，降低采摘过程的劳动强度。
（2）多方位自动采摘。在采摘装置的机械爪部位设置有红外转传感器，当机械爪距离苹果2mm时，其就会将信号传输至单片机，然后由单片机控制机械爪捏合．接着与机械爪底部相连的小型电动马达转动两周拧断果柄．实现自动采摘。同时在推杆底部还设置有两个按钮，采摘人员通过按动按钮就能够对推杆的伸缩进行控制，从而轻松完成整个采摘过程。最后，在推车上布置多个工位实现多人同时多角度采摘。
（3）自动分拣。两圆带轮之间的角度为16度．苹果从平带落到圆带上．圆带和圆带之间的距离是不同的，基于这一特点苹果在圆带上滚动时，会根据自身之间的大小依次落下，最终落入到分拣装置下面的箱子中，通过这样的方式实现了简单的分拣。
5 装置的优点
随着技术的发展，以及苹果采摘需求的推动，现在出现了很多苹果采摘装置，如有研究人员利用高级元件和复杂算法，如识别定位、激光识别识别等来实现苹果的当采摘，但是这种方法不仅复杂，而且效率低，需要较高的成本投入；此外，还有摇晃法，这种方法可以应用于大规模的苹果采摘，但是有明显的缺点，即对果然造成伤害，影响过时的品相。区别于上述方法，本文设计的苹果采摘装置具有以下几方面优点：
（1）能够实现多人同时采摘，只需要通过对两个开关控制，来对电推杆进行控制就可以完成整个采摘过程，通过红外传感器+机械爪能够实现自动采摘，这不仅有效的提高了采摘的效率，也降低了工作人员的劳动强度。
（2）摄像头传输影像到显示屏，有效解决工人长时间仰头采摘的问题。
（3）在装置的地步设置有一个简单的苹果分拣装置，可以实现苹果的预分拣，这样看可以提高分拣工作的效率，实现采摘和分拣的一体化。
结论
随着科学技术的发展，科学的进步会推动生产力的发展，在人们不断钻研探索下，未来人工采摘的方式最终会被机械化采摘所取代。当前，人们在苹果的采摘装置设计方面还存在一定的不足，这影响了苹果的采摘效率，因此还需要继续努力钻研，对苹果采摘装置进行改进，完善其功能，从而设计出功能更加完善，成本更低的苹果采摘装置。
参考文献
[1]余靖华. 一种苹果采摘装置设计[J]. 农业技术与装备, 2020.
[2]吴连申, 刘友辉, 顾鹏, et al. 新型扭转式苹果辅助采摘装置设计[J]. 中国科技纵横, 2018, 000(018):67-69,72.
[3]黄俊华, 刘富成. 一种电动苹果采摘装置设计[J]. 数码世界, 2019, 000(008):136.
项目支撑：悬臂冲击式花椒整体采摘机研制，2017NY-175。