苹果采摘系统传动模块设计
冯文博 丁颂 王鑫力
摘?要：为解决人工采摘速度缓慢、效率低下的问题，在研究机械传动的基础上，设计了苹果采摘系统传动模块，该模块包括360°整体旋转装置、竖直伸缩装置、折叠装置和横向伸缩装置四部分。360°整体旋转装置由蜗杆带动蜗轮实现绕Z轴360°旋转，竖直伸缩装置和横向伸缩装置由齿轮齿条传动实现Z轴和Y轴方向升降、伸缩运动，折叠装置在气泵传动作用下实现对横向伸缩装置和采摘模块的折叠。四部分的协调配合实现了苹果远距离和快速采摘。
关键词：苹果采摘;传动模块;伸缩装置;慧鱼模型
中图分类号：S225????????文献标识码：A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.01.002
Design of Transmission Module for Apple Picking System
Feng Wenbo， Ding Song， ?Wang Xinli
（School of Mechanical Engineering，Changchun Normal University，Changchun 130032 china）
Abstract： In order to solve the problem of slow and inefficient manual picking， this paper designs the transmission module of apple picking system on the basis of studying the mechanical transmission. The device consists of four parts： 360 degree integral rotating device， vertical telescopic device， folding device and transverse telescopic device. The integral rotating device of 360 degrees is driven by worm to rotate 360 degrees around Z axis; the vertical and transverse telescopic device is driven by gear and rack to realize the movement of Z axis and Y axis; the folding device can fold the transverse telescopic device and the picking module under the action of air pump. The four part of coordination has achieved Apples long distance and quick picking.
Keywords： apple picking; transmission module; telescopic device; fischertechnik
現阶段我国苹果采摘主要依靠人力采摘，耗时多且效率低，在农业生产中人工采摘劳动力占总体劳动力的40%以上，而这种高强度、重复性的采摘动作适合使用采摘机器来完成。为了解决苹果采摘中劳动力成本过高的问题，设计了苹果采摘系统，减轻农业生产中劳动力成本。本文针对苹果采摘系统进行研究，设计了苹果采摘系统传动模块，能有效的解决苹果采摘中劳动力成本过高问题。
1?传动模块结构设计
传动模块如图1所示，由360°整体旋转装置、竖直伸缩装置、折叠装置和横向伸缩装置四部分组成。360°整体旋转装置由步进电机、蜗轮和蜗杆组成，通过步进电机驱动，带动蜗杆和蜗轮转动实现整体的自由转动;竖直伸缩装置由9 V编码电机、齿轮箱和齿条组成，通过9 V编码电机驱动齿轮箱，传递给与齿条啮合的小齿轮实现竖直伸缩装置的竖直伸缩;折叠装置由9 V编码电机、齿轮箱、齿条、气泵电机、气泵和气泵阀组成，通过9 V编码电机驱动齿轮箱，齿轮箱和齿条的配合并与气泵同时工作实现折叠与展开;横向伸缩装置由9 V编码电机、齿轮箱和齿条组成，通过9 V编码电机驱动齿轮箱，传递给与齿条啮合的小齿轮实现横向伸缩装置伸缩运动。
2?传动模块工作原理
传动模块工作原理如图2所示，360°整体旋转装置的步进电机连接蜗杆，配合蜗轮固定在最下方的横板上，竖直伸缩装置和整体支架铰链连接在一起，转动支架和整体支架顶端连接在一起，转动支架左端和竖直伸缩装置铰链连接在一起，折叠装置将动支架右端和伸缩装置连接在一起。确定采摘目标后，传动模块进入工作状态，图2a中：折叠装置的电机正转，气泵阀打开，气泵将气体推入到气压缸的无杆腔内，在气体压力的作用下，推杆推出，推杆向上做直线运动，横向伸缩装置横臂以铰链为转轴做逆时针转动，升至和转动支架处于同直线上，折叠装置展开。图2b中：360°整体旋转装置的电机驱动，通过蜗杆带动蜗轮及其整体绕Z轴转动，转到采摘目标同向。图2c中：竖直伸缩装置的电机正转，通过铰链带动转动支架左端向下运动，转动支架绕转动中心逆时针转动，通过杠杆使转动支架右侧及横向伸缩装置横杆向上运动，达到采摘目标的高度;横向伸缩装置的电机正转，带动采摘模块在横杆上做平移运动，抵达苹果梗处。传动模块可以提高采摘范围和工作效率。
3?基于慧鱼模型传动模块样机设计
传动模块基于“慧鱼模型”进行样机设计来模拟传动模块的旋转、伸缩、抬升和折叠过程，如图3所示。
3.1?360°整体旋转装置电机的选择
根据设计要求，旋转时间t约为4 s，旋转周长S为0.26 m，旋转的速度v
v=S/t=0.26/4=0.065 m/s（1）
360°旋转装置承载传动模块和采摘模块的重量，由实验测量可知，蜗轮以上总重m为6 kg，蜗轮与蜗杆之间为滚动摩擦，取滚动摩擦系数μ=0.2，则蜗轮与蜗杆之间的摩擦力f：
f=G·μ=6×9.8×0.2=11.76 N（2）
则旋转电机的所需功率P：
P=f·v=11.76×0.065=0.7644 kW（3）
选用了9 v直流编码器电机为360°旋转装置的旋转电机。该电机的输出最大功率为1.096 kW，最大转速为173.5 r/min，输出最大扭矩为1.52 N·m。所需功率在所用电机范围内，满足设计要求。
3.2?竖直伸缩装置和横向伸缩装置电机的选择
为提高竖直伸缩移动和横向伸缩移动的效率，竖直伸缩装置伸缩时间不超过6 s，设计伸缩时间t1为4 s，最大伸缩的长度H1为0.15 m;横向伸缩装置伸缩时间不超过6 s，设计伸缩时间t2为4 s，最大伸缩的长度（模拟长度）H2为0.18 m，伸缩速度v1、v2
v1=Ht1=0.15÷4=0.0375 m/s（4）
v2=Ht2=0.18÷4=0.045 m/s（5）
竖直伸缩装置的电机需提供向下拉动转动支架左端的力，测量出向下的拉力F1为9.8 N;横向伸缩装置需承载采摘模块的重量，测量出采摘模块重量m1为1 kg。摩擦力f1主要为横向伸缩装置和齿条之间的滑动摩擦，取滚动摩擦系数μ=0.5，竖直伸缩装置和横向伸缩装置中电机功率P1、P2
P1=F1·v1=9.8×0.0375=0.3675 kW（6）
P2=（G1+f1）·v2=（9.8+9.8×0.5）×0.045
=0.6615 kW（7）
选用9 V直流XS马达作为动力源，该电机输出最大功率为0.955 kW，最大转速为5995 r/min（RPM），输出最大扭矩为60.29 N·m，满足设计要求。
3.3?折叠装置电机的选择
为提高折叠展开效率，折叠和展开时间不超过3 s，可设计折叠时间t3为2 s，所以最大長度（模拟长度）H3为0.43 m，则其折叠速度v3
v3=H3/t3=0.043/2=0.0215 m/s（8）
折叠装置的电机需提供拉动横向伸缩装置所在横臂的力，经实际测量，所需拉力F2为25 N，因电机不直接承受载荷只提供力，所以摩擦力可忽略，则折叠装置中电机功率P3
P3=F2·v1=25×0.0215=0.5375 kW（9）
对电机功率计算，选用9 V直流XS马达作为动力源。该电机输出最大功率0.955 kW，最大转速5995 r/min，输出最大扭矩60.29 N·m，满足设计要求。
4?传动模块控制系统设计
传动模块根据采摘对象的位置和操作人员的操作流程，采用ROBO接口板作为I/O通道，实现传动模块半自动化控制。控制程序如图4所示。程序中符号含义如下：M1、M2、M3、M4为电机，I1为控制按键。选中采摘对象后，启动外接电源的气泵电机并按下控制开关I1，手动打开气泵，在电机M3和气泵的驱动下，折叠装置打开，按下停止开关I1，M3停止转动。按下控制开关I1，在电机M1的驱动下，360°旋转装置带动采摘模块旋转到与采摘对象同一竖直平面，按下开关I1，M1停止转动。按下控制开关I1，电机M2驱动下，竖直伸缩装置向下运动，通过转动支架使采摘模块升降到与采摘对象同一高度，按下开关I1，M2停止转动。按下控制开关I1，电机M4驱动下，横向伸缩装置带动采摘模块向外部待采摘苹果方向伸长，人工识别到采摘剪已抵达待采摘苹果梗处，按下控制开关I1，M4停止转动。操作人员根据采摘对象与采摘模块的相对位置，完成对采摘目标的半自动化定位及校准。
5?结语
本文针对目前中小型果园苹果采摘劳动强度大、人工采摘效率低下及成本过高等问题，基于慧鱼模型设计了一种半机械自动化的苹果采摘系统，对其传动模块进行设计分析。根据分析结果显示，理想的传动方式应采用齿轮齿条机构传输和恒功率的方式控制，能够保证各个装置在传动过程中的平稳性与高效性。本文为苹果采摘系统传动模块的设计提供了理论支持，并为其采摘范围和驱动方式的选择等方面进行了实践验证。
参考文献：
[1] 陈瑞林，丁颂. 机构原理智能可视化平台的研制[J].长春师范大学学报，2015，34（4）： 88-91.
[2] 方建军.采摘机器人开放式控制系统设计[J].农业机械学报，2005，36（5）：83-86.
摘?要：为解决人工采摘速度缓慢、效率低下的问题，在研究机械传动的基础上，设计了苹果采摘系统传动模块，该模块包括360°整体旋转装置、竖直伸缩装置、折叠装置和横向伸缩装置四部分。360°整体旋转装置由蜗杆带动蜗轮实现绕Z轴360°旋转，竖直伸缩装置和横向伸缩装置由齿轮齿条传动实现Z轴和Y轴方向升降、伸缩运动，折叠装置在气泵传动作用下实现对横向伸缩装置和采摘模块的折叠。四部分的协调配合实现了苹果远距离和快速采摘。
关键词：苹果采摘;传动模块;伸缩装置;慧鱼模型
中图分类号：S225????????文献标识码：A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.01.002
Design of Transmission Module for Apple Picking System
Feng Wenbo， Ding Song， ?Wang Xinli
（School of Mechanical Engineering，Changchun Normal University，Changchun 130032 china）
Abstract： In order to solve the problem of slow and inefficient manual picking， this paper designs the transmission module of apple picking system on the basis of studying the mechanical transmission. The device consists of four parts： 360 degree integral rotating device， vertical telescopic device， folding device and transverse telescopic device. The integral rotating device of 360 degrees is driven by worm to rotate 360 degrees around Z axis; the vertical and transverse telescopic device is driven by gear and rack to realize the movement of Z axis and Y axis; the folding device can fold the transverse telescopic device and the picking module under the action of air pump. The four part of coordination has achieved Apples long distance and quick picking.
Keywords： apple picking; transmission module; telescopic device; fischertechnik
現阶段我国苹果采摘主要依靠人力采摘，耗时多且效率低，在农业生产中人工采摘劳动力占总体劳动力的40%以上，而这种高强度、重复性的采摘动作适合使用采摘机器来完成。为了解决苹果采摘中劳动力成本过高的问题，设计了苹果采摘系统，减轻农业生产中劳动力成本。本文针对苹果采摘系统进行研究，设计了苹果采摘系统传动模块，能有效的解决苹果采摘中劳动力成本过高问题。
1?传动模块结构设计
传动模块如图1所示，由360°整体旋转装置、竖直伸缩装置、折叠装置和横向伸缩装置四部分组成。360°整体旋转装置由步进电机、蜗轮和蜗杆组成，通过步进电机驱动，带动蜗杆和蜗轮转动实现整体的自由转动;竖直伸缩装置由9 V编码电机、齿轮箱和齿条组成，通过9 V编码电机驱动齿轮箱，传递给与齿条啮合的小齿轮实现竖直伸缩装置的竖直伸缩;折叠装置由9 V编码电机、齿轮箱、齿条、气泵电机、气泵和气泵阀组成，通过9 V编码电机驱动齿轮箱，齿轮箱和齿条的配合并与气泵同时工作实现折叠与展开;横向伸缩装置由9 V编码电机、齿轮箱和齿条组成，通过9 V编码电机驱动齿轮箱，传递给与齿条啮合的小齿轮实现横向伸缩装置伸缩运动。
2?传动模块工作原理
传动模块工作原理如图2所示，360°整体旋转装置的步进电机连接蜗杆，配合蜗轮固定在最下方的横板上，竖直伸缩装置和整体支架铰链连接在一起，转动支架和整体支架顶端连接在一起，转动支架左端和竖直伸缩装置铰链连接在一起，折叠装置将动支架右端和伸缩装置连接在一起。确定采摘目标后，传动模块进入工作状态，图2a中：折叠装置的电机正转，气泵阀打开，气泵将气体推入到气压缸的无杆腔内，在气体压力的作用下，推杆推出，推杆向上做直线运动，横向伸缩装置横臂以铰链为转轴做逆时针转动，升至和转动支架处于同直线上，折叠装置展开。图2b中：360°整体旋转装置的电机驱动，通过蜗杆带动蜗轮及其整体绕Z轴转动，转到采摘目标同向。图2c中：竖直伸缩装置的电机正转，通过铰链带动转动支架左端向下运动，转动支架绕转动中心逆时针转动，通过杠杆使转动支架右侧及横向伸缩装置横杆向上运动，达到采摘目标的高度;横向伸缩装置的电机正转，带动采摘模块在横杆上做平移运动，抵达苹果梗处。传动模块可以提高采摘范围和工作效率。
3?基于慧鱼模型传动模块样机设计
传动模块基于“慧鱼模型”进行样机设计来模拟传动模块的旋转、伸缩、抬升和折叠过程，如图3所示。
3.1?360°整体旋转装置电机的选择
根据设计要求，旋转时间t约为4 s，旋转周长S为0.26 m，旋转的速度v
v=S/t=0.26/4=0.065 m/s（1）
360°旋转装置承载传动模块和采摘模块的重量，由实验测量可知，蜗轮以上总重m为6 kg，蜗轮与蜗杆之间为滚动摩擦，取滚动摩擦系数μ=0.2，则蜗轮与蜗杆之间的摩擦力f：
f=G·μ=6×9.8×0.2=11.76 N（2）
则旋转电机的所需功率P：
P=f·v=11.76×0.065=0.7644 kW（3）
选用了9 v直流编码器电机为360°旋转装置的旋转电机。该电机的输出最大功率为1.096 kW，最大转速为173.5 r/min，输出最大扭矩为1.52 N·m。所需功率在所用电机范围内，满足设计要求。
3.2?竖直伸缩装置和横向伸缩装置电机的选择
为提高竖直伸缩移动和横向伸缩移动的效率，竖直伸缩装置伸缩时间不超过6 s，设计伸缩时间t1为4 s，最大伸缩的长度H1为0.15 m;横向伸缩装置伸缩时间不超过6 s，设计伸缩时间t2为4 s，最大伸缩的长度（模拟长度）H2为0.18 m，伸缩速度v1、v2
v1=Ht1=0.15÷4=0.0375 m/s（4）
v2=Ht2=0.18÷4=0.045 m/s（5）
竖直伸缩装置的电机需提供向下拉动转动支架左端的力，测量出向下的拉力F1为9.8 N;横向伸缩装置需承载采摘模块的重量，测量出采摘模块重量m1为1 kg。摩擦力f1主要为横向伸缩装置和齿条之间的滑动摩擦，取滚动摩擦系数μ=0.5，竖直伸缩装置和横向伸缩装置中电机功率P1、P2
P1=F1·v1=9.8×0.0375=0.3675 kW（6）
P2=（G1+f1）·v2=（9.8+9.8×0.5）×0.045
=0.6615 kW（7）
选用9 V直流XS马达作为动力源，该电机输出最大功率为0.955 kW，最大转速为5995 r/min（RPM），输出最大扭矩为60.29 N·m，满足设计要求。
3.3?折叠装置电机的选择
为提高折叠展开效率，折叠和展开时间不超过3 s，可设计折叠时间t3为2 s，所以最大長度（模拟长度）H3为0.43 m，则其折叠速度v3
v3=H3/t3=0.043/2=0.0215 m/s（8）
折叠装置的电机需提供拉动横向伸缩装置所在横臂的力，经实际测量，所需拉力F2为25 N，因电机不直接承受载荷只提供力，所以摩擦力可忽略，则折叠装置中电机功率P3
P3=F2·v1=25×0.0215=0.5375 kW（9）
对电机功率计算，选用9 V直流XS马达作为动力源。该电机输出最大功率0.955 kW，最大转速5995 r/min，输出最大扭矩60.29 N·m，满足设计要求。
4?传动模块控制系统设计
传动模块根据采摘对象的位置和操作人员的操作流程，采用ROBO接口板作为I/O通道，实现传动模块半自动化控制。控制程序如图4所示。程序中符号含义如下：M1、M2、M3、M4为电机，I1为控制按键。选中采摘对象后，启动外接电源的气泵电机并按下控制开关I1，手动打开气泵，在电机M3和气泵的驱动下，折叠装置打开，按下停止开关I1，M3停止转动。按下控制开关I1，在电机M1的驱动下，360°旋转装置带动采摘模块旋转到与采摘对象同一竖直平面，按下开关I1，M1停止转动。按下控制开关I1，电机M2驱动下，竖直伸缩装置向下运动，通过转动支架使采摘模块升降到与采摘对象同一高度，按下开关I1，M2停止转动。按下控制开关I1，电机M4驱动下，横向伸缩装置带动采摘模块向外部待采摘苹果方向伸长，人工识别到采摘剪已抵达待采摘苹果梗处，按下控制开关I1，M4停止转动。操作人员根据采摘对象与采摘模块的相对位置，完成对采摘目标的半自动化定位及校准。
5?结语
本文针对目前中小型果园苹果采摘劳动强度大、人工采摘效率低下及成本过高等问题，基于慧鱼模型设计了一种半机械自动化的苹果采摘系统，对其传动模块进行设计分析。根据分析结果显示，理想的传动方式应采用齿轮齿条机构传输和恒功率的方式控制，能够保证各个装置在传动过程中的平稳性与高效性。本文为苹果采摘系统传动模块的设计提供了理论支持，并为其采摘范围和驱动方式的选择等方面进行了实践验证。
参考文献：
[1] 陈瑞林，丁颂. 机构原理智能可视化平台的研制[J].长春师范大学学报，2015，34（4）： 88-91.
[2] 方建军.采摘机器人开放式控制系统设计[J].农业机械学报，2005，36（5）：83-86.
