木瓜采摘機的研制

柏滋藝++張燕

摘要：為了解決對不同成熟度木瓜的采摘問題，設計了一種基于RGB色彩傳感器對木瓜成熟度判斷的 并進行自動化采摘的控制系統。結果表明，該系統利用RGB色彩傳感器對木瓜顏色進行鑒定，通過檢測輸出控制電機的運動進而控制采摘機對木瓜的采摘。這種采摘系統不僅可以快速、有效地采摘木瓜，而且還可以實現只對成熟度達標的木瓜進行采摘。

關鍵詞：木瓜；采摘機；成熟度；RGB色彩傳感器；電機驅動

中圖分類號：TP242.6；S661.6 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）16-4049-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.056

Research on Picking Machine of Papaya

BAI Zi-yi， ZHANG Yan

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Hainan University，Haikou 570228，China）

Abstract： In order to solve the problem of picking on different maturity papaya， a kind of based on RGB color sensor of papaya maturity of judgment and automation control system was designed. The results showed that the design used the RGB color sensor to identify papaya colors， by detecting the output to control the movement of the motor and control picking agencies gathering of papaya. The picking system not only could pick the papaya quickly and effectively， but also can realize only for picking standard maturity papaya.

Key words： papaya； picking machine； maturity；RGB color sensor； motor drive

木瓜是中國熱帶水果主產品之一，木瓜的主要出產地在臺灣和海南，其中以海南生產的木瓜質量最為優質。迄今為止，木瓜的種植面積已超過1 133 hm2，年總產值達1.8億元以上。木瓜因其果肉厚實鮮美、香甜美味、營養豐富，有“百益之果”、“萬壽果”之美稱，是嶺南四大水果之一。木瓜富含17種以上氨基酸及鈣、鐵等微量元素，還含有番木瓜堿和木瓜蛋白酶等，不僅對人體有健脾消食的作用，還可以達到美容養顏的效果。因此，木瓜受到越來越多人的青睞。

目前中國木瓜產業發展迅速，但是有相當一部分產區還處于人工作業階段。這種勞力作業工作環境較為簡陋，安全性不高，會造成大量勞動力的浪費。因此，研究水果的成熟度鑒別以及自動采摘技術有著非常重要的意義。本研究設計了一種具有木瓜成熟度檢測功能的采摘機對木瓜進行采摘，通過改變參數也可以用于對芒果等其他作物進行采摘。

1 總體設計與受力分析

1.1 采摘結構設計

木瓜采摘機主要包括切割刀片、電動機、夾持器和執行器外殼等。夾持器分為兩段，分別位于執行器外殼的外部和內部，在執行器外殼內部設有夾持器驅動器，用來指揮夾持器動作，夾緊或張開，其主體結構如圖1所示。夾持器是用來夾緊或釋放果實和果梗，夾持器內側與果實相接觸，所以在其內側要有彈性膠層。這樣不僅可以增大夾持器與木瓜的摩擦力，而且彈性膠層可以防止木瓜受到創傷，從而提高了夾持的穩定性和可靠性[1]。

1.2 木瓜采摘受力分析

如圖2所示，假定夾緊木瓜時，夾持器所受反作用力為F2，摩擦力為f，摩擦因數為μ，木瓜重量為G。F2=2 f2cosα（f2為果實對夾持器的反作用力），當F2大于2G/4μ cosα時，可以夾緊木瓜。一般α選擇范圍為28°～45°，摩擦因數為0.4～0.6。不同重力、不同摩擦因數、不同角度木瓜所需要的作用力如表1所示。

2 傳感器測試與原理

在較為經濟、準確的測量色彩的傳感器中，選擇了RGB色彩傳感器，如圖3所示。其測量方法分為兩大類：測光方法和色度分析法。測光方法是使用各種傳感器，在大量窄波長范圍內測量色彩，然后對得到的數據進行積分處理計算三重刺激值X、Y、Y。色度分析法是使用3個濾波器的傳感器測量來自物體的光，傳感器廓線經過優化，輸出三重刺激值。在這里通過檢測木瓜果皮的顏色對其成熟度進行判定，選用色度分析法[2-4]。色彩傳感器首先對木瓜顏色進行采樣，傳感器實現光到光電流的轉換；其次因為原始光電流的幅值很小，所以必須進行放大環節；最后將放大后的模擬電壓進行輸出，進入下一環節用單片機控制電機動作。

3 采摘流程設計圖

對成熟的木瓜進行自動化采摘是需要各個模塊共同協作完成的，首先啟動電源通過傳感器的檢測判斷木瓜是否成熟，滿足要求后錄入程序的單片機進行控制電動機從而驅動夾持器驅動器進行采摘動作[5]，具體流程如圖4所示。

4 電機驅動控制系統

單片機控制系統在現代化控制領域中的優勢日益增大，因其體積小，集成度高等特點受到青睞。而單片機的電機驅動所能輸出電壓過小，可能不足以使電機工作，該系統采用BTN電橋驅動對電路進行驅動控制[6]。該系統可以通過接受傳感器傳來的信號進行分析，然后對電機進行驅動，采摘機開始工作。當輸出電壓達到一定值時，電動機開始正轉，采摘活動進行；當輸出電壓較低時，電機不工作。BTN驅動內含電流檢測電路、控制驅動電路，不僅可以簡化了電路，而且使得控制更為簡單。在過溫、過壓、過流等電路情況下，芯片會自動停止工作，而且內部具有散熱和穩壓等作用。驅動電路如圖5所示。

5 數據分析

為了研究該系統的合理性，選取了90個不同成熟度的木瓜進行試驗，所得試驗結果如下表2所示。對成熟的木瓜進行采摘時，其準確操作率可以達到93%以上。而對于半成熟木瓜采摘時考慮到輸送、儲存等問題，其準確操作率和誤操作率沒有造成很大的影響，而對于未成熟木瓜采摘時，其誤操作率趨近于0，提高了設計的準確性。

6 小結

通過設計機械采摘機與鑒別成熟度的傳感器配合使用，由驅動電路控制機械部件進行操作，高效穩定地實現了對木瓜的采摘，克服了由果樹高大以及樹梗過硬帶來的不便操作。這種做法不僅提高了果農的勞動效率和經濟效益，而且減少了木瓜的損傷率以及收獲時間。隨著自動化技術的發展，新型自動化機的優越性逐漸體現，該設計還可以通過設定傳感器的不同輸入用于其他水果的采摘，從而實現該設計的廣泛使用。

參考文獻：

[1] 葉 敏，鄒湘軍，蔡沛鋒，等.水果采摘機器人通用夾持機構設計[J].農業機械學報，2011（S1）：177-180.

[2] 魏海峰. 果實采摘機器人快速柔順夾持測試系統設計[J].中國農機化，2011（3）：87-89.

[3] 談建豪，陳 燕，向和平，等.機器人串果采摘末端執行器設計及仿真[J].農機化研究，2013（9）：133-136.

[4] 丁加軍，劉桂芝，楊文亮.一種果實采摘末端執行器設計與仿真分析[J].農機化研究，2013（1）：112-115.

[5] 楊冬進，張 燕.基于單片機控制的自動蘋果采摘機設計[J].農機化研究，2015（2）：28-31.

[6] 劉貴如，王陸林.BTN7970在直流電機驅動系統中的應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2010（8）：44-46.endprint