2024年4月4日发(作者：针绮琴)
一种苹果采摘筛选机设计
尚晓峰;乔居斌;闫海敬;苑学龙
【摘 要】设计一种协助果农采摘和筛选苹果的采摘筛选机.该设计采用双减速电机、
履带底盘和万向轮实现行驶功能,采用无线六位遥控模块M6CZS进行遥控控制.通
过双电机双侧驱动,双齿轮齿条啮合传动实现升降台升降作业.执行器采用六个舵机
搭载机械手,利用飞思卡尔MC9S12XS128单片机控制,实现空间多姿态采摘作业.
智能化采摘苹果,降低了苹果的损伤率,快速高效多样化的采摘果实,大幅度的提高了
效率.
【期刊名称】《机械研究与应用》
【年(卷),期】2016(029)006
【总页数】3页(P155-157)
【关键词】苹果采摘;筛选;智能化
【作 者】尚晓峰;乔居斌;闫海敬;苑学龙
【作者单位】滨州学院 机电工程系,山东 滨州 256600;滨州学院 机电工程系,山东
滨州 256600;滨州学院 机电工程系,山东 滨州 256600;滨州学院 机电工程系,山东
滨州 256600
【正文语种】中 文
【中图分类】S225.9
随着我国苹果种植技术的迅速提高，先进的果蔬种植、培养技术的应用，我国苹果
的产量呈上升趋势。2014年中国苹果种植面积222.15万公顷，占世界苹果种植
面积的46.34%；2014年苹果产量达3 849.1万吨，同比增长6.96%；2014年
中国苹果国内消费达到2 750万吨，同比增长10%[1]。从2013年起，生鲜电商
开始迅速发展，生鲜电商平台化是必然趋势。有报告推测2020年生鲜电商市场规
模达到3 200亿，其中冷链部分占比约30%，规模超过1 000亿[2]。冷链配送逐
渐成为生鲜电商的咽喉环节。苹果采摘与筛选在冷链配送前所占得时间至关重要，
如何在保持苹果完整度、新鲜度之前将其推向市场，将是一个严峻的考验。
1.1 结构简介
1.1.1 采摘设计
为了充分体现苹果采摘的最优设计及控制，方案主要有四大装置：行走装置、升降
装置、采摘装置，筛选装置组成[3]，如图1所示。
行走装置由双减速电机、履带底盘和万向轮组织成。由12 V蓄电池提供动能，通
过无线六位遥控器发射接收模块控制。该设计的原地转向功能，主要借助于适应性
极强的履带轮与灵活的万向轮的配合，当按下原地旋转按钮时，以履带轮O为圆
心，以万向轮与履带轮的距离L为半径，形成规则的轨迹。主要通过履带轮一侧
的的电机平稳的输出转矩，从而实现的原地不同角度的运动，实现该设计在狭小的
空间内灵活的运转。升降装置是通过双电机双侧驱动，双齿轮齿条啮合传动，从而
实现升降台的上升下降。四个减震弹簧同步于齿条传动，提高了升降平台的稳定性、
可靠性，如图2、3所示。
采摘装置主要由舵机、机械手、传感器、摄像头等组成。六个舵机(MG996)搭载
机械手实现空间全方位的自由旋动采摘，传感器和摄像头安置于机械手上方位，通
过采集相应的数据，实现视觉化全方位采摘，整个系统由飞思卡尔
MC9S12XS128单片机控制。
1.1.2 筛选设计
重力式分级筛选[4]主要由传送带、V型槽导果板、分选导轨、接果盘及传动系统
组成[5]。工作时，采摘的苹果由传送带运输至苹果入口处，先经手选装置由人工
剔除伤残果，然后苹果喂入导果槽板，在此苹果自然分行滚动，不会出现堆果和阻
果现象。分级导轨开有圆孔，孔径逐级增大，苹果从V型导果槽板流至导轨进行
自动校径的分选过程。小于分级孔的苹果先从第一滚筒分级孔落入接果盘，大于分
级孔的则经V型导果槽板继续向前滚动，重复前面的过程。由于每级滚筒的孔径
逐渐增大，则把苹果分成不同大小的等级，在相应位置的接果盘可得到相应等级的
苹果。如图4所示。
苹果分级筛选数据处理及α角的计算：要实现这一自然滚动，导果槽板需与水平
面呈一倾角α。现取苹果为受力体，受力分析如图5所示。
苹果受重力为G，导果槽板给苹果的支反力N及导果槽板给苹果的滚动摩擦力Ff，
苹果在Y方向不应有运动。
根据力的平衡条件可得:
∑Y=0， N=Gcos α
要使苹果沿X方向运动，则应满足
Gsin α>Ff
式中：滚动摩擦力Ff=KN,K为苹果与导果槽板之间的滚动摩擦系数，取K=0.23，
由以上两式可得所需倾角α为：
α>arctg K=12.95°
当α>12.95°时 ，苹果均可在导轨上滚动。轨道的倾斜度可在0°～45°变化，当倾
角为12.95°时苹果自然滚动，大大降低了果伤率。
1.2 电气控制设计及带的理论计算
1.2.1 电气控制设计
整个系统采用飞思卡尔mc9s12xs128单片机，运用无线六位遥控器发射接收模块
M6CZS-9控制，以主流C语言作为控制语言，具有很强的可移植性[6-7]，电路
控制原理图如图6所示。
1.2.2 传送带的设计及选型
按照苹果传输的需要，选定为平带传动确定计算功率：
Pca=KAP=1.0×5=50 (W)
其中载荷系数 K1=1.2
(1) 选择带型号
Pca=50 W与n0=60 (r/min)
(2) 确定大小带轮基准直径：da1、da2
da1按照机械设计要求不小于75 mm，为保证运行良好，本设计选择da1=40
mm，得da2=i0×da1=40 mm，取da2=40 mm。
(3) 验算带速
(4) 传动比
(5) 确定中心距a和带长L0
① 初选中心距
a0=1.5(da1+da2)=120 (mm)
0.7(da1+da2)≤a0≤2(da1+da2)
② 基准长度的设计计算L0
=365 (mm)
查机械设计教材取平带的基本长度L=400 mm
(6) 计算主动轴承受的扭矩
(7) 带轮的结构及尺寸总结。
主动带轮直径d1=40 mm，采用轮辐式结构。从动带轮基准直径da2=40 mm，
也采用主动带轮的结构，即轮辐式。
1.3 创新点
(1) 该设计整体体积小、运动灵活，运动为交替进行、采用太阳能电池板与12 V
蓄电池结合供电，所以适用范围更加广泛、更加低能耗。
(2) 履带轮适合各种复杂的地形，适应能力强。
(3) 6个舵机实现6个自由度，机械手全方位自由采摘，采摘效率高。
(4) 双齿轮与齿条啮合传动、减震弹簧等完成升降机构，稳定、可控。
(5) 重力式分级筛选，果伤率低，结构简单，使用价值高。
通过SolidWorks对整体建立模型，然后对零件进行尺寸约束，受力分析，有限元
分析，达到预期的效果，进行装配，如图7所示。
整个系统的运行方案的流程图如图8所示。
近年来，我国苹果的产量巨大，相关文献显示国内未出现对苹果的采摘及筛选的机
械装置。传统的采摘方式需要大量人力、物力和财力，同时工作效率低，无法满足
大面积的采摘。苹果采摘筛选机有望在该领域实现突破性的发展，项目成本低、效
率高，有效地解决我国大面积苹果采摘筛选的难题，在未来市场赢得先机，应用前
景十分广阔，有很高的实用价值。
【相关文献】
[1] 2015～2020年中国苹果产业深度调研及市场专项调研报告[R].智研咨询集团，2015.
[2] 2015～2020年中国生鲜电商行业市场全景调研与投资风险预测报告报告[R].中研普华集团，
2015.
[3] 韦 林，杨小红.机械结构分析与设计[M].北京：北京理工大学出版社，2009.
[4] 籍保平，吴文才.计算机视觉苹果分级系统[J].农业机械学报，2000，31(6):118-121.
[5] 夏广岚，姜永成，于 峰，等.一种水果分级机：中国 201037133 U[P].2012.
[6] 蒋辉平.基于Proteus的单片机系统设计与仿真实例[M].北京：机械工业出版社，2009.
[7] 张 萌.单片机应用系统开发综合实例[M].第二版.北京：清华大学出版社，2005.
2024年4月4日发(作者：针绮琴)
一种苹果采摘筛选机设计
尚晓峰;乔居斌;闫海敬;苑学龙
【摘 要】设计一种协助果农采摘和筛选苹果的采摘筛选机.该设计采用双减速电机、
履带底盘和万向轮实现行驶功能,采用无线六位遥控模块M6CZS进行遥控控制.通
过双电机双侧驱动,双齿轮齿条啮合传动实现升降台升降作业.执行器采用六个舵机
搭载机械手,利用飞思卡尔MC9S12XS128单片机控制,实现空间多姿态采摘作业.
智能化采摘苹果,降低了苹果的损伤率,快速高效多样化的采摘果实,大幅度的提高了
效率.
【期刊名称】《机械研究与应用》
【年(卷),期】2016(029)006
【总页数】3页(P155-157)
【关键词】苹果采摘;筛选;智能化
【作 者】尚晓峰;乔居斌;闫海敬;苑学龙
【作者单位】滨州学院 机电工程系,山东 滨州 256600;滨州学院 机电工程系,山东
滨州 256600;滨州学院 机电工程系,山东 滨州 256600;滨州学院 机电工程系,山东
滨州 256600
【正文语种】中 文
【中图分类】S225.9
随着我国苹果种植技术的迅速提高，先进的果蔬种植、培养技术的应用，我国苹果
的产量呈上升趋势。2014年中国苹果种植面积222.15万公顷，占世界苹果种植
面积的46.34%；2014年苹果产量达3 849.1万吨，同比增长6.96%；2014年
中国苹果国内消费达到2 750万吨，同比增长10%[1]。从2013年起，生鲜电商
开始迅速发展，生鲜电商平台化是必然趋势。有报告推测2020年生鲜电商市场规
模达到3 200亿，其中冷链部分占比约30%，规模超过1 000亿[2]。冷链配送逐
渐成为生鲜电商的咽喉环节。苹果采摘与筛选在冷链配送前所占得时间至关重要，
如何在保持苹果完整度、新鲜度之前将其推向市场，将是一个严峻的考验。
1.1 结构简介
1.1.1 采摘设计
为了充分体现苹果采摘的最优设计及控制，方案主要有四大装置：行走装置、升降
装置、采摘装置，筛选装置组成[3]，如图1所示。
行走装置由双减速电机、履带底盘和万向轮组织成。由12 V蓄电池提供动能，通
过无线六位遥控器发射接收模块控制。该设计的原地转向功能，主要借助于适应性
极强的履带轮与灵活的万向轮的配合，当按下原地旋转按钮时，以履带轮O为圆
心，以万向轮与履带轮的距离L为半径，形成规则的轨迹。主要通过履带轮一侧
的的电机平稳的输出转矩，从而实现的原地不同角度的运动，实现该设计在狭小的
空间内灵活的运转。升降装置是通过双电机双侧驱动，双齿轮齿条啮合传动，从而
实现升降台的上升下降。四个减震弹簧同步于齿条传动，提高了升降平台的稳定性、
可靠性，如图2、3所示。
采摘装置主要由舵机、机械手、传感器、摄像头等组成。六个舵机(MG996)搭载
机械手实现空间全方位的自由旋动采摘，传感器和摄像头安置于机械手上方位，通
过采集相应的数据，实现视觉化全方位采摘，整个系统由飞思卡尔
MC9S12XS128单片机控制。
1.1.2 筛选设计
重力式分级筛选[4]主要由传送带、V型槽导果板、分选导轨、接果盘及传动系统
组成[5]。工作时，采摘的苹果由传送带运输至苹果入口处，先经手选装置由人工
剔除伤残果，然后苹果喂入导果槽板，在此苹果自然分行滚动，不会出现堆果和阻
果现象。分级导轨开有圆孔，孔径逐级增大，苹果从V型导果槽板流至导轨进行
自动校径的分选过程。小于分级孔的苹果先从第一滚筒分级孔落入接果盘，大于分
级孔的则经V型导果槽板继续向前滚动，重复前面的过程。由于每级滚筒的孔径
逐渐增大，则把苹果分成不同大小的等级，在相应位置的接果盘可得到相应等级的
苹果。如图4所示。
苹果分级筛选数据处理及α角的计算：要实现这一自然滚动，导果槽板需与水平
面呈一倾角α。现取苹果为受力体，受力分析如图5所示。
苹果受重力为G，导果槽板给苹果的支反力N及导果槽板给苹果的滚动摩擦力Ff，
苹果在Y方向不应有运动。
根据力的平衡条件可得:
∑Y=0， N=Gcos α
要使苹果沿X方向运动，则应满足
Gsin α>Ff
式中：滚动摩擦力Ff=KN,K为苹果与导果槽板之间的滚动摩擦系数，取K=0.23，
由以上两式可得所需倾角α为：
α>arctg K=12.95°
当α>12.95°时 ，苹果均可在导轨上滚动。轨道的倾斜度可在0°～45°变化，当倾
角为12.95°时苹果自然滚动，大大降低了果伤率。
1.2 电气控制设计及带的理论计算
1.2.1 电气控制设计
整个系统采用飞思卡尔mc9s12xs128单片机，运用无线六位遥控器发射接收模块
M6CZS-9控制，以主流C语言作为控制语言，具有很强的可移植性[6-7]，电路
控制原理图如图6所示。
1.2.2 传送带的设计及选型
按照苹果传输的需要，选定为平带传动确定计算功率：
Pca=KAP=1.0×5=50 (W)
其中载荷系数 K1=1.2
(1) 选择带型号
Pca=50 W与n0=60 (r/min)
(2) 确定大小带轮基准直径：da1、da2
da1按照机械设计要求不小于75 mm，为保证运行良好，本设计选择da1=40
mm，得da2=i0×da1=40 mm，取da2=40 mm。
(3) 验算带速
(4) 传动比
(5) 确定中心距a和带长L0
① 初选中心距
a0=1.5(da1+da2)=120 (mm)
0.7(da1+da2)≤a0≤2(da1+da2)
② 基准长度的设计计算L0
=365 (mm)
查机械设计教材取平带的基本长度L=400 mm
(6) 计算主动轴承受的扭矩
(7) 带轮的结构及尺寸总结。
主动带轮直径d1=40 mm，采用轮辐式结构。从动带轮基准直径da2=40 mm，
也采用主动带轮的结构，即轮辐式。
1.3 创新点
(1) 该设计整体体积小、运动灵活，运动为交替进行、采用太阳能电池板与12 V
蓄电池结合供电，所以适用范围更加广泛、更加低能耗。
(2) 履带轮适合各种复杂的地形，适应能力强。
(3) 6个舵机实现6个自由度，机械手全方位自由采摘，采摘效率高。
(4) 双齿轮与齿条啮合传动、减震弹簧等完成升降机构，稳定、可控。
(5) 重力式分级筛选，果伤率低，结构简单，使用价值高。
通过SolidWorks对整体建立模型，然后对零件进行尺寸约束，受力分析，有限元
分析，达到预期的效果，进行装配，如图7所示。
整个系统的运行方案的流程图如图8所示。
近年来，我国苹果的产量巨大，相关文献显示国内未出现对苹果的采摘及筛选的机
械装置。传统的采摘方式需要大量人力、物力和财力，同时工作效率低，无法满足
大面积的采摘。苹果采摘筛选机有望在该领域实现突破性的发展，项目成本低、效
率高，有效地解决我国大面积苹果采摘筛选的难题，在未来市场赢得先机，应用前
景十分广阔，有很高的实用价值。
【相关文献】
[1] 2015～2020年中国苹果产业深度调研及市场专项调研报告[R].智研咨询集团，2015.
[2] 2015～2020年中国生鲜电商行业市场全景调研与投资风险预测报告报告[R].中研普华集团，
2015.
[3] 韦 林，杨小红.机械结构分析与设计[M].北京：北京理工大学出版社，2009.
[4] 籍保平，吴文才.计算机视觉苹果分级系统[J].农业机械学报，2000，31(6):118-121.
[5] 夏广岚，姜永成，于 峰，等.一种水果分级机：中国 201037133 U[P].2012.
[6] 蒋辉平.基于Proteus的单片机系统设计与仿真实例[M].北京：机械工业出版社，2009.
[7] 张 萌.单片机应用系统开发综合实例[M].第二版.北京：清华大学出版社，2005.