李祥亮 彭娟 趙貴龍 毛柯夫 紀(jì)佳欣

摘 要：近年來，我國草莓種植規(guī)模不斷擴(kuò)大，由于草莓種植存在盛果期采摘作業(yè)勞動強(qiáng)度大、周期長的特點，設(shè)計新型草莓采摘輔助工具是極為必要的。針對我國草莓園采摘現(xiàn)狀、草莓采摘特點，設(shè)計了一種新型草莓采摘輔助工具。該裝置模擬人工采摘草莓的動作，將握持草莓和剪莖的動作，巧妙地整合在一個框型框架上;框架為雙層結(jié)構(gòu)，下層框架（簡稱定刀架）固定安裝在一根桿的下端，同時在定刀架上設(shè)置一個布兜，用于接草莓;上層框架（簡稱動刀架）鉸接定刀架上，在動定刀架的前端分別安裝若干刀片;桿上端安裝有手柄、驅(qū)動把手等，通過拉線將動刀架的驅(qū)動件與驅(qū)動把手聯(lián)接，桿的長度設(shè)計成可調(diào)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同身高的人使用。此裝置對于降低人工勞動強(qiáng)度、提高采摘效率和保證草莓適時采收，具有重大意義。

關(guān)鍵詞：草莓采摘裝置;輔助;快速

中圖分類號：S225;TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0087-02

0 引言

草莓不僅外形可人，而且味美，大多數(shù)消費者對草莓有著較高的認(rèn)可度，目前，全世界草莓種植面積約為550萬畝，在小漿果品類中居首位。我國是世界上最大的草莓生產(chǎn)國之一，據(jù)統(tǒng)計，2017年全國草莓種植面積230多萬畝，產(chǎn)量400多萬噸，總產(chǎn)值達(dá)600億元以上[1]。2017年我國草莓進(jìn)口1.24萬噸，同比增長7.46%;出口量9.76萬噸，同比增長6.53%[2]。隨著我國草莓行業(yè)的不斷發(fā)展，進(jìn)出口情況也隨之增長，因此草莓行業(yè)未來發(fā)展極具空間。以往草莓采摘方式以人工采摘為主，傳統(tǒng)采摘方式不僅浪費時間，而且成本較高，導(dǎo)致草莓采摘不及時、市場供應(yīng)不及時等問題，進(jìn)而影響草莓的銷量?；诖?，應(yīng)改進(jìn)草莓采摘方式，設(shè)計新型草莓采摘輔助工具，以此提高草莓采摘效率，確保市場供應(yīng)需求得到滿足。本文探究“新型草莓采摘輔助工具設(shè)計”這一論題，論題分析的現(xiàn)實意義較顯著，具體探究如下。

1 研究概況

采摘過程在草莓種植中占有重要地位。草莓的整個種植生產(chǎn)過程中約有1/4的時間被草莓采摘所占用，并且由于草莓果實成熟后必須盡快采摘，盛果期采摘作業(yè)的勞動強(qiáng)度大，將自動化技術(shù)引入草莓采摘作業(yè)環(huán)節(jié)，研發(fā)草莓采摘裝置成為目前亟待解決的問題，國內(nèi)外為此做了大量的研究。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張鐵中等人針對我國常見的溫室里高壟畦作裁培的草莓，初步建立了草莓采摘機(jī)器人實驗系統(tǒng)。他們設(shè)計了兩種采摘機(jī)器人樣機(jī)，在草莓果實目標(biāo)識別、提取，定位、采摘機(jī)器人及手爪等方面的研究取得了一定成果[3-4]。上海交通大學(xué)與日本宮崎大學(xué)共同研制出了跨壟作業(yè)4個自由度的草莓收獲機(jī)器人設(shè)備。該機(jī)器人采用兩個俯視地面的CCD攝像機(jī)獲取草莓的圖像，計算出草莓的方位，用激光傳感器測量機(jī)械手爪到草莓的距離，氣動機(jī)械手爪抓取草莓果柄，并用剪切式切刀切斷果柄。但該裝置體積龐大，且沒有驅(qū)動裝置，距實際應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x[5]。此外，很多機(jī)器人采摘草莓時，對草莓的種植方式和品種還有著特殊的要求，不適合我國普遍的壟作栽培方式[6-7]。

2 設(shè)計目標(biāo)及方案分析

2.1 設(shè)計目標(biāo)

經(jīng)調(diào)研我們發(fā)現(xiàn)目前人工采摘主要存在以下兩個問題：（1）果農(nóng)需要長時間蹲移或彎腰采摘;（2）果農(nóng)需要逐個采摘。因此我們的設(shè)計目標(biāo)為提高草莓采摘效率和降低果農(nóng)勞動強(qiáng)度。

2.2 具體方案

如圖1所示，該裝置由剪切部件、驅(qū)動部件、支撐部件、桿長調(diào)節(jié)部件等組成。動、定刀架都安裝在刀架座上，定刀架固定于刀架座上，動刀架可繞軸轉(zhuǎn)動，并且在定刀架上裝有一個布兜;在動、定刀架的前端分別安裝四個刀片，動刀與定刀兩兩呈剪刀狀。拉線一端與把手相連，一端與動刀架相連，拉線的相關(guān)結(jié)構(gòu)與剎車線的結(jié)構(gòu)相同。

如圖2，在動刀架的轉(zhuǎn)軸上裝有扭簧，用于動刀架的復(fù)位;支撐部件由刀架座、細(xì)桿、粗桿手柄等組成;細(xì)桿與粗桿手柄的連接處安裝有桿長調(diào)節(jié)部件，把手通過把手座固定在粗桿手柄上。

在裝置工作時，先將草莓抄入布兜中，輕輕向上提，莖便會夾在刀片之間，人驅(qū)動把手，把手通過拉線，帶動動刀架轉(zhuǎn)動，使動刀與定刀交錯，夾在刀片之間的莖便會被剪斷，然后，將剪下的草莓放入隨身攜帶的容器中。之后人松開把手，位于兩個刀架之間的扭簧會使動刀架回位，準(zhǔn)備下一次采摘。

裝置中多組剪刀式的結(jié)構(gòu)保證了抄起草莓時一定有草莓莖落入剪刀口中，省去了剪刀口對準(zhǔn)莖的過程，還能一次采摘多個草莓，大大提高了采摘效率，解決了果農(nóng)逐個采摘效率低的問題。而長桿式的結(jié)構(gòu)改蹲行采摘為直立式采摘，解決了果農(nóng)蹲行采摘勞動強(qiáng)度大的問題。

3 具體設(shè)計分析

3.1 剪切部件

如圖3，該部分主要由動刀架、定刀架和刀片等組成。不剪切時，呈上圖狀態(tài);剪切時，動刀架將繞軸轉(zhuǎn)動，動刀刃口向定刀刃口交錯，達(dá)到剪斷草莓莖的目的。

如圖4，動刀架安裝在刀架座上，動刀架可繞軸轉(zhuǎn)動，定刀架由于嵌入刀架座的凹槽而不可轉(zhuǎn)動。

為避免動刀架和定刀架之間間隙過大而影響剪切效果，設(shè)計了U型卡，強(qiáng)制動、定刀貼合。同時，刀片的寬度大于相鄰刀片之間的間距，避免刀架相互卡住，影響交錯運(yùn)動，從而保證了兩刀架之間的距離在有效剪切距離內(nèi)。

3.2 驅(qū)動部件

驅(qū)動部件組主要由扭簧、拉線與把手組成。扭簧安裝在動刀架的轉(zhuǎn)軸上，其一端緊靠于動刀架內(nèi)壁，一端緊靠于定刀架內(nèi)壁。拉線一端固定于動刀架，另一端與把手相連。把手安裝在把手座上，把手座安裝在粗桿手柄上。初始位置時，扭簧不受力的作用而處于自由狀態(tài)，而在剪切時，人驅(qū)動把手，拉動拉線，從而帶動動刀架繞軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)行剪切。而當(dāng)剪切完成后，人松開把手，在扭簧的作用下，動刀架回到初始位置，完成整個傳動過程。

3.3 桿長調(diào)節(jié)部件

桿長調(diào)節(jié)部件主要由球頭銷、彈簧以及球頭銷座組成。球頭銷安裝在帶有彈簧的球頭銷座的孔中，再將球頭銷座移進(jìn)細(xì)桿內(nèi)，使球頭銷從細(xì)桿和粗桿上打好的孔彈出，從而固定細(xì)桿和粗桿的相對位置。而當(dāng)伸縮時，需將球頭銷按下同時拉（推）粗桿，在需要的位置時停下，球頭便會卡入粗桿上的孔，使粗桿的位置固定，從而達(dá)到調(diào)節(jié)桿長的目的。

4 結(jié)語

本裝置旨在提高草莓采摘率和降低采摘人員的勞動強(qiáng)度，通過創(chuàng)新設(shè)計，裝置具有如下創(chuàng)新點：

（1）多組剪刀式結(jié)構(gòu)。多組剪刀同平面共架安裝可以保證隨意抄起草莓時一定有草莓莖落入剪刀口中，省去了刀口對準(zhǔn)莖的過程，還能一次采摘多個草莓，大大提高了采摘的效率。（2）直立式采摘。人在使用此裝置時不必蹲下，只需站著即可采摘。如果裝置長度不合適，還可以調(diào)節(jié)長度，大大降低了人們的勞動強(qiáng)度。

本裝置成本低廉，適用于中小規(guī)模的草莓種植場，輕巧靈便，適合各身高人群使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國農(nóng)業(yè)網(wǎng)，2018.04.02.

[2] 2017-2022年中國草莓行業(yè)市場運(yùn)營態(tài)勢及投資前景預(yù)測報告[R].2016.

[3] 張鐵中，周天娟.草莓采摘機(jī)器人的研究：Ⅰ.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的草莓圖像分割[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004（04）：65-68.

[4] 張鐵中，周天娟.草莓采摘機(jī)器人的研究：Ⅰ.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的草莓圖像分割[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004（04）：65-68.

[5] 郭峰，曹其新，崔永杰，等.用于草莓收獲機(jī)器人的果實定位和果柄檢測方法（英文）[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008（10）：89-94.

[6] 張凱良，楊麗，王糧局，等.高架草莓采摘機(jī)器人設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2012，43（09）：165-172.

[7] 李長勇，房愛青，譚紅，等.高架草莓采摘機(jī)器人系統(tǒng)研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2017（06）：245-247+251.