杜沛松 杜娟 何延?xùn)| 王浩軒 高亮 裴俊杰

摘要：目前我國(guó)草莓仍以人工徒手采摘方式為主，摘果效率低。在研究國(guó)內(nèi)外草莓采摘機(jī)械現(xiàn)狀及采摘機(jī)構(gòu)原理特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種采摘收集一體化草莓收獲機(jī)構(gòu)，闡述該機(jī)構(gòu)總體方案與工作原理，并加工出樣機(jī)進(jìn)行采摘試驗(yàn)，結(jié)果表明該機(jī)構(gòu)適用于壟作草莓采摘作業(yè)。

關(guān)鍵詞：草莓;收獲機(jī)構(gòu);采摘;收集;一體化;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S225? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1674-1161（2019）05-0023-03

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，也是蔬菜水果供應(yīng)大國(guó)。我國(guó)草莓種植面積廣，分布地域較為密集，種植方式主要是壟作。由于草莓果實(shí)多汁易損，而國(guó)內(nèi)對(duì)草莓采摘機(jī)具研究較少，目前草莓采摘仍以人工徒手方式為主，采摘過(guò)程十分消耗體力，采摘效率低。農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力不足及老齡化問(wèn)題的不斷加重，對(duì)水果采摘的機(jī)械化程度提出了新的要求，研發(fā)水果采摘機(jī)械既能降低勞動(dòng)強(qiáng)度，又能促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展，對(duì)于加快我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程具有重要意義。

1 草莓采摘機(jī)械研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，一些發(fā)達(dá)國(guó)家如日本、美國(guó)等對(duì)水果采摘機(jī)器人進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)出蘋果、橙子、櫻桃、甜瓜、草莓、葡萄等水果采摘機(jī)器人或樣機(jī)。日本近藤等人研制出一種采用真空設(shè)備氣吸式采摘草莓的機(jī)器人，通過(guò)控制真空吸力的強(qiáng)度采摘成熟草莓果實(shí)，可減少對(duì)草莓果實(shí)外皮的接觸。上海交通大學(xué)郭峰等人運(yùn)用彩色圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論設(shè)計(jì)一種草莓揀選機(jī)器人，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器將草莓推到不同等級(jí)方向。西北農(nóng)林科技大學(xué)基于4自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人研發(fā)出草莓采摘機(jī)器人，采用2個(gè)CCD攝像機(jī)對(duì)草莓果實(shí)進(jìn)行識(shí)別定位。新疆大學(xué)李長(zhǎng)勇等人研制出一種高架草莓采摘機(jī)器人，能夠自主識(shí)別、定位并無(wú)損傷采摘高架栽培模式下的成熟草莓。

目前國(guó)內(nèi)外草莓采摘機(jī)械尚存在一些問(wèn)題：一是普遍采用多機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高;二是整體機(jī)構(gòu)龐大，工作所需行走空間大，影響種植密度;三是采摘時(shí)需要定位成熟草莓的空間三維坐標(biāo)，但草莓天然生長(zhǎng)位置及形狀各異，夾持果莖時(shí)會(huì)因定位精度下降影響摘果準(zhǔn)確性，造成果實(shí)損傷;四是采摘機(jī)器人價(jià)格偏高，從經(jīng)濟(jì)效益方面考慮很難普及，限制了技術(shù)成果向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化。

2 采摘收集一體化草莓收獲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

草莓種植方式分為高架式和壟作式。目前國(guó)內(nèi)外大部分草莓采摘機(jī)械適用于高架式草莓，其先利用圖像處理方式識(shí)別出成熟草莓，然后通過(guò)剪斷果梗實(shí)現(xiàn)果實(shí)收集;而壟作式草莓種植在壟上，植株距離地面近，無(wú)法使用現(xiàn)有的采摘裝置完成采摘作業(yè)。本課題設(shè)計(jì)一種適用于壟作草莓的采摘收集一體化收獲機(jī)構(gòu)，相比草莓采摘機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)緊湊、生產(chǎn)成本低、操作簡(jiǎn)便，可大面積推廣。

2.1 總體方案

采摘收集一體化草莓收獲機(jī)構(gòu)的主要工作部件是草莓采摘收集手臂（如圖1所示）。人工采摘時(shí)可使用機(jī)械手臂輔助站立完成采摘作業(yè)，根據(jù)使用者身高調(diào)節(jié)手臂的長(zhǎng)度。采摘刀具內(nèi)刃設(shè)計(jì)為鋸齒形狀，可以更好地固定草莓果莖。刀具內(nèi)部設(shè)有彈簧，剪刀剪完草莓后自動(dòng)恢復(fù)到待剪狀態(tài)。

機(jī)械手臂自帶收集槽（如圖2所示），通過(guò)收集槽和剪刀的配合實(shí)現(xiàn)一剪一收集，一個(gè)周期可以收集多個(gè)草莓。每剪一次，收集槽在下方驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)一定角度，防止草莓上下重疊，保證摘下來(lái)的草莓果實(shí)均勻分布在圓筒形收集槽內(nèi)。收集裝置底部和側(cè)壁墊有泡沫棉起到緩沖作用，防止草莓被剪下后落入收集槽時(shí)磕碰而造成損傷。收集槽中間設(shè)有手持部分，一個(gè)收集槽裝滿以后可取出更換另一個(gè)空收集槽，準(zhǔn)備下一個(gè)周期的采摘和收集。收集槽裝配時(shí)使用折頁(yè)作為連接機(jī)構(gòu)。

2.2 工作原理

使用時(shí)，采摘者通過(guò)把手調(diào)節(jié)手臂的空間位置，將剪刀對(duì)準(zhǔn)要采摘草莓的莖并握下把手，通過(guò)鋼絲繩連接，將手握把手的運(yùn)動(dòng)分別傳遞到剪刀和收集槽上。刀具受力合攏切斷果莖，使草莓落入收集槽中，松開(kāi)把手后刀具在彈簧作用下恢復(fù)原狀，做好下一次剪切準(zhǔn)備;同時(shí)，鋼絲繩拉動(dòng)收集槽下的棘爪，驅(qū)動(dòng)棘輪旋轉(zhuǎn)一個(gè)工位，使收集槽上正對(duì)著剪切刀具的位置空出，為下一顆草莓采摘做準(zhǔn)備。完成一次草莓采摘與收集的工作流程如圖3所示。

2.3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采摘收集一體化草莓收獲機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架、把手、剪切刀具、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、收集槽5個(gè)部分構(gòu)成。

2.3.1 機(jī)架 機(jī)架分上下兩節(jié)，上下連接桿用螺栓連接。機(jī)架結(jié)構(gòu)相當(dāng)于延長(zhǎng)了采摘者的手臂，實(shí)現(xiàn)了由站立采摘代替彎腰或下蹲采摘，極大地緩解了采摘者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了采摘效率。

2.3.2 刀具 刀具前端采用圓角過(guò)渡，避免碰傷果實(shí)。為方便收集裝置的裝卸，將刀具與機(jī)架連接桿設(shè)計(jì)成分體式，二者采用折頁(yè)連接。在工作狀態(tài)下，刀具和連接桿呈一條直線，鋼絲從中間的孔中穿過(guò)，驅(qū)動(dòng)刀具運(yùn)動(dòng);在非工作狀態(tài)下，刀具連接桿抬起可以更換收集槽。

2.3.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由1個(gè)棘輪、2個(gè)棘爪、固定棘爪的外殼及為棘爪提供動(dòng)力和彈力的彈簧構(gòu)成（如圖4所示）。彈簧支撐桿兩側(cè)固定在收集槽外殼上，該彈簧實(shí)現(xiàn)了棘爪的前后回彈運(yùn)動(dòng)，每次收集草莓時(shí)通過(guò)手握把手控制鋼絲繩拉緊，鋼絲繩拉動(dòng)棘爪下殼，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)棘爪運(yùn)動(dòng)，棘爪帶動(dòng)棘輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，制動(dòng)棘爪阻止棘輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.3.4 收集槽 收集槽（如圖5所示）為帶有錐度的圓筒，圓邊與直線過(guò)渡相切。收集槽底部設(shè)計(jì)6個(gè)繞圓周均勻分布的凹坑結(jié)構(gòu)，凹坑與外殼上的6個(gè)相似形狀的凸起配合，實(shí)現(xiàn)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)收集槽同步運(yùn)動(dòng)。

3 應(yīng)用試驗(yàn)

制作采摘收集一體化草莓收獲機(jī)構(gòu)樣機(jī)，進(jìn)行草莓采摘試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在整個(gè)采摘過(guò)程中，采摘者可以始終保持上體直立，使用采摘收集手臂相比傳統(tǒng)采摘方式極大地減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度;該機(jī)構(gòu)操作簡(jiǎn)單，普通草莓種植戶均可輕松掌握。在應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題：手臂的重心比較靠前，需要兩只手進(jìn)行操作;采摘操作時(shí)需要按下把手，長(zhǎng)時(shí)間操作手部容易疲勞，應(yīng)加強(qiáng)整個(gè)裝置的潤(rùn)滑以減小操作阻力;摘果過(guò)程中需要定期檢查或更換刀具。今后可在這些方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。