雒曉兵

（蘭州博文科技學院，甘肅 蘭州 730101）

枸杞是兼具營養(yǎng)價值與保健功效的藥食同源的滋補良品。近年來，人們對枸杞的需求量不斷增長，我國是世界上最大的枸杞生產國和消費國，據統(tǒng)計，截至2020 年國內枸杞的總產量約有44.12×104t，占世界總量的95%以上[1]。由于枸杞果實為漿果，果皮薄、含水量大，在采摘過程中很容易損傷，因此枸杞采摘一直以來以人力為主，勞動強度大，用工量多，采摘成本非常高，枸杞的采摘問題成為制約枸杞產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要問題。目前，枸杞采摘機有自走式和便攜式2 種，根據工作原理，主要可分為振動式、梳刷式、剪切式、氣動式等采摘方式[2-5]。其中，振動式枸杞采摘機研究較為廣泛，但其存在采凈率較低、含雜率較大，且對枸杞第二年的掛果率有較大的影響等問題[6]。因此，迫切需要用機械化、智能化的裝備來代替人工采摘作業(yè)，大力開發(fā)和推廣果實智能采摘將會產生十分重要的實用價值和經濟效益。

1 采摘方式的選擇

枸杞樹是多分枝灌木植物，枝條細弱，樹高可達1 m。枸杞鮮果果實由果梗、果蒂、果皮、果肉等幾個部分組成。枸杞果實呈橢圓形，果實較小，縱徑為15 mm，橫徑為10 mm，果實與樹枝之間有20 mm 的果柄，人工輔助拉起時枸杞果實尺寸與枝條的簡化模型見圖1、圖2。枸杞的機械化采摘對枸杞樹有株距、樹形、果實數(shù)量等要求[7]，這就需要機械化采摘的研究與枸杞種植農藝相結合，逐步完善農藝技術，促進枸杞機械化采摘的研究[8]。選擇一種合理的采摘方式非常重要，各種采摘方式分析見表1[9，10]。

表1 各種采摘方式對照表Tab.1 Comparison table of various picking methods

圖1 人工輔助拉起枝條時的果實Fig.1 Fruits when manually pulling branches

圖2 枸杞果實尺寸與枝條的簡化模型Fig.2 Simplified model of Lycium chinense Miller fruit size and branches

雖然近些年來推出了振動式和梳理式等各種枸杞采摘機，但振動式采摘機對樹枝損傷比較大，梳刷式枸杞采摘機人工輔助勞動強度大，因此，研制一款可以代替人類工作的智能化采摘機非常重要。根據所設計的枸杞采摘機要求結構簡單、效率高、勞動強度低、對枸杞樹損傷較低和適合能力強等特點，選擇剪切式采摘方式。

2 枸杞采摘機總體設計與工作原理

枸杞采摘機設計圖見圖3。枸杞采摘機主要由伸縮桿、頂桿、電機、圓柱齒輪、圓錐齒輪、軸、剪刀、箱體、舵機、連接銷、舵機盤、控制裝置、攝像頭、電源、電線和手機等部件組成。

圖3 枸杞采摘機結構圖Fig.3 Structure diagram of Lycium chinense Miller picking machine

枸杞采摘機在進行采摘作業(yè)時，根據需要采摘枸杞的高度，初步調整伸縮桿的伸縮量，伸縮桿和頂桿滑動連接并且固定在伸縮桿中，通過手動調整伸縮桿上下滑動，以達到采摘的高度，再通過鎖緊裝置將伸縮桿鎖緊，其中伸縮桿的外管為固定桿，內管可以伸縮。頂桿末端結構通過銷軸連接電機，電機可通過銷軸繞頂桿末端結構轉動。工人可以根據枸杞樹柄部情況通過手機上面app程序來控制舵機的旋轉角度使剪刀到達最佳的剪切角度，通過錐齒輪與圓柱齒輪傳動，將動力傳遞給剪刀，通過齒輪與剪刀活動端的刀柄的齒輪嚙合控制剪刀的活動端，實現(xiàn)剪刀的往復剪切動作。

3 采摘機的關鍵部件設計

3.1 伸縮機構的設計

伸縮機構主要由內管、外管和鎖緊裝置組成。外管的直徑要比內管大，內管在外管內部實現(xiàn)伸縮，達到指定長度后通過鎖緊裝置來鎖緊。內管作為伸縮的對象，是要通過鎖緊裝置來決定整個高度。鎖緊裝置為塑料伸縮管接頭，擰緊可以鎖緊，方便快捷，堅固耐用，非常實用。伸縮桿的材料為特制塑料，耐腐蝕，質量輕且堅固，用起來非常省力。

3.2 傳動機構的設計

傳動機構可以將動力所提供運動的方向或速度進行改變。這里采用錐齒輪圓柱齒輪的二級齒輪機構，錐齒輪軸直接與電動機相連接，圓柱齒輪與剪刀活動端嚙合，有效控制剪刀的張開與閉合，實現(xiàn)傳動，傳動機構的三維結構圖見圖4。

圖4 傳動機構的三維結構圖Fig.4 3D structure drawing of transmission mechanism

3.3 剪切機構的設計

剪刀由上下2 個刀組成，上刀為活動動刀，起切割作用；下刀為固定刀，起支撐作用。剪刀利用杠桿原理將力作用在剪刀上下刀之間的果柄上，剪切使其斷裂。剪刀材料的選擇需要保證耐腐蝕，不容易生銹，考慮到機械加工性和經濟性，剪刀材料選擇1Crl3。剪刀片應開閉靈活，剪切以后，剪切刃不應有崩刃、卷刃等影響外觀和使用功能的損壞。當上下刀即將交合時，下刀雖然受到較大的力，但上刀不會越過下刀接著運動，不會使下刀因頻繁沖擊而受損，這樣可以提高剪刀的壽命。

根據采摘枸杞的實際情況，設計出來的剪刀刀刃長度在60 mm 左右，最大剪枝直徑是25 mm。選擇枸杞樹位不同置的多根枝條進行多次剪切實驗，實驗表明了直徑小于16 mm范圍內的果柄均可成功被剪斷。剪刀能夠完成枸杞鮮果的采摘作業(yè)，操作簡便、省力，對提高采摘作業(yè)效率有非常重要的參考意義。

3.4 輔助機構的設計

從結構來看，舵機是由一個小型直流電機、傳感器、控制芯片和減速齒輪組組成的控制系統(tǒng)，舵機能夠通過輸入信號控制旋轉角度。本次設計要求舵機價格低廉、結構緊湊，能夠通過輸出盤控制電機繞頂桿末端結構的轉動角度，從而確定采摘的方向和角度。根據枸杞采摘機的實際情況，選HG14-M舵機，成本較低、旋轉角度大。

3.5 電機與電源的選擇

電機的性能直接影響到了枸杞采摘機的使用效果。在設計中，電機的特性為時間短、啟動頻繁。電機的種類多、性能差別比較大，對電機類型及型號進行選擇十分重要。直流電機可以實現(xiàn)快速頻繁無極啟動、制動和反轉，具有過載能力大，能受頻繁的載荷沖擊，優(yōu)良的調速性能等特點，而枸杞采摘機的特性為頻繁短時間運行、快速啟動，根據以上信息，選取電動機的類型為直流電動機，因載荷平穩(wěn)，電動機的額定功率只需要稍微大于機械工作所需的功率即可。經計算，選取的直流電動機的額定功率為12 W，額定電壓為12 V，轉速為1 000 r/min。選用12 V 電源還可以通過電線給頂桿通電，頂桿導電并可將電傳遞給控制裝置和攝像頭，從而控制舵機的旋轉角度使剪刀到達最佳的剪切角度。

4 結語

無論是傳統(tǒng)的機械采摘還是人工采摘，都會對枸杞的果肉造成不同程度的傷害，在采摘時，通常會將果實與果柄分開，這種情況下，在晾曬的過程中，枸杞很容易發(fā)生腐敗，從而降低了枸杞的質量。剪切式枸杞采摘機具有摘取全莖、減少摘取損傷、提升質量等優(yōu)點。控制裝置使剪刀調整到最優(yōu)的切割角，從而提高采摘率，并可減輕采摘者長期仰頭作業(yè)所帶來的勞動強度，改善采摘者的作業(yè)環(huán)境。為實現(xiàn)枸杞采收的智能化、精準化、自動化，本項目擬在前期工作基礎上，進一步開展枸杞成熟果實在線識別技術的研究，以滿足我國枸杞產業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展對智能采收的要求。