一體式小型草莓采收機

馬云，曹聰，吳鑫蕊

?

一體式小型草莓采收機

馬云，曹聰，吳鑫蕊

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，我國草莓種植業(yè)發(fā)展迅猛，產(chǎn)量逐年增高，但與之不匹配的是，我國草莓采摘仍以人工采收為主。因草莓的采收周期長，采摘者的勞動強度和作業(yè)量都非常大，且為了分辨果實成熟度和防止損傷果實，所以果農(nóng)需長時間且頻繁彎腰或者蹲于兩壟間工作，效率不高，影響身體健康。對此，設計了一種新型的一體式草莓采收機，實現(xiàn)半自動采收，提高果農(nóng)的采收效率。通過機構(gòu)創(chuàng)新組合與模塊化設計，對草莓是否成熟進行分選梳理，完成采摘與收集工作；通過控制手柄端電動按鈕實現(xiàn)半自動化采收，操作者不需彎腰或蹲下進行工作；通過適應性分析及設計，在保證高效率的同時在采收過程中不損傷草莓。

草莓采收機；半自動采收；果實成熟度；采收效率

1 作品背景及意義

我國草莓種植面積廣大，年產(chǎn)量約90萬噸，居世界第一位。草莓作為一種生長較為低矮的水果植株，表皮柔軟易產(chǎn)生損傷，人工采摘時需要彎腰或者蹲于兩壟之間進行采摘，影響采摘者身體健康且效率不高。草莓果實不定期成熟，生長方式獨特，需要人工不間斷地進行判斷和收獲，但我國農(nóng)業(yè)往往以小規(guī)化采收為主，所以綜合上述因素，我國的草莓采摘具有工作量大、勞動強度高的特點。

基于以上背景，設計了一款一體式小型草莓采收機，由分選梳理模塊、剪切模塊和收集模塊組成。

2 作品方案設計

草莓采收機如圖1所示。該裝置體積小，在草莓壟地間行進，控制裝置后端手柄的按鈕通過機構(gòu)梳理草莓并剪切果莖，操作者不用彎腰便可完成采收水果的工作。

分選梳理模塊采用曲柄導桿機構(gòu)，利用步進電機帶動機構(gòu)運動，使梳齒板按一定軌跡運動，梳齒板的梳齒間隙按照草莓大小設計，可以區(qū)分草莓的成熟度是否達到要求，同時使用扭簧做自適應設計，保證在不損傷草莓的同時實現(xiàn)其分選梳理，操作方便，加工簡單。

剪切模塊主要由曲柄搖桿機構(gòu)和錯動式切割裝置組成，利用舵機帶動切割裝置向下翻轉(zhuǎn)，利用鮑登線原理，握緊把手對草莓莖進行切割，草莓落入收集盒中，收集盒可從車后部取出。通過對兩個模塊的模擬實驗，裝置能很好滿足果農(nóng)對采收功能的要求，且使用方便。

3 作品整體介紹

裝置工作流程如下：將裝置放于采摘時的初始位置，曲柄搖桿機構(gòu)中搖桿擺動帶動梳齒板與草莓壟壁產(chǎn)生接觸并上移，與草莓產(chǎn)生接觸，較大草莓的草莓莖被梳齒板拉起，實現(xiàn)辨別草莓成熟與否的分選梳理功能，錯動式剪切板在舵機的驅(qū)動下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，剪切前，草莓莖處于動刀架和定刀架之間，握緊手把，閘線被拉動時，動刀架與定刀架發(fā)生相對運動，最后，固連在動刀架上的刀片完成對草莓莖的剪切過程。剪切后的草莓莖掉入收集盒中。梳理模塊運動方式如圖2所示。

圖1 草莓采收機

圖2 梳理模塊運動方式

4 作品模塊設計

4.1 分選梳理模塊

分選梳理模塊可以根據(jù)草莓大小進行分選梳理，用剪切機構(gòu)對草莓莖進行剪切。由導桿機構(gòu)、梳齒板和自適應貼合裝置組成，電機帶動齒輪轉(zhuǎn)動，繼而帶動曲柄的旋轉(zhuǎn)。梳齒板沿著設計的軌道運動，為了使梳齒板能夠緊貼壟壁，滑塊和梳齒板間增加了扭簧。

4.2 剪切模塊

剪切模塊主要由曲柄搖桿機構(gòu)和錯動式切割裝置組成。成熟草莓被梳理至梳齒板內(nèi)側(cè)，舵機帶動曲柄搖桿機構(gòu)運動，使固連在連桿上的切割裝置向下翻轉(zhuǎn)至梳齒外側(cè)。

錯動式切割裝置利用鮑登線原理，握緊把手使內(nèi)部閘線拉動動刀架，動刀架相對于定刀架橫向移動切割草莓莖，松開把手壓彈簧產(chǎn)生的彈力使刀架復位。

4.3 收集模塊

剪切后的草莓落入收集盒中，收集盒與車架底板通過滑槽連接，草莓裝滿收集盒后，收集盒可以從車的后部抽出，使用方便。

5 作品機構(gòu)設計

5.1 間隙式梳齒板

齒板間的梳齒間距可以滿足分離不同規(guī)格草莓大小的目標，按照草莓大小進行分選，較大的草莓由于不能通過梳齒間隔，所以梳理后停留在梳齒板上，較小的草莓通過梳齒間隔，仍能自然下垂在壟坡上。

考慮到不同品種草莓具有不同的規(guī)格，設計了不同的梳齒間距；考慮到草莓的表皮易損傷，為了不損傷草莓表皮，將梳齒板的頂部設計成圓角，并且將梳齒板設計成可拆卸結(jié)構(gòu)，在梳理不同規(guī)格的草莓莖時能做到更加方便和人性化，便于更換。

5.2 自適應貼合裝置

本裝置設計的梳齒板具有自適應的特點，為了使梳齒板能夠緊貼壟壁，滑塊和梳齒板間增加了扭簧。扭簧的兩端分別被固定到梳齒板和滑塊上，當梳齒板繞著彈簧中心旋轉(zhuǎn)時，該彈簧將它們拉回初始位置，產(chǎn)生扭矩。扭簧可以存儲和釋放角能量或者通過繞簧體中軸旋轉(zhuǎn)力臂以靜態(tài)固定某一裝置。

5.3 曲柄搖桿機構(gòu)

曲柄搖桿機構(gòu)由安裝在小車頂部的雙軸舵機提供驅(qū)動，舵機輸出軸與曲柄相連，連桿與錯動式切割裝置固連。舵機作為一種位置伺服的控制器，可精確定位，可以將切割裝置翻轉(zhuǎn)至梳齒板外側(cè)。

6 尺寸計算

6.1 裝置整體尺寸

從人機工程學的角度和操作性出發(fā)，以成年男性平均身高尺寸數(shù)據(jù)為依據(jù)進行設計，該裝置適合大部分人使用。此外，通過實地調(diào)研了解草莓壟結(jié)構(gòu)，查閱相關(guān)數(shù)據(jù)，再結(jié)合內(nèi)部各模塊的尺寸，設計本裝置整體尺寸為高度1 000 mm、長度1 100 mm、寬度370 mm。

6.2 梳齒板尺寸

裝置通過梳理將草莓進行切割，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)草莓壟上兩株草莓之間的距離大約150～200 mm。考慮到梳理草莓的安全性的高效性，因此設計梳齒板長度300 mm、寬度95 mm、厚度4 mm。

7 項目效益分析

原采摘流程所需時間，經(jīng)實地測算為6.25 s，本作品采摘流程所需時間，經(jīng)實地測算為4.13 s，此次測算結(jié)果為人與機器同時采摘一列壟地中單個草莓的平均用時，可得出采摘效率提升33%.

裝置除簡化了采摘流程，成本低廉，減輕果農(nóng)勞動強度外，還延長了工作時間，間接提高了采摘效率。

8 項目創(chuàng)新點

本作品創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下3個方面：①機構(gòu)上，巧妙地將分選、剪切、收集多個功能進行整合，在有限的空間里設計多種創(chuàng)意組合機構(gòu)，實現(xiàn)半自動化采收草莓，提高采收效率；②功能上，導桿機構(gòu)和間隙式梳齒板的組合實現(xiàn)了草莓的分選采收，自適應扭簧保證了采收的安全高效性；③作品對裝置進行一系列人因設計，體積小重量輕，果農(nóng)無需彎腰勞作，電動輔助可輕松推動，可適用于各種規(guī)格的草莓壟地。

9 應用前景

本作品針對草莓采收過程中出現(xiàn)的問題，設計出一款無需彎腰采收草莓的裝置，可有效減少人手操作步驟，降低工作強度，提高了采摘效率，節(jié)約采收成本。本裝置適應不同的采摘環(huán)境，不受壟溝寬度的限制，裝置的使用范圍廣；裝置原理簡單，與現(xiàn)有的大型草莓采摘機器人相比，價格低，便于推廣；目前市場上未見同類產(chǎn)品，也未見與本作品相似的發(fā)明專利，而本產(chǎn)品設計簡單巧妙，生產(chǎn)銷售方便，市場前景廣闊；此外，作品人機協(xié)同采收的理念可廣泛應用于其他水果的采摘過程之中，為其他小型輔助采摘設備的設計提供參考。

［1］唐增寶，常建娥.機械設計課程設計［M］.武漢：華中科技大學出版社，2007.

［2］機械設計手冊編委會.機械設計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［3］成大先.機械設計圖冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008.

［4］朱金生，凌云.機械設計使用機構(gòu)運動仿真圖解［M］.第2版.上海：電子工業(yè)出版社，2013.

［5］田裕鵬.傳感器原理［M］.第3版.北京：科學出版社，2007.

2095－6835（2019）05－0146－02

S225

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.146

〔編輯：嚴麗琴〕