新型草莓采摘輔助工具設計

李祥亮 彭娟 趙貴龍 毛柯夫 紀佳欣

摘 要：近年來，我國草莓種植規模不斷擴大，由于草莓種植存在盛果期采摘作業勞動強度大、周期長的特點，設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狀、草莓采摘特點，設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;框架為雙層結構，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、驅動把手等，通過拉線將動刀架的驅動件與驅動把手聯接，桿的長度設計成可調結構，以適應不同身高的人使用。此裝置對于降低人工勞動強度、提高采摘效率和保證草莓適時采收，具有重大意義。

關鍵詞：草莓采摘裝置;輔助;快速

中圖分類號：S225;TP242 文獻標識碼：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，大多數消費者對草莓有著較高的認可度，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國之一，據統計，2017年全國草莓種植面積230多萬畝，產量400多萬噸，總產值達600億元以上[1]。2017年我國草莓進口1.24萬噸，同比增長7.46%;出口量9.76萬噸，同比增長6.53%[2]。隨著我國草莓行業的不斷發展，進出口情況也隨之增長，因此草莓行業未來發展極具空間。以往草莓采摘方式以人工采摘為主，傳統采摘方式不僅浪費時間，而且成本較高，導致草莓采摘不及時、市場供應不及時等問題，進而影響草莓的銷量。基于此，應改進草莓采摘方式，設計新型草莓采摘輔助工具，以此提高草莓采摘效率，確保市場供應需求得到滿足。本文探究“新型草莓采摘輔助工具設計”這一論題，論題分析的現實意義較顯著，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，盛果期采摘作業的勞動強度大，將自動化技術引入草莓采摘作業環節，研發草莓采摘裝置成為目前亟待解決的問題，國內外為此做了大量的研究。中國農業大學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器人實驗系統。他們設計了兩種采摘機器人樣機，在草莓果實目標識別、提取，定位、采摘機器人及手爪等方面的研究取得了一定成果[3-4]。上海交通大學與日本宮崎大學共同研制出了跨壟作業4個自由度的草莓收獲機器人設備。該機器人采用兩個俯視地面的CCD攝像機獲取草莓的圖像，計算出草莓的方位，用激光傳感器測量機械手爪到草莓的距離，氣動機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，且沒有驅動裝置，距實際應用還有相當的距離[5]。此外，很多機器人采摘草莓時，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 設計目標及方案分析

2.1 設計目標

經調研我們發現目前人工采摘主要存在以下兩個問題：（1）果農需要長時間蹲移或彎腰采摘;（2）果農需要逐個采摘。因此我們的設計目標為提高草莓采摘效率和降低果農勞動強度。

2.2 具體方案

如圖1所示，該裝置由剪切部件、驅動部件、支撐部件、桿長調節部件等組成。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，拉線的相關結構與剎車線的結構相同。

如圖2，在動刀架的轉軸上裝有扭簧，用于動刀架的復位;支撐部件由刀架座、細桿、粗桿手柄等組成;細桿與粗桿手柄的連接處安裝有桿長調節部件，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，人驅動把手，把手通過拉線，帶動動刀架轉動，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，準備下一次采摘。

裝置中多組剪刀式的結構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，解決了果農逐個采摘效率低的問題。而長桿式的結構改蹲行采摘為直立式采摘，解決了果農蹲行采摘勞動強度大的問題。

3 具體設計分析

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;剪切時，動刀架將繞軸轉動，動刀刃口向定刀刃口交錯，達到剪斷草莓莖的目的。

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

為避免動刀架和定刀架之間間隙過大而影響剪切效果，設計了U型卡，強制動、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，影響交錯運動，從而保證了兩刀架之間的距離在有效剪切距離內。

3.2 驅動部件

驅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軸上，其一端緊靠于動刀架內壁，一端緊靠于定刀架內壁。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，而在剪切時，人驅動把手，拉動拉線，從而帶動動刀架繞軸轉動，進行剪切。而當剪切完成后，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 桿長調節部件

桿長調節部件主要由球頭銷、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，再將球頭銷座移進細桿內，使球頭銷從細桿和粗桿上打好的孔彈出，從而固定細桿和粗桿的相對位置。而當伸縮時，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，從而達到調節桿長的目的。

4 結語

本裝置旨在提高草莓采摘率和降低采摘人員的勞動強度，通過創新設計，裝置具有如下創新點：

（1）多組剪刀式結構。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，還可以調節長度，大大降低了人們的勞動強度。

本裝置成本低廉，適用于中小規模的草莓種植場，輕巧靈便，適合各身高人群使用。

參考文獻

[1] 中國農業網，2018.04.02.

[2] 2017-2022年中國草莓行業市場運營態勢及投資前景預測報告[R].2016.

[3] 張鐵中，周天娟.草莓采摘機器人的研究：Ⅰ.基于BP神經網絡的草莓圖像分割[J].中國農業大學學報，2004（04）：65-68.

[4] 張鐵中，周天娟.草莓采摘機器人的研究：Ⅰ.基于BP神經網絡的草莓圖像分割[J].中國農業大學學報，2004（04）：65-68.

[5] 郭峰，曹其新，崔永杰，等.用于草莓收獲機器人的果實定位和果柄檢測方法（英文）[J].農業工程學報，2008（10）：89-94.

[6] 張凱良，楊麗，王糧局，等.高架草莓采摘機器人設計與試驗[J].農業機械學報，2012，43（09）：165-172.

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