蓮蓬采摘設(shè)備的研究

趙亞平，花本杰，仲子平，施苡波，張帥帥，仕樂梅

（蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215008）

蓮蓬是一種特種水生經(jīng)濟(jì)作物，性喜相對(duì)穩(wěn)定的平靜淺水、湖沼、澤地、池塘，新鮮蓮子不僅口感好,且具有養(yǎng)心安神、消除疲勞的功效,蓮蓬具有很大的藥用價(jià)值，蓮子、蓮心都是很好的中藥材，蓮蓬作為營(yíng)養(yǎng)品深受人們的喜愛。蓮蓬具有生產(chǎn)區(qū)域性強(qiáng)、種植面積廣、生命周期長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的特點(diǎn)。經(jīng)過幾千年的不斷培育與發(fā)展，我國(guó)已成為蓮子、蓮藕生產(chǎn)和出口大國(guó)，其市場(chǎng)需求量大，前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益可觀。蘇州陽澄湖、太湖周邊以及相城區(qū)是我國(guó)著名的蓮蓬產(chǎn)區(qū)之一，由于蓮蓬的生長(zhǎng)環(huán)境特殊，大多數(shù)種植于淤泥之中，蓮蓬采摘期位于夏季，是季節(jié)性農(nóng)作物，由于白天淤泥池內(nèi)溫度高，采摘更加不便，因此大多于晚上進(jìn)行采摘活動(dòng)，加上采摘環(huán)境的復(fù)雜性，在采摘作業(yè)中，人工采摘需下水作業(yè)，給采摘帶來了巨大挑戰(zhàn)，也造成了采摘困難。據(jù)調(diào)查，目前我國(guó)絕大多數(shù)的蓮蓬都為人工采摘或人工乘船進(jìn)行手工采摘（如圖1、圖2），耗時(shí)耗力，效率低下，進(jìn)而影響農(nóng)民的收入。同時(shí)人手的長(zhǎng)度有限，在采摘蓮蓬的過程中，船體會(huì)破壞荷花的莖干，造成荷花的莖干折斷。目前，關(guān)于蓮蓬的種植產(chǎn)業(yè)也是蓬勃發(fā)展，但由于長(zhǎng)期的工作效率低下，導(dǎo)致蓮蓬單產(chǎn)收入受到了很大的限制，人工采摘效率低下，無法滿足市場(chǎng)對(duì)蓮蓬時(shí)令性和新鮮度的要求。

圖1 人工采摘

圖2 人工乘船采摘

實(shí)現(xiàn)蓮蓬的采摘自動(dòng)化，對(duì)于解決蓮蓬采摘作業(yè)中人工采摘工作強(qiáng)度大、采摘難度大和采摘效率低下等問題，以及降低人工成本、提高采摘品質(zhì)、增強(qiáng)蓮蓬的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力均具有十分重要的意義。針對(duì)上述問題，目前迫切需要研究一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷的蓮蓬采摘設(shè)備。

1 蓮蓬采摘設(shè)備的研究現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)查，目前對(duì)蓮蓬采摘設(shè)備的研究主要有各科研院校、農(nóng)機(jī)企業(yè)、技術(shù)推廣部門，目前已經(jīng)發(fā)表了相關(guān)論文及專利，如姜琛公開了一種漏斗形蓮蓬采集器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉；喬建強(qiáng)開發(fā)出一種蓮蓬采摘器，采摘的蓮蓬落入采摘器的網(wǎng)袋內(nèi)，蓮蓬采摘一定量后，抬高網(wǎng)袋端，蓮蓬即可到達(dá)網(wǎng)袋底口，從網(wǎng)袋底口即可取出蓮蓬，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了采摘效率；浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院和浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)出一種便攜式蓮蓬采摘器，使用時(shí)，需將收集網(wǎng)扣合在蓮蓬上，剪斷葉柄后翻轉(zhuǎn)收集網(wǎng)完成蓮蓬采摘；浙江理工大學(xué)研制出便攜式自動(dòng)蓮蓬采收裝置，動(dòng)力為直流電機(jī)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各動(dòng)作的配合，同時(shí)完成蓮蓬的采摘和收集工作。還有類似的發(fā)明，如專利號(hào)201620655859.0的蓮蓬采摘器，采用X型的兩個(gè)刀片對(duì)蓮蓬進(jìn)行剪切，而后用網(wǎng)兜收集蓮蓬，但該結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜，剪切裝置和支撐桿無法分離，且其網(wǎng)兜正處于刀片下方，刀片無法對(duì)蓮蓬進(jìn)行有效剪切。因?yàn)樯徟钕旅媸巧徟畹臈U莖，如果網(wǎng)兜在刀片的下面，那么采摘時(shí)，蓮蓬很難進(jìn)入刀片口，給采摘帶來了不便；另一方面，現(xiàn)有技術(shù)提供的采摘器只考慮了采摘距離較遠(yuǎn)的蓮蓬，對(duì)于一些距離比較近但用手又采摘不到的蓮蓬，使用起來時(shí)刀片的傳送機(jī)構(gòu)就不好使用。

中國(guó)專利號(hào)2012204282944中公開了一種蓮蓬采摘器，其主要由網(wǎng)兜、剪刀、托架、支撐桿和滑動(dòng)桿組成，該裝置雖然能夠較好地延長(zhǎng)采摘距離，但是，其施力力矩較小且在采摘期間網(wǎng)兜會(huì)頂?shù)缴徟畹闹吻o，從而不便于使用。江蘇大學(xué)唐書萍“基于機(jī)器視覺的蓮蓬識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)研究”一文中，以自然環(huán)境下采集到的子蓮蓮蓬圖像為研究對(duì)象,從圖像預(yù)處理、圖像特征提取、目標(biāo)特征降維以及目標(biāo)識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)展開相關(guān)研究,以實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺的蓮蓬圖像目標(biāo)物識(shí)別,為蓮蓬的自動(dòng)采摘研究提供技術(shù)支持支持。然而，由于蓮蓬采摘設(shè)備研究起步較晚，生產(chǎn)組織化、規(guī)模化程度低，缺少持續(xù)的研發(fā)計(jì)劃與資金扶持等原因，導(dǎo)致蓮蓬采摘機(jī)械裝備研究發(fā)展緩慢，且許多成果還停留在方案設(shè)計(jì)，實(shí)用性有待加強(qiáng)。

2 輕型蓮蓬采摘設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

深入陽澄湖、太湖等周邊地區(qū)了解農(nóng)民對(duì)蓮蓬采摘器的功能需求，通過對(duì)調(diào)研結(jié)果進(jìn)行分析，歸納梳理關(guān)于蓮蓬采摘器設(shè)計(jì)要求包括：（1）采摘器機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕，易于戶外操作使用；（2）采摘器需操作省力、省時(shí)，能提高采摘效率，并且制造成本低；（3）采摘器需具有足夠的強(qiáng)度和剛度以避免在采摘過程中折斷或變形；（4）采摘器不僅能將蓮蓬采摘下來，還能將蓮蓬準(zhǔn)確地收集在收集袋中，以減少浪費(fèi)；（5）為了滿足不同遠(yuǎn)近蓮蓬的采摘，采摘器應(yīng)設(shè)計(jì)成可以伸縮的結(jié)構(gòu)，以滿足不同距離的要求。

2.2 蓮蓬采摘器總體設(shè)計(jì)

因蓮蓬目前主要靠人工采摘，且采摘比較辛苦，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。若能研制出一種減輕采摘辛苦的蓮蓬采摘器，可解決蓮蓬種植戶的后顧之憂。根據(jù)蓮蓬生長(zhǎng)環(huán)境、生長(zhǎng)特性和產(chǎn)品質(zhì)量要求等，結(jié)合采摘工人提供的經(jīng)驗(yàn)，提出輕型蓮蓬采摘器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3、圖4所示。

圖3 采摘器外形圖

圖4 收集裝置和分?jǐn)嘌b置的結(jié)構(gòu)示意圖

蓮蓬采摘器主要包括手柄組件、收集裝置和分?jǐn)嘌b置，手柄組件靠近收集裝置的一端固定設(shè)有用于安裝收集裝置和分?jǐn)嘌b置的連接座。分?jǐn)嘌b置包括固定在連接座中的電機(jī)和用于分?jǐn)嗌徟畹牡镀姍C(jī)用于驅(qū)動(dòng)刀片轉(zhuǎn)動(dòng)，連接座上固定有導(dǎo)軌，蓮蓬搭設(shè)在導(dǎo)軌上，蓮蓬莖干位于導(dǎo)軌之間，手動(dòng)驅(qū)動(dòng)分?jǐn)嘌b置逐漸靠近蓮蓬，刀片在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下將蓮蓬莖干分?jǐn)啵謹(jǐn)嗪蟮纳徟盥湓趯?dǎo)軌上，重復(fù)上述過程，采摘下一個(gè)蓮蓬，下一個(gè)蓮蓬將上一個(gè)蓮蓬頂入收集裝置中，也可以人手驅(qū)動(dòng)分?jǐn)嘌b置的一端抬升，使得蓮蓬在重力的作用下自動(dòng)落在收集裝置中。

3 應(yīng)用前景

本文設(shè)計(jì)的采摘器，不僅解決了現(xiàn)有技術(shù)蓮蓬采摘不便利的問題，而且更利于被采摘的蓮蓬落入網(wǎng)兜中，同時(shí)擴(kuò)大了采摘范圍，既能夠采摘較遠(yuǎn)的蓮蓬，又方便采摘較近的蓮蓬。蓮蓬采摘器的成功研制，不僅能夠解決蓮蓬采摘之苦，提高采摘效率，同時(shí)在 “農(nóng)家樂”等觀光旅游項(xiàng)目中，對(duì)于休閑旅游的人群來說，可增加他們的快樂采摘體驗(yàn)，在一定程度上促進(jìn)蓮蓬經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，推進(jìn)水生植物機(jī)械化收獲的進(jìn)程。