野菜烏龍頭采摘技術的開發與研究

銀川能源學院 李梓杭 劉向萍 高坤 陳帥龍

前言

烏龍頭，喜連片生長，渾身長滿小刺,是藥、菜兩用的名貴野菜。是一種多年生木本植物，莖稈多板刺，頂端生鳥頭狀葉包，形如大拇指尖，芽長4厘米左右即可采取，此時嫩芽還未開苞，芽內嫩莖和未展開的嫩葉可食用。具有很高的營養價值，頗受人們的青睞。但是莖稈多板刺且長的高，所以人工采摘較困難[2]。烏龍頭嫩芽如圖1所示。烏龍頭生長在陜西省漳縣、隴西南部、渭源等陰濕山區，并與其他林木混生[4]，生長地理條件如圖2所示。

圖1 烏龍頭嫩芽

圖2 生長條件

1 現狀調查

1.1 烏龍頭簡介

烏龍頭一般高1.5m～6m,嫩芽直徑6cm～9cm，分枝少，嫩枝紅褐色。樹皮灰色，其上密生堅刺，老時脫落。葉集生枝頂，2～3回羽狀復葉，小葉卵形，對生。傘形花序，花淡黃色或白色。漿果球形，黑色，具有甜味。種子小，腎形，種皮不光滑。花期7～8月，果期9～10月。

1.2 目前采摘存在的主要問題

（1）莖稈多板刺且高于人的身高，頂端生鳥頭狀葉包，人工采摘較困難；（2）采摘過早，成熟種子少，發芽率不高；采摘過晚，被雀鳥吃或先成熟種子脫落，影響收種量；（3）沒有專用采摘設備，采摘效率低；（4）因莖稈多板刺，手工采摘對嫩芽的傷害大，損失營養。

1.3 采摘時的限制條件

（1）每次采集新鮮嫩芽要適量（4～5月），采集過多易傷苗，容易導致植株死亡，使來年的產量下降。（2）采芽后要及時對植株進行整形修剪，一般在其基部留2～3個側芽，然后將其上部剪去。（3）如果要采集根皮（9～10月）、莖皮或葉入藥，應在秋季科學、合理采集。

1.4 采摘過程

根據烏龍頭的采摘過程，繪制采摘系統關聯模型圖。采摘過程關聯模型分析如圖3所示。

圖3 采摘過程關聯模型分析圖

通過采摘過程關聯模型分析，存在的主要問題點為：莖稈高度高于人的身高，采摘困難；板刺扎手，采摘困難；碰傷嫩芽，使嫩芽容易損壞。所以只能通過增加或改善采摘工具來提高烏龍頭的采摘效率。

3 總體方案設計

使用時，把采摘器[3]伸到果實處，若果實生長在茂密看不清的位置時，因為果實與果葉濕度不同，抓手內部傳感器探頭就會進行濕度掃描。當果實到達可摘取位置時，傳感器顯示器綠燈亮起，否則紅燈亮起，此時就可知是否滿足采摘條件。使抓手包住果實，向上按下開關，電動機充電啟動，電動機正轉，電動機與10齒齒輪相互固定，10齒為主動輪，齒輪正轉帶動19齒與29齒齒輪，19齒齒輪與29齒齒輪相互固定，然后39齒齒輪轉動，從而達到傳動變速目的。39齒齒輪帶動滑套進行圓周運動，滑套的圓周運動帶動絲杠既進行圓周運動，也進行直線運動。絲杠帶動滑塊進行直線運動，與滑塊相連接的抓手做開合運動。當抓手完全閉合后，電機停轉，此時果實摘下。向下按下開關，抓手張開，當抓手張開到最大程度時，電機停轉，此時取出果實，進行下次摘取。采摘器如圖4所示。

圖4 采摘器

3.1 滑塊機構設計

滑套與殼體如圖5所示，滑塊設計采用九邊形中空管道。九邊形是為了中空部分空間大，并且與外殼連接緊密，防止劇烈抖動和旋轉。中空是為了在內部連接一個傳感器探頭，探測農作物。而設備運行場合較濕潤，并且經常與外殼相互摩擦，所以材料本身具備適當的硬度、耐磨性，足夠承受住運動的摩擦。

圖5 滑套與殼體緊密切合

3.2 采摘抓手設計

抓手如圖6所示，齒采用40Cr號鋼[5]，因為烏龍頭根部較脆，所以該鋼硬度要合適。第一拐角角度為335°，第二拐角角度為125°，抓手零部件厚度為8mm，寬度為10mm。

圖6 抓齒

3.3 感應系統的設計

選擇HS1101式電容式空氣濕度傳感器，在不同的濕度環境下呈現不同的電容數值，0%～100%RH濕度范圍內，電容從162變到200PF，誤差為2%RH，可見精度非常之高，為了反映其電容的變化，本系統采用555多諧振蕩電路產生不同的頻率，用于檢測濕度，溫濕度傳感器結構及原理分析圖詳見附錄。切除流程如圖7所示。

圖7 切除流程圖

3.4 伸縮桿設計

防止摘不到過高處或過遠處的果實，在采摘器上安裝一節伸縮桿來滿足采摘條件。在兩段伸縮桿端部設計一個凹槽和一個凸塊結構。當拉伸到最大時兩結構一端緊密接觸。如圖8所示。

圖8 伸縮桿

4 應用效果

采摘器于2021年8月在隴西南部渭源某地區進行實地采摘，共采摘300株烏龍頭嫩芽，效率提升了49.7%，同時降低了人工的勞動強度。以電動裝置和感應裝置作為驅動源，降低了生產成本。提高了采摘效率、采用簡單的機械結構，所設計采摘機簡單使用，操作方便。

5 結語

針對目前國內市場烏龍頭采摘機還是個空白，人工采摘效率低，采用巧妙的構思，設計并研制了一種動力單一、外形小巧、簡單實用、操作方便的抓手。采摘器完成了姿態調整、長度可調的機械化，解決了甘肅省小隴地區的烏龍頭采摘問題，通過機械傳動原理和濕度傳感器檢測原理，可以準確定位和采摘，此設備可降低采摘工的勞動強度，具有大規模推廣的價值。