基于FBS模型的紅棗采摘機造型設計

鄒易 周憲 姜山

第一作者簡介：鄒易（2001-），女，碩士研究生。研究方向為產(chǎn)品設計及工業(yè)設計。

摘? 要：目前，中小型棗園采摘紅棗的方式多為人工擊打樹枝，使樹枝產(chǎn)生震動，將紅棗從樹枝上震動搖落。為克服農(nóng)民摘棗工作效率低下的問題，通過設計一款智能采摘機解決人工摘棗這一工作效率低下的問題并且能夠智能篩選出紅棗果實的優(yōu)劣，從而實現(xiàn)紅棗的全自動化快速采摘。該機械可以通過采摘桿拉動樹枝，使樹枝產(chǎn)生高頻震動，從而使紅棗掉落并進行收集。收集后依次對果實進行初步篩選和智能篩選。智能篩選裝置可以對掉落的紅棗進行圖像識別，提取果實表面的特征，對果實的優(yōu)劣進行判別，最終輸出品質優(yōu)良的果實。

關鍵詞：造型設計；意象分析；功能結構；映射關系；造型模塊

中圖分類號：S225.93? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-9902（2024）01-0023-04

Abstract： At present， the way of picking red jujube （also known as Ziziphus Jujuba Mill.） in small and medium-sized jujube orchards is to hit the branches manually， which makes the branches vibrate and shake off the jujube from the branches. In order to overcome the problem of low efficiency of jujube picking by farmers， an intelligent picking machine is designed to solve the problem of low efficiency of manual jujube picking and can intelligently screen out the advantages and disadvantages of red jujube fruit， so as to realize the automatic and rapid picking of red jujube. The machine can pull the branch through the picking rod， so that the branch produces high-frequency vibration， so that the red jujube falls and collects. After collection， the fruits were screened preliminarily and intelligently. The smart screening device can identify the image of the fallen jujube， extract the features of the fruit surface， and distinguish the advantages and disadvantages of the fruit， with final output of high-quality fruit.

Keywords： modeling design; image analysis; functional structure; mapping relationship; modeling module

近幾十年來，隨著人們生活水平的提高，水果的需求量越來越高。紅棗是我國特有的一種林果，其藥用價值和經(jīng)濟價值都非常高。目前，我國紅棗栽植面積和產(chǎn)量均居世界第一。紅棗的種植區(qū)域廣泛，分布在中國北方的各個省份，而且種植難度不高，但由于紅棗采摘和收集工作耗時、勞動強度大等原因，導致市場供求不平衡。紅棗的采摘和收集是紅棗栽培中勞動強度和用工量最大的環(huán)節(jié)，根據(jù)調查，紅棗的采摘、收集、篩選工作占據(jù)紅棗種植工作量的一半。通過調查發(fā)現(xiàn)，中小型棗園的種植戶占所有紅棗種植戶的74.9％。目前，國內現(xiàn)有的中小型棗園大多依靠人工采棗的收獲方式，用手擊打樹枝使其振動，把紅棗從枝上振動下來再撿拾起來，這種收獲方式不僅耗費體力，而且效率低下。通過展開對紅棗采收機的設計，以機械采收替代人工采收可以有效地提高紅棗采收量。

1? 研究現(xiàn)狀

調研目前市場上現(xiàn)存的果實收獲類機械，我國青島黃海學院曾設計一款大型紅棗采摘及收獲為一體的機械，該機械為振動式收獲農(nóng)業(yè)機械，其工作模式更加快捷，并且收獲果實的效率極高。除此之外，其工作成本低下，在使用這一款采收機械過程中可以大大降低采收過程中的機械損傷，從而確保采摘下來紅棗的品質。經(jīng)過研究分析，其工作原理為行走裝置整體對機械在地面的移動進行控制，當這一款裝置接近棗樹的時候，采摘機構移動，控制夾頭抓緊紅棗樹。然后，激振機構對棗樹施加一定振動頻率，從而產(chǎn)生振幅的機械振動。當被抓緊的紅棗樹受激振機構的激振力作用而開始振動時，紅棗樹上的紅棗隨著樹干一起作加速度移動，當紅棗受到的慣性力超過紅棗與樹枝的結合力之后，紅棗與樹枝的連接開始變得薄弱，紅棗逐漸脫離樹枝，當棗子從紅棗樹上掉落后，由收集裝置進行收集。但該裝置的缺點在于機器體積大操作不便，因此，設計一種適用于中小型紅棗種植園的紅棗采摘機非常必要。

目前，農(nóng)業(yè)產(chǎn)品具有機械大型化、操作專業(yè)化、通用性強、高適應性及逐漸智能化和人性化等特點。這些設計需求在大型農(nóng)業(yè)種植園中得到了廣泛應用。除此之外，林果種類和種植模式的多樣性使得現(xiàn)有的林果采收機械不能滿足人們對多樣性的需求，所以，研發(fā)新型高效的林果采收農(nóng)業(yè)機械是解決這一問題的重要途徑之一，同時也為林果采收提供了新的研究方向，促進了林果采收機械的發(fā)展。根據(jù)我國紅棗園基本上為中小型、棗樹間距較小等特點，以及操作者的心理特征和生理需求，設計一款合適中小型紅棗采摘機構。該收獲機械產(chǎn)品可以減少紅棗收獲過程中30％的工作量，以機械采收替代人工采收可以有效地提高紅棗采收量，這一款機械結構簡單，易于操作。 填補了目前市場在中小型紅棗種植園收獲機械方面的空白，并且對于壯大紅棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模和提高棗資源利用率有重要意義并具備十分廣闊的實際應用價值。

2? 設計分析

農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的收獲機械是當代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必不可少的作業(yè)工具之一，其產(chǎn)量大、使用廣泛。農(nóng)業(yè)產(chǎn)品作為具有較強功能性的機械產(chǎn)品，在設計時首先要將其功能需求放在首位。除此之外，設計師還需要在工業(yè)產(chǎn)品的外觀造型和配色方案上進行盡可能完善的設計。尤其在目前高速發(fā)展的時代，隨著科技進步，人們的消費觀念和審美水平也在不斷發(fā)生變化。越來越多的人在滿足機械產(chǎn)品中內部功能需求的同時，對產(chǎn)品的外觀造型和感性需求也大大提高。因此，在具有相同功能的基礎上，一件產(chǎn)品能否滿足顧客情感心理和簡潔大方的外觀造型設計，成為工業(yè)產(chǎn)品和農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品成功的關鍵。因此，設計時有必要注重農(nóng)機產(chǎn)品的外觀造型設計。在設計前對不同農(nóng)用機械產(chǎn)品造型的情感語義進行挖掘，為產(chǎn)品的造型設計和改進提供指導。

通過調研市場農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品相關的評價和訪談及調研等方式，收集與農(nóng)業(yè)產(chǎn)品造型相關的感性意象詞匯。分析歸納其為：圓潤的—硬朗的、個性的—大眾的、穩(wěn)健的—動感的、整體的—模塊的、厚重的—輕巧的、幾何的—無序的。將感性意象詞匯等級化對所選的3個農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品進行意象化評價。

將樣本案例的感性意象等級化，由-3分到3分劃分為7個等級對其進行評價。

其中，以感性意象詞匯對“厚重的—輕巧的”為例，-3分代表很厚重，-2分代表厚重，-1分代表較厚重，0分代表著中性感覺，1分代表較輕巧的，2分代表輕巧的，3分代表很輕巧。通過問卷調查的形式對收集到的問卷機型數(shù)據(jù)進行處理。這6對感性意向詞匯對構成了意象空間，其中數(shù)據(jù)的評價標準為0～3，負值代表調查者對于產(chǎn)品的感受趨于左邊的感性形容詞。正值代表調查者對于產(chǎn)品的感受趨于右邊的感性形容詞。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計是提取產(chǎn)品特征要素的重要依據(jù)，統(tǒng)計結果見表1。

根據(jù)調查結果顯示，農(nóng)業(yè)產(chǎn)品設計外觀造型設計特點主要為硬朗的、大眾的，并可以進行模塊組合的，設計風格主要為穩(wěn)健的、輕巧的、幾何的。通過分析總結市場上最受歡迎的農(nóng)用機械產(chǎn)品，為接下來的紅棗采摘機的設計確定設計方向。

3? 基于FBS模型的造型模塊劃分

3.1? FBS模型概述

FBS（Function-Behavior-Structure）模型的名稱來自其核心概念：功能、行為、結構。在執(zhí)行FBS模型映射過程中，功能轉換為可以執(zhí)行該功能的預期行為。而預期的行為則可以用于結構的選擇和組合，這個過程也可以稱為結構的合成。在FBS模型中，一個系統(tǒng)被分解為多個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)由一組功能、行為、結構定義。這樣可以幫助開發(fā)者將系統(tǒng)分解為不同的功能和部件。功能-行為-結構模型通過對產(chǎn)品功能、行為、結構之間關系進行描述可以激發(fā)設計的創(chuàng)造性思維。在產(chǎn)品設計過程中，功能是行為的目標，行為是功能實現(xiàn)的基礎，結構是行為的支撐。首先，其設計過程根據(jù)用戶需求進行歸納轉化為產(chǎn)品的功能要素；其次，通過具體的交互行為確認產(chǎn)品功能元素的可能性，并由此推斷結構的可行性；最后，實現(xiàn)由具有設計意義的功能與行為得到的結構并分析結構是否滿足用戶需求。目前FBS模型已經(jīng)被廣泛應用至各個設計領域當中。有的將FBS和產(chǎn)品服務系統(tǒng)之間轉換的模型，將行為劃分為服務行為和產(chǎn)品行為，以識別和分析工作情況。也有針對機械裝備交互行為復雜、易出錯的問題對FBS模型當中的行為層進行變換映射得出新的設計方案。還有為解決創(chuàng)新設計過程中遇到的新問題，根據(jù) FBS模型應用領域的不同，通過集成 FBS模型與其他模型或理論，得到特定領域新的設計方法或流程。例如，將概念-知識（C-K）理論與FBS模型進行融合，提出了一種可變功能再設計方法，利用理論的知識空間對FBS映射過程進行指導，獲取新的設計方案。

總之，通過FBS映射可以實現(xiàn)產(chǎn)品功能的逐層展開。通過功能分解推理得到行為，借助行為推理求解得到產(chǎn)品結構，由結構推理到形態(tài)直到完成產(chǎn)品的整個設計過程。這種設計方法有助于更清楚地理解設計過程和子過程，如問題的提出、綜合、分析和評估等內容，以及如何啟發(fā)創(chuàng)新提供設計靈感。

3.2? 采摘機FBS模型分解

在進行造型設計時首先需要對功能需求進行全面分析，確定總目標功能。根據(jù)FBS模型對采摘機進行功能分解，逐級分析采摘機的功能結構。采摘桿可以自由伸縮，從而滿足不同高度果實的采摘；收集功能進行果實的收集；篩選裝置分為2步。第一級篩選主要為風機吹走落葉，利用不同尺寸間隙的濾網(wǎng)初步淘汰掉小果、劣果；果實再次進入智能篩選裝置進行二次篩選，智能篩選裝置通過圖像識別技術，通過提取紅棗果實表面的圖像特征進行預處理，保證圖像的清晰度然后由計算機進行判別，最終將判別結果輸出。整個產(chǎn)品的動力部分主要是采用太陽能和直流減速電機為采摘桿和篩選裝置提供動力，綠色環(huán)保低成本適合中小型農(nóng)戶，以此為其他部分提供動力。綜上所述，紅棗采摘機的總功能可劃分為采摘功能、收集功能、篩選功能和行駛功能。

其中采摘功能主要為振落樹上的果實。該機構產(chǎn)生的行為包括抓取樹干使其振動，將樹枝上的紅棗搖落。其應該具備抓夾、搖桿等結構。收集功能的主要目的為收集落下的果實，該機構運行的主要行為是張開閉合收集傘，收集落下的果實。該部分需要一個可折疊的收集傘。篩選功能的目的為篩選落下的紅棗果實。其主要包括2步，第一步為風機吹走落下的樹葉，將果實留在初步篩選裝置當中；第二步通過智能篩選裝置識別果實的優(yōu)劣，通過圖像識別技術對水果的圖像進行特征提取，將提取出來的圖像在分類器中進行判別，并得出最終的結果。由此判斷，為實現(xiàn)這個行為，該裝置需要配備風機、相機等結構。為保證整個采摘機正常運行，該機構還需要配有動力裝置維持機構運動（圖1）。

剔除無須設計的結構，將劃分后的結構進行重新規(guī)整劃分。由此，可以將紅棗采摘機劃分為采摘裝置造型模塊、收集裝置造型模塊、篩選裝置造型模塊和動力裝置造型模塊。并依次對各造型模塊展開設計。并對設計后的各造型模塊進行組合。

3.3? 采摘機造型設計

采摘裝置當中的采摘桿可以自由伸縮，最大可及高度為2 500 mm，從而滿足不同高度果實的采摘，結合輸入的指令，自行控制且隨時調整電機輸出動力和采摘桿頻率進行采摘，控制電機停止運動。收集裝置的收集傘展開的最大半徑為1 000 mm，這種大尺寸的接收裝置具有自適應升降裝置的構成，從而大大減少紅棗從高空墜下導致壞果的情況。初步篩選裝置根據(jù)市面上紅棗大小的尺寸界定，實際篩選裝置為長40 mm、寬34 mm、間距為25 mm的長方形網(wǎng)格。首先利用風機吹走落葉，然后通過不同的網(wǎng)格間隙篩選出大小不同的果實，風扇可將掉落的樹葉吹走，避免影響智能篩選功能的使用。初步的篩選裝置可將紅棗按大小進行篩選，減少紅棗采摘的后期工作量。并且還裝有傳感器，統(tǒng)計紅棗數(shù)量。智能篩選裝置用燈光抓拍果實的表面，進行優(yōu)劣篩選，消毒滅菌，其工作原理為：紅棗通過初步篩選裝置采用圖像識別技術。這種功能能夠在提取特征之前對圖像進行預處理，包括噪音去除，圖像對比度增強，顏色還原，從而提取紅棗的有效特征，包括紅棗的形狀大小、顏色和紋理。提取之后，將水果圖像輸入到一個分類器中進行判別得出最終結果。動力裝置的造型模塊設計，其外形尺寸長600 mm、寬400 mm、高2 500 mm。結合人因工程學中最佳舒適工作高度，在結構設計上采用直流減速電機為采摘桿和篩選裝置提供動力，綠色環(huán)保低成本適合中小型農(nóng)戶，以此為采摘裝置和篩選裝置提供動力。

在滿足結構功能的需求之外，工業(yè)產(chǎn)品在設計時一定要注重產(chǎn)品色彩上的選擇。因為不同的色彩會給人們帶來不同的心理感受。一件工業(yè)產(chǎn)品，內部結構和外觀造型構成了產(chǎn)品的大致方向，而賦予工業(yè)產(chǎn)品不同的色彩可以傳遞不同的人類情感，例如，灰白色代表樸素典雅，橙紅色代表熱烈引人注意，藍色代表著智能科技感。不同的材料及不同的材質根據(jù)工業(yè)產(chǎn)品的使用途徑而不同。在工業(yè)產(chǎn)品的設計過程中，影響產(chǎn)品形態(tài)美的因素有很多，其中形態(tài)設計原則主要包括：變化與統(tǒng)一、對稱與平衡、比例與尺度、對比與協(xié)調和節(jié)奏與韻律，每一個因素都能影響產(chǎn)品的形態(tài)，只有將這些因素統(tǒng)一考慮，才能真正體現(xiàn)產(chǎn)品的形態(tài)美。因此，在進行紅棗采摘機的設計時，選擇簡單大方但是富有質感的銀灰色作為主色調，選擇藍色作為一個亮色，代表著強烈的科技感與智能感。當紅棗采摘機的智能篩選裝置開始工作時，藍色的智能燈開始閃爍，同時提醒工作人員篩選裝置開始工作。產(chǎn)品整體給人一種干凈，簡潔之感，藍色的添加也削弱了農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品本身的冷漠感，給產(chǎn)品帶來一些智能科技感（圖2、圖3）。

4? 結束語

本論文根據(jù)社會智能化的發(fā)展方向，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有采摘收獲機械的不足，設計了一款適用于中小型紅棗種植戶的收獲機械，從而實現(xiàn)了紅棗的全自動化采、收集及智能篩選出優(yōu)質果實，淘汰劣質果實。首先在進行設計前對農(nóng)業(yè)采摘機械的設計分析，針對目前紅棗采收多為人工收獲，工作效率極低這一問題設計出適用于中小型紅棗收獲的農(nóng)業(yè)機械。通過調研分析目前市場農(nóng)業(yè)收獲機械的主要設計風格，偏向于智能化、輕巧化；確定好造型風格后，開展采摘機的功能與行為結構之間的映射，將整體機械劃分為4個造型模塊展開設計，包括采摘裝置造型模塊、收集裝置造型模塊、篩選裝置造型模塊和動力裝置造型模塊。分析每個造型模塊為實現(xiàn)其功能會產(chǎn)生的行為和運行需要的結構。在進行造型設計的前期，考慮產(chǎn)品的功能、行為、結構之間的映射關系，建立功能、結構與產(chǎn)品造型模塊的有效連接，使得各部分的產(chǎn)品結構分布合理，最終提升設計方案的有效性。通過在產(chǎn)品設計前加入FBS模型，不僅可以明確產(chǎn)品的設計目標，包括產(chǎn)品的主要功能、性能指標、使用場景等，有利于設計師在后續(xù)的設計過程中保持設計目標的一致性和明確性。還有助于提供創(chuàng)新性的設計思路，通過對產(chǎn)品功能、行為、結構的多角度分析可以發(fā)現(xiàn)以往未曾發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)品問題和設計亮點，從而不斷創(chuàng)新和優(yōu)化產(chǎn)品設計。

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