基于太陽(yáng)能輔助人工采摘草莓裝置設(shè)計(jì)

王飛奇　邵繼升　王棟

摘要 ? ?草莓是一種具有較高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水果，在我國(guó)有非常大的種植面積。然而，目前草莓采摘主要靠人工完成，任務(wù)繁重，效率較低。再加上草莓屬于漿果，水分含量很高，采摘時(shí)極易損壞。本文以輔助人工采摘草莓的裝置為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出一款利用太陽(yáng)能作為動(dòng)力、便于攜帶、高效、高果實(shí)完整率采摘的基于太陽(yáng)能輔助人工采摘草莓裝置，極大減輕了采摘工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了果實(shí)的完整度，節(jié)約了能源，為廣大草莓種植戶提供了很好的草莓采摘輔助，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)應(yīng)用上有很好的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 ? ?草莓采摘;太陽(yáng)能;現(xiàn)代農(nóng)業(yè);農(nóng)業(yè)機(jī)械;節(jié)能減排

中圖分類號(hào) ? ?S668.4;S225;TK519 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2019）13-0154-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Design ?on ?Artificial ?Strawberry ?Picking ?Device ?Based ?on ?Solar ?Energy

WANG Fei-qi ? ?SHAO Ji-sheng * ? ?WANG Dong

（Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040）

Abstract ? ?Strawberry is a kind of fruit with high nutritional and economic value，it has a considerable planting area in China.However，strawberry harvesting mainly depends on manual work at present，which is heavy and inefficient.In addition，strawberry belongs to berries，which have high moisture content and are easily damaged during picking. In this paper，taking the assisting artificial strawberry harvesting device as the research object，a solar-assisted artificial strawberry harvesting device was designed，which was portable，efficient and with high fruit integrity.It greatly reduces the labor intensity of pickers，improves the integrity of fruits and saves energy.It provides a good picking aid for the vast number of strawberry farmers and has a good development prospect applying in modern agricultural application.

Key words ? ?strawberry picking;solar energy;modern agriculture;agricultural machinery;energy conservation and emission reduction

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)草莓生產(chǎn)有了迅速的發(fā)展。目前，我國(guó)草莓生產(chǎn)面積約7萬(wàn)hm2，種植面積居世界首位，其中河北、遼寧、山東三省種植面積均達(dá)10 000 hm2以上，北方地區(qū)溫室產(chǎn)量高達(dá)22.5～30.0 t/hm2。采摘作業(yè)在草莓產(chǎn)業(yè)中占有著十分重要的地位。

在大型草莓種植場(chǎng)人工采摘草莓時(shí)，需要工人長(zhǎng)時(shí)間勞作;并且草莓收獲季節(jié)天氣炎熱，難以保證工人的采摘效率;成熟后的草莓容易腐壞，需要及時(shí)采摘。因此，采摘工人工作強(qiáng)度很高[1-2]。工人工作時(shí)同時(shí)兼顧采摘、保護(hù)、收集等各個(gè)方面，極為不便?，F(xiàn)有全自動(dòng)機(jī)器人方案，此方案在自動(dòng)化日益流行的今天熱度極高，國(guó)內(nèi)、國(guó)外均有對(duì)此類課題的研究，如日本農(nóng)業(yè)食品產(chǎn)業(yè)與涉谷工業(yè)株式會(huì)社攜手開發(fā)出的新式固定型草莓采摘機(jī)器人、美國(guó)加州草莓采摘機(jī)器人以及比利時(shí)的自動(dòng)化草莓采摘機(jī)器人，我國(guó)國(guó)內(nèi)也對(duì)此課題進(jìn)行了大量的研究。

本文致力于減輕采摘工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高草莓果實(shí)的完整度和采摘效率，設(shè)計(jì)出成本低廉、能耗較小、方便攜帶的基于太陽(yáng)能輔助人工采摘草莓裝置[3-5]。此裝置非常輕便，采摘工人可以輕松地拿起進(jìn)行草莓采摘，極大地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。該裝置依靠?jī)?nèi)部傳送帶將采摘下的草莓輸送到裝置后方的網(wǎng)兜帶中，精確控制傳送帶與采摘剪切部分的傳動(dòng)比，保證每個(gè)草莓都有獨(dú)立的傳送帶格子，從而提高草莓果實(shí)的完整度[6-7]。

1 ? ?基于太陽(yáng)能輔助人工采摘草莓裝置設(shè)計(jì)

1.1 ? ?基于太陽(yáng)能輔助人工采摘草莓裝置結(jié)構(gòu)

該裝置主要由剪切裝置、傳送帶裝置、單向齒輪減速裝置、太陽(yáng)能電源供電與儲(chǔ)能電路、裝置外殼、動(dòng)力電機(jī)等組成。太陽(yáng)能電路為整個(gè)裝置提供清潔的能量來(lái)源，用來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力電機(jī)。動(dòng)力電機(jī)帶動(dòng)剪切裝置完成剪切動(dòng)作，將草莓果實(shí)的莖剪斷之后，通過(guò)傳送帶裝置將草莓果實(shí)輸送到本裝置后方的網(wǎng)兜中，完成整個(gè)草莓采摘的過(guò)程。草莓采摘裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.2 ? ?剪切裝置的原理

采摘草莓時(shí)需要將草莓果實(shí)與莖分離，因而本文設(shè)計(jì)出一種剪切裝置，可以迅速快捷地剪斷草莓的莖，實(shí)現(xiàn)草莓果實(shí)的采摘。剪切裝置的原理與剪刀原理相似，頭部具有2個(gè)鋒利的刀片，一個(gè)刀片固定于裝置的機(jī)體上，不可活動(dòng);另一個(gè)刀片可以繞著既定的軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。在2個(gè)刀片之間有一個(gè)彈簧裝置，可以使2個(gè)刀片剪合之后自動(dòng)彈開。剪切裝置在牽引閘線的牽拉下可以進(jìn)行有規(guī)律的開合運(yùn)動(dòng)，完成草莓的采摘。刀片的材質(zhì)為刀具級(jí)不銹鋼，可以避免采摘之后刀片上有水而使刀具生銹，同時(shí)也可以使刀具更加耐熱、耐磨。剪切裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.3 ? ?傳送帶裝置

草莓經(jīng)過(guò)采摘裝置采摘下之后，需要用傳送帶將其傳送至果實(shí)儲(chǔ)存裝置之中。本文設(shè)計(jì)的傳送帶上粘連單向撥桿，可以為草莓創(chuàng)造一個(gè)良好的運(yùn)輸空間。2個(gè)相鄰的撥桿間隔5 cm，接收采摘裝置剪落下的草莓。隨著圖2剪切裝置的一次開合運(yùn)動(dòng)，傳送帶順時(shí)針旋轉(zhuǎn)1個(gè)間隔的距離，以保證單次剪切運(yùn)輸1個(gè)草莓。傳送帶的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括閘線、連桿機(jī)構(gòu)、齒輪。閘線與連桿連接，閘線的收縮運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)連桿的運(yùn)動(dòng)。連桿通過(guò)單向軸承帶動(dòng)齒輪單向轉(zhuǎn)動(dòng)，利用齒輪帶動(dòng)傳送帶運(yùn)動(dòng)。通過(guò)精確控制傳動(dòng)比為2∶1，保證每一次剪切草莓之后，后一撥桿都處于前一撥桿的位置，以利于草莓果實(shí)的進(jìn)入。此傳送帶具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長(zhǎng)等諸多特點(diǎn)，非常適合草莓采摘作業(yè)的使用。傳送帶結(jié)構(gòu)具體如圖3所示。

1.4 ? ?裝置外殼的設(shè)計(jì)

本文采用聚碳酸酯（PC）作為草莓采摘裝置的外殼材料。聚碳酸酯屬于工程塑料，具有較高的強(qiáng)度和彈性系數(shù)，重量比較輕。利用聚碳酸酯作為外殼可以使裝置安裝基體的變形量小，從而保證了基體上各個(gè)零件的相對(duì)位置基本不變，使安裝精度得到保證，提高了裝置工作的可靠性，減輕了裝置的重量。聚碳酸酯的工作溫度范圍比較廣，耐候性佳，抗疲勞強(qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)。此外，聚碳酸酯透光性比較好，在檢修設(shè)備時(shí)可以從外部直接發(fā)現(xiàn)裝置的故障元件，便于檢修。在生產(chǎn)外殼時(shí)，可以采用3D打印的方式，高效精確，成品率高。

1.5 ? ?驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)

該裝置所需的電機(jī)需要頻繁啟動(dòng)且不需要特別高的輸出轉(zhuǎn)速，因而本文采用N20直流減速電機(jī)，直流電機(jī)額定電壓為5 V，額定電流為120 mA，額定力矩為0.5 N·m，堵轉(zhuǎn)電流為200 mA，堵轉(zhuǎn)力矩為1 N·m。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得剪切裝置和傳送帶裝置一共所需力矩為0.4～0.8 N·m，穩(wěn)定工作時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩為0.6 N·m，因而此電機(jī)足夠帶動(dòng)本裝置進(jìn)行正常的草莓采摘作業(yè)。將閘線固定纏繞在直徑為25 mm的帶輪上，將帶輪與電機(jī)輸出軸相連，通過(guò)開關(guān)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)纏繞牽拉閘線，通過(guò)閘線拉動(dòng)剪切裝置和傳送帶裝置，即可實(shí)現(xiàn)草莓的采摘和輸送。此電機(jī)體積小、耗能低，重量?jī)H有10 g，經(jīng)過(guò)齒輪減速之后扭矩增大，非常適合本裝置的使用。同時(shí)，為了防止電路故障而導(dǎo)致整個(gè)裝置無(wú)法工作，在握持把手旁加裝一個(gè)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)的手動(dòng)按壓把手。通過(guò)按壓此把手，也可以拉動(dòng)閘線，帶動(dòng)剪切裝置和傳動(dòng)裝置工作。

1.6 ? ?太陽(yáng)能電源供電裝置的設(shè)計(jì)

本文采用Boschrdjrd品牌額定電壓5 V、額定電流1 A的薄膜太陽(yáng)能電源，此產(chǎn)品封裝采用EVA和含氟聚合物ETEE，使其柔軟不破裂、透光率達(dá)到98%，在高強(qiáng)度紫外線照射下，ETFE膜使用壽命可達(dá)30年。電池板采用柔性不銹鋼做襯底，特別耐用。電池板關(guān)鍵元件采用三結(jié)非晶硅薄膜光電轉(zhuǎn)換芯片，該芯片能有效吸收太陽(yáng)光能，對(duì)太陽(yáng)光中的紅、綠、藍(lán)等不同波長(zhǎng)光譜能有效吸收，即使在早晨、黃昏或陰天等非理想光照條件下，也一樣可以轉(zhuǎn)換出有效電能，與其他太陽(yáng)能產(chǎn)品相比，在相同面積、相同光照、相同時(shí)間內(nèi)，可以轉(zhuǎn)換出更多的電能。此產(chǎn)品輸出接口為5 V標(biāo)準(zhǔn)USB穩(wěn)壓插座，可以直接接到裝置的便攜電源充電插口上，為電池提供穩(wěn)定的充電電壓，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的儲(chǔ)存[8-9]。

便攜式移動(dòng)電源選用小米公司5 000 mAh的小米2移動(dòng)電源，該移動(dòng)電源的重量只有254 g，極其輕便，尺寸為125 mm×69 mm×10 mm，可以輕松固定于裝置基體之上。即使當(dāng)電機(jī)在堵轉(zhuǎn)電流下工作時(shí)，此電源可以使電機(jī)工作25 h，而利用太陽(yáng)能將便攜電源充滿僅僅需要6 h左右，利用太陽(yáng)能獲得的電能完全足夠本裝置的使用?？紤]到連續(xù)陰雨天對(duì)太陽(yáng)能供電板的影響，本文為移動(dòng)電源設(shè)立外接充電接口，可以利用手機(jī)USB充電器為移動(dòng)電源進(jìn)行充電，保證裝置的正常運(yùn)行。

2 ? ?結(jié)語(yǔ)

采用基于太陽(yáng)能輔助人工采摘草莓裝置，其創(chuàng)新點(diǎn)在于利用清潔可再生的太陽(yáng)能作為整個(gè)裝置的動(dòng)力來(lái)源，裝置本著小體積、輕量化的設(shè)計(jì)理念，在實(shí)際使用過(guò)程中可以有效降低草莓采摘工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高草莓采摘效率，彌補(bǔ)了目前市場(chǎng)相關(guān)產(chǎn)品的空缺，為廣大草莓種植戶提供了價(jià)格低廉、成效顯著的輔助人工采摘草莓輔助[10]。

3 ? ?參考文獻(xiàn)

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