采摘收集一體化草莓收獲機構的設計研究

杜沛松 杜娟 何延東 王浩軒 高亮 裴俊杰

摘要：目前我國草莓仍以人工徒手采摘方式為主，摘果效率低。在研究國內外草莓采摘機械現(xiàn)狀及采摘機構原理特點的基礎上，設計一種采摘收集一體化草莓收獲機構，闡述該機構總體方案與工作原理，并加工出樣機進行采摘試驗，結果表明該機構適用于壟作草莓采摘作業(yè)。

關鍵詞：草莓;收獲機構;采摘;收集;一體化;設計

中圖分類號：S225? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2019）05-0023-03

我國是農業(yè)大國，也是蔬菜水果供應大國。我國草莓種植面積廣，分布地域較為密集，種植方式主要是壟作。由于草莓果實多汁易損，而國內對草莓采摘機具研究較少，目前草莓采摘仍以人工徒手方式為主，采摘過程十分消耗體力，采摘效率低。農業(yè)勞動力不足及老齡化問題的不斷加重，對水果采摘的機械化程度提出了新的要求，研發(fā)水果采摘機械既能降低勞動強度，又能促進我國農業(yè)機械化發(fā)展，對于加快我國農業(yè)現(xiàn)代化進程具有重要意義。

1 草莓采摘機械研究現(xiàn)狀

自20世紀80年代開始，一些發(fā)達國家如日本、美國等對水果采摘機器人進行了大量試驗研究，設計出蘋果、橙子、櫻桃、甜瓜、草莓、葡萄等水果采摘機器人或樣機。日本近藤等人研制出一種采用真空設備氣吸式采摘草莓的機器人，通過控制真空吸力的強度采摘成熟草莓果實，可減少對草莓果實外皮的接觸。上海交通大學郭峰等人運用彩色圖像處理技術和神經(jīng)網(wǎng)絡理論設計一種草莓揀選機器人，采用氣動驅動器將草莓推到不同等級方向。西北農林科技大學基于4自由度直角坐標機器人研發(fā)出草莓采摘機器人，采用2個CCD攝像機對草莓果實進行識別定位。新疆大學李長勇等人研制出一種高架草莓采摘機器人，能夠自主識別、定位并無損傷采摘高架栽培模式下的成熟草莓。

目前國內外草莓采摘機械尚存在一些問題：一是普遍采用多機器視覺系統(tǒng)，結構復雜，成本較高;二是整體機構龐大，工作所需行走空間大，影響種植密度;三是采摘時需要定位成熟草莓的空間三維坐標，但草莓天然生長位置及形狀各異，夾持果莖時會因定位精度下降影響摘果準確性，造成果實損傷;四是采摘機器人價格偏高，從經(jīng)濟效益方面考慮很難普及，限制了技術成果向生產(chǎn)力轉化。

2 采摘收集一體化草莓收獲機構的設計

草莓種植方式分為高架式和壟作式。目前國內外大部分草莓采摘機械適用于高架式草莓，其先利用圖像處理方式識別出成熟草莓，然后通過剪斷果梗實現(xiàn)果實收集;而壟作式草莓種植在壟上，植株距離地面近，無法使用現(xiàn)有的采摘裝置完成采摘作業(yè)。本課題設計一種適用于壟作草莓的采摘收集一體化收獲機構，相比草莓采摘機器人，其結構緊湊、生產(chǎn)成本低、操作簡便，可大面積推廣。

2.1 總體方案

采摘收集一體化草莓收獲機構的主要工作部件是草莓采摘收集手臂（如圖1所示）。人工采摘時可使用機械手臂輔助站立完成采摘作業(yè)，根據(jù)使用者身高調節(jié)手臂的長度。采摘刀具內刃設計為鋸齒形狀，可以更好地固定草莓果莖。刀具內部設有彈簧，剪刀剪完草莓后自動恢復到待剪狀態(tài)。

機械手臂自帶收集槽（如圖2所示），通過收集槽和剪刀的配合實現(xiàn)一剪一收集，一個周期可以收集多個草莓。每剪一次，收集槽在下方驅動機構的驅動下旋轉一定角度，防止草莓上下重疊，保證摘下來的草莓果實均勻分布在圓筒形收集槽內。收集裝置底部和側壁墊有泡沫棉起到緩沖作用，防止草莓被剪下后落入收集槽時磕碰而造成損傷。收集槽中間設有手持部分，一個收集槽裝滿以后可取出更換另一個空收集槽，準備下一個周期的采摘和收集。收集槽裝配時使用折頁作為連接機構。

2.2 工作原理

使用時，采摘者通過把手調節(jié)手臂的空間位置，將剪刀對準要采摘草莓的莖并握下把手，通過鋼絲繩連接，將手握把手的運動分別傳遞到剪刀和收集槽上。刀具受力合攏切斷果莖，使草莓落入收集槽中，松開把手后刀具在彈簧作用下恢復原狀，做好下一次剪切準備;同時，鋼絲繩拉動收集槽下的棘爪，驅動棘輪旋轉一個工位，使收集槽上正對著剪切刀具的位置空出，為下一顆草莓采摘做準備。完成一次草莓采摘與收集的工作流程如圖3所示。

2.3 主要結構設計

采摘收集一體化草莓收獲機構主要由機架、把手、剪切刀具、旋轉機構、收集槽5個部分構成。

2.3.1 機架 機架分上下兩節(jié)，上下連接桿用螺栓連接。機架結構相當于延長了采摘者的手臂，實現(xiàn)了由站立采摘代替彎腰或下蹲采摘，極大地緩解了采摘者的勞動強度，提高了采摘效率。

2.3.2 刀具 刀具前端采用圓角過渡，避免碰傷果實。為方便收集裝置的裝卸，將刀具與機架連接桿設計成分體式，二者采用折頁連接。在工作狀態(tài)下，刀具和連接桿呈一條直線，鋼絲從中間的孔中穿過，驅動刀具運動;在非工作狀態(tài)下，刀具連接桿抬起可以更換收集槽。

2.3.3 驅動機構 驅動機構由1個棘輪、2個棘爪、固定棘爪的外殼及為棘爪提供動力和彈力的彈簧構成（如圖4所示）。彈簧支撐桿兩側固定在收集槽外殼上，該彈簧實現(xiàn)了棘爪的前后回彈運動，每次收集草莓時通過手握把手控制鋼絲繩拉緊，鋼絲繩拉動棘爪下殼，帶動驅動棘爪運動，棘爪帶動棘輪逆時針轉動一個齒，制動棘爪阻止棘輪連續(xù)轉動。

2.3.4 收集槽 收集槽（如圖5所示）為帶有錐度的圓筒，圓邊與直線過渡相切。收集槽底部設計6個繞圓周均勻分布的凹坑結構，凹坑與外殼上的6個相似形狀的凸起配合，實現(xiàn)棘輪轉動時帶動收集槽同步運動。

3 應用試驗

制作采摘收集一體化草莓收獲機構樣機，進行草莓采摘試驗。通過試驗發(fā)現(xiàn)：在整個采摘過程中，采摘者可以始終保持上體直立，使用采摘收集手臂相比傳統(tǒng)采摘方式極大地減輕了勞動強度;該機構操作簡單，普通草莓種植戶均可輕松掌握。在應用中也發(fā)現(xiàn)了一些問題：手臂的重心比較靠前，需要兩只手進行操作;采摘操作時需要按下把手，長時間操作手部容易疲勞，應加強整個裝置的潤滑以減小操作阻力;摘果過程中需要定期檢查或更換刀具。今后可在這些方面進行改進設計。