一種可視化水果輔助采摘剪刀設計

張磊 陳行行 劉楨筠 秦培亮

摘 要：基于杠桿原理的設計理念，通過將省力杠桿應用到水果采摘剪刀上，僅僅利用幾何形狀極為簡單的一些零件，就可根據實際生產需要制作出滿足于高空或地面水果采摘的工具，區(qū)別于傳統(tǒng)的高空采摘剪刀。本文設計了一種可視化的省力水果輔助采摘剪刀，對其工作原理進行了分析，給出了相應的力學計算公式，該水果輔助采摘剪刀設計新穎，使用可靠，經濟高效，適應了智能農業(yè)發(fā)展的趨勢，具有良好的應用前景。

關鍵詞：可視化;輔助采摘;杠桿;剪刀

隨著水果產業(yè)的快速發(fā)展，種植面積不斷擴大，水果采摘也成為一種繼續(xù)解決的問題，以草莓為例，據了解全球草莓種植面積由2000年的31.4萬hm2增長至2017年的40.3萬hm2，種植面積不斷擴大的同時草莓采摘勞動成本在逐漸提高，收獲作業(yè)的機械化、便捷化以及娛樂性成為廣大種植戶普遍關心的問題，由于采摘作業(yè)具有較強的地域性、季節(jié)性和周期性，因此采摘作業(yè)是一些水果生產中最耗時、最費力的一個環(huán)節(jié)之一，并且市場上還沒有成熟的采摘設備。

近年來，隨著生活水平的不斷提高，人們對于生活質量的追求也是越來越高，水果作為生活中不可缺少的商品，給人們提供重要的營養(yǎng)成分，鑒于生活水平的提高，傳統(tǒng)水果店銷售模式已經不能滿足人們對于水果功能的需求，為了獲得更加新鮮的水果，同時體驗采摘過程中的樂趣，越來越多的人選擇到果園采摘水果，為了提高采摘過程中的舒適度和娛樂性，我們設計了一款采用省力杠桿結構的可視化輔助采摘剪刀，借助在剪刀前端安裝的小型藍牙可視裝置，將手機連接到藍牙可視裝置，從而達到可視化的目的，可以做到既省力，又方便有效地采摘水果。

一、結構組成

該新型水果輔助采摘剪刀結構如圖1、圖2所示，主要由握持機構，伸縮機構，藍牙可視機構，剪斷夾持機構四個部分組成。伸縮機構可根據使用人身高的不同以及不同水果的采摘要求，調整剪刀連接桿的長度，從而達到舒適采摘的目的，藍牙可視機構由藍牙可視攝像頭、手機固定支架和手機組成，用于輔助觀察，精確定位剪斷位置，而且手機還可根據實際情況需要進行拆裝，剪斷夾持機構由鋁制剪刀頭和ABS樹脂夾持塊組成，用于完成剪斷和加持的工作，保證水果不落地。

二、工作原理

水果輔助采摘剪刀通過刀頭、拉桿、把手三部分，利用杠桿原理將人的握力進行放大，放大后的力通過拉桿傳遞到刀頭，從而完成水果采摘和夾持，藍牙利用長波工作可以傳輸10m左右，足夠滿足傳輸的需要，可視化系統(tǒng)利用視覺傳感器和藍牙無線傳輸的工作原理，將攝像頭的實時圖像傳送到手機中從而實現可視化的操作。

三、產品展示

四、試驗分析

本輔助采摘剪刀從省力化角度出發(fā)，采用了省力杠桿力放大機構，即使較為粗的莖也可以輕易剪斷，因此操作者只需很小的力量即可完成水果采摘。

（一）測量水果參數

以草莓，蘋果兩種具有代表性的水果的果柄直徑，取平均值。

（二）試驗分析

選取3組草莓和3組蘋果作為樣品，每組100顆，進行實地采摘試驗，采摘成功率N和草莓損傷率D，得公式

通過實際的試驗研究表明，使用該輔助采摘工具，草莓采摘成功率平均值為98%，損傷率平均值為2%，蘋果采摘成功率平均值為98.33%，損傷率平均值為1.66%。

五、創(chuàng)新特點

水果輔助采摘剪刀結構簡單，采用鋁合金及塑料材質，整體質量輕，剪刀頭上裝有ABS的夾持裝置，采摘過程中不需要用手去直接接觸果實，防止了對果實的二次傷害，極大地提高了采摘的質量。

采用長距離可視化模塊，增加采摘可視距離，提高人眼使用采摘剪刀時采摘的準確性。

使用水果輔助采摘剪刀，降低了勞動成本，提高了勞動效率，減小了勞動強度，同時具有一定的娛樂性，符合當前農業(yè)觀光旅游市場的需求，具有廣闊的市場前景。

六、結束語

研發(fā)采摘機器人用于輔助或代替人工采摘，是解決鮮食果蔬人力采摘勞動強度大、效率低以及成本高等客觀問題的重要途徑，也是智能農機領域的研究熱點。通過試驗發(fā)現，本水果采摘剪刀不僅能夠降低勞動強度，提高采摘趣味性，而且對提高經濟效益有一定的作用，對于促進我國農業(yè)機械化發(fā)展、加速農業(yè)現代化進程有著重大的社會意義。

參考文獻：

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[3]吳曉云，高照全，李志強，程建軍.國內外草莓生產現狀與發(fā)展趨勢[J].北京：北京農業(yè)職業(yè)技術學院，2016.

[4]張曼.草莓采摘機器人遠-近景組合視覺系統(tǒng)設計[J].陜西：西北農林科技大學，2018.

作者簡介：張磊（1998—）男，江蘇徐州人。

通訊作者：秦培亮（1981—）男，江蘇徐州人，副教授。

基金項目：

1.江蘇省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（項目號：201912808009Y）小型可調輔助采摘農機具;

2.江蘇現代農業(yè)（草莓）產業(yè)技術體系（項目號：JATS[2018]233）相城推廣示范基地;

3.2017年蘇州農業(yè)職業(yè)技術學院青年教師教育教學研究能力提升專項課題農業(yè)高職院工科學生實踐技能培養(yǎng)策略研究項目編號SNQJ09主持人：秦培亮。