一體式小型草莓采收機(jī)

馬云，曹聰，吳鑫蕊

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一體式小型草莓采收機(jī)

馬云，曹聰，吳鑫蕊

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)草莓種植業(yè)發(fā)展迅猛，產(chǎn)量逐年增高，但與之不匹配的是，我國(guó)草莓采摘仍以人工采收為主。因草莓的采收周期長(zhǎng)，采摘者的勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)量都非常大，且為了分辨果實(shí)成熟度和防止損傷果實(shí)，所以果農(nóng)需長(zhǎng)時(shí)間且頻繁彎腰或者蹲于兩壟間工作，效率不高，影響身體健康。對(duì)此，設(shè)計(jì)了一種新型的一體式草莓采收機(jī)，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)采收，提高果農(nóng)的采收效率。通過(guò)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新組合與模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)草莓是否成熟進(jìn)行分選梳理，完成采摘與收集工作；通過(guò)控制手柄端電動(dòng)按鈕實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化采收，操作者不需彎腰或蹲下進(jìn)行工作；通過(guò)適應(yīng)性分析及設(shè)計(jì)，在保證高效率的同時(shí)在采收過(guò)程中不損傷草莓。

草莓采收機(jī)；半自動(dòng)采收；果實(shí)成熟度；采收效率

1 作品背景及意義

我國(guó)草莓種植面積廣大，年產(chǎn)量約90萬(wàn)噸，居世界第一位。草莓作為一種生長(zhǎng)較為低矮的水果植株，表皮柔軟易產(chǎn)生損傷，人工采摘時(shí)需要彎腰或者蹲于兩壟之間進(jìn)行采摘，影響采摘者身體健康且效率不高。草莓果實(shí)不定期成熟，生長(zhǎng)方式獨(dú)特，需要人工不間斷地進(jìn)行判斷和收獲，但我國(guó)農(nóng)業(yè)往往以小規(guī)化采收為主，所以綜合上述因素，我國(guó)的草莓采摘具有工作量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

基于以上背景，設(shè)計(jì)了一款一體式小型草莓采收機(jī)，由分選梳理模塊、剪切模塊和收集模塊組成。

2 作品方案設(shè)計(jì)

草莓采收機(jī)如圖1所示。該裝置體積小，在草莓壟地間行進(jìn)，控制裝置后端手柄的按鈕通過(guò)機(jī)構(gòu)梳理草莓并剪切果莖，操作者不用彎腰便可完成采收水果的工作。

分選梳理模塊采用曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使梳齒板按一定軌跡運(yùn)動(dòng)，梳齒板的梳齒間隙按照草莓大小設(shè)計(jì)，可以區(qū)分草莓的成熟度是否達(dá)到要求，同時(shí)使用扭簧做自適應(yīng)設(shè)計(jì)，保證在不損傷草莓的同時(shí)實(shí)現(xiàn)其分選梳理，操作方便，加工簡(jiǎn)單。

剪切模塊主要由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和錯(cuò)動(dòng)式切割裝置組成，利用舵機(jī)帶動(dòng)切割裝置向下翻轉(zhuǎn)，利用鮑登線原理，握緊把手對(duì)草莓莖進(jìn)行切割，草莓落入收集盒中，收集盒可從車后部取出。通過(guò)對(duì)兩個(gè)模塊的模擬實(shí)驗(yàn)，裝置能很好滿足果農(nóng)對(duì)采收功能的要求，且使用方便。

3 作品整體介紹

裝置工作流程如下：將裝置放于采摘時(shí)的初始位置，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿擺動(dòng)帶動(dòng)梳齒板與草莓壟壁產(chǎn)生接觸并上移，與草莓產(chǎn)生接觸，較大草莓的草莓莖被梳齒板拉起，實(shí)現(xiàn)辨別草莓成熟與否的分選梳理功能，錯(cuò)動(dòng)式剪切板在舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，剪切前，草莓莖處于動(dòng)刀架和定刀架之間，握緊手把，閘線被拉動(dòng)時(shí)，動(dòng)刀架與定刀架發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最后，固連在動(dòng)刀架上的刀片完成對(duì)草莓莖的剪切過(guò)程。剪切后的草莓莖掉入收集盒中。梳理模塊運(yùn)動(dòng)方式如圖2所示。

圖1 草莓采收機(jī)

圖2 梳理模塊運(yùn)動(dòng)方式

4 作品模塊設(shè)計(jì)

4.1 分選梳理模塊

分選梳理模塊可以根據(jù)草莓大小進(jìn)行分選梳理，用剪切機(jī)構(gòu)對(duì)草莓莖進(jìn)行剪切。由導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、梳齒板和自適應(yīng)貼合裝置組成，電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)曲柄的旋轉(zhuǎn)。梳齒板沿著設(shè)計(jì)的軌道運(yùn)動(dòng)，為了使梳齒板能夠緊貼壟壁，滑塊和梳齒板間增加了扭簧。

4.2 剪切模塊

剪切模塊主要由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和錯(cuò)動(dòng)式切割裝置組成。成熟草莓被梳理至梳齒板內(nèi)側(cè)，舵機(jī)帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使固連在連桿上的切割裝置向下翻轉(zhuǎn)至梳齒外側(cè)。

錯(cuò)動(dòng)式切割裝置利用鮑登線原理，握緊把手使內(nèi)部閘線拉動(dòng)動(dòng)刀架，動(dòng)刀架相對(duì)于定刀架橫向移動(dòng)切割草莓莖，松開把手壓彈簧產(chǎn)生的彈力使刀架復(fù)位。

4.3 收集模塊

剪切后的草莓落入收集盒中，收集盒與車架底板通過(guò)滑槽連接，草莓裝滿收集盒后，收集盒可以從車的后部抽出，使用方便。

5 作品機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 間隙式梳齒板

齒板間的梳齒間距可以滿足分離不同規(guī)格草莓大小的目標(biāo)，按照草莓大小進(jìn)行分選，較大的草莓由于不能通過(guò)梳齒間隔，所以梳理后停留在梳齒板上，較小的草莓通過(guò)梳齒間隔，仍能自然下垂在壟坡上。

考慮到不同品種草莓具有不同的規(guī)格，設(shè)計(jì)了不同的梳齒間距；考慮到草莓的表皮易損傷，為了不損傷草莓表皮，將梳齒板的頂部設(shè)計(jì)成圓角，并且將梳齒板設(shè)計(jì)成可拆卸結(jié)構(gòu)，在梳理不同規(guī)格的草莓莖時(shí)能做到更加方便和人性化，便于更換。

5.2 自適應(yīng)貼合裝置

本裝置設(shè)計(jì)的梳齒板具有自適應(yīng)的特點(diǎn)，為了使梳齒板能夠緊貼壟壁，滑塊和梳齒板間增加了扭簧。扭簧的兩端分別被固定到梳齒板和滑塊上，當(dāng)梳齒板繞著彈簧中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，該彈簧將它們拉回初始位置，產(chǎn)生扭矩。扭簧可以存儲(chǔ)和釋放角能量或者通過(guò)繞簧體中軸旋轉(zhuǎn)力臂以靜態(tài)固定某一裝置。

5.3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)由安裝在小車頂部的雙軸舵機(jī)提供驅(qū)動(dòng)，舵機(jī)輸出軸與曲柄相連，連桿與錯(cuò)動(dòng)式切割裝置固連。舵機(jī)作為一種位置伺服的控制器，可精確定位，可以將切割裝置翻轉(zhuǎn)至梳齒板外側(cè)。

6 尺寸計(jì)算

6.1 裝置整體尺寸

從人機(jī)工程學(xué)的角度和操作性出發(fā)，以成年男性平均身高尺寸數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該裝置適合大部分人使用。此外，通過(guò)實(shí)地調(diào)研了解草莓壟結(jié)構(gòu)，查閱相關(guān)數(shù)據(jù)，再結(jié)合內(nèi)部各模塊的尺寸，設(shè)計(jì)本裝置整體尺寸為高度1 000 mm、長(zhǎng)度1 100 mm、寬度370 mm。

6.2 梳齒板尺寸

裝置通過(guò)梳理將草莓進(jìn)行切割，通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)草莓壟上兩株草莓之間的距離大約150～200 mm?？紤]到梳理草莓的安全性的高效性，因此設(shè)計(jì)梳齒板長(zhǎng)度300 mm、寬度95 mm、厚度4 mm。

7 項(xiàng)目效益分析

原采摘流程所需時(shí)間，經(jīng)實(shí)地測(cè)算為6.25 s，本作品采摘流程所需時(shí)間，經(jīng)實(shí)地測(cè)算為4.13 s，此次測(cè)算結(jié)果為人與機(jī)器同時(shí)采摘一列壟地中單個(gè)草莓的平均用時(shí)，可得出采摘效率提升33%.

裝置除簡(jiǎn)化了采摘流程，成本低廉，減輕果農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度外，還延長(zhǎng)了工作時(shí)間，間接提高了采摘效率。

8 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

本作品創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①機(jī)構(gòu)上，巧妙地將分選、剪切、收集多個(gè)功能進(jìn)行整合，在有限的空間里設(shè)計(jì)多種創(chuàng)意組合機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化采收草莓，提高采收效率；②功能上，導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和間隙式梳齒板的組合實(shí)現(xiàn)了草莓的分選采收，自適應(yīng)扭簧保證了采收的安全高效性；③作品對(duì)裝置進(jìn)行一系列人因設(shè)計(jì)，體積小重量輕，果農(nóng)無(wú)需彎腰勞作，電動(dòng)輔助可輕松推動(dòng)，可適用于各種規(guī)格的草莓壟地。

9 應(yīng)用前景

本作品針對(duì)草莓采收過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一款無(wú)需彎腰采收草莓的裝置，可有效減少人手操作步驟，降低工作強(qiáng)度，提高了采摘效率，節(jié)約采收成本。本裝置適應(yīng)不同的采摘環(huán)境，不受壟溝寬度的限制，裝置的使用范圍廣；裝置原理簡(jiǎn)單，與現(xiàn)有的大型草莓采摘機(jī)器人相比，價(jià)格低，便于推廣；目前市場(chǎng)上未見同類產(chǎn)品，也未見與本作品相似的發(fā)明專利，而本產(chǎn)品設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單巧妙，生產(chǎn)銷售方便，市場(chǎng)前景廣闊；此外，作品人機(jī)協(xié)同采收的理念可廣泛應(yīng)用于其他水果的采摘過(guò)程之中，為其他小型輔助采摘設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。

［1］唐增寶，常建娥.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007.

［2］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［4］朱金生，凌云.機(jī)械設(shè)計(jì)使用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真圖解［M］.第2版.上海：電子工業(yè)出版社，2013.

［5］田裕鵬.傳感器原理［M］.第3版.北京：科學(xué)出版社，2007.

2095－6835（2019）05－0146－02

S225

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.146

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕