新型草莓采摘輔助工具設(shè)計(jì)

李祥亮 彭娟 趙貴龍 毛柯夫 紀(jì)佳欣

摘 要：近年來，我國草莓種植規(guī)模不斷擴(kuò)大，由于草莓種植存在盛果期采摘作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、周期長的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)新型草莓采摘輔助工具是極為必要的。針對我國草莓園采摘現(xiàn)狀、草莓采摘特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型草莓采摘輔助工具。該裝置模擬人工采摘草莓的動(dòng)作，將握持草莓和剪莖的動(dòng)作，巧妙地整合在一個(gè)框型框架上;框架為雙層結(jié)構(gòu)，下層框架（簡稱定刀架）固定安裝在一根桿的下端，同時(shí)在定刀架上設(shè)置一個(gè)布兜，用于接草莓;上層框架（簡稱動(dòng)刀架）鉸接定刀架上，在動(dòng)定刀架的前端分別安裝若干刀片;桿上端安裝有手柄、驅(qū)動(dòng)把手等，通過拉線將動(dòng)刀架的驅(qū)動(dòng)件與驅(qū)動(dòng)把手聯(lián)接，桿的長度設(shè)計(jì)成可調(diào)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同身高的人使用。此裝置對于降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高采摘效率和保證草莓適時(shí)采收，具有重大意義。

關(guān)鍵詞：草莓采摘裝置;輔助;快速

中圖分類號：S225;TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0087-02

0 引言

草莓不僅外形可人，而且味美，大多數(shù)消費(fèi)者對草莓有著較高的認(rèn)可度，目前，全世界草莓種植面積約為550萬畝，在小漿果品類中居首位。我國是世界上最大的草莓生產(chǎn)國之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年全國草莓種植面積230多萬畝，產(chǎn)量400多萬噸，總產(chǎn)值達(dá)600億元以上[1]。2017年我國草莓進(jìn)口1.24萬噸，同比增長7.46%;出口量9.76萬噸，同比增長6.53%[2]。隨著我國草莓行業(yè)的不斷發(fā)展，進(jìn)出口情況也隨之增長，因此草莓行業(yè)未來發(fā)展極具空間。以往草莓采摘方式以人工采摘為主，傳統(tǒng)采摘方式不僅浪費(fèi)時(shí)間，而且成本較高，導(dǎo)致草莓采摘不及時(shí)、市場供應(yīng)不及時(shí)等問題，進(jìn)而影響草莓的銷量?；诖?，應(yīng)改進(jìn)草莓采摘方式，設(shè)計(jì)新型草莓采摘輔助工具，以此提高草莓采摘效率，確保市場供應(yīng)需求得到滿足。本文探究“新型草莓采摘輔助工具設(shè)計(jì)”這一論題，論題分析的現(xiàn)實(shí)意義較顯著，具體探究如下。

1 研究概況

采摘過程在草莓種植中占有重要地位。草莓的整個(gè)種植生產(chǎn)過程中約有1/4的時(shí)間被草莓采摘所占用，并且由于草莓果實(shí)成熟后必須盡快采摘，盛果期采摘作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度大，將自動(dòng)化技術(shù)引入草莓采摘作業(yè)環(huán)節(jié)，研發(fā)草莓采摘裝置成為目前亟待解決的問題，國內(nèi)外為此做了大量的研究。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張鐵中等人針對我國常見的溫室里高壟畦作裁培的草莓，初步建立了草莓采摘機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。他們設(shè)計(jì)了兩種采摘機(jī)器人樣機(jī)，在草莓果實(shí)目標(biāo)識別、提取，定位、采摘機(jī)器人及手爪等方面的研究取得了一定成果[3-4]。上海交通大學(xué)與日本宮崎大學(xué)共同研制出了跨壟作業(yè)4個(gè)自由度的草莓收獲機(jī)器人設(shè)備。該機(jī)器人采用兩個(gè)俯視地面的CCD攝像機(jī)獲取草莓的圖像，計(jì)算出草莓的方位，用激光傳感器測量機(jī)械手爪到草莓的距離，氣動(dòng)機(jī)械手爪抓取草莓果柄，并用剪切式切刀切斷果柄。但該裝置體積龐大，且沒有驅(qū)動(dòng)裝置，距實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x[5]。此外，很多機(jī)器人采摘草莓時(shí)，對草莓的種植方式和品種還有著特殊的要求，不適合我國普遍的壟作栽培方式[6-7]。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)及方案分析

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

經(jīng)調(diào)研我們發(fā)現(xiàn)目前人工采摘主要存在以下兩個(gè)問題：（1）果農(nóng)需要長時(shí)間蹲移或彎腰采摘;（2）果農(nóng)需要逐個(gè)采摘。因此我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)為提高草莓采摘效率和降低果農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2 具體方案

如圖1所示，該裝置由剪切部件、驅(qū)動(dòng)部件、支撐部件、桿長調(diào)節(jié)部件等組成。動(dòng)、定刀架都安裝在刀架座上，定刀架固定于刀架座上，動(dòng)刀架可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并且在定刀架上裝有一個(gè)布兜;在動(dòng)、定刀架的前端分別安裝四個(gè)刀片，動(dòng)刀與定刀兩兩呈剪刀狀。拉線一端與把手相連，一端與動(dòng)刀架相連，拉線的相關(guān)結(jié)構(gòu)與剎車線的結(jié)構(gòu)相同。

如圖2，在動(dòng)刀架的轉(zhuǎn)軸上裝有扭簧，用于動(dòng)刀架的復(fù)位;支撐部件由刀架座、細(xì)桿、粗桿手柄等組成;細(xì)桿與粗桿手柄的連接處安裝有桿長調(diào)節(jié)部件，把手通過把手座固定在粗桿手柄上。

在裝置工作時(shí)，先將草莓抄入布兜中，輕輕向上提，莖便會(huì)夾在刀片之間，人驅(qū)動(dòng)把手，把手通過拉線，帶動(dòng)動(dòng)刀架轉(zhuǎn)動(dòng)，使動(dòng)刀與定刀交錯(cuò)，夾在刀片之間的莖便會(huì)被剪斷，然后，將剪下的草莓放入隨身攜帶的容器中。之后人松開把手，位于兩個(gè)刀架之間的扭簧會(huì)使動(dòng)刀架回位，準(zhǔn)備下一次采摘。

裝置中多組剪刀式的結(jié)構(gòu)保證了抄起草莓時(shí)一定有草莓莖落入剪刀口中，省去了剪刀口對準(zhǔn)莖的過程，還能一次采摘多個(gè)草莓，大大提高了采摘效率，解決了果農(nóng)逐個(gè)采摘效率低的問題。而長桿式的結(jié)構(gòu)改蹲行采摘為直立式采摘，解決了果農(nóng)蹲行采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大的問題。

3 具體設(shè)計(jì)分析

3.1 剪切部件

如圖3，該部分主要由動(dòng)刀架、定刀架和刀片等組成。不剪切時(shí)，呈上圖狀態(tài);剪切時(shí)，動(dòng)刀架將繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)刀刃口向定刀刃口交錯(cuò)，達(dá)到剪斷草莓莖的目的。

如圖4，動(dòng)刀架安裝在刀架座上，動(dòng)刀架可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，定刀架由于嵌入刀架座的凹槽而不可轉(zhuǎn)動(dòng)。

為避免動(dòng)刀架和定刀架之間間隙過大而影響剪切效果，設(shè)計(jì)了U型卡，強(qiáng)制動(dòng)、定刀貼合。同時(shí)，刀片的寬度大于相鄰刀片之間的間距，避免刀架相互卡住，影響交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而保證了兩刀架之間的距離在有效剪切距離內(nèi)。

3.2 驅(qū)動(dòng)部件

驅(qū)動(dòng)部件組主要由扭簧、拉線與把手組成。扭簧安裝在動(dòng)刀架的轉(zhuǎn)軸上，其一端緊靠于動(dòng)刀架內(nèi)壁，一端緊靠于定刀架內(nèi)壁。拉線一端固定于動(dòng)刀架，另一端與把手相連。把手安裝在把手座上，把手座安裝在粗桿手柄上。初始位置時(shí)，扭簧不受力的作用而處于自由狀態(tài)，而在剪切時(shí)，人驅(qū)動(dòng)把手，拉動(dòng)拉線，從而帶動(dòng)動(dòng)刀架繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行剪切。而當(dāng)剪切完成后，人松開把手，在扭簧的作用下，動(dòng)刀架回到初始位置，完成整個(gè)傳動(dòng)過程。

3.3 桿長調(diào)節(jié)部件

桿長調(diào)節(jié)部件主要由球頭銷、彈簧以及球頭銷座組成。球頭銷安裝在帶有彈簧的球頭銷座的孔中，再將球頭銷座移進(jìn)細(xì)桿內(nèi)，使球頭銷從細(xì)桿和粗桿上打好的孔彈出，從而固定細(xì)桿和粗桿的相對位置。而當(dāng)伸縮時(shí)，需將球頭銷按下同時(shí)拉（推）粗桿，在需要的位置時(shí)停下，球頭便會(huì)卡入粗桿上的孔，使粗桿的位置固定，從而達(dá)到調(diào)節(jié)桿長的目的。

4 結(jié)語

本裝置旨在提高草莓采摘率和降低采摘人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，裝置具有如下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）多組剪刀式結(jié)構(gòu)。多組剪刀同平面共架安裝可以保證隨意抄起草莓時(shí)一定有草莓莖落入剪刀口中，省去了刀口對準(zhǔn)莖的過程，還能一次采摘多個(gè)草莓，大大提高了采摘的效率。（2）直立式采摘。人在使用此裝置時(shí)不必蹲下，只需站著即可采摘。如果裝置長度不合適，還可以調(diào)節(jié)長度，大大降低了人們的勞動(dòng)強(qiáng)度。

本裝置成本低廉，適用于中小規(guī)模的草莓種植場，輕巧靈便，適合各身高人群使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國農(nóng)業(yè)網(wǎng)，2018.04.02.

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