一款小型地壟式草莓采摘裝備的設(shè)計

陳淑嫻　蔣立軍　奚秀芳

摘要：中國是草莓生產(chǎn)和消費大國，但采摘收獲方式仍主要依賴人工進行。針對地壟式草莓人工采摘勞動強度大、效率低以及市場上現(xiàn)有采摘裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴等問題，設(shè)計一款小型地壟式草莓采摘裝備。設(shè)備集草莓識別、采摘、傳輸、收集功能于一體，由行走裝置、采摘裝置、適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置、收集存儲裝置和控制電路部分構(gòu)成。經(jīng)樣機收獲性能驗證試驗，小型地壟式草莓采摘裝備能夠有效輔助人工開展采摘作業(yè)，提高勞動效率，創(chuàng)造經(jīng)濟價值。

關(guān)鍵詞：小型；草莓；采摘；裝備

中圖分類號：S225 文獻標(biāo)識號：A 文章編號：1003-4374（2023）02-00-06

Design of A Small Size Equipment of Ridge Type for Strawberry Picking

Chen Shu-xian Jiang Li-jun Xi Xiu-fang

（1. Guangxi Vocational University Agriculture ， Nanning， Guangxi 530007， China;

2.Liuzhou Overeem Machinery Co.， LTD， Liuzhou， Guangxi 545005， China）

Abstract： China is a big country of strawberry production and consumption， but the picking and harvesting methods still mainly rely on manual work. Aiming at the problems of high labor intensity， low efficiency and complex structure and high price of existing picking equipment on the market， a small size equipment of ridge type for strawberry picking is designed. The equipment integrates the functions of strawberry recognition， picking， transmission and collection. It consists of walking device， picking device， adaptive adjustment device， collection and storage device and control circuit. Through the prototype harvest performance verification test， the small size equipment of ridge type for strawberry picking can effectively assist the manual picking operation， improve labor efficiency and create economic value.

Key words： small size， strawberry， pick， equipment

草莓是世界溫帶和亞熱帶地區(qū)廣泛栽培的草本漿果之一，具有“水果皇后”的美稱［1］，在世界上大部分地區(qū)廣泛種植，是全球重要的經(jīng)濟農(nóng)作物之一。其鮮美紅嫩，香氣濃郁，深受人們青睞，且經(jīng)濟效益顯著，銷售市場廣闊，極具發(fā)展前景。

在我國，草莓種植分為地壟式和高架式兩種，其中地壟式栽培占栽種率的80%以上［1］。通過對地壟式草莓采摘情況進行調(diào)研后可知，雖然草莓作為一種深受喜愛的高營養(yǎng)農(nóng)作物，產(chǎn)量在逐年上升，但在我國采摘工作仍然主要依賴人工進行［2］，主要存在以下問題：采摘者需彎腰下蹲進行采摘，長期勞作易導(dǎo)致腰酸背疼，造成工作不便；果農(nóng)需隨身攜帶收納箱進行果實收集，收集完成后還需搬運至果園外圍，加大了農(nóng)民的勞動強度；青壯年勞動人口外流，農(nóng)業(yè)從業(yè)人員趨向大齡化。勞動力的嚴(yán)重匱乏、采摘過程缺乏規(guī)范化等也會影響果實產(chǎn)出率。果實成熟季節(jié)收獲周期短，若不及時采摘，會因過度成熟而無法食用。據(jù)統(tǒng)計，草莓人工收獲時間占到生產(chǎn)總環(huán)節(jié)用時的40%，采摘所用到的人工成本約占草莓生產(chǎn)成本的50%～70%，影響草莓價格居高不下［3］。由此可以看出，草莓采摘工作的復(fù)雜程度以及耗費的勞動成本已成為制約草莓種植業(yè)發(fā)展的重要因素之一，自動化的采摘方式有望取代人工方式，解放勞動力，提高收獲效率。

目前國外草莓采摘收獲機械方面，德國和日本走在世界前列［4］。例如日本近藤直等學(xué)者開發(fā)的適用于高架式的采摘機器人，通過在龍門式移動平臺上安裝5自由度的直角坐標(biāo)機械臂，由機器視覺系統(tǒng)與末端執(zhí)行器配合，實現(xiàn)識別、定位、吸入、剪切的采摘過程［4］。德國AG ROBOT公司所研發(fā)的大型草莓采摘機，可實現(xiàn)全天不間斷作業(yè)，相對人工采摘時效更長、產(chǎn)能更大。其安裝有24個獨立機械臂同時開展作業(yè)，并應(yīng)用輪式行走裝置，配合超聲波傳感器，實時監(jiān)測車輪與田壟的距離，避免機器行走過程損傷植株。國外采摘設(shè)備智能化程度高，但存在以下局限性：一是設(shè)備多用于高架栽培式草莓，不符合我國傳統(tǒng)地壟式栽培需求；二是設(shè)備體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，難以在中國小農(nóng)經(jīng)營模式下廣泛普及，嚴(yán)重限制技術(shù)成果向?qū)嶋H生產(chǎn)轉(zhuǎn)化；三是設(shè)備必須適配相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化的種植溫室，不能運用在不同規(guī)格種類的壟地中。而中國的草莓種植業(yè)具有其特殊性，草莓田壟沒有相對固定的規(guī)格，彼此之間形狀差距較大。

相比國外，國內(nèi)地壟式草莓采摘機械化研究起步較晚，但也取得一定成果。例如杜國峻等［5］設(shè)計一種草莓采摘機，機器由單電機驅(qū)動，利用手爪雙曲柄機構(gòu)將草莓從地壟上挑起并割斷果梗，果實隨著收集圓盤運動后落入收集裝置。段利英等［6］設(shè)計一種可伸縮性草莓采摘裝置，由采摘和運輸兩部分構(gòu)成，省時省力提高效率等。但國內(nèi)采摘自動化多為試驗室研究階段，很少進入批量生產(chǎn)實際階段，在實用性方面仍有很大提升空間。因此，結(jié)合我國國情，小型化、智能化、實用化的采摘裝備將是未來發(fā)展趨勢［7］。一方面，設(shè)備的小型化可有效提高土地利用率和草莓產(chǎn)量；另一方面，控制系統(tǒng)的智能化也可助力高效無損采摘。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、采摘效率、果實完好率、投入成本在一定程度上完美融合，最終推進裝備的實用化。［8］

基于上述問題和現(xiàn)實背景，本文將設(shè)計一款新型地壟式草莓采摘裝備，旨在滿足我國國情的同時，提高工作效率，減少人工成本，助力農(nóng)業(yè)裝備現(xiàn)代化發(fā)展，幫助農(nóng)戶提高經(jīng)濟效益。

1 裝置總體設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

本設(shè)計擬定達到的目標(biāo)如下：第一，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積較為小巧，方便攜帶，易于在小規(guī)模地壟式園區(qū)進行移動。第二，成本相對低廉，性價比高，使用簡單，操作方便，維修成本低，利于進行普及推廣應(yīng)用。第三，帶有自適應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，可滿足不同規(guī)格壟高和壟寬的草莓種植布局。第四，盡可能避免水果在收納傳輸環(huán)節(jié)造成的損傷，提高果實收成率。第五，采用蓄電池驅(qū)動方式，節(jié)能減排，綠色環(huán)保。

1.2 總體方案

針對設(shè)計目標(biāo)，本草莓采摘裝備主要由機械部分和電路控制兩大部分組成。其中機械結(jié)構(gòu)包含行走裝置、采摘裝置、適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置、收集傳輸裝置等，電路控制部分主要是對行走電機、水果識別、切割刀具、梳齒收集器等的綜合控制。通過各個部分間的緊密配合來實現(xiàn)草莓自動采摘過程。該裝備采用顏色傳感器識別檢測，刀具進行切割采摘，可適應(yīng)地壟式草莓生長分布高低不均情況，最終落入收集器，實現(xiàn)了自動化采摘，解決了人工采摘工作勞動強度大、成本高的問題。裝備整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2.1 行走裝置

行走裝置位于整機最下方，是由左右共四只履帶輪結(jié)構(gòu)組成，主要起承載整個設(shè)備的重量，并實現(xiàn)裝置整體移動運輸?shù)墓δ茏饔?。行走裝置位置示意如圖2所示，行走裝置結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，由驅(qū)動電機（101）、驅(qū)動輪（102）、承重輪（103）、履帶（104）、擋泥板（105）、支架（106）、緊固螺栓（107）等組成。當(dāng)按下啟動按鈕后，控制驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)帶動驅(qū)動輪，實現(xiàn)裝置的往返運輸和節(jié)能減排綠色運行。同時，履帶式的運輸方式可以加強設(shè)備的地形通過能力和整機承載能力。增加擋泥板設(shè)計，在行駛過程中阻隔部分泥沙石塊等，防止沉積物進入履帶輪結(jié)構(gòu)中造成損壞，可有效保護設(shè)備機械結(jié)構(gòu)。

1.2.2 采摘裝置

采摘裝置可進行水果成熟度顏色識別和切割采摘，主要由收集撥桿（201）、傳輸滑道（202）、顏色傳感器（203）、切割刀片（204）、刀片電機（205）、固定板（206）等裝置組成。通過模仿人手采摘過程，先由收集撥桿（201）將草莓莖稈挑到對應(yīng)的傳輸滑道（202）上，使其與壟面分離，緊接著由高精度顏色傳感器（203）判斷識別草莓色澤是否達到采摘的條件，如果達到閾值條件，相應(yīng)的切割刀片（204）則會進行切斷草莓莖的動作，使草莓脫落，通過傳輸滑道導(dǎo)向進入對應(yīng)的收集裝置。反之，刀片不進行切割動作，隨著裝置行走，使草莓莖稈再次滑落回壟坡上。采摘裝置可在必要地方增加防碰減震泡沫，使草莓在傳輸過程中不易損傷。采摘裝置位置示意圖如圖4所示，采摘裝置結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

1.2.3適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置

為了提高設(shè)備對于不同規(guī)格壟寬和壟高的適應(yīng)度，使采摘裝備具有更大范圍適應(yīng)力，設(shè)計自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置。主要是由安裝在設(shè)備兩側(cè)的升降導(dǎo)軌（301）、升降滑塊（302），以及布置在上方的雙絲杠傳動結(jié)構(gòu)即水平光軸（303）、光軸座（304）、電機（305）、軸承（306）和支撐板（307）組成。首先將采摘裝置固定板（206）與升降滑塊（302）進行緊固后，由升降滑塊（302）在升降導(dǎo)軌（301）上的上下移動帶動實現(xiàn)采摘裝置的上下高度調(diào)控，能適應(yīng)不同壟高；同時也可通過兩組絲杠螺母機構(gòu)實現(xiàn)左右寬度可調(diào)，以適應(yīng)不同壟寬，提高裝置對不同環(huán)境規(guī)格草莓壟地的適應(yīng)性。適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置位置示意圖如圖6所示，適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

1.2.4 收集存儲裝置

收集存儲裝置實現(xiàn)草莓可靠收集傳輸，由梳齒收集器（401）、收集器翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（402）、收集器升降機構(gòu)（403）、收集倉（404）、儲存平臺（405）等部分組成。工作過程中，由刀片切下來的草莓通過滑道滾落到梳齒收集器（401）上，采用梳齒收集器（401）可以減少草莓之間的摩擦碰撞，有效保護草莓外表質(zhì)量。收集器升降結(jié)構(gòu)（403）包含光軸可實現(xiàn)梳齒收集器的上升或下降，以配合傳輸滑道和收集倉的高度。通過梳齒收集器翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（402），可實現(xiàn)梳齒收集器翻轉(zhuǎn)，使草莓落入最終的收集倉（404），完成草莓采摘收集工作。本設(shè)備上部可酌情搭設(shè)疊放二三層儲存平臺（405），用于儲存大量草莓，使果農(nóng)不必疲于更換收集器，收集存儲裝置結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。

1.2.5 電路控制部分

控制電路部分用于整機控制，通過控制器等實現(xiàn)對整機行走電機、水果自動識別、刀具電機、梳齒收集器電機等的綜合控制。直線運動的動力來源一般有液壓驅(qū)動和電機驅(qū)動兩種方式，考慮到電機驅(qū)動在高速、高精度、小型化、節(jié)能等方面更能滿足草莓采摘系統(tǒng)的需要。［8］因此，本設(shè)備選用電機驅(qū)動方式。

通過顏色傳感器識別圖像紅色閾值，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給單片機進行分析和判斷草莓成熟度，根據(jù)判斷結(jié)果輸出控制信號驅(qū)動相應(yīng)的控制電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)草莓采摘過程。

2 裝備工作過程

裝備在工作過程中，與草莓壟坡的位置關(guān)系如圖9所示［9］。按下啟動按鈕，裝備開始在田壟上開始直線行走，仿生手指將草莓莖稈從地膜上挑起，撥入傳輸滑道中。當(dāng)顏色傳感器識別到區(qū)域紅色大于閾值時，則會控制行走裝置停止運行，驅(qū)動切割刀片執(zhí)行切割動作。草莓經(jīng)由傳輸滑道滾落至梳齒收集器上進行采集，當(dāng)采摘到一定數(shù)量后，梳齒收集器通過升降機構(gòu)進行上升后，再由梳齒收集器上的搖桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，使草莓落入最終的存儲倉中，完成采摘收集過程。裝備完成單壟采收后，由果農(nóng)控制其回程繼續(xù)進行下一壟采摘工作。裝備工作流程圖如圖10所示。

3 樣機收獲性能驗證試驗

為了驗證樣機的有效性，發(fā)現(xiàn)存在問題，通過在實訓(xùn)室和草莓園分別針對成熟度判斷率、誤切割率、采摘效率等主要指標(biāo)來開展試驗。首先在實訓(xùn)室內(nèi)布置仿真草莓壟地來模擬現(xiàn)場環(huán)境進行采摘測試，使用具有一定硬度的線材模擬草莓果梗，果梗下端連接紅色草莓模型與綠色草莓模型來模擬成熟草莓與未成熟草莓，并將采摘裝備行駛在特制壟地上。按下啟動鍵，采摘裝備開始行走執(zhí)行采摘動作。收集撥桿可將果梗撥入傳輸滑道中，當(dāng)傳感器識別到紅色草莓時，刀片執(zhí)行切割動作。但驗證過程發(fā)現(xiàn)，受限于壟坡的高度，使得梳齒收集器無法下降至與傳輸滑道相同高度進行收集，導(dǎo)致出現(xiàn)切割后的草莓收納不成功的情況發(fā)生。后續(xù)將對此問題進行結(jié)構(gòu)上的調(diào)試優(yōu)化。按下返程鍵，裝備還可沿原路返程至最終收納點，減少采摘者進入壟地回收造成的不便。

同時將樣機進入八桂田園草莓園進行實地采摘測試，并將其與實訓(xùn)室仿真模型采摘效率進行比對，樣機測試結(jié)果比對如表1所示。由于八桂田園草莓園除用于教學(xué)研究外，還用于對外進行生態(tài)休閑娛樂性采摘，因此與實訓(xùn)室布置環(huán)境相比，實際種植壟距更小，果實分布更為密集，受枝葉遮擋等情況更為復(fù)雜，對機械式采摘方式具有一定的條件局限性，因此對測試結(jié)果也會存在一定影響。

正常人工采摘的效率約為每分鐘40顆［10］。由表1統(tǒng)計結(jié)果可看出，目前樣機采摘效率約為每分鐘25顆。但相對于人工采摘，機械式采摘的優(yōu)勢在于能夠長時間不間斷工作，且一臺設(shè)備在其壽命范圍內(nèi)可反復(fù)多次使用，性價比高，降低人工雇傭采摘的成本。因此，智能化的草莓采摘裝置能夠有效輔助人工開展采摘作業(yè)，提高勞動效率，創(chuàng)造經(jīng)濟價值。

4 裝置創(chuàng)新點

該設(shè)計相對于現(xiàn)有采摘設(shè)備而言，創(chuàng)新之處主要在于：整機結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積小巧，可有效提高土地利用率，減小草莓種植間距，提高種植率和產(chǎn)出率，同時在過道行走不易傷害植株，便于攜帶，結(jié)構(gòu)靈活。行走裝置采用四個履帶輪式設(shè)計，通過性強、行走更穩(wěn)定，可實現(xiàn)按鈕開關(guān)控制其往返和啟停。采摘裝置采用模仿手指設(shè)計的仿生撥桿，可將草莓從地膜上挑起并導(dǎo)入采摘裝置。設(shè)計彈性適應(yīng)機構(gòu)，使裝備可適應(yīng)不同壟寬和壟深的草莓種植規(guī)格，提高產(chǎn)品的普適性。設(shè)計梳齒緩沖倉緩沖草莓，有效保護并存儲草莓，減少草莓之間的碰撞。采用傳感器技術(shù)與單片機控制技術(shù)結(jié)合，使未成熟草莓誤采幾率降低。

5 小結(jié)

草莓收獲周期短，若不及時采摘將給農(nóng)戶造成經(jīng)濟損失。本文介紹了國內(nèi)外草莓采摘機械的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合我國目前生產(chǎn)實際，針對較為常見的地壟式草莓種植方式，設(shè)計一款體積小、智能化、低成本、易使用的草莓采摘裝備，對解決果農(nóng)長時間手工采摘導(dǎo)致身體疲勞及效率低下的問題具有現(xiàn)實意義。

同時該產(chǎn)品具有較強的適應(yīng)性，經(jīng)過集成創(chuàng)新改造，還可應(yīng)用于除草莓之外其它地壟式種植的果蔬（如青椒等）采摘，最大限度提高設(shè)備利用率。未來，基于該成果的推廣，可與當(dāng)?shù)剞r(nóng)機站和水果基地進行合作，吸引農(nóng)民進行該設(shè)備的租賃和售賣，為地方創(chuàng)造經(jīng)濟價值，助力鄉(xiāng)村振興。

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（責(zé)任編輯：陳潔麗）