草莓采摘機設計

殷建文 趙桁晨 趙帥 劉金奇

摘 要：本設計主要包括采摘裝置和行走裝置兩個部分的設計。（1）采摘裝置設計。利用顏色識別可完成識別草莓是否成熟，利用機械手的移動抓取，把草莓從草莓莖上斷開，并運到輸送裝置上，把草莓輸送到機器頂部，完成草莓的采摘。（2）行走裝置設計。主要完成整機的行走功能，通過傳感器實時監測車體與草莓壟之間的距離，來不斷調節并保持間距，利用四輪驅動，可以完成不圖同程度的轉彎，節省轉彎的空間，車速可調節，以此來配合采摘裝置采摘的速度。本機器的適用地形為壟側面垂直地面，且壟間隙地面與壟兩端地面為硬實土地，工作效率大約為0.30.6 畝/小時。

關鍵詞：草莓采摘；顏色識別；自動調距

The Design of Strawberry Picking Machine

Yin Jianwen Zhao Hengchen Zhao Shuai Liu Jinqi

College of Mechanical Engineering& Automation LiaoningJinzhou 121001

Abstract：This design mainly includes the design of two parts： pickers and walking devices. （1） Design of picking device. Whether the use of color recognition to complete recognition of strawberry mature， using the movement of the manipulator grasping， the strawberry disconnect from strawberry stem， and to the conveying device， put the strawberries to the top of the machine， complete picking strawberries. （2） Design of walking devices. Mainly complete the walking function of the machine， through the sensor realtime monitoring body and the distance between the strawberry planting， to continuously adjust and maintain the spacing， use of fourwheel drive， can do not the same degree of turn， turn to save space， the speed can be adjusted， in order to assist picking picking speed.The applicable topography of this machine is the vertical ground of the ridge， and the ground between the ground and the ridge is hard and the work efficiency is about 0.3 to 0.6 mu/h.

Key words： Strawberry picking； color recognition； automatic spacing

草莓采摘機械化，[1]可以提高勞動生產率，節省大量的勞動力，同時減少了大量的生產成本。[2]現在草莓采摘大部分還是以人工采摘為主，造成極大的勞動強度，[3]所以研制一種可代替人工節省成本的草莓采摘機是現在農業行業中采摘草莓必不可少的。

1 整機工作原理

草莓采摘機是由采摘裝置、輸送裝置和行走裝置三大部分構成。行走裝置組成機架部分，完成的功能主要為整機的前行、轉彎和支撐。行走裝置形狀為倒“U”狀，跨一壟而行。行走裝置在前行的過程中，需要與壟側面保證平行，采用傳感器定位的功能，利如果發生偏移的情況，兩車輪發生速度差，完成改變前行方向的功能。采用四輪驅動使機器可以實現橫向移動，減小壟端距離。采摘裝置主要完成的功能對草莓進行采摘，采摘草莓需要的動作為把草莓提起、使機械手臂靠近草莓、使采摘裝置運動至下一處有草莓的地方。整體動作為：整機運行到草莓處，草莓采摘機械手臂向下運動至壟底端，同時向草莓壟側壁方向移動，運行到草莓下端，此時草莓采摘機械手臂向上提起，把草莓裝入盒中，同時顏色傳感器識別草莓是否成熟，當草莓為綠色時，草莓采摘機械手臂反向運動退回，當為紅色時，向遠離草莓壟側壁方向斜向上運動，利用這個角度使草莓的根莖與刀片接觸，果莖分離，之后草莓采摘機械手臂把草莓運送至輸送裝置上方，這時電磁鐵工作，盒底打開，使草莓落入輸送裝置。如圖1所示。

2 關鍵部分設計

2.1 采摘裝置

采摘裝置通過固定在采摘裝置的機架上的電機1帶動。結構如圖2所示，當采摘裝置開始工作時，位于車身上的傳感器識別車身與草莓壟的距離，從而計算出采摘裝置距離壟的距離，電機1帶動同步帶輪3轉動，通過同步帶2傳動，使絲杠4轉動，絲杠4帶動絲杠螺母10平動，進而帶動機械手橫向移動，使機械手接近草莓直至草莓下端，齒輪15帶動齒條6向上提起，把草莓置于草莓盒14內并利用傳感器13識別顏色，為紅色時提起直至把草莓與莖分離，然后齒輪15帶動齒條6使機械手提起并通過同步帶運動把草莓送入輸送帶上，電磁鐵11通電通過鋼絲線12使盒底部打開，草莓落下，為其他顏色則反轉運動放開草莓。

2.2 行走裝置

行走裝置主要負責本機器的前行和轉彎的裝置，其結構如圖3所示。車體成倒“U”形狀，使得本機器可以橫跨一條壟，行走裝置為四個驅動輪1，驅動輪1分別由步進電機9控制，同時由電機6控制鏈輪4帶動鏈條5運動，進而控制轉彎，整個機器的動力由一個電瓶來提供。行走裝置是這樣實現功能的：傳感器7時刻檢測與壟之間的距離，在機器運作前會設定一個車輪與壟之間的固定值，在運動時如果傳感器7識別的距離不是固定值時會控制步進電機9運動，步進電機9通過帶輪同步帶帶動車輪變速，進而調整車體左轉或右轉，到達設定好的固定值距壟距離，當采摘草莓時車體會停止行走，完成采摘動作，當一壟的草莓采摘結束后，由人工控制機器完成轉彎進行下一壟，轉向電機6工作通過鏈條5帶動鏈輪4旋轉，使車軸2轉動進而帶動行走輪1轉向90°，使車體橫向運動到達下一壟，之后轉向電機6反轉，恢復直行，壟兩端需要預留1.5m左右空地。

2.3 輸送裝置

輸送裝置主要完成的功能為主要功能為對采摘好的草莓進行運輸，使草莓運輸到機器頂端，方便人工的挑選與裝盒。

3 機器調試及實驗

通過實物進行調試，還有對采摘機械化的合理性與可操作性提出幾項要求，為了保證采摘的空間，經實際情況調研，給出壟間空隙為400mm，壟寬500mm，為了保證采摘可行性，壟側面必須垂直地面，且壟間空隙的地面為硬實土地，保證在壟端轉彎的順利，需在壟端預留1.5m的空間。以下為實驗得出的具體參數：

（1）作業效率：0.30.6 畝/小時

（2）適用種植密度：壟距400mm

（3）壟寬：500mm壟高：250mm

（4）采摘壟數：1 壟

（5）壟側形狀：垂直地面

（6）壟兩端空隙：1.5m

（7）株高： 300mm

（8）草莓大小：半徑1015mm

（9）草莓距地：80250mm

調試后在實驗室環境下對執行機構樣機進行了采摘試驗。準備50顆成熟草莓，分為5組，每組10顆，并在各組中隨機夾雜2～3顆未成熟草莓。試驗結果如下表所示。

由結果可知其中無損傷采摘是：在導航系統發現目標、末端執行器接近目標、夾持剪切系統切斷果柄并將目標帶離壟側面的整個過程中，果實表面未與末端執行器的任何部位發生接觸。試驗結果顯示，該草莓收獲機器人采摘執行機構在模擬高畦壟作栽培模式下的草莓收獲作業中，具備無損傷采摘多種姿態草莓的能力，能夠區分成熟草莓與未成熟草莓，平均采摘速度為65.6顆/h，采摘成功率可達90%（90顆草莓中成功采摘45顆）。

4 結語

該草莓采摘機可靠性高、操作簡單、性能良好、采摘方便，同時解決了草莓采摘時出現的勞動強度大、采摘不規范化等一系列問題，填補了市場上草莓采摘機械化程度低的空白，可以大范圍進行使用。

參考文獻：

[1]梁麗娟.草莓采摘機器人結構設計和試驗碩士學位論文.中國農業學，2007.5.

[2]曹其新，呂恬生，永田雅輝，等.草莓揀選機器人的開發[J].上海交通大學報，1999，33（7）：880884.

[3]姜麗萍，陳樹人.果蔬采摘機器人的研究綜述[J].農業裝備技術，2006，23（1）：810.

基金項目：遼寧工業大學大學生創新創業項目

作者簡介：殷建文（1995），男，內蒙古興安盟人，本科，研究方向：機械設計制造及其自動化。