一體式小型草莓采收機

馬云，曹聰，吳鑫蕊

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一體式小型草莓采收機

馬云，曹聰，吳鑫蕊

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

隨著農業技術的發展，我國草莓種植業發展迅猛，產量逐年增高，但與之不匹配的是，我國草莓采摘仍以人工采收為主。因草莓的采收周期長，采摘者的勞動強度和作業量都非常大，且為了分辨果實成熟度和防止損傷果實，所以果農需長時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。對此，設計了一種新型的一體式草莓采收機，實現半自動采收，提高果農的采收效率。通過機構創新組合與模塊化設計，對草莓是否成熟進行分選梳理，完成采摘與收集工作；通過控制手柄端電動按鈕實現半自動化采收，操作者不需彎腰或蹲下進行工作；通過適應性分析及設計，在保證高效率的同時在采收過程中不損傷草莓。

草莓采收機；半自動采收；果實成熟度；采收效率

1 作品背景及意義

我國草莓種植面積廣大，年產量約90萬噸，居世界第一位。草莓作為一種生長較為低矮的水果植株，表皮柔軟易產生損傷，人工采摘時需要彎腰或者蹲于兩壟之間進行采摘，影響采摘者身體健康且效率不高。草莓果實不定期成熟，生長方式獨特，需要人工不間斷地進行判斷和收獲，但我國農業往往以小規化采收為主，所以綜合上述因素，我國的草莓采摘具有工作量大、勞動強度高的特點。

基于以上背景，設計了一款一體式小型草莓采收機，由分選梳理模塊、剪切模塊和收集模塊組成。

2 作品方案設計

草莓采收機如圖1所示。該裝置體積小，在草莓壟地間行進，控制裝置后端手柄的按鈕通過機構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桿機構，利用步進電機帶動機構運動，使梳齒板按一定軌跡運動，梳齒板的梳齒間隙按照草莓大小設計，可以區分草莓的成熟度是否達到要求，同時使用扭簧做自適應設計，保證在不損傷草莓的同時實現其分選梳理，操作方便，加工簡單。

剪切模塊主要由曲柄搖桿機構和錯動式切割裝置組成，利用舵機帶動切割裝置向下翻轉，利用鮑登線原理，握緊把手對草莓莖進行切割，草莓落入收集盒中，收集盒可從車后部取出。通過對兩個模塊的模擬實驗，裝置能很好滿足果農對采收功能的要求，且使用方便。

3 作品整體介紹

裝置工作流程如下：將裝置放于采摘時的初始位置，曲柄搖桿機構中搖桿擺動帶動梳齒板與草莓壟壁產生接觸并上移，與草莓產生接觸，較大草莓的草莓莖被梳齒板拉起，實現辨別草莓成熟與否的分選梳理功能，錯動式剪切板在舵機的驅動下發生翻轉，剪切前，草莓莖處于動刀架和定刀架之間，握緊手把，閘線被拉動時，動刀架與定刀架發生相對運動，最后，固連在動刀架上的刀片完成對草莓莖的剪切過程。剪切后的草莓莖掉入收集盒中。梳理模塊運動方式如圖2所示。

圖1 草莓采收機

圖2 梳理模塊運動方式

4 作品模塊設計

4.1 分選梳理模塊

分選梳理模塊可以根據草莓大小進行分選梳理，用剪切機構對草莓莖進行剪切。由導桿機構、梳齒板和自適應貼合裝置組成，電機帶動齒輪轉動，繼而帶動曲柄的旋轉。梳齒板沿著設計的軌道運動，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構和錯動式切割裝置組成。成熟草莓被梳理至梳齒板內側，舵機帶動曲柄搖桿機構運動，使固連在連桿上的切割裝置向下翻轉至梳齒外側。

錯動式切割裝置利用鮑登線原理，握緊把手使內部閘線拉動動刀架，動刀架相對于定刀架橫向移動切割草莓莖，松開把手壓彈簧產生的彈力使刀架復位。

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 作品機構設計

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格草莓大小的目標，按照草莓大小進行分選，較大的草莓由于不能通過梳齒間隔，所以梳理后停留在梳齒板上，較小的草莓通過梳齒間隔，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格，設計了不同的梳齒間距；考慮到草莓的表皮易損傷，為了不損傷草莓表皮，將梳齒板的頂部設計成圓角，并且將梳齒板設計成可拆卸結構，在梳理不同規格的草莓莖時能做到更加方便和人性化，便于更換。

5.2 自適應貼合裝置

本裝置設計的梳齒板具有自適應的特點，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，當梳齒板繞著彈簧中心旋轉時，該彈簧將它們拉回初始位置，產生扭矩。扭簧可以存儲和釋放角能量或者通過繞簧體中軸旋轉力臂以靜態固定某一裝置。

5.3 曲柄搖桿機構

曲柄搖桿機構由安裝在小車頂部的雙軸舵機提供驅動，舵機輸出軸與曲柄相連，連桿與錯動式切割裝置固連。舵機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至梳齒板外側。

6 尺寸計算

6.1 裝置整體尺寸

從人機工程學的角度和操作性出發，以成年男性平均身高尺寸數據為依據進行設計，該裝置適合大部分人使用。此外，通過實地調研了解草莓壟結構，查閱相關數據，再結合內部各模塊的尺寸，設計本裝置整體尺寸為高度1 000 mm、長度1 100 mm、寬度370 mm。

6.2 梳齒板尺寸

裝置通過梳理將草莓進行切割，通過調研發現草莓壟上兩株草莓之間的距離大約150～200 mm。考慮到梳理草莓的安全性的高效性，因此設計梳齒板長度300 mm、寬度95 mm、厚度4 mm。

7 項目效益分析

原采摘流程所需時間，經實地測算為6.25 s，本作品采摘流程所需時間，經實地測算為4.13 s，此次測算結果為人與機器同時采摘一列壟地中單個草莓的平均用時，可得出采摘效率提升33%.

裝置除簡化了采摘流程，成本低廉，減輕果農勞動強度外，還延長了工作時間，間接提高了采摘效率。

8 項目創新點

本作品創新之處主要體現在以下3個方面：①機構上，巧妙地將分選、剪切、收集多個功能進行整合，在有限的空間里設計多種創意組合機構，實現半自動化采收草莓，提高采收效率；②功能上，導桿機構和間隙式梳齒板的組合實現了草莓的分選采收，自適應扭簧保證了采收的安全高效性；③作品對裝置進行一系列人因設計，體積小重量輕，果農無需彎腰勞作，電動輔助可輕松推動，可適用于各種規格的草莓壟地。

9 應用前景

本作品針對草莓采收過程中出現的問題，設計出一款無需彎腰采收草莓的裝置，可有效減少人手操作步驟，降低工作強度，提高了采摘效率，節約采收成本。本裝置適應不同的采摘環境，不受壟溝寬度的限制，裝置的使用范圍廣；裝置原理簡單，與現有的大型草莓采摘機器人相比，價格低，便于推廣；目前市場上未見同類產品，也未見與本作品相似的發明專利，而本產品設計簡單巧妙，生產銷售方便，市場前景廣闊；此外，作品人機協同采收的理念可廣泛應用于其他水果的采摘過程之中，為其他小型輔助采摘設備的設計提供參考。

［1］唐增寶，常建娥.機械設計課程設計［M］.武漢：華中科技大學出版社，2007.

［2］機械設計手冊編委會.機械設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［3］成大先.機械設計圖冊［M］.北京：化學工業出版社，2008.

［4］朱金生，凌云.機械設計使用機構運動仿真圖解［M］.第2版.上海：電子工業出版社，2013.

［5］田裕鵬.傳感器原理［M］.第3版.北京：科學出版社，2007.

2095－6835（2019）05－0146－02

S225

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.146

〔編輯：嚴麗琴〕