基于太陽能輔助人工采摘草莓裝置設計

王飛奇　邵繼升　王棟

摘要 ? ?草莓是一種具有較高營養(yǎng)價值和經(jīng)濟價值的水果，在我國有非常大的種植面積。然而，目前草莓采摘主要靠人工完成，任務繁重，效率較低。再加上草莓屬于漿果，水分含量很高，采摘時極易損壞。本文以輔助人工采摘草莓的裝置為研究對象，設計出一款利用太陽能作為動力、便于攜帶、高效、高果實完整率采摘的基于太陽能輔助人工采摘草莓裝置，極大減輕了采摘工人的勞動強度，提高了果實的完整度，節(jié)約了能源，為廣大草莓種植戶提供了很好的草莓采摘輔助，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)應用上有很好的發(fā)展前景。

關鍵詞 ? ?草莓采摘;太陽能;現(xiàn)代農(nóng)業(yè);農(nóng)業(yè)機械;節(jié)能減排

中圖分類號 ? ?S668.4;S225;TK519 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）13-0154-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Design ?on ?Artificial ?Strawberry ?Picking ?Device ?Based ?on ?Solar ?Energy

WANG Fei-qi ? ?SHAO Ji-sheng * ? ?WANG Dong

（Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040）

Abstract ? ?Strawberry is a kind of fruit with high nutritional and economic value，it has a considerable planting area in China.However，strawberry harvesting mainly depends on manual work at present，which is heavy and inefficient.In addition，strawberry belongs to berries，which have high moisture content and are easily damaged during picking. In this paper，taking the assisting artificial strawberry harvesting device as the research object，a solar-assisted artificial strawberry harvesting device was designed，which was portable，efficient and with high fruit integrity.It greatly reduces the labor intensity of pickers，improves the integrity of fruits and saves energy.It provides a good picking aid for the vast number of strawberry farmers and has a good development prospect applying in modern agricultural application.

Key words ? ?strawberry picking;solar energy;modern agriculture;agricultural machinery;energy conservation and emission reduction

自20世紀80年代以來，我國草莓生產(chǎn)有了迅速的發(fā)展。目前，我國草莓生產(chǎn)面積約7萬hm2，種植面積居世界首位，其中河北、遼寧、山東三省種植面積均達10 000 hm2以上，北方地區(qū)溫室產(chǎn)量高達22.5～30.0 t/hm2。采摘作業(yè)在草莓產(chǎn)業(yè)中占有著十分重要的地位。

在大型草莓種植場人工采摘草莓時，需要工人長時間勞作;并且草莓收獲季節(jié)天氣炎熱，難以保證工人的采摘效率;成熟后的草莓容易腐壞，需要及時采摘。因此，采摘工人工作強度很高[1-2]。工人工作時同時兼顧采摘、保護、收集等各個方面，極為不便。現(xiàn)有全自動機器人方案，此方案在自動化日益流行的今天熱度極高，國內(nèi)、國外均有對此類課題的研究，如日本農(nóng)業(yè)食品產(chǎn)業(yè)與涉谷工業(yè)株式會社攜手開發(fā)出的新式固定型草莓采摘機器人、美國加州草莓采摘機器人以及比利時的自動化草莓采摘機器人，我國國內(nèi)也對此課題進行了大量的研究。

本文致力于減輕采摘工人的勞動強度、提高草莓果實的完整度和采摘效率，設計出成本低廉、能耗較小、方便攜帶的基于太陽能輔助人工采摘草莓裝置[3-5]。此裝置非常輕便，采摘工人可以輕松地拿起進行草莓采摘，極大地降低了勞動強度。該裝置依靠內(nèi)部傳送帶將采摘下的草莓輸送到裝置后方的網(wǎng)兜帶中，精確控制傳送帶與采摘剪切部分的傳動比，保證每個草莓都有獨立的傳送帶格子，從而提高草莓果實的完整度[6-7]。

1 ? ?基于太陽能輔助人工采摘草莓裝置設計

1.1 ? ?基于太陽能輔助人工采摘草莓裝置結構

該裝置主要由剪切裝置、傳送帶裝置、單向齒輪減速裝置、太陽能電源供電與儲能電路、裝置外殼、動力電機等組成。太陽能電路為整個裝置提供清潔的能量來源，用來驅(qū)動動力電機。動力電機帶動剪切裝置完成剪切動作，將草莓果實的莖剪斷之后，通過傳送帶裝置將草莓果實輸送到本裝置后方的網(wǎng)兜中，完成整個草莓采摘的過程。草莓采摘裝置的機械結構簡圖如圖1所示。

1.2 ? ?剪切裝置的原理

采摘草莓時需要將草莓果實與莖分離，因而本文設計出一種剪切裝置，可以迅速快捷地剪斷草莓的莖，實現(xiàn)草莓果實的采摘。剪切裝置的原理與剪刀原理相似，頭部具有2個鋒利的刀片，一個刀片固定于裝置的機體上，不可活動;另一個刀片可以繞著既定的軸轉動一定的角度。在2個刀片之間有一個彈簧裝置，可以使2個刀片剪合之后自動彈開。剪切裝置在牽引閘線的牽拉下可以進行有規(guī)律的開合運動，完成草莓的采摘。刀片的材質(zhì)為刀具級不銹鋼，可以避免采摘之后刀片上有水而使刀具生銹，同時也可以使刀具更加耐熱、耐磨。剪切裝置的機械結構圖如圖2所示。

1.3 ? ?傳送帶裝置

草莓經(jīng)過采摘裝置采摘下之后，需要用傳送帶將其傳送至果實儲存裝置之中。本文設計的傳送帶上粘連單向撥桿，可以為草莓創(chuàng)造一個良好的運輸空間。2個相鄰的撥桿間隔5 cm，接收采摘裝置剪落下的草莓。隨著圖2剪切裝置的一次開合運動，傳送帶順時針旋轉1個間隔的距離，以保證單次剪切運輸1個草莓。傳送帶的傳動機構包括閘線、連桿機構、齒輪。閘線與連桿連接，閘線的收縮運動帶動連桿的運動。連桿通過單向軸承帶動齒輪單向轉動，利用齒輪帶動傳送帶運動。通過精確控制傳動比為2∶1，保證每一次剪切草莓之后，后一撥桿都處于前一撥桿的位置，以利于草莓果實的進入。此傳送帶具有結構緊湊、效率高、壽命長等諸多特點，非常適合草莓采摘作業(yè)的使用。傳送帶結構具體如圖3所示。

1.4 ? ?裝置外殼的設計

本文采用聚碳酸酯（PC）作為草莓采摘裝置的外殼材料。聚碳酸酯屬于工程塑料，具有較高的強度和彈性系數(shù)，重量比較輕。利用聚碳酸酯作為外殼可以使裝置安裝基體的變形量小，從而保證了基體上各個零件的相對位置基本不變，使安裝精度得到保證，提高了裝置工作的可靠性，減輕了裝置的重量。聚碳酸酯的工作溫度范圍比較廣，耐候性佳，抗疲勞強度高，使用壽命長。此外，聚碳酸酯透光性比較好，在檢修設備時可以從外部直接發(fā)現(xiàn)裝置的故障元件，便于檢修。在生產(chǎn)外殼時，可以采用3D打印的方式，高效精確，成品率高。

1.5 ? ?驅(qū)動電機的設計

該裝置所需的電機需要頻繁啟動且不需要特別高的輸出轉速，因而本文采用N20直流減速電機，直流電機額定電壓為5 V，額定電流為120 mA，額定力矩為0.5 N·m，堵轉電流為200 mA，堵轉力矩為1 N·m。經(jīng)試驗測得剪切裝置和傳送帶裝置一共所需力矩為0.4～0.8 N·m，穩(wěn)定工作時所需的轉矩為0.6 N·m，因而此電機足夠帶動本裝置進行正常的草莓采摘作業(yè)。將閘線固定纏繞在直徑為25 mm的帶輪上，將帶輪與電機輸出軸相連，通過開關控制電機的轉動，電機旋轉纏繞牽拉閘線，通過閘線拉動剪切裝置和傳送帶裝置，即可實現(xiàn)草莓的采摘和輸送。此電機體積小、耗能低，重量僅有10 g，經(jīng)過齒輪減速之后扭矩增大，非常適合本裝置的使用。同時，為了防止電路故障而導致整個裝置無法工作，在握持把手旁加裝一個與驅(qū)動電機同軸驅(qū)動的手動按壓把手。通過按壓此把手，也可以拉動閘線，帶動剪切裝置和傳動裝置工作。

1.6 ? ?太陽能電源供電裝置的設計

本文采用Boschrdjrd品牌額定電壓5 V、額定電流1 A的薄膜太陽能電源，此產(chǎn)品封裝采用EVA和含氟聚合物ETEE，使其柔軟不破裂、透光率達到98%，在高強度紫外線照射下，ETFE膜使用壽命可達30年。電池板采用柔性不銹鋼做襯底，特別耐用。電池板關鍵元件采用三結非晶硅薄膜光電轉換芯片，該芯片能有效吸收太陽光能，對太陽光中的紅、綠、藍等不同波長光譜能有效吸收，即使在早晨、黃昏或陰天等非理想光照條件下，也一樣可以轉換出有效電能，與其他太陽能產(chǎn)品相比，在相同面積、相同光照、相同時間內(nèi)，可以轉換出更多的電能。此產(chǎn)品輸出接口為5 V標準USB穩(wěn)壓插座，可以直接接到裝置的便攜電源充電插口上，為電池提供穩(wěn)定的充電電壓，實現(xiàn)太陽能的儲存[8-9]。

便攜式移動電源選用小米公司5 000 mAh的小米2移動電源，該移動電源的重量只有254 g，極其輕便，尺寸為125 mm×69 mm×10 mm，可以輕松固定于裝置基體之上。即使當電機在堵轉電流下工作時，此電源可以使電機工作25 h，而利用太陽能將便攜電源充滿僅僅需要6 h左右，利用太陽能獲得的電能完全足夠本裝置的使用。考慮到連續(xù)陰雨天對太陽能供電板的影響，本文為移動電源設立外接充電接口，可以利用手機USB充電器為移動電源進行充電，保證裝置的正常運行。

2 ? ?結語

采用基于太陽能輔助人工采摘草莓裝置，其創(chuàng)新點在于利用清潔可再生的太陽能作為整個裝置的動力來源，裝置本著小體積、輕量化的設計理念，在實際使用過程中可以有效降低草莓采摘工人的勞動強度，提高草莓采摘效率，彌補了目前市場相關產(chǎn)品的空缺，為廣大草莓種植戶提供了價格低廉、成效顯著的輔助人工采摘草莓輔助[10]。

3 ? ?參考文獻

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