草莓采摘機設計研究

羅振華 蔣芬

摘 要：草莓采摘勞動強度大，成本高，約占草莓種植生產成本的四分之一。本課題對草莓采摘機構進行了研究，設計并試制了一套采摘機構，將草莓采摘機械化、自動化，以降低人工成本，提高工作效率。

關鍵詞：草莓采摘機;設計;研究

草莓因其可愛獨特的外形、酸甜可口的味道以及營養豐富的價值，獲得了大眾的喜愛。近年來，由于草莓病蟲害的預防治理提高，種植與栽培技術的進步，草莓種植在國內得到了很大的推廣。武漢市新洲區近幾年的草莓種植面積增加迅速，出現幾個種植面積過千畝的村子。據新洲區的草莓合作社負責人介紹，本地草莓從11月份就開始上市了，因為比北方城市上市時間早，所以大量的草莓都遠銷到沈陽、西安、北京等地。草莓采摘勞動強度大，成本高，約占草莓種植生產成本的四分之一，因此需要自動采摘機構以減輕勞動強度，降低生產成本。本課題對草莓采摘機構進行了研究，設計并試制了一套采摘機構，將草莓采摘機械化、自動化，以降低人工成本，提高工作效率，有效減輕果農的勞動負擔，有利于進一步擴大草莓生產規模。

一、國內外的研究現狀

（一）國內研究現狀

草莓采摘機構在國內尚屬初步研究階段，多為實驗室研究，很少進入實際生產階段。草莓采收進行的依然是人工采摘，由于苗圃高度有限，人工采摘需要以下蹲姿態在田坎間反復移動。草莓采摘屬于大體力勞動，且長時間以此姿態進行勞作，對身體會產生極大的勞動負荷，腰部損傷幾率較大。國內研究的采摘機械基本上是大型器械，整體體積龐大，移動運行需通過導輪或履帶，能耗高，效率底，成本難以承受。中國農業大學研發的草莓采摘機器人“采摘童1號”為高架采摘機器人，主體材質為鋁合金，能自主搜索、識別和采摘成熟草莓果實。

（二）國外研究現狀

在草莓采摘收獲方面，德國和日本走在世界的前列。以日本為例，近藤等學者針對現代溫室栽培模式的特點，研制出適于高架栽培的草莓采摘機器人設備。該采摘機器人采用5自由度的機械手，視覺系統與其他果蔬采摘機器人相似，采用真空加切割器的末端執行器。收獲時，首先由機器視覺系統定位出采摘成熟草莓的空間位置，隨后采摘機械手移動到設定的位置，末端執行器接近目標直到把目標草莓吸住。由3對光電開關檢測草莓的位置，當草莓位于合適的位置時，腕關節移動，果柄進入指定位置，由切割器旋轉切斷果梗，完成一次采摘。

二、草莓采摘機工作原理

草莓采摘機由采摘機構、行走機構和控制機構三大部分組成。采摘機構主要完成機械臂對草莓的采摘操作和存儲工作。行走機構完成整套裝置在田間地壟的行走，并保證裝置運行的平順性和通過性。控制機構包括采摘識別控制，采摘動作控制和行走模式控制。草莓采摘機通過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，機械手末端執行器以合適的力度夾持住草莓，同時由切割器切斷果柄，然后將草莓收集到存儲傳輸裝置。

三、草莓采摘機結構設計

（一）采摘機構

采摘機構的主要運動部件是機械手。因為成熟的草莓的表皮比較脆弱，其形狀也較復雜，所以機械手的運動形式以及末端采摘執行器的設計都非常關鍵。機械手能實現360°全身轉動、腰轉、肩轉、肘轉、腕轉和腕擺六個自由度的運動。設計選擇6個自由度的機械手，會讓末端執行器的動作更加靈活，使得它能夠繞開障礙物進行采摘作業。末端執行器的抓持力控制要求很高，且夾持系統應具有一定柔性，以補償控制產生的誤差，避免夾持力過小而抓取失穩，導致草莓掉落。在實際設計的過程中，基于草莓的物理特性，在機械手采摘草莓的時候，末端執行器首先旋轉調整合適的角度，再前進抓住果柄，同時會有一個鎳鉻電熱絲切割果柄。

（二）行走機構

行走機構摒棄了輪式或履帶式驅動機構，采用絲桿滑臺為移動機構，可以在較窄且不平坦的壟溝中實現較平穩地行走。

（三）控制機構

視覺是人類最重要的感覺之一，我們從外部世界獲取信息大部分都是通過視覺完成的，因此草莓采摘機識別裝置關鍵是信息視覺處理。顏色識別傳感器主要由彩色攝像機來尋找和識別成熟的草莓，利用雙目視覺方法對目標進行定位。采摘時，由視覺系統計算目標的空間位置，然后控制機械手移動到預定位置，末端執行器靈活移動直到完成采摘。我們運用了超聲波模塊，來確定草莓與機械手的距離。超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時以確定草莓與機器手的距離。在節約和效果的分析過程中，我們選擇了LD-20MG的舵機，同時增加了六路藍牙舵機控制板從而達到控制精度高，線性度好，響應速度快。使用者還可以通過藍牙，使用手柄控制機器，達到更加人性化的設置。

四、結語

本文研究設計出的草莓采摘機，能實現全身轉動、腰轉、肩轉、肘轉、腕轉和腕擺六個自由度的運動，末端采摘機構不以草莓果實作為抓取目標，而是剪切草莓果柄，不傷害果實。同時增加了六路藍牙舵機控制板從而達到控制精度高，線性度好，響應速度快。使用者還可以通過藍牙，用手柄來控制機器，達到更加人性化的設置。行走機構簡單可靠，可以在較窄且不平坦的壟溝中行走。整個機構以電動裝置作為驅動源，動力單一、簡單實用、操作方便，能有效提高采摘效率，降低生產成本，減少農民負擔，符合國內農業生產行情，具有廣泛的市場前景。

參考文獻：

[1]馮青春，鄭文剛，姜凱，邱權，郭瑞.高架栽培草莓采摘機器人系統設計[J].農機化研究，2012.7（7）：122-126.

[2]聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3]陳立德.機械設計基礎[M].北京：高等教育出版社，2008.

作者簡介：羅振華，副教授，研究方向：動力機械及工程;蔣芬，副教授，研究方向：汽車設計、工程機械。