采摘收集一體化草莓收獲機構的設計研究

杜沛松 杜娟 何延東 王浩軒 高亮 裴俊杰

摘要：目前我國草莓仍以人工徒手采摘方式為主，摘果效率低。在研究國內外草莓采摘機械現狀及采摘機構原理特點的基礎上，設計一種采摘收集一體化草莓收獲機構，闡述該機構總體方案與工作原理，并加工出樣機進行采摘試驗，結果表明該機構適用于壟作草莓采摘作業。

關鍵詞：草莓;收獲機構;采摘;收集;一體化;設計

中圖分類號：S225? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2019）05-0023-03

我國是農業大國，也是蔬菜水果供應大國。我國草莓種植面積廣，分布地域較為密集，種植方式主要是壟作。由于草莓果實多汁易損，而國內對草莓采摘機具研究較少，目前草莓采摘仍以人工徒手方式為主，采摘過程十分消耗體力，采摘效率低。農業勞動力不足及老齡化問題的不斷加重，對水果采摘的機械化程度提出了新的要求，研發水果采摘機械既能降低勞動強度，又能促進我國農業機械化發展，對于加快我國農業現代化進程具有重要意義。

1 草莓采摘機械研究現狀

自20世紀80年代開始，一些發達國家如日本、美國等對水果采摘機器人進行了大量試驗研究，設計出蘋果、橙子、櫻桃、甜瓜、草莓、葡萄等水果采摘機器人或樣機。日本近藤等人研制出一種采用真空設備氣吸式采摘草莓的機器人，通過控制真空吸力的強度采摘成熟草莓果實，可減少對草莓果實外皮的接觸。上海交通大學郭峰等人運用彩色圖像處理技術和神經網絡理論設計一種草莓揀選機器人，采用氣動驅動器將草莓推到不同等級方向。西北農林科技大學基于4自由度直角坐標機器人研發出草莓采摘機器人，采用2個CCD攝像機對草莓果實進行識別定位。新疆大學李長勇等人研制出一種高架草莓采摘機器人，能夠自主識別、定位并無損傷采摘高架栽培模式下的成熟草莓。

目前國內外草莓采摘機械尚存在一些問題：一是普遍采用多機器視覺系統，結構復雜，成本較高;二是整體機構龐大，工作所需行走空間大，影響種植密度;三是采摘時需要定位成熟草莓的空間三維坐標，但草莓天然生長位置及形狀各異，夾持果莖時會因定位精度下降影響摘果準確性，造成果實損傷;四是采摘機器人價格偏高，從經濟效益方面考慮很難普及，限制了技術成果向生產力轉化。

2 采摘收集一體化草莓收獲機構的設計

草莓種植方式分為高架式和壟作式。目前國內外大部分草莓采摘機械適用于高架式草莓，其先利用圖像處理方式識別出成熟草莓，然后通過剪斷果梗實現果實收集;而壟作式草莓種植在壟上，植株距離地面近，無法使用現有的采摘裝置完成采摘作業。本課題設計一種適用于壟作草莓的采摘收集一體化收獲機構，相比草莓采摘機器人，其結構緊湊、生產成本低、操作簡便，可大面積推廣。

2.1 總體方案

采摘收集一體化草莓收獲機構的主要工作部件是草莓采摘收集手臂（如圖1所示）。人工采摘時可使用機械手臂輔助站立完成采摘作業，根據使用者身高調節手臂的長度。采摘刀具內刃設計為鋸齒形狀，可以更好地固定草莓果莖。刀具內部設有彈簧，剪刀剪完草莓后自動恢復到待剪狀態。

機械手臂自帶收集槽（如圖2所示），通過收集槽和剪刀的配合實現一剪一收集，一個周期可以收集多個草莓。每剪一次，收集槽在下方驅動機構的驅動下旋轉一定角度，防止草莓上下重疊，保證摘下來的草莓果實均勻分布在圓筒形收集槽內。收集裝置底部和側壁墊有泡沫棉起到緩沖作用，防止草莓被剪下后落入收集槽時磕碰而造成損傷。收集槽中間設有手持部分，一個收集槽裝滿以后可取出更換另一個空收集槽，準備下一個周期的采摘和收集。收集槽裝配時使用折頁作為連接機構。

2.2 工作原理

使用時，采摘者通過把手調節手臂的空間位置，將剪刀對準要采摘草莓的莖并握下把手，通過鋼絲繩連接，將手握把手的運動分別傳遞到剪刀和收集槽上。刀具受力合攏切斷果莖，使草莓落入收集槽中，松開把手后刀具在彈簧作用下恢復原狀，做好下一次剪切準備;同時，鋼絲繩拉動收集槽下的棘爪，驅動棘輪旋轉一個工位，使收集槽上正對著剪切刀具的位置空出，為下一顆草莓采摘做準備。完成一次草莓采摘與收集的工作流程如圖3所示。

2.3 主要結構設計

采摘收集一體化草莓收獲機構主要由機架、把手、剪切刀具、旋轉機構、收集槽5個部分構成。

2.3.1 機架 機架分上下兩節，上下連接桿用螺栓連接。機架結構相當于延長了采摘者的手臂，實現了由站立采摘代替彎腰或下蹲采摘，極大地緩解了采摘者的勞動強度，提高了采摘效率。

2.3.2 刀具 刀具前端采用圓角過渡，避免碰傷果實。為方便收集裝置的裝卸，將刀具與機架連接桿設計成分體式，二者采用折頁連接。在工作狀態下，刀具和連接桿呈一條直線，鋼絲從中間的孔中穿過，驅動刀具運動;在非工作狀態下，刀具連接桿抬起可以更換收集槽。

2.3.3 驅動機構 驅動機構由1個棘輪、2個棘爪、固定棘爪的外殼及為棘爪提供動力和彈力的彈簧構成（如圖4所示）。彈簧支撐桿兩側固定在收集槽外殼上，該彈簧實現了棘爪的前后回彈運動，每次收集草莓時通過手握把手控制鋼絲繩拉緊，鋼絲繩拉動棘爪下殼，帶動驅動棘爪運動，棘爪帶動棘輪逆時針轉動一個齒，制動棘爪阻止棘輪連續轉動。

2.3.4 收集槽 收集槽（如圖5所示）為帶有錐度的圓筒，圓邊與直線過渡相切。收集槽底部設計6個繞圓周均勻分布的凹坑結構，凹坑與外殼上的6個相似形狀的凸起配合，實現棘輪轉動時帶動收集槽同步運動。

3 應用試驗

制作采摘收集一體化草莓收獲機構樣機，進行草莓采摘試驗。通過試驗發現：在整個采摘過程中，采摘者可以始終保持上體直立，使用采摘收集手臂相比傳統采摘方式極大地減輕了勞動強度;該機構操作簡單，普通草莓種植戶均可輕松掌握。在應用中也發現了一些問題：手臂的重心比較靠前，需要兩只手進行操作;采摘操作時需要按下把手，長時間操作手部容易疲勞，應加強整個裝置的潤滑以減小操作阻力;摘果過程中需要定期檢查或更換刀具。今后可在這些方面進行改進設計。