一種可視化水果輔助采摘剪刀設計

張磊 陳行行 劉楨筠 秦培亮

摘 要：基于杠桿原理的設計理念，通過將省力杠桿應用到水果采摘剪刀上，僅僅利用幾何形狀極為簡單的一些零件，就可根據實際生產需要制作出滿足于高空或地面水果采摘的工具，區別于傳統的高空采摘剪刀。本文設計了一種可視化的省力水果輔助采摘剪刀，對其工作原理進行了分析，給出了相應的力學計算公式，該水果輔助采摘剪刀設計新穎，使用可靠，經濟高效，適應了智能農業發展的趨勢，具有良好的應用前景。

關鍵詞：可視化;輔助采摘;杠桿;剪刀

隨著水果產業的快速發展，種植面積不斷擴大，水果采摘也成為一種繼續解決的問題，以草莓為例，據了解全球草莓種植面積由2000年的31.4萬hm2增長至2017年的40.3萬hm2，種植面積不斷擴大的同時草莓采摘勞動成本在逐漸提高，收獲作業的機械化、便捷化以及娛樂性成為廣大種植戶普遍關心的問題，由于采摘作業具有較強的地域性、季節性和周期性，因此采摘作業是一些水果生產中最耗時、最費力的一個環節之一，并且市場上還沒有成熟的采摘設備。

近年來，隨著生活水平的不斷提高，人們對于生活質量的追求也是越來越高，水果作為生活中不可缺少的商品，給人們提供重要的營養成分，鑒于生活水平的提高，傳統水果店銷售模式已經不能滿足人們對于水果功能的需求，為了獲得更加新鮮的水果，同時體驗采摘過程中的樂趣，越來越多的人選擇到果園采摘水果，為了提高采摘過程中的舒適度和娛樂性，我們設計了一款采用省力杠桿結構的可視化輔助采摘剪刀，借助在剪刀前端安裝的小型藍牙可視裝置，將手機連接到藍牙可視裝置，從而達到可視化的目的，可以做到既省力，又方便有效地采摘水果。

一、結構組成

該新型水果輔助采摘剪刀結構如圖1、圖2所示，主要由握持機構，伸縮機構，藍牙可視機構，剪斷夾持機構四個部分組成。伸縮機構可根據使用人身高的不同以及不同水果的采摘要求，調整剪刀連接桿的長度，從而達到舒適采摘的目的，藍牙可視機構由藍牙可視攝像頭、手機固定支架和手機組成，用于輔助觀察，精確定位剪斷位置，而且手機還可根據實際情況需要進行拆裝，剪斷夾持機構由鋁制剪刀頭和ABS樹脂夾持塊組成，用于完成剪斷和加持的工作，保證水果不落地。

二、工作原理

水果輔助采摘剪刀通過刀頭、拉桿、把手三部分，利用杠桿原理將人的握力進行放大，放大后的力通過拉桿傳遞到刀頭，從而完成水果采摘和夾持，藍牙利用長波工作可以傳輸10m左右，足夠滿足傳輸的需要，可視化系統利用視覺傳感器和藍牙無線傳輸的工作原理，將攝像頭的實時圖像傳送到手機中從而實現可視化的操作。

三、產品展示

四、試驗分析

本輔助采摘剪刀從省力化角度出發，采用了省力杠桿力放大機構，即使較為粗的莖也可以輕易剪斷，因此操作者只需很小的力量即可完成水果采摘。

（一）測量水果參數

以草莓，蘋果兩種具有代表性的水果的果柄直徑，取平均值。

（二）試驗分析

選取3組草莓和3組蘋果作為樣品，每組100顆，進行實地采摘試驗，采摘成功率N和草莓損傷率D，得公式

通過實際的試驗研究表明，使用該輔助采摘工具，草莓采摘成功率平均值為98%，損傷率平均值為2%，蘋果采摘成功率平均值為98.33%，損傷率平均值為1.66%。

五、創新特點

水果輔助采摘剪刀結構簡單，采用鋁合金及塑料材質，整體質量輕，剪刀頭上裝有ABS的夾持裝置，采摘過程中不需要用手去直接接觸果實，防止了對果實的二次傷害，極大地提高了采摘的質量。

采用長距離可視化模塊，增加采摘可視距離，提高人眼使用采摘剪刀時采摘的準確性。

使用水果輔助采摘剪刀，降低了勞動成本，提高了勞動效率，減小了勞動強度，同時具有一定的娛樂性，符合當前農業觀光旅游市場的需求，具有廣闊的市場前景。

六、結束語

研發采摘機器人用于輔助或代替人工采摘，是解決鮮食果蔬人力采摘勞動強度大、效率低以及成本高等客觀問題的重要途徑，也是智能農機領域的研究熱點。通過試驗發現，本水果采摘剪刀不僅能夠降低勞動強度，提高采摘趣味性，而且對提高經濟效益有一定的作用，對于促進我國農業機械化發展、加速農業現代化進程有著重大的社會意義。

參考文獻：

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[2]崔玉潔，張祖立，白曉虎.采摘機器人的研究進展與現狀分析.哈爾濱：農機化研究[J]，2007.（02）：4-7.

[3]吳曉云，高照全，李志強，程建軍.國內外草莓生產現狀與發展趨勢[J].北京：北京農業職業技術學院，2016.

[4]張曼.草莓采摘機器人遠-近景組合視覺系統設計[J].陜西：西北農林科技大學，2018.

作者簡介：張磊（1998—）男，江蘇徐州人。

通訊作者：秦培亮（1981—）男，江蘇徐州人，副教授。

基金項目：

1.江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目（項目號：201912808009Y）小型可調輔助采摘農機具;

2.江蘇現代農業（草莓）產業技術體系（項目號：JATS[2018]233）相城推廣示范基地;

3.2017年蘇州農業職業技術學院青年教師教育教學研究能力提升專項課題農業高職院工科學生實踐技能培養策略研究項目編號SNQJ09主持人：秦培亮。