草莓快速采摘機設計

2022-09-26 10:26:20樂海文陳水泉劉文謙

科學技術創新 2022年26期

樂海文,劉對,陳水泉，劉文謙

（九江學院，江西九江 332005）

引言

草莓作為一種重要的經濟作物，營養價值豐富，在中國屬于比較廣泛栽培的漿果類水果。中國是世界上最大的草莓生產國，但大部分的草莓種植規模不大。由于大型的草莓采摘機械手昂貴，因此大都還是采用人工的方式采摘，機械化、自動化程度低。草莓作為一種季節性經濟作物，這就導致人工采摘工作強度大，人手不足，采摘效率低等問題。并隨著人工成本的上升，給種植草莓的果農帶來了巨大的困擾。通過認真分析研究發現手工采摘草莓有以下不足：

（1）草莓作為一種季節性經濟作物，成熟期短，因此到了成熟的時候需要雇傭大量臨時工人來專門采摘，并且由于成熟期集中在幾個固定時間段，工人供不應求，成為稀缺資源。

（2）采摘環境較差，大棚環境溫度較高，人很難長時間在大棚內采摘。

（3）人工采摘效率差異化很大，采摘效率無法保證。

針對以上問題，我們應該考慮設計產品功能包含以下幾個方面[1]：

（1）草莓的采摘與收集實現自動化，高效率完成采摘。

（2）巧妙設計采摘機構及收集機構，靈活好用。

（3）價格便宜，操作簡單

1 設計方案

1.1 總體設計構想

要實現草莓采摘的高效率、易操作、體積小、成本低等特點，首先采摘機構的效率要優于人工采摘，為此采用三爪旋轉刀具來作為采摘機構，其效率可以達到人工的三四倍，基本實現了目的。其移動定位機構參考機床的x y z 軸移動方式，采用了兩軸聯動，能比較精準的實現對草莓的定位。收集機構采用皮帶傳輸。總體設計見圖1。

圖1 草莓采摘機總體設計三維圖

1.2 采摘機構的選用

經過前期調研，發現大多采用機械臂和傳感器實現采摘功能，這種方法缺點在于成本高、操作繁瑣而且不適用于我國小型農戶的草莓壟設計。因此在采摘機構的選擇上提出方案構想：采用三爪旋轉刀具利用旋轉和刀片給草莓的扭矩和切割力達到采摘的目的。此方案源自多次的實地考察，觀察草莓的特性以及向農戶的咨詢中了解到草莓莖脆且只需很小的力就可以完成采摘。因此制作了三爪旋轉刀具，當草莓卡在刀片縫里時，刀片同時在繞中間軸做旋轉運動，旋轉過一定角度時，草莓莖在扭矩和刀片的切割力下就會斷裂，完成采摘過程。此方案優點在于易控制，而且可以通過控制機構實現不同高度的草莓采摘，效率也遠勝于人工采摘，經過各個機構之間協調的工作可以實現采摘功能[2]。

采摘機構由：鋁制刀片，圓柱棒料（長：100 mm直徑：30 mm），小型減速電機（額定轉速為120 r/min）和聯軸器組成。鋁制刀片鑲嵌在開槽的圓柱棒料上，棒料通過聯軸器和電機相連。整體運作：當采摘機構通過控制機構定位后，通過控制按鈕啟動電機，電機旋轉，電機的旋轉動力通過聯軸器傳遞給圓柱棒料，圓柱棒料的旋轉帶動鑲嵌在棒料上的刀片旋轉，刀片轉過一定角度后，草莓卡在V 型的刀片底部，刀片繼續旋轉，草莓受到扭矩和刀片底部一定的切割力，從而和草莓莖脫離，實現采摘。

1.3 控制機構的選用

根據設計要求對處于不同垂直度和水平方向上草莓的需精準定位，選擇滾珠絲桿和電動推桿來實現縱橫向運動。

（1）滾珠絲桿由螺桿、螺母、鋼球、預壓片、反向器、防塵器組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，用電機驅動，把電機的旋轉運動轉化為垂直方向的上下運動，來控制垂直方向上的定位而且它具有摩擦損失小、傳動效率高、精度高、軸向剛度高、不能自鎖、具有傳動的可逆性等能滿足我們在作業過程中的一切運動要求[3]。

（2）電動推桿是一種新型的電動執行機構，電動推桿主要由電機、推桿和控制裝置等機構組成的一種新型直線執行機構，電動推桿在一定范圍行程內作往返運動，電動機經齒輪減速后，帶動一對絲桿螺母，把電機的旋轉運動變成直線運動，利用電動機正反轉完成推桿伸出和收縮運動，推桿的這些特性能很好的滿足水平方向的定位要求。

滾珠絲桿和電動推桿均采用點動控制，能高精度的達到要采摘的草莓位置。在絲桿的一側采用光桿和絲桿，光桿在這里是代替絲桿所承受的機械部件的壓力，增加了絲桿的剛性。

1.4 傳送機構的設計

皮帶傳動：具有恒定的傳動比，工作時無滑動，傳動準確。傳動效率高，一般可達98%，節能效果顯著。結構簡單，制造成本低，安裝維護方便。皮帶富于彈性，可以緩和沖擊和振動，因此運轉平穩，工作時噪聲較低。制造和安裝精度不像嚙合傳動要求那樣嚴格。結合要實現傳送草莓，以及減少成本，安裝精度等要求選用皮帶傳動。采用張緊的環形的皮帶，套在兩根傳動軸的皮帶輪上，它依靠皮帶和皮帶輪張緊時產生的摩擦力，將一軸的動力傳給另一軸。

整體運作：草莓在滑道的引導下掉落在傳送帶較低的一端，通過皮帶輪的傳送，運輸到帶皮輪的另一側然后掉落在籃子里實現收集功能。