枸杞采摘機的設計

雒曉兵

（蘭州博文科技學院，甘肅 蘭州 730101）

枸杞是兼具營養價值與保健功效的藥食同源的滋補良品。近年來，人們對枸杞的需求量不斷增長，我國是世界上最大的枸杞生產國和消費國，據統計，截至2020 年國內枸杞的總產量約有44.12×104t，占世界總量的95%以上[1]。由于枸杞果實為漿果，果皮薄、含水量大，在采摘過程中很容易損傷，因此枸杞采摘一直以來以人力為主，勞動強度大，用工量多，采摘成本非常高，枸杞的采摘問題成為制約枸杞產業可持續發展的主要問題。目前，枸杞采摘機有自走式和便攜式2 種，根據工作原理，主要可分為振動式、梳刷式、剪切式、氣動式等采摘方式[2-5]。其中，振動式枸杞采摘機研究較為廣泛，但其存在采凈率較低、含雜率較大，且對枸杞第二年的掛果率有較大的影響等問題[6]。因此，迫切需要用機械化、智能化的裝備來代替人工采摘作業，大力開發和推廣果實智能采摘將會產生十分重要的實用價值和經濟效益。

1 采摘方式的選擇

枸杞樹是多分枝灌木植物，枝條細弱，樹高可達1 m。枸杞鮮果果實由果梗、果蒂、果皮、果肉等幾個部分組成。枸杞果實呈橢圓形，果實較小，縱徑為15 mm，橫徑為10 mm，果實與樹枝之間有20 mm 的果柄，人工輔助拉起時枸杞果實尺寸與枝條的簡化模型見圖1、圖2。枸杞的機械化采摘對枸杞樹有株距、樹形、果實數量等要求[7]，這就需要機械化采摘的研究與枸杞種植農藝相結合，逐步完善農藝技術，促進枸杞機械化采摘的研究[8]。選擇一種合理的采摘方式非常重要，各種采摘方式分析見表1[9，10]。

表1 各種采摘方式對照表Tab.1 Comparison table of various picking methods

圖1 人工輔助拉起枝條時的果實Fig.1 Fruits when manually pulling branches

圖2 枸杞果實尺寸與枝條的簡化模型Fig.2 Simplified model of Lycium chinense Miller fruit size and branches

雖然近些年來推出了振動式和梳理式等各種枸杞采摘機，但振動式采摘機對樹枝損傷比較大，梳刷式枸杞采摘機人工輔助勞動強度大，因此，研制一款可以代替人類工作的智能化采摘機非常重要。根據所設計的枸杞采摘機要求結構簡單、效率高、勞動強度低、對枸杞樹損傷較低和適合能力強等特點，選擇剪切式采摘方式。

2 枸杞采摘機總體設計與工作原理

枸杞采摘機設計圖見圖3。枸杞采摘機主要由伸縮桿、頂桿、電機、圓柱齒輪、圓錐齒輪、軸、剪刀、箱體、舵機、連接銷、舵機盤、控制裝置、攝像頭、電源、電線和手機等部件組成。

圖3 枸杞采摘機結構圖Fig.3 Structure diagram of Lycium chinense Miller picking machine

枸杞采摘機在進行采摘作業時，根據需要采摘枸杞的高度，初步調整伸縮桿的伸縮量，伸縮桿和頂桿滑動連接并且固定在伸縮桿中，通過手動調整伸縮桿上下滑動，以達到采摘的高度，再通過鎖緊裝置將伸縮桿鎖緊，其中伸縮桿的外管為固定桿，內管可以伸縮。頂桿末端結構通過銷軸連接電機，電機可通過銷軸繞頂桿末端結構轉動。工人可以根據枸杞樹柄部情況通過手機上面app程序來控制舵機的旋轉角度使剪刀到達最佳的剪切角度，通過錐齒輪與圓柱齒輪傳動，將動力傳遞給剪刀，通過齒輪與剪刀活動端的刀柄的齒輪嚙合控制剪刀的活動端，實現剪刀的往復剪切動作。

3 采摘機的關鍵部件設計

3.1 伸縮機構的設計

伸縮機構主要由內管、外管和鎖緊裝置組成。外管的直徑要比內管大，內管在外管內部實現伸縮，達到指定長度后通過鎖緊裝置來鎖緊。內管作為伸縮的對象，是要通過鎖緊裝置來決定整個高度。鎖緊裝置為塑料伸縮管接頭，擰緊可以鎖緊，方便快捷，堅固耐用，非常實用。伸縮桿的材料為特制塑料，耐腐蝕，質量輕且堅固，用起來非常省力。

3.2 傳動機構的設計

傳動機構可以將動力所提供運動的方向或速度進行改變。這里采用錐齒輪圓柱齒輪的二級齒輪機構，錐齒輪軸直接與電動機相連接，圓柱齒輪與剪刀活動端嚙合，有效控制剪刀的張開與閉合，實現傳動，傳動機構的三維結構圖見圖4。

圖4 傳動機構的三維結構圖Fig.4 3D structure drawing of transmission mechanism

3.3 剪切機構的設計

剪刀由上下2 個刀組成，上刀為活動動刀，起切割作用；下刀為固定刀，起支撐作用。剪刀利用杠桿原理將力作用在剪刀上下刀之間的果柄上，剪切使其斷裂。剪刀材料的選擇需要保證耐腐蝕，不容易生銹，考慮到機械加工性和經濟性，剪刀材料選擇1Crl3。剪刀片應開閉靈活，剪切以后，剪切刃不應有崩刃、卷刃等影響外觀和使用功能的損壞。當上下刀即將交合時，下刀雖然受到較大的力，但上刀不會越過下刀接著運動，不會使下刀因頻繁沖擊而受損，這樣可以提高剪刀的壽命。

根據采摘枸杞的實際情況，設計出來的剪刀刀刃長度在60 mm 左右，最大剪枝直徑是25 mm。選擇枸杞樹位不同置的多根枝條進行多次剪切實驗，實驗表明了直徑小于16 mm范圍內的果柄均可成功被剪斷。剪刀能夠完成枸杞鮮果的采摘作業，操作簡便、省力，對提高采摘作業效率有非常重要的參考意義。

3.4 輔助機構的設計

從結構來看，舵機是由一個小型直流電機、傳感器、控制芯片和減速齒輪組組成的控制系統，舵機能夠通過輸入信號控制旋轉角度。本次設計要求舵機價格低廉、結構緊湊，能夠通過輸出盤控制電機繞頂桿末端結構的轉動角度，從而確定采摘的方向和角度。根據枸杞采摘機的實際情況，選HG14-M舵機，成本較低、旋轉角度大。

3.5 電機與電源的選擇

電機的性能直接影響到了枸杞采摘機的使用效果。在設計中，電機的特性為時間短、啟動頻繁。電機的種類多、性能差別比較大，對電機類型及型號進行選擇十分重要。直流電機可以實現快速頻繁無極啟動、制動和反轉，具有過載能力大，能受頻繁的載荷沖擊，優良的調速性能等特點，而枸杞采摘機的特性為頻繁短時間運行、快速啟動，根據以上信息，選取電動機的類型為直流電動機，因載荷平穩，電動機的額定功率只需要稍微大于機械工作所需的功率即可。經計算，選取的直流電動機的額定功率為12 W，額定電壓為12 V，轉速為1 000 r/min。選用12 V 電源還可以通過電線給頂桿通電，頂桿導電并可將電傳遞給控制裝置和攝像頭，從而控制舵機的旋轉角度使剪刀到達最佳的剪切角度。

4 結語

無論是傳統的機械采摘還是人工采摘，都會對枸杞的果肉造成不同程度的傷害，在采摘時，通常會將果實與果柄分開，這種情況下，在晾曬的過程中，枸杞很容易發生腐敗，從而降低了枸杞的質量。剪切式枸杞采摘機具有摘取全莖、減少摘取損傷、提升質量等優點。控制裝置使剪刀調整到最優的切割角，從而提高采摘率，并可減輕采摘者長期仰頭作業所帶來的勞動強度，改善采摘者的作業環境。為實現枸杞采收的智能化、精準化、自動化，本項目擬在前期工作基礎上，進一步開展枸杞成熟果實在線識別技術的研究，以滿足我國枸杞產業現代化發展對智能采收的要求。