一体式小型草莓采收机

马云，曹聪，吴鑫蕊



一体式小型草莓采收机

马云，曹聪，吴鑫蕊

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

随着农业技术的发展，我国草莓种植业发展迅猛，产量逐年增高，但与之不匹配的是，我国草莓采摘仍以人工采收为主。因草莓的采收周期长，采摘者的劳动强度和作业量都非常大，且为了分辨果实成熟度和防止损伤果实，所以果农需长时间且频繁弯腰或者蹲于两垄间工作，效率不高，影响身体健康。对此，设计了一种新型的一体式草莓采收机，实现半自动采收，提高果农的采收效率。通过机构创新组合与模块化设计，对草莓是否成熟进行分选梳理，完成采摘与收集工作；通过控制手柄端电动按钮实现半自动化采收，操作者不需弯腰或蹲下进行工作；通过适应性分析及设计，在保证高效率的同时在采收过程中不损伤草莓。

草莓采收机；半自动采收；果实成熟度；采收效率

1 作品背景及意义

我国草莓种植面积广大，年产量约90万吨，居世界第一位。草莓作为一种生长较为低矮的水果植株，表皮柔软易产生损伤，人工采摘时需要弯腰或者蹲于两垄之间进行采摘，影响采摘者身体健康且效率不高。草莓果实不定期成熟，生长方式独特，需要人工不间断地进行判断和收获，但我国农业往往以小规化采收为主，所以综合上述因素，我国的草莓采摘具有工作量大、劳动强度高的特点。

基于以上背景，设计了一款一体式小型草莓采收机，由分选梳理模块、剪切模块和收集模块组成。

2 作品方案设计

草莓采收机如图1所示。该装置体积小，在草莓垄地间行进，控制装置后端手柄的按钮通过机构梳理草莓并剪切果茎，操作者不用弯腰便可完成采收水果的工作。

分选梳理模块采用曲柄导杆机构，利用步进电机带动机构运动，使梳齿板按一定轨迹运动，梳齿板的梳齿间隙按照草莓大小设计，可以区分草莓的成熟度是否达到要求，同时使用扭簧做自适应设计，保证在不损伤草莓的同时实现其分选梳理，操作方便，加工简单。

剪切模块主要由曲柄摇杆机构和错动式切割装置组成，利用舵机带动切割装置向下翻转，利用鲍登线原理，握紧把手对草莓茎进行切割，草莓落入收集盒中，收集盒可从车后部取出。通过对两个模块的模拟实验，装置能很好满足果农对采收功能的要求，且使用方便。

3 作品整体介绍

装置工作流程如下：将装置放于采摘时的初始位置，曲柄摇杆机构中摇杆摆动带动梳齿板与草莓垄壁产生接触并上移，与草莓产生接触，较大草莓的草莓茎被梳齿板拉起，实现辨别草莓成熟与否的分选梳理功能，错动式剪切板在舵机的驱动下发生翻转，剪切前，草莓茎处于动刀架和定刀架之间，握紧手把，闸线被拉动时，动刀架与定刀架发生相对运动，最后，固连在动刀架上的刀片完成对草莓茎的剪切过程。剪切后的草莓茎掉入收集盒中。梳理模块运动方式如图2所示。

图1 草莓采收机

图2 梳理模块运动方式

4 作品模块设计

4.1 分选梳理模块

分选梳理模块可以根据草莓大小进行分选梳理，用剪切机构对草莓茎进行剪切。由导杆机构、梳齿板和自适应贴合装置组成，电机带动齿轮转动，继而带动曲柄的旋转。梳齿板沿着设计的轨道运动，为了使梳齿板能够紧贴垄壁，滑块和梳齿板间增加了扭簧。

4.2 剪切模块

剪切模块主要由曲柄摇杆机构和错动式切割装置组成。成熟草莓被梳理至梳齿板内侧，舵机带动曲柄摇杆机构运动，使固连在连杆上的切割装置向下翻转至梳齿外侧。

错动式切割装置利用鲍登线原理，握紧把手使内部闸线拉动动刀架，动刀架相对于定刀架横向移动切割草莓茎，松开把手压弹簧产生的弹力使刀架复位。

4.3 收集模块

剪切后的草莓落入收集盒中，收集盒与车架底板通过滑槽连接，草莓装满收集盒后，收集盒可以从车的后部抽出，使用方便。

5 作品机构设计

5.1 间隙式梳齿板

齿板间的梳齿间距可以满足分离不同规格草莓大小的目标，按照草莓大小进行分选，较大的草莓由于不能通过梳齿间隔，所以梳理后停留在梳齿板上，较小的草莓通过梳齿间隔，仍能自然下垂在垄坡上。

考虑到不同品种草莓具有不同的规格，设计了不同的梳齿间距；考虑到草莓的表皮易损伤，为了不损伤草莓表皮，将梳齿板的顶部设计成圆角，并且将梳齿板设计成可拆卸结构，在梳理不同规格的草莓茎时能做到更加方便和人性化，便于更换。

5.2 自适应贴合装置

本装置设计的梳齿板具有自适应的特点，为了使梳齿板能够紧贴垄壁，滑块和梳齿板间增加了扭簧。扭簧的两端分别被固定到梳齿板和滑块上，当梳齿板绕着弹簧中心旋转时，该弹簧将它们拉回初始位置，产生扭矩。扭簧可以存储和释放角能量或者通过绕簧体中轴旋转力臂以静态固定某一装置。

5.3 曲柄摇杆机构

曲柄摇杆机构由安装在小车顶部的双轴舵机提供驱动，舵机输出轴与曲柄相连，连杆与错动式切割装置固连。舵机作为一种位置伺服的控制器，可精确定位，可以将切割装置翻转至梳齿板外侧。

6 尺寸计算

6.1 装置整体尺寸

从人机工程学的角度和操作性出发，以成年男性平均身高尺寸数据为依据进行设计，该装置适合大部分人使用。此外，通过实地调研了解草莓垄结构，查阅相关数据，再结合内部各模块的尺寸，设计本装置整体尺寸为高度1 000 mm、长度1 100 mm、宽度370 mm。

6.2 梳齿板尺寸

装置通过梳理将草莓进行切割，通过调研发现草莓垄上两株草莓之间的距离大约150～200 mm。考虑到梳理草莓的安全性的高效性，因此设计梳齿板长度300 mm、宽度95 mm、厚度4 mm。

7 项目效益分析

原采摘流程所需时间，经实地测算为6.25 s，本作品采摘流程所需时间，经实地测算为4.13 s，此次测算结果为人与机器同时采摘一列垄地中单个草莓的平均用时，可得出采摘效率提升33%.

装置除简化了采摘流程，成本低廉，减轻果农劳动强度外，还延长了工作时间，间接提高了采摘效率。

8 项目创新点

本作品创新之处主要体现在以下3个方面：①机构上，巧妙地将分选、剪切、收集多个功能进行整合，在有限的空间里设计多种创意组合机构，实现半自动化采收草莓，提高采收效率；②功能上，导杆机构和间隙式梳齿板的组合实现了草莓的分选采收，自适应扭簧保证了采收的安全高效性；③作品对装置进行一系列人因设计，体积小重量轻，果农无需弯腰劳作，电动辅助可轻松推动，可适用于各种规格的草莓垄地。

9 应用前景

本作品针对草莓采收过程中出现的问题，设计出一款无需弯腰采收草莓的装置，可有效减少人手操作步骤，降低工作强度，提高了采摘效率，节约采收成本。本装置适应不同的采摘环境，不受垄沟宽度的限制，装置的使用范围广；装置原理简单，与现有的大型草莓采摘机器人相比，价格低，便于推广；目前市场上未见同类产品，也未见与本作品相似的发明专利，而本产品设计简单巧妙，生产销售方便，市场前景广阔；此外，作品人机协同采收的理念可广泛应用于其他水果的采摘过程之中，为其他小型辅助采摘设备的设计提供参考。

［1］唐增宝，常建娥.机械设计课程设计［M］.武汉：华中科技大学出版社，2007.

［2］机械设计手册编委会.机械设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［3］成大先.机械设计图册［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［4］朱金生，凌云.机械设计使用机构运动仿真图解［M］.第2版.上海：电子工业出版社，2013.

［5］田裕鹏.传感器原理［M］.第3版.北京：科学出版社，2007.

2095－6835（2019）05－0146－02

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.146

〔编辑：严丽琴〕