新型草莓采摘辅助工具设计

1、    新型草莓采摘辅助工具设计    李祥亮 彭娟 赵贵龙 毛柯夫 纪佳欣摘 要：近年来，我国草莓种植规模不断扩大，由于草莓种植存在盛果期采摘作业劳动强度大、周期长的特点，设计新型草莓采摘辅助工具是极为必要的。针对我国草莓园采摘现状、草莓采摘特点，设计了一种新型草莓采摘辅助工具。该装置模拟人工采摘草莓的动作，将握持草莓和剪茎的动作，巧妙地整合在一个框型框架上;框架为双层结构，下层框架（简称定刀架）固定安装在一根杆的下端，同时在定刀架上设置一个布兜，用于接草莓;上层框架（简称动刀架）铰接定刀架上，在动定刀架的前端分别安装若干刀片;杆上端安装有手柄、驱动把

2、手等，通过拉线将动刀架的驱动件与驱动把手联接，杆的长度设计成可调结构，以适应不同身高的人使用。此装置对于降低人工劳动强度、提高采摘效率和保证草莓适时采收，具有重大意义。关键词：草莓采摘装置;辅助;快速：s225;tp242 ：a ：1671-2064（2019）02-0087-020 引言草莓不仅外形可人，而且味美，大多数消费者对草莓有着较高的认可度，目前，全世界草莓种植面积约为550万亩，在小浆果品类中居首位。我国是世界上最大的草莓生产国之一，据统计，2017年全国草莓种植面积230多万亩，产量400多万吨，总产值达600亿元以上1。2017年我国草莓进口1.24万吨，同比增长7.46%;出

3、口量9.76万吨，同比增长6.53%2。随着我国草莓行业的不断发展，进出口情况也随之增长，因此草莓行业未来发展极具空间。以往草莓采摘方式以人工采摘为主，传统采摘方式不仅浪费时间，而且成本较高，导致草莓采摘不及时、市场供应不及时等问题，进而影响草莓的销量。基于此，应改进草莓采摘方式，设计新型草莓采摘辅助工具，以此提高草莓采摘效率，确保市场供应需求得到满足。本文探究“新型草莓采摘辅助工具设计”这一论题，论题分析的现实意义较显著，具体探究如下。1 研究概况采摘过程在草莓种植中占有重要地位。草莓的整个种植生产过程中约有1/4的时间被草莓采摘所占用，并且由于草莓果实成熟后必须尽快采摘，盛果期采摘作业的劳

4、动强度大，将自动化技术引入草莓采摘作业环节，研发草莓采摘装置成为目前亟待解决的问题，国内外为此做了大量的研究。中国农业大学的张铁中等人针对我国常见的温室里高垄畦作裁培的草莓，初步建立了草莓采摘機器人实验系统。他们设计了两种采摘机器人样机，在草莓果实目标识别、提取，定位、采摘机器人及手爪等方面的研究取得了一定成果3-4。上海交通大学与日本宫崎大学共同研制出了跨垄作业4个自由度的草莓收获机器人设备。该机器人采用两个俯视地面的ccd摄像机获取草莓的图像，计算出草莓的方位，用激光传感器测量机械手爪到草莓的距离，气动机械手爪抓取草莓果柄，并用剪切式切刀切断果柄。但该装置体积庞大，且没有驱动装置，距实际应

5、用还有相当的距离5。此外，很多机器人采摘草莓时，对草莓的种植方式和品种还有着特殊的要求，不适合我国普遍的垄作栽培方式6-7。2 设计目标及方案分析2.1 设计目标经调研我们发现目前人工采摘主要存在以下两个问题：（1）果农需要长时间蹲移或弯腰采摘;（2）果农需要逐个采摘。因此我们的设计目标为提高草莓采摘效率和降低果农劳动强度。2.2 具体方案如图1所示，该装置由剪切部件、驱动部件、支撑部件、杆长调节部件等组成。动、定刀架都安装在刀架座上，定刀架固定于刀架座上，动刀架可绕轴转动，并且在定刀架上装有一个布兜;在动、定刀架的前端分别安装四个刀片，动刀与定刀两两呈剪刀状。拉线一端与把手相连，一端与动刀架

6、相连，拉线的相关结构与刹车线的结构相同。如图2，在动刀架的转轴上装有扭簧，用于动刀架的复位;支撑部件由刀架座、细杆、粗杆手柄等组成;细杆与粗杆手柄的连接处安装有杆长调节部件，把手通过把手座固定在粗杆手柄上。在装置工作时，先将草莓抄入布兜中，轻轻向上提，茎便会夹在刀片之间，人驱动把手，把手通过拉线，带动动刀架转动，使动刀与定刀交错，夹在刀片之间的茎便会被剪断，然后，将剪下的草莓放入随身携带的容器中。之后人松开把手，位于两个刀架之间的扭簧会使动刀架回位，准备下一次采摘。装置中多组剪刀式的结构保证了抄起草莓时一定有草莓茎落入剪刀口中，省去了剪刀口对准茎的过程，还能一次采摘多个草莓，大大提高了采摘效率

7、，解决了果农逐个采摘效率低的问题。而长杆式的结构改蹲行采摘为直立式采摘，解决了果农蹲行采摘劳动强度大的问题。3 具体设计分析3.1 剪切部件如图3，该部分主要由动刀架、定刀架和刀片等组成。不剪切时，呈上图状态;剪切时，动刀架将绕轴转动，动刀刃口向定刀刃口交错，达到剪断草莓茎的目的。如图4，动刀架安装在刀架座上，动刀架可绕轴转动，定刀架由于嵌入刀架座的凹槽而不可转动。为避免动刀架和定刀架之间间隙过大而影响剪切效果，设计了u型卡，强制动、定刀贴合。同时，刀片的宽度大于相邻刀片之间的间距，避免刀架相互卡住，影响交错运动，从而保证了两刀架之间的距离在有效剪切距离内。3.2 驱动部件驱动部件组主要由扭簧

8、、拉线与把手组成。扭簧安装在动刀架的转轴上，其一端紧靠于动刀架内壁，一端紧靠于定刀架内壁。拉线一端固定于动刀架，另一端与把手相连。把手安装在把手座上，把手座安装在粗杆手柄上。初始位置时，扭簧不受力的作用而处于自由状态，而在剪切时，人驱动把手，拉动拉线，从而带动动刀架绕轴转动，进行剪切。而当剪切完成后，人松开把手，在扭簧的作用下，动刀架回到初始位置，完成整个传动过程。3.3 杆长调节部件杆长调节部件主要由球头销、弹簧以及球头销座组成。球头销安装在带有弹簧的球头销座的孔中，再将球头销座移进细杆内，使球头销从细杆和粗杆上打好的孔弹出，从而固定细杆和粗杆的相对位置。而当伸缩时，需将球头销按下同时拉（推

9、）粗杆，在需要的位置时停下，球头便会卡入粗杆上的孔，使粗杆的位置固定，从而达到调节杆长的目的。4 结语本装置旨在提高草莓采摘率和降低采摘人员的劳动强度，通过创新设计，装置具有如下创新点：（1）多组剪刀式结构。多组剪刀同平面共架安装可以保证随意抄起草莓时一定有草莓茎落入剪刀口中，省去了刀口对准茎的过程，还能一次采摘多个草莓，大大提高了采摘的效率。（2）直立式采摘。人在使用此装置时不必蹲下，只需站着即可采摘。如果装置长度不合适，还可以调节长度，大大降低了人们的劳动强度。本装置成本低廉，适用于中小规模的草莓种植场，轻巧灵便，适合各身高人群使用。参考文献1 中国农业网，2018.04.02.2 2017-2022年中国草莓行业市场运营态势及投资前景预测报告r.2016.3 张铁中，周天娟.草莓采摘机器人的研究：.基于bp神经网络的草莓图像分割j.中国农业大学学报，2004（04）：65-68.4 张铁中，周天娟.草莓采摘机器人的研究：.基于bp神经网络的草莓图像分割j.中国农业大学学报，2004（04）：65-68.5 郭峰，曹其新，崔永杰，等.用于草莓收获机器人的果实定位和果柄检测方法（英文）j