杜沛松 杜娟 何延东 王浩轩 高亮 裴俊杰

摘要：目前我国草莓仍以人工徒手采摘方式为主，摘果效率低。在研究国内外草莓采摘机械现状及采摘机构原理特点的基础上，设计一种采摘收集一体化草莓收获机构，阐述该机构总体方案与工作原理，并加工出样机进行采摘试验，结果表明该机构适用于垄作草莓采摘作业。

关键词：草莓;收获机构;采摘;收集;一体化;设计

中图分类号：S225    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2019）05-0023-03

我国是农业大国，也是蔬菜水果供应大国。我国草莓种植面积广，分布地域较为密集，种植方式主要是垄作。由于草莓果实多汁易损，而国内对草莓采摘机具研究较少，目前草莓采摘仍以人工徒手方式为主，采摘过程十分消耗体力，采摘效率低。农业劳动力不足及老龄化问题的不断加重，对水果采摘的机械化程度提出了新的要求，研发水果采摘机械既能降低劳动强度，又能促进我国农业机械化发展，对于加快我国农业现代化进程具有重要意义。

1 草莓采摘机械研究现状

自20世纪80年代开始，一些发达国家如日本、美国等对水果采摘机器人进行了大量试验研究，设计出苹果、橙子、樱桃、甜瓜、草莓、葡萄等水果采摘机器人或样机。日本近藤等人研制出一种采用真空设备气吸式采摘草莓的机器人，通过控制真空吸力的强度采摘成熟草莓果实，可减少对草莓果实外皮的接触。上海交通大学郭峰等人运用彩色图像处理技术和神经网络理论设计一种草莓拣选机器人，采用气动驱动器将草莓推到不同等级方向。西北农林科技大学基于4自由度直角坐标机器人研发出草莓采摘机器人，采用2个CCD摄像机对草莓果实进行识别定位。新疆大学李长勇等人研制出一种高架草莓采摘机器人，能够自主识别、定位并无损伤采摘高架栽培模式下的成熟草莓。

目前国内外草莓采摘机械尚存在一些问题：一是普遍采用多机器视觉系统，结构复杂，成本较高;二是整体机构庞大，工作所需行走空间大，影响种植密度;三是采摘时需要定位成熟草莓的空间三维坐标，但草莓天然生长位置及形状各异，夹持果茎时会因定位精度下降影响摘果准确性，造成果实损伤;四是采摘机器人价格偏高，从经济效益方面考虑很难普及，限制了技术成果向生产力转化。

2 采摘收集一体化草莓收获机构的设计

草莓种植方式分为高架式和垄作式。目前国内外大部分草莓采摘机械适用于高架式草莓，其先利用图像处理方式识别出成熟草莓，然后通过剪断果梗实现果实收集;而垄作式草莓种植在垄上，植株距离地面近，无法使用现有的采摘装置完成采摘作业。本课题设计一种适用于垄作草莓的采摘收集一体化收获机构，相比草莓采摘機器人，其结构紧凑、生产成本低、操作简便，可大面积推广。

2.1 总体方案

采摘收集一体化草莓收获机构的主要工作部件是草莓采摘收集手臂（如图1所示）。人工采摘时可使用机械手臂辅助站立完成采摘作业，根据使用者身高调节手臂的长度。采摘刀具内刃设计为锯齿形状，可以更好地固定草莓果茎。刀具内部设有弹簧，剪刀剪完草莓后自动恢复到待剪状态。

机械手臂自带收集槽（如图2所示），通过收集槽和剪刀的配合实现一剪一收集，一个周期可以收集多个草莓。每剪一次，收集槽在下方驱动机构的驱动下旋转一定角度，防止草莓上下重叠，保证摘下来的草莓果实均匀分布在圆筒形收集槽内。收集装置底部和侧壁垫有泡沫棉起到缓冲作用，防止草莓被剪下后落入收集槽时磕碰而造成损伤。收集槽中间设有手持部分，一个收集槽装满以后可取出更换另一个空收集槽，准备下一个周期的采摘和收集。收集槽装配时使用折页作为连接机构。

2.2 工作原理

使用时，采摘者通过把手调节手臂的空间位置，将剪刀对准要采摘草莓的茎并握下把手，通过钢丝绳连接，将手握把手的运动分别传递到剪刀和收集槽上。刀具受力合拢切断果茎，使草莓落入收集槽中，松开把手后刀具在弹簧作用下恢复原状，做好下一次剪切准备;同时，钢丝绳拉动收集槽下的棘爪，驱动棘轮旋转一个工位，使收集槽上正对着剪切刀具的位置空出，为下一颗草莓采摘做准备。完成一次草莓采摘与收集的工作流程如图3所示。

2.3 主要结构设计

采摘收集一体化草莓收获机构主要由机架、把手、剪切刀具、旋转机构、收集槽5个部分构成。

2.3.1 机架 机架分上下两节，上下连接杆用螺栓连接。机架结构相当于延长了采摘者的手臂，实现了由站立采摘代替弯腰或下蹲采摘，极大地缓解了采摘者的劳动强度，提高了采摘效率。

2.3.2 刀具 刀具前端采用圆角过渡，避免碰伤果实。为方便收集装置的装卸，将刀具与机架连接杆设计成分体式，二者采用折页连接。在工作状态下，刀具和连接杆呈一条直线，钢丝从中间的孔中穿过，驱动刀具运动;在非工作状态下，刀具连接杆抬起可以更换收集槽。

2.3.3 驱动机构 驱动机构由1个棘轮、2个棘爪、固定棘爪的外壳及为棘爪提供动力和弹力的弹簧构成（如图4所示）。弹簧支撑杆两侧固定在收集槽外壳上，该弹簧实现了棘爪的前后回弹运动，每次收集草莓时通过手握把手控制钢丝绳拉紧，钢丝绳拉动棘爪下壳，带动驱动棘爪运动，棘爪带动棘轮逆时针转动一个齿，制动棘爪阻止棘轮连续转动。

2.3.4 收集槽 收集槽（如图5所示）为带有锥度的圆筒，圆边与直线过渡相切。收集槽底部设计6个绕圆周均匀分布的凹坑结构，凹坑与外壳上的6个相似形状的凸起配合，实现棘轮转动时带动收集槽同步运动。

3 应用试验

制作采摘收集一体化草莓收获机构样机，进行草莓采摘试验。通过试验发现：在整个采摘过程中，采摘者可以始终保持上体直立，使用采摘收集手臂相比传统采摘方式极大地减轻了劳动强度;该机构操作简单，普通草莓种植户均可轻松掌握。在应用中也发现了一些问题：手臂的重心比较靠前，需要两只手进行操作;采摘操作时需要按下把手，长时间操作手部容易疲劳，应加强整个装置的润滑以减小操作阻力;摘果过程中需要定期检查或更换刀具。今后可在这些方面进行改进设计。