王飞奇　邵继升　王栋

摘要    草莓是一种具有较高营养价值和经济价值的水果，在我国有非常大的种植面积。然而，目前草莓采摘主要靠人工完成，任务繁重，效率较低。再加上草莓属于浆果，水分含量很高，采摘时极易损坏。本文以辅助人工采摘草莓的装置为研究对象，设计出一款利用太阳能作为动力、便于携带、高效、高果实完整率采摘的基于太阳能辅助人工采摘草莓装置，极大减轻了采摘工人的劳动强度，提高了果实的完整度，节约了能源，为广大草莓种植户提供了很好的草莓采摘辅助，在现代农业应用上有很好的发展前景。

关键词    草莓采摘;太阳能;现代农业;农业机械;节能减排

中图分类号    S668.4;S225;TK519        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）13-0154-02                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Design  on  Artificial  Strawberry  Picking  Device  Based  on  Solar  Energy

WANG Fei-qi    SHAO Ji-sheng *    WANG Dong

（Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040）

Abstract    Strawberry is a kind of fruit with high nutritional and economic value，it has a considerable planting area in China.However，strawberry harvesting mainly depends on manual work at present，which is heavy and inefficient.In addition，strawberry belongs to berries，which have high moisture content and are easily damaged during picking. In this paper，taking the assisting artificial strawberry harvesting device as the research object，a solar-assisted artificial strawberry harvesting device was designed，which was portable，efficient and with high fruit integrity.It greatly reduces the labor intensity of pickers，improves the integrity of fruits and saves energy.It provides a good picking aid for the vast number of strawberry farmers and has a good development prospect applying in modern agricultural application.

Key words    strawberry picking;solar energy;modern agriculture;agricultural machinery;energy conservation and emission reduction

自20世紀80年代以来，我国草莓生产有了迅速的发展。目前，我国草莓生产面积约7万hm2，种植面积居世界首位，其中河北、辽宁、山东三省种植面积均达10 000 hm2以上，北方地区温室产量高达22.5～30.0 t/hm2。采摘作业在草莓产业中占有着十分重要的地位。

在大型草莓种植场人工采摘草莓时，需要工人长时间劳作;并且草莓收获季节天气炎热，难以保证工人的采摘效率;成熟后的草莓容易腐坏，需要及时采摘。因此，采摘工人工作强度很高[1-2]。工人工作时同时兼顾采摘、保护、收集等各个方面，极为不便。现有全自动机器人方案，此方案在自动化日益流行的今天热度极高，国内、国外均有对此类课题的研究，如日本农业食品产业与涉谷工业株式会社携手开发出的新式固定型草莓采摘机器人、美国加州草莓采摘机器人以及比利时的自动化草莓采摘机器人，我国国内也对此课题进行了大量的研究。

本文致力于减轻采摘工人的劳动强度、提高草莓果实的完整度和采摘效率，设计出成本低廉、能耗较小、方便携带的基于太阳能辅助人工采摘草莓装置[3-5]。此装置非常轻便，采摘工人可以轻松地拿起进行草莓采摘，极大地降低了劳动强度。该装置依靠内部传送带将采摘下的草莓输送到装置后方的网兜带中，精确控制传送带与采摘剪切部分的传动比，保证每个草莓都有独立的传送带格子，从而提高草莓果实的完整度[6-7]。

1    基于太阳能辅助人工采摘草莓装置设计

1.1    基于太阳能辅助人工采摘草莓装置结构

该装置主要由剪切装置、传送带装置、单向齿轮减速装置、太阳能电源供电与储能电路、装置外壳、动力电机等组成。太阳能电路为整个装置提供清洁的能量来源，用来驱动动力电机。动力电机带动剪切装置完成剪切动作，将草莓果实的茎剪断之后，通过传送带装置将草莓果实输送到本装置后方的网兜中，完成整个草莓采摘的过程。草莓采摘装置的机械结构简图如图1所示。

1.2    剪切装置的原理

采摘草莓时需要将草莓果实与茎分离，因而本文设计出一种剪切装置，可以迅速快捷地剪断草莓的茎，实现草莓果实的采摘。剪切装置的原理与剪刀原理相似，头部具有2个锋利的刀片，一个刀片固定于装置的机体上，不可活动;另一个刀片可以绕着既定的轴转动一定的角度。在2个刀片之间有一个弹簧装置，可以使2个刀片剪合之后自动弹开。剪切装置在牵引闸线的牵拉下可以进行有规律的开合运动，完成草莓的采摘。刀片的材质为刀具级不锈钢，可以避免采摘之后刀片上有水而使刀具生锈，同时也可以使刀具更加耐热、耐磨。剪切装置的机械结构图如图2所示。

1.3    传送带装置

草莓经过采摘装置采摘下之后，需要用传送带将其传送至果实储存装置之中。本文设计的传送带上粘连单向拨杆，可以为草莓创造一个良好的运输空间。2个相邻的拨杆间隔5 cm，接收采摘装置剪落下的草莓。随着图2剪切装置的一次开合运动，传送带顺时针旋转1个间隔的距离，以保证单次剪切运输1个草莓。传送带的传动机构包括闸线、连杆机构、齿轮。闸线与连杆连接，闸线的收缩运动带动连杆的运动。连杆通过单向轴承带动齿轮单向转动，利用齿轮带动传送带运动。通过精确控制传动比为2∶1，保证每一次剪切草莓之后，后一拨杆都处于前一拨杆的位置，以利于草莓果实的进入。此传送带具有结构紧凑、效率高、寿命长等诸多特点，非常适合草莓采摘作业的使用。传送带结构具体如图3所示。

1.4    装置外壳的设计

本文采用聚碳酸酯（PC）作为草莓采摘裝置的外壳材料。聚碳酸酯属于工程塑料，具有较高的强度和弹性系数，重量比较轻。利用聚碳酸酯作为外壳可以使装置安装基体的变形量小，从而保证了基体上各个零件的相对位置基本不变，使安装精度得到保证，提高了装置工作的可靠性，减轻了装置的重量。聚碳酸酯的工作温度范围比较广，耐候性佳，抗疲劳强度高，使用寿命长。此外，聚碳酸酯透光性比较好，在检修设备时可以从外部直接发现装置的故障元件，便于检修。在生产外壳时，可以采用3D打印的方式，高效精确，成品率高。

1.5    驱动电机的设计

该装置所需的电机需要频繁启动且不需要特别高的输出转速，因而本文采用N20直流减速电机，直流电机额定电压为5 V，额定电流为120 mA，额定力矩为0.5 N·m，堵转电流为200 mA，堵转力矩为1 N·m。经试验测得剪切装置和传送带装置一共所需力矩为0.4～0.8 N·m，稳定工作时所需的转矩为0.6 N·m，因而此电机足够带动本装置进行正常的草莓采摘作业。将闸线固定缠绕在直径为25 mm的带轮上，将带轮与电机输出轴相连，通过开关控制电机的转动，电机旋转缠绕牵拉闸线，通过闸线拉动剪切装置和传送带装置，即可实现草莓的采摘和输送。此电机体积小、耗能低，重量仅有10 g，经过齿轮减速之后扭矩增大，非常适合本装置的使用。同时，为了防止电路故障而导致整个装置无法工作，在握持把手旁加装一个与驱动电机同轴驱动的手动按压把手。通过按压此把手，也可以拉动闸线，带动剪切装置和传动装置工作。

1.6    太阳能电源供电装置的设计

本文采用Boschrdjrd品牌额定电压5 V、额定电流1 A的薄膜太阳能电源，此产品封装采用EVA和含氟聚合物ETEE，使其柔软不破裂、透光率达到98%，在高强度紫外线照射下，ETFE膜使用寿命可达30年。电池板采用柔性不锈钢做衬底，特别耐用。电池板关键元件采用三结非晶硅薄膜光电转换芯片，该芯片能有效吸收太阳光能，对太阳光中的红、绿、蓝等不同波长光谱能有效吸收，即使在早晨、黄昏或阴天等非理想光照条件下，也一样可以转换出有效电能，与其他太阳能产品相比，在相同面积、相同光照、相同时间内，可以转换出更多的电能。此产品输出接口为5 V标准USB稳压插座，可以直接接到装置的便携电源充电插口上，为电池提供稳定的充电电压，实现太阳能的储存[8-9]。

便携式移动电源选用小米公司5 000 mAh的小米2移动电源，该移动电源的重量只有254 g，极其轻便，尺寸为125 mm×69 mm×10 mm，可以轻松固定于装置基体之上。即使当电机在堵转电流下工作时，此电源可以使电机工作25 h，而利用太阳能将便携电源充满仅仅需要6 h左右，利用太阳能获得的电能完全足够本装置的使用。考虑到连续阴雨天对太阳能供电板的影响，本文为移动电源设立外接充电接口，可以利用手机USB充电器为移动电源进行充电，保证装置的正常运行。

2    结语

采用基于太阳能辅助人工采摘草莓装置，其创新点在于利用清洁可再生的太阳能作为整个装置的动力来源，装置本着小体积、轻量化的设计理念，在实际使用过程中可以有效降低草莓采摘工人的劳动强度，提高草莓采摘效率，弥补了目前市场相关产品的空缺，为广大草莓种植户提供了价格低廉、成效显著的辅助人工采摘草莓辅助[10]。

3    参考文献

[1] 翟毅豪，邓志恒，张俊雄.温室采摘机器人末端执行器研究进展[J].农业工程技术，2018，38（22）：22-28.

[2] 李冲冲，马晓录，郭永刚，等.一种跨垄式草莓采摘车的设计[J].机械研究与应用，2018，31（3）：146-148.

[3] 楼建忠，王萌.大棚栽培草莓采摘机械装置设计[J].农业技术与装备，2018（1）：64-66.

[4] 江达飞，方晓敏，廖东进.双光栅结构薄膜太阳能电池的优化[J/OL].[2019-03-15].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1125.TN.20190129.09

47.004.html.

[5] 杨长庆.薄膜太阳能电池技术的新突破[J].轻工科技，2019，35（1）：55-56.

[6] 凌建辉，宁斌，张兵兵.单级直齿轮减速器的优化系统开发[J].盐城工学院学报（自然科学版），2018，31（3）：24-29.

[7] 郭雨，周新飞.传动滚筒的形状对传送带跑偏的影响[J].山东工业技术，2017（11）：16.

[8] 王紫.山东省龙口市草莓产业概况及可持续发展建议[J].落叶果树，2019，51（1）：26-28.

[9] 周谦，王飞.机械可靠性设计方式与原理分析[J].山东农业工程学院学报，2018，35（12）：17-18.

[10] 朱焕焕.农业机器人加快蔬菜产业智能化步伐[J].蔬菜，2018（12）：5-14.