银川能源学院 李梓杭 刘向萍 高坤 陈帅龙

前言

乌龙头，喜连片生长，浑身长满小刺,是药、菜两用的名贵野菜。是一种多年生木本植物，茎秆多板刺，顶端生鸟头状叶包，形如大拇指尖，芽长4厘米左右即可采取，此时嫩芽还未开苞，芽内嫩茎和未展开的嫩叶可食用。具有很高的营养价值，颇受人们的青睐。但是茎秆多板刺且长的高，所以人工采摘较困难[2]。乌龙头嫩芽如图1所示。乌龙头生长在陕西省漳县、陇西南部、渭源等阴湿山区，并与其他林木混生[4]，生长地理条件如图2所示。

图1 乌龙头嫩芽

图2 生长条件

1 现状调查

1.1 乌龙头简介

乌龙头一般高1.5m～6m,嫩芽直径6cm～9cm，分枝少，嫩枝红褐色。树皮灰色，其上密生坚刺，老时脱落。叶集生枝顶，2～3回羽状复叶，小叶卵形，对生。伞形花序，花淡黄色或白色。浆果球形，黑色，具有甜味。种子小，肾形，种皮不光滑。花期7～8月，果期9～10月。

1.2 目前采摘存在的主要问题

（1）茎秆多板刺且高于人的身高，顶端生鸟头状叶包，人工采摘较困难；（2）采摘过早，成熟种子少，发芽率不高；采摘过晚，被雀鸟吃或先成熟种子脱落，影响收种量；（3）没有专用采摘设备，采摘效率低；（4）因茎秆多板刺，手工采摘对嫩芽的伤害大，损失营养。

1.3 采摘时的限制条件

（1）每次采集新鲜嫩芽要适量（4～5月），采集过多易伤苗，容易导致植株死亡，使来年的产量下降。（2）采芽后要及时对植株进行整形修剪，一般在其基部留2～3个侧芽，然后将其上部剪去。（3）如果要采集根皮（9～10月）、茎皮或叶入药，应在秋季科学、合理采集。

1.4 采摘过程

根据乌龙头的采摘过程，绘制采摘系统关联模型图。采摘过程关联模型分析如图3所示。

图3 采摘过程关联模型分析图

通过采摘过程关联模型分析，存在的主要问题点为：茎秆高度高于人的身高，采摘困难；板刺扎手，采摘困难；碰伤嫩芽，使嫩芽容易损坏。所以只能通过增加或改善采摘工具来提高乌龙头的采摘效率。

3 总体方案设计

使用时，把采摘器[3]伸到果实处，若果实生长在茂密看不清的位置时，因为果实与果叶湿度不同，抓手内部传感器探头就会进行湿度扫描。当果实到达可摘取位置时，传感器显示器绿灯亮起，否则红灯亮起，此时就可知是否满足采摘条件。使抓手包住果实，向上按下开关，电动机充电启动，电动机正转，电动机与10齿齿轮相互固定，10齿为主动轮，齿轮正转带动19齿与29齿齿轮，19齿齿轮与29齿齿轮相互固定，然后39齿齿轮转动，从而达到传动变速目的。39齿齿轮带动滑套进行圆周运动，滑套的圆周运动带动丝杠既进行圆周运动，也进行直线运动。丝杠带动滑块进行直线运动，与滑块相连接的抓手做开合运动。当抓手完全闭合后，电机停转，此时果实摘下。向下按下开关，抓手张开，当抓手张开到最大程度时，电机停转，此时取出果实，进行下次摘取。采摘器如图4所示。

图4 采摘器

3.1 滑块机构设计

滑套与壳体如图5所示，滑块设计采用九边形中空管道。九边形是为了中空部分空间大，并且与外壳连接紧密，防止剧烈抖动和旋转。中空是为了在内部连接一个传感器探头，探测农作物。而设备运行场合较湿润，并且经常与外壳相互摩擦，所以材料本身具备适当的硬度、耐磨性，足够承受住运动的摩擦。

图5 滑套与壳体紧密切合

3.2 采摘抓手设计

抓手如图6所示，齿采用40Cr号钢[5]，因为乌龙头根部较脆，所以该钢硬度要合适。第一拐角角度为335°，第二拐角角度为125°，抓手零部件厚度为8mm，宽度为10mm。

图6 抓齿

3.3 感应系统的设计

选择HS1101式电容式空气湿度传感器，在不同的湿度环境下呈现不同的电容数值，0%～100%RH湿度范围内，电容从162变到200PF，误差为2%RH，可见精度非常之高，为了反映其电容的变化，本系统采用555多谐振荡电路产生不同的频率，用于检测湿度，温湿度传感器结构及原理分析图详见附录。切除流程如图7所示。

图7 切除流程图

3.4 伸缩杆设计

防止摘不到过高处或过远处的果实，在采摘器上安装一节伸缩杆来满足采摘条件。在两段伸缩杆端部设计一个凹槽和一个凸块结构。当拉伸到最大时两结构一端紧密接触。如图8所示。

图8 伸缩杆

4 应用效果

采摘器于2021年8月在陇西南部渭源某地区进行实地采摘，共采摘300株乌龙头嫩芽，效率提升了49.7%，同时降低了人工的劳动强度。以电动装置和感应装置作为驱动源，降低了生产成本。提高了采摘效率、采用简单的机械结构，所设计采摘机简单使用，操作方便。

5 结语

针对目前国内市场乌龙头采摘机还是个空白，人工采摘效率低，采用巧妙的构思，设计并研制了一种动力单一、外形小巧、简单实用、操作方便的抓手。采摘器完成了姿态调整、长度可调的机械化，解决了甘肃省小陇地区的乌龙头采摘问题，通过机械传动原理和湿度传感器检测原理，可以准确定位和采摘，此设备可降低采摘工的劳动强度，具有大规模推广的价值。