張磊 陳行行 劉楨筠 秦培亮

摘 要：基于杠桿原理的設(shè)計(jì)理念，通過將省力杠桿應(yīng)用到水果采摘剪刀上，僅僅利用幾何形狀極為簡單的一些零件，就可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要制作出滿足于高空或地面水果采摘的工具，區(qū)別于傳統(tǒng)的高空采摘剪刀。本文設(shè)計(jì)了一種可視化的省力水果輔助采摘剪刀，對其工作原理進(jìn)行了分析，給出了相應(yīng)的力學(xué)計(jì)算公式，該水果輔助采摘剪刀設(shè)計(jì)新穎，使用可靠，經(jīng)濟(jì)高效，適應(yīng)了智能農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：可視化;輔助采摘;杠桿;剪刀

隨著水果產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，種植面積不斷擴(kuò)大，水果采摘也成為一種繼續(xù)解決的問題，以草莓為例，據(jù)了解全球草莓種植面積由2000年的31.4萬hm2增長至2017年的40.3萬hm2，種植面積不斷擴(kuò)大的同時(shí)草莓采摘?jiǎng)趧?dòng)成本在逐漸提高，收獲作業(yè)的機(jī)械化、便捷化以及娛樂性成為廣大種植戶普遍關(guān)心的問題，由于采摘作業(yè)具有較強(qiáng)的地域性、季節(jié)性和周期性，因此采摘作業(yè)是一些水果生產(chǎn)中最耗時(shí)、最費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)之一，并且市場上還沒有成熟的采摘設(shè)備。

近年來，隨著生活水平的不斷提高，人們對于生活質(zhì)量的追求也是越來越高，水果作為生活中不可缺少的商品，給人們提供重要的營養(yǎng)成分，鑒于生活水平的提高，傳統(tǒng)水果店銷售模式已經(jīng)不能滿足人們對于水果功能的需求，為了獲得更加新鮮的水果，同時(shí)體驗(yàn)采摘過程中的樂趣，越來越多的人選擇到果園采摘水果，為了提高采摘過程中的舒適度和娛樂性，我們設(shè)計(jì)了一款采用省力杠桿結(jié)構(gòu)的可視化輔助采摘剪刀，借助在剪刀前端安裝的小型藍(lán)牙可視裝置，將手機(jī)連接到藍(lán)牙可視裝置，從而達(dá)到可視化的目的，可以做到既省力，又方便有效地采摘水果。

一、結(jié)構(gòu)組成

該新型水果輔助采摘剪刀結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，主要由握持機(jī)構(gòu)，伸縮機(jī)構(gòu)，藍(lán)牙可視機(jī)構(gòu)，剪斷夾持機(jī)構(gòu)四個(gè)部分組成。伸縮機(jī)構(gòu)可根據(jù)使用人身高的不同以及不同水果的采摘要求，調(diào)整剪刀連接桿的長度，從而達(dá)到舒適采摘的目的，藍(lán)牙可視機(jī)構(gòu)由藍(lán)牙可視攝像頭、手機(jī)固定支架和手機(jī)組成，用于輔助觀察，精確定位剪斷位置，而且手機(jī)還可根據(jù)實(shí)際情況需要進(jìn)行拆裝，剪斷夾持機(jī)構(gòu)由鋁制剪刀頭和ABS樹脂夾持塊組成，用于完成剪斷和加持的工作，保證水果不落地。

二、工作原理

水果輔助采摘剪刀通過刀頭、拉桿、把手三部分，利用杠桿原理將人的握力進(jìn)行放大，放大后的力通過拉桿傳遞到刀頭，從而完成水果采摘和夾持，藍(lán)牙利用長波工作可以傳輸10m左右，足夠滿足傳輸?shù)男枰梢暬到y(tǒng)利用視覺傳感器和藍(lán)牙無線傳輸?shù)墓ぷ髟?，將攝像頭的實(shí)時(shí)圖像傳送到手機(jī)中從而實(shí)現(xiàn)可視化的操作。

三、產(chǎn)品展示

四、試驗(yàn)分析

本輔助采摘剪刀從省力化角度出發(fā)，采用了省力杠桿力放大機(jī)構(gòu)，即使較為粗的莖也可以輕易剪斷，因此操作者只需很小的力量即可完成水果采摘。

（一）測量水果參數(shù)

以草莓，蘋果兩種具有代表性的水果的果柄直徑，取平均值。

（二）試驗(yàn)分析

選取3組草莓和3組蘋果作為樣品，每組100顆，進(jìn)行實(shí)地采摘試驗(yàn)，采摘成功率N和草莓損傷率D，得公式

通過實(shí)際的試驗(yàn)研究表明，使用該輔助采摘工具，草莓采摘成功率平均值為98%，損傷率平均值為2%，蘋果采摘成功率平均值為98.33%，損傷率平均值為1.66%。

五、創(chuàng)新特點(diǎn)

水果輔助采摘剪刀結(jié)構(gòu)簡單，采用鋁合金及塑料材質(zhì)，整體質(zhì)量輕，剪刀頭上裝有ABS的夾持裝置，采摘過程中不需要用手去直接接觸果實(shí)，防止了對果實(shí)的二次傷害，極大地提高了采摘的質(zhì)量。

采用長距離可視化模塊，增加采摘可視距離，提高人眼使用采摘剪刀時(shí)采摘的準(zhǔn)確性。

使用水果輔助采摘剪刀，降低了勞動(dòng)成本，提高了勞動(dòng)效率，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)具有一定的娛樂性，符合當(dāng)前農(nóng)業(yè)觀光旅游市場的需求，具有廣闊的市場前景。

六、結(jié)束語

研發(fā)采摘機(jī)器人用于輔助或代替人工采摘，是解決鮮食果蔬人力采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大、效率低以及成本高等客觀問題的重要途徑，也是智能農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本水果采摘剪刀不僅能夠降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高采摘趣味性，而且對提高經(jīng)濟(jì)效益有一定的作用，對于促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展、加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程有著重大的社會(huì)意義。

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作者簡介：張磊（1998—）男，江蘇徐州人。

通訊作者：秦培亮（1981—）男，江蘇徐州人，副教授。

基金項(xiàng)目：

1.江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目號：201912808009Y）小型可調(diào)輔助采摘農(nóng)機(jī)具;

2.江蘇現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（草莓）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（項(xiàng)目號：JATS[2018]233）相城推廣示范基地;

3.2017年蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年教師教育教學(xué)研究能力提升專項(xiàng)課題農(nóng)業(yè)高職院工科學(xué)生實(shí)踐技能培養(yǎng)策略研究項(xiàng)目編號SNQJ09主持人：秦培亮。