陳淑嫻　蔣立軍　奚秀芳

摘要：中國(guó)是草莓生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，但采摘收獲方式仍主要依賴(lài)人工進(jìn)行。針對(duì)地壟式草莓人工采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大、效率低以及市場(chǎng)上現(xiàn)有采摘裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款小型地壟式草莓采摘裝備。設(shè)備集草莓識(shí)別、采摘、傳輸、收集功能于一體，由行走裝置、采摘裝置、適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置、收集存儲(chǔ)裝置和控制電路部分構(gòu)成。經(jīng)樣機(jī)收獲性能驗(yàn)證試驗(yàn)，小型地壟式草莓采摘裝備能夠有效輔助人工開(kāi)展采摘作業(yè)，提高勞動(dòng)效率，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：小型；草莓；采摘；裝備

中圖分類(lèi)號(hào)：S225 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1003-4374（2023）02-00-06

Design of A Small Size Equipment of Ridge Type for Strawberry Picking

Chen Shu-xian Jiang Li-jun Xi Xiu-fang

（1. Guangxi Vocational University Agriculture ， Nanning， Guangxi 530007， China;

2.Liuzhou Overeem Machinery Co.， LTD， Liuzhou， Guangxi 545005， China）

Abstract： China is a big country of strawberry production and consumption， but the picking and harvesting methods still mainly rely on manual work. Aiming at the problems of high labor intensity， low efficiency and complex structure and high price of existing picking equipment on the market， a small size equipment of ridge type for strawberry picking is designed. The equipment integrates the functions of strawberry recognition， picking， transmission and collection. It consists of walking device， picking device， adaptive adjustment device， collection and storage device and control circuit. Through the prototype harvest performance verification test， the small size equipment of ridge type for strawberry picking can effectively assist the manual picking operation， improve labor efficiency and create economic value.

Key words： small size， strawberry， pick， equipment

草莓是世界溫帶和亞熱帶地區(qū)廣泛栽培的草本漿果之一，具有“水果皇后”的美稱(chēng)［1］，在世界上大部分地區(qū)廣泛種植，是全球重要的經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物之一。其鮮美紅嫩，香氣濃郁，深受人們青睞，且經(jīng)濟(jì)效益顯著，銷(xiāo)售市場(chǎng)廣闊，極具發(fā)展前景。

在我國(guó)，草莓種植分為地壟式和高架式兩種，其中地壟式栽培占栽種率的80%以上［1］。通過(guò)對(duì)地壟式草莓采摘情況進(jìn)行調(diào)研后可知，雖然草莓作為一種深受喜愛(ài)的高營(yíng)養(yǎng)農(nóng)作物，產(chǎn)量在逐年上升，但在我國(guó)采摘工作仍然主要依賴(lài)人工進(jìn)行［2］，主要存在以下問(wèn)題：采摘者需彎腰下蹲進(jìn)行采摘，長(zhǎng)期勞作易導(dǎo)致腰酸背疼，造成工作不便；果農(nóng)需隨身攜帶收納箱進(jìn)行果實(shí)收集，收集完成后還需搬運(yùn)至果園外圍，加大了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度；青壯年勞動(dòng)人口外流，農(nóng)業(yè)從業(yè)人員趨向大齡化。勞動(dòng)力的嚴(yán)重匱乏、采摘過(guò)程缺乏規(guī)范化等也會(huì)影響果實(shí)產(chǎn)出率。果實(shí)成熟季節(jié)收獲周期短，若不及時(shí)采摘，會(huì)因過(guò)度成熟而無(wú)法食用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，草莓人工收獲時(shí)間占到生產(chǎn)總環(huán)節(jié)用時(shí)的40%，采摘所用到的人工成本約占草莓生產(chǎn)成本的50%～70%，影響草莓價(jià)格居高不下［3］。由此可以看出，草莓采摘工作的復(fù)雜程度以及耗費(fèi)的勞動(dòng)成本已成為制約草莓種植業(yè)發(fā)展的重要因素之一，自動(dòng)化的采摘方式有望取代人工方式，解放勞動(dòng)力，提高收獲效率。

目前國(guó)外草莓采摘收獲機(jī)械方面，德國(guó)和日本走在世界前列［4］。例如日本近藤直等學(xué)者開(kāi)發(fā)的適用于高架式的采摘機(jī)器人，通過(guò)在龍門(mén)式移動(dòng)平臺(tái)上安裝5自由度的直角坐標(biāo)機(jī)械臂，由機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)與末端執(zhí)行器配合，實(shí)現(xiàn)識(shí)別、定位、吸入、剪切的采摘過(guò)程［4］。德國(guó)AG ROBOT公司所研發(fā)的大型草莓采摘機(jī)，可實(shí)現(xiàn)全天不間斷作業(yè)，相對(duì)人工采摘時(shí)效更長(zhǎng)、產(chǎn)能更大。其安裝有24個(gè)獨(dú)立機(jī)械臂同時(shí)開(kāi)展作業(yè)，并應(yīng)用輪式行走裝置，配合超聲波傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輪與田壟的距離，避免機(jī)器行走過(guò)程損傷植株。國(guó)外采摘設(shè)備智能化程度高，但存在以下局限性：一是設(shè)備多用于高架栽培式草莓，不符合我國(guó)傳統(tǒng)地壟式栽培需求；二是設(shè)備體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，難以在中國(guó)小農(nóng)經(jīng)營(yíng)模式下廣泛普及，嚴(yán)重限制技術(shù)成果向?qū)嶋H生產(chǎn)轉(zhuǎn)化；三是設(shè)備必須適配相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化的種植溫室，不能運(yùn)用在不同規(guī)格種類(lèi)的壟地中。而中國(guó)的草莓種植業(yè)具有其特殊性，草莓田壟沒(méi)有相對(duì)固定的規(guī)格，彼此之間形狀差距較大。

相比國(guó)外，國(guó)內(nèi)地壟式草莓采摘機(jī)械化研究起步較晚，但也取得一定成果。例如杜國(guó)峻等［5］設(shè)計(jì)一種草莓采摘機(jī)，機(jī)器由單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用手爪雙曲柄機(jī)構(gòu)將草莓從地壟上挑起并割斷果梗，果實(shí)隨著收集圓盤(pán)運(yùn)動(dòng)后落入收集裝置。段利英等［6］設(shè)計(jì)一種可伸縮性草莓采摘裝置，由采摘和運(yùn)輸兩部分構(gòu)成，省時(shí)省力提高效率等。但國(guó)內(nèi)采摘自動(dòng)化多為試驗(yàn)室研究階段，很少進(jìn)入批量生產(chǎn)實(shí)際階段，在實(shí)用性方面仍有很大提升空間。因此，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，小型化、智能化、實(shí)用化的采摘裝備將是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)［7］。一方面，設(shè)備的小型化可有效提高土地利用率和草莓產(chǎn)量；另一方面，控制系統(tǒng)的智能化也可助力高效無(wú)損采摘。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、采摘效率、果實(shí)完好率、投入成本在一定程度上完美融合，最終推進(jìn)裝備的實(shí)用化。［8］

基于上述問(wèn)題和現(xiàn)實(shí)背景，本文將設(shè)計(jì)一款新型地壟式草莓采摘裝備，旨在滿足我國(guó)國(guó)情的同時(shí)，提高工作效率，減少人工成本，助力農(nóng)業(yè)裝備現(xiàn)代化發(fā)展，幫助農(nóng)戶(hù)提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

本設(shè)計(jì)擬定達(dá)到的目標(biāo)如下：第一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，體積較為小巧，方便攜帶，易于在小規(guī)模地壟式園區(qū)進(jìn)行移動(dòng)。第二，成本相對(duì)低廉，性?xún)r(jià)比高，使用簡(jiǎn)單，操作方便，維修成本低，利于進(jìn)行普及推廣應(yīng)用。第三，帶有自適應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可滿足不同規(guī)格壟高和壟寬的草莓種植布局。第四，盡可能避免水果在收納傳輸環(huán)節(jié)造成的損傷，提高果實(shí)收成率。第五，采用蓄電池驅(qū)動(dòng)方式，節(jié)能減排，綠色環(huán)保。

1.2 總體方案

針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)，本草莓采摘裝備主要由機(jī)械部分和電路控制兩大部分組成。其中機(jī)械結(jié)構(gòu)包含行走裝置、采摘裝置、適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置、收集傳輸裝置等，電路控制部分主要是對(duì)行走電機(jī)、水果識(shí)別、切割刀具、梳齒收集器等的綜合控制。通過(guò)各個(gè)部分間的緊密配合來(lái)實(shí)現(xiàn)草莓自動(dòng)采摘過(guò)程。該裝備采用顏色傳感器識(shí)別檢測(cè)，刀具進(jìn)行切割采摘，可適應(yīng)地壟式草莓生長(zhǎng)分布高低不均情況，最終落入收集器，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化采摘，解決了人工采摘工作勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高的問(wèn)題。裝備整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2.1 行走裝置

行走裝置位于整機(jī)最下方，是由左右共四只履帶輪結(jié)構(gòu)組成，主要起承載整個(gè)設(shè)備的重量，并實(shí)現(xiàn)裝置整體移動(dòng)運(yùn)輸?shù)墓δ茏饔?。行走裝置位置示意如圖2所示，行走裝置結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)（101）、驅(qū)動(dòng)輪（102）、承重輪（103）、履帶（104）、擋泥板（105）、支架（106）、緊固螺栓（107）等組成。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)裝置的往返運(yùn)輸和節(jié)能減排綠色運(yùn)行。同時(shí)，履帶式的運(yùn)輸方式可以加強(qiáng)設(shè)備的地形通過(guò)能力和整機(jī)承載能力。增加擋泥板設(shè)計(jì)，在行駛過(guò)程中阻隔部分泥沙石塊等，防止沉積物進(jìn)入履帶輪結(jié)構(gòu)中造成損壞，可有效保護(hù)設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)。

1.2.2 采摘裝置

采摘裝置可進(jìn)行水果成熟度顏色識(shí)別和切割采摘，主要由收集撥桿（201）、傳輸滑道（202）、顏色傳感器（203）、切割刀片（204）、刀片電機(jī)（205）、固定板（206）等裝置組成。通過(guò)模仿人手采摘過(guò)程，先由收集撥桿（201）將草莓莖稈挑到對(duì)應(yīng)的傳輸滑道（202）上，使其與壟面分離，緊接著由高精度顏色傳感器（203）判斷識(shí)別草莓色澤是否達(dá)到采摘的條件，如果達(dá)到閾值條件，相應(yīng)的切割刀片（204）則會(huì)進(jìn)行切斷草莓莖的動(dòng)作，使草莓脫落，通過(guò)傳輸滑道導(dǎo)向進(jìn)入對(duì)應(yīng)的收集裝置。反之，刀片不進(jìn)行切割動(dòng)作，隨著裝置行走，使草莓莖稈再次滑落回壟坡上。采摘裝置可在必要地方增加防碰減震泡沫，使草莓在傳輸過(guò)程中不易損傷。采摘裝置位置示意圖如圖4所示，采摘裝置結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

1.2.3適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置

為了提高設(shè)備對(duì)于不同規(guī)格壟寬和壟高的適應(yīng)度，使采摘裝備具有更大范圍適應(yīng)力，設(shè)計(jì)自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置。主要是由安裝在設(shè)備兩側(cè)的升降導(dǎo)軌（301）、升降滑塊（302），以及布置在上方的雙絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)即水平光軸（303）、光軸座（304）、電機(jī)（305）、軸承（306）和支撐板（307）組成。首先將采摘裝置固定板（206）與升降滑塊（302）進(jìn)行緊固后，由升降滑塊（302）在升降導(dǎo)軌（301）上的上下移動(dòng)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)采摘裝置的上下高度調(diào)控，能適應(yīng)不同壟高；同時(shí)也可通過(guò)兩組絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)左右寬度可調(diào)，以適應(yīng)不同壟寬，提高裝置對(duì)不同環(huán)境規(guī)格草莓壟地的適應(yīng)性。適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置位置示意圖如圖6所示，適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

1.2.4 收集存儲(chǔ)裝置

收集存儲(chǔ)裝置實(shí)現(xiàn)草莓可靠收集傳輸，由梳齒收集器（401）、收集器翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（402）、收集器升降機(jī)構(gòu)（403）、收集倉(cāng)（404）、儲(chǔ)存平臺(tái)（405）等部分組成。工作過(guò)程中，由刀片切下來(lái)的草莓通過(guò)滑道滾落到梳齒收集器（401）上，采用梳齒收集器（401）可以減少草莓之間的摩擦碰撞，有效保護(hù)草莓外表質(zhì)量。收集器升降結(jié)構(gòu)（403）包含光軸可實(shí)現(xiàn)梳齒收集器的上升或下降，以配合傳輸滑道和收集倉(cāng)的高度。通過(guò)梳齒收集器翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（402），可實(shí)現(xiàn)梳齒收集器翻轉(zhuǎn)，使草莓落入最終的收集倉(cāng)（404），完成草莓采摘收集工作。本設(shè)備上部可酌情搭設(shè)疊放二三層儲(chǔ)存平臺(tái)（405），用于儲(chǔ)存大量草莓，使果農(nóng)不必疲于更換收集器，收集存儲(chǔ)裝置結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。

1.2.5 電路控制部分

控制電路部分用于整機(jī)控制，通過(guò)控制器等實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)行走電機(jī)、水果自動(dòng)識(shí)別、刀具電機(jī)、梳齒收集器電機(jī)等的綜合控制。直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源一般有液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種方式，考慮到電機(jī)驅(qū)動(dòng)在高速、高精度、小型化、節(jié)能等方面更能滿足草莓采摘系統(tǒng)的需要。［8］因此，本設(shè)備選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。

通過(guò)顏色傳感器識(shí)別圖像紅色閾值，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行分析和判斷草莓成熟度，根據(jù)判斷結(jié)果輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)草莓采摘過(guò)程。

2 裝備工作過(guò)程

裝備在工作過(guò)程中，與草莓壟坡的位置關(guān)系如圖9所示［9］。按下啟動(dòng)按鈕，裝備開(kāi)始在田壟上開(kāi)始直線行走，仿生手指將草莓莖稈從地膜上挑起，撥入傳輸滑道中。當(dāng)顏色傳感器識(shí)別到區(qū)域紅色大于閾值時(shí)，則會(huì)控制行走裝置停止運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)切割刀片執(zhí)行切割動(dòng)作。草莓經(jīng)由傳輸滑道滾落至梳齒收集器上進(jìn)行采集，當(dāng)采摘到一定數(shù)量后，梳齒收集器通過(guò)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行上升后，再由梳齒收集器上的搖桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，使草莓落入最終的存儲(chǔ)倉(cāng)中，完成采摘收集過(guò)程。裝備完成單壟采收后，由果農(nóng)控制其回程繼續(xù)進(jìn)行下一壟采摘工作。裝備工作流程圖如圖10所示。

3 樣機(jī)收獲性能驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證樣機(jī)的有效性，發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題，通過(guò)在實(shí)訓(xùn)室和草莓園分別針對(duì)成熟度判斷率、誤切割率、采摘效率等主要指標(biāo)來(lái)開(kāi)展試驗(yàn)。首先在實(shí)訓(xùn)室內(nèi)布置仿真草莓壟地來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行采摘測(cè)試，使用具有一定硬度的線材模擬草莓果梗，果梗下端連接紅色草莓模型與綠色草莓模型來(lái)模擬成熟草莓與未成熟草莓，并將采摘裝備行駛在特制壟地上。按下啟動(dòng)鍵，采摘裝備開(kāi)始行走執(zhí)行采摘?jiǎng)幼?。收集撥桿可將果梗撥入傳輸滑道中，當(dāng)傳感器識(shí)別到紅色草莓時(shí)，刀片執(zhí)行切割動(dòng)作。但驗(yàn)證過(guò)程發(fā)現(xiàn)，受限于壟坡的高度，使得梳齒收集器無(wú)法下降至與傳輸滑道相同高度進(jìn)行收集，導(dǎo)致出現(xiàn)切割后的草莓收納不成功的情況發(fā)生。后續(xù)將對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的調(diào)試優(yōu)化。按下返程鍵，裝備還可沿原路返程至最終收納點(diǎn)，減少采摘者進(jìn)入壟地回收造成的不便。

同時(shí)將樣機(jī)進(jìn)入八桂田園草莓園進(jìn)行實(shí)地采摘測(cè)試，并將其與實(shí)訓(xùn)室仿真模型采摘效率進(jìn)行比對(duì)，樣機(jī)測(cè)試結(jié)果比對(duì)如表1所示。由于八桂田園草莓園除用于教學(xué)研究外，還用于對(duì)外進(jìn)行生態(tài)休閑娛樂(lè)性采摘，因此與實(shí)訓(xùn)室布置環(huán)境相比，實(shí)際種植壟距更小，果實(shí)分布更為密集，受枝葉遮擋等情況更為復(fù)雜，對(duì)機(jī)械式采摘方式具有一定的條件局限性，因此對(duì)測(cè)試結(jié)果也會(huì)存在一定影響。

正常人工采摘的效率約為每分鐘40顆［10］。由表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果可看出，目前樣機(jī)采摘效率約為每分鐘25顆。但相對(duì)于人工采摘，機(jī)械式采摘的優(yōu)勢(shì)在于能夠長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作，且一臺(tái)設(shè)備在其壽命范圍內(nèi)可反復(fù)多次使用，性?xún)r(jià)比高，降低人工雇傭采摘的成本。因此，智能化的草莓采摘裝置能夠有效輔助人工開(kāi)展采摘作業(yè)，提高勞動(dòng)效率，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4 裝置創(chuàng)新點(diǎn)

該設(shè)計(jì)相對(duì)于現(xiàn)有采摘設(shè)備而言，創(chuàng)新之處主要在于：整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，體積小巧，可有效提高土地利用率，減小草莓種植間距，提高種植率和產(chǎn)出率，同時(shí)在過(guò)道行走不易傷害植株，便于攜帶，結(jié)構(gòu)靈活。行走裝置采用四個(gè)履帶輪式設(shè)計(jì)，通過(guò)性強(qiáng)、行走更穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)按鈕開(kāi)關(guān)控制其往返和啟停。采摘裝置采用模仿手指設(shè)計(jì)的仿生撥桿，可將草莓從地膜上挑起并導(dǎo)入采摘裝置。設(shè)計(jì)彈性適應(yīng)機(jī)構(gòu)，使裝備可適應(yīng)不同壟寬和壟深的草莓種植規(guī)格，提高產(chǎn)品的普適性。設(shè)計(jì)梳齒緩沖倉(cāng)緩沖草莓，有效保護(hù)并存儲(chǔ)草莓，減少草莓之間的碰撞。采用傳感器技術(shù)與單片機(jī)控制技術(shù)結(jié)合，使未成熟草莓誤采幾率降低。

5 小結(jié)

草莓收獲周期短，若不及時(shí)采摘將給農(nóng)戶(hù)造成經(jīng)濟(jì)損失。本文介紹了國(guó)內(nèi)外草莓采摘機(jī)械的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合我國(guó)目前生產(chǎn)實(shí)際，針對(duì)較為常見(jiàn)的地壟式草莓種植方式，設(shè)計(jì)一款體積小、智能化、低成本、易使用的草莓采摘裝備，對(duì)解決果農(nóng)長(zhǎng)時(shí)間手工采摘導(dǎo)致身體疲勞及效率低下的問(wèn)題具有現(xiàn)實(shí)意義。

同時(shí)該產(chǎn)品具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，經(jīng)過(guò)集成創(chuàng)新改造，還可應(yīng)用于除草莓之外其它地壟式種植的果蔬（如青椒等）采摘，最大限度提高設(shè)備利用率。未來(lái)，基于該成果的推廣，可與當(dāng)?shù)剞r(nóng)機(jī)站和水果基地進(jìn)行合作，吸引農(nóng)民進(jìn)行該設(shè)備的租賃和售賣(mài)，為地方創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值，助力鄉(xiāng)村振興。

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（責(zé)任編輯：陳潔麗）