草莓采摘机设计

殷建文 赵桁晨 赵帅 刘金奇

摘 要：本设计主要包括采摘装置和行走装置两个部分的设计。（1）采摘装置设计。利用颜色识别可完成识别草莓是否成熟，利用机械手的移动抓取，把草莓从草莓茎上断开，并运到输送装置上，把草莓输送到机器顶部，完成草莓的采摘。（2）行走装置设计。主要完成整机的行走功能，通过传感器实时监测车体与草莓垄之间的距离，来不断调节并保持间距，利用四轮驱动，可以完成不图同程度的转弯，节省转弯的空间，车速可调节，以此来配合采摘装置采摘的速度。本机器的适用地形为垄侧面垂直地面，且垄间隙地面与垄两端地面为硬实土地，工作效率大约为0.30.6 亩/小时。

关键词：草莓采摘；颜色识别；自动调距

The Design of Strawberry Picking Machine

Yin Jianwen Zhao Hengchen Zhao Shuai Liu Jinqi

College of Mechanical Engineering& Automation LiaoningJinzhou 121001

Abstract：This design mainly includes the design of two parts： pickers and walking devices. （1） Design of picking device. Whether the use of color recognition to complete recognition of strawberry mature， using the movement of the manipulator grasping， the strawberry disconnect from strawberry stem， and to the conveying device， put the strawberries to the top of the machine， complete picking strawberries. （2） Design of walking devices. Mainly complete the walking function of the machine， through the sensor realtime monitoring body and the distance between the strawberry planting， to continuously adjust and maintain the spacing， use of fourwheel drive， can do not the same degree of turn， turn to save space， the speed can be adjusted， in order to assist picking picking speed.The applicable topography of this machine is the vertical ground of the ridge， and the ground between the ground and the ridge is hard and the work efficiency is about 0.3 to 0.6 mu/h.

Key words： Strawberry picking； color recognition； automatic spacing

草莓采摘機械化，[1]可以提高劳动生产率，节省大量的劳动力，同时减少了大量的生产成本。[2]现在草莓采摘大部分还是以人工采摘为主，造成极大的劳动强度，[3]所以研制一种可代替人工节省成本的草莓采摘机是现在农业行业中采摘草莓必不可少的。

1 整机工作原理

草莓采摘机是由采摘装置、输送装置和行走装置三大部分构成。行走装置组成机架部分，完成的功能主要为整机的前行、转弯和支撑。行走装置形状为倒“U”状，跨一垄而行。行走装置在前行的过程中，需要与垄侧面保证平行，采用传感器定位的功能，利如果发生偏移的情况，两车轮发生速度差，完成改变前行方向的功能。采用四轮驱动使机器可以实现横向移动，减小垄端距离。采摘装置主要完成的功能对草莓进行采摘，采摘草莓需要的动作为把草莓提起、使机械手臂靠近草莓、使采摘装置运动至下一处有草莓的地方。整体动作为：整机运行到草莓处，草莓采摘机械手臂向下运动至垄底端，同时向草莓垄侧壁方向移动，运行到草莓下端，此时草莓采摘机械手臂向上提起，把草莓装入盒中，同时颜色传感器识别草莓是否成熟，当草莓为绿色时，草莓采摘机械手臂反向运动退回，当为红色时，向远离草莓垄侧壁方向斜向上运动，利用这个角度使草莓的根茎与刀片接触，果茎分离，之后草莓采摘机械手臂把草莓运送至输送装置上方，这时电磁铁工作，盒底打开，使草莓落入输送装置。如图1所示。

2 关键部分设计

2.1 采摘装置

采摘装置通过固定在采摘装置的机架上的电机1带动。结构如图2所示，当采摘装置开始工作时，位于车身上的传感器识别车身与草莓垄的距离，从而计算出采摘装置距离垄的距离，电机1带动同步带轮3转动，通过同步带2传动，使丝杠4转动，丝杠4带动丝杠螺母10平动，进而带动机械手横向移动，使机械手接近草莓直至草莓下端，齿轮15带动齿条6向上提起，把草莓置于草莓盒14内并利用传感器13识别颜色，为红色时提起直至把草莓与茎分离，然后齿轮15带动齿条6使机械手提起并通过同步带运动把草莓送入输送带上，电磁铁11通电通过钢丝线12使盒底部打开，草莓落下，为其他颜色则反转运动放开草莓。

2.2 行走装置

行走装置主要负责本机器的前行和转弯的装置，其结构如图3所示。车体成倒“U”形状，使得本机器可以横跨一条垄，行走装置为四个驱动轮1，驱动轮1分别由步进电机9控制，同时由电机6控制链轮4带动链条5运动，进而控制转弯，整个机器的动力由一个电瓶来提供。行走装置是这样实现功能的：传感器7时刻检测与垄之间的距离，在机器运作前会设定一个车轮与垄之间的固定值，在运动时如果传感器7识别的距离不是固定值时会控制步进电机9运动，步进电机9通过带轮同步带带动车轮变速，进而调整车体左转或右转，到达设定好的固定值距垄距离，当采摘草莓时车体会停止行走，完成采摘动作，当一垄的草莓采摘结束后，由人工控制机器完成转弯进行下一垄，转向电机6工作通过链条5带动链轮4旋转，使车轴2转动进而带动行走轮1转向90°，使车体横向运动到达下一垄，之后转向电机6反转，恢复直行，垄两端需要预留1.5m左右空地。

2.3 输送装置

输送装置主要完成的功能为主要功能为对采摘好的草莓进行运输，使草莓运输到机器顶端，方便人工的挑选与装盒。

3 机器调试及实验

通过实物进行调试，还有对采摘机械化的合理性与可操作性提出几项要求，为了保证采摘的空间，经实际情况调研，给出垄间空隙为400mm，垄宽500mm，为了保证采摘可行性，垄侧面必须垂直地面，且垄间空隙的地面为硬实土地，保证在垄端转弯的顺利，需在垄端预留1.5m的空间。以下为实验得出的具体参数：

（1）作业效率：0.30.6 亩/小时

（2）适用种植密度：垄距400mm

（3）垄宽：500mm垄高：250mm

（4）采摘垄数：1 垄

（5）垄侧形状：垂直地面

（6）垄两端空隙：1.5m

（7）株高： 300mm

（8）草莓大小：半径1015mm

（9）草莓距地：80250mm

调试后在实验室环境下对执行机构样机进行了采摘试验。准备50颗成熟草莓，分为5组，每组10颗，并在各组中随机夹杂2～3颗未成熟草莓。试验结果如下表所示。

由结果可知其中无损伤采摘是：在导航系统发现目标、末端执行器接近目标、夹持剪切系统切断果柄并将目標带离垄侧面的整个过程中，果实表面未与末端执行器的任何部位发生接触。试验结果显示，该草莓收获机器人采摘执行机构在模拟高畦垄作栽培模式下的草莓收获作业中，具备无损伤采摘多种姿态草莓的能力，能够区分成熟草莓与未成熟草莓，平均采摘速度为65.6颗/h，采摘成功率可达90%（90颗草莓中成功采摘45颗）。

4 结语

该草莓采摘机可靠性高、操作简单、性能良好、采摘方便，同时解决了草莓采摘时出现的劳动强度大、采摘不规范化等一系列问题，填补了市场上草莓采摘机械化程度低的空白，可以大范围进行使用。

参考文献：

[1]梁丽娟.草莓采摘机器人结构设计和试验硕士学位论文.中国农业学，2007.5.

[2]曹其新，吕恬生，永田雅辉，等.草莓拣选机器人的开发[J].上海交通大学报，1999，33（7）：880884.

[3]姜丽萍，陈树人.果蔬采摘机器人的研究综述[J].农业装备技术，2006，23（1）：810.

基金项目：辽宁工业大学大学生创新创业项目

作者简介：殷建文（1995），男，内蒙古兴安盟人，本科，研究方向：机械设计制造及其自动化。