銀川能源學(xué)院 李梓杭 劉向萍 高坤 陳帥龍

前言

烏龍頭，喜連片生長，渾身長滿小刺,是藥、菜兩用的名貴野菜。是一種多年生木本植物，莖稈多板刺，頂端生鳥頭狀葉包，形如大拇指尖，芽長4厘米左右即可采取，此時(shí)嫩芽還未開苞，芽內(nèi)嫩莖和未展開的嫩葉可食用。具有很高的營養(yǎng)價(jià)值，頗受人們的青睞。但是莖稈多板刺且長的高，所以人工采摘較困難[2]。烏龍頭嫩芽如圖1所示。烏龍頭生長在陜西省漳縣、隴西南部、渭源等陰濕山區(qū)，并與其他林木混生[4]，生長地理?xiàng)l件如圖2所示。

圖1 烏龍頭嫩芽

圖2 生長條件

1 現(xiàn)狀調(diào)查

1.1 烏龍頭簡介

烏龍頭一般高1.5m～6m,嫩芽直徑6cm～9cm，分枝少，嫩枝紅褐色。樹皮灰色，其上密生堅(jiān)刺，老時(shí)脫落。葉集生枝頂，2～3回羽狀復(fù)葉，小葉卵形，對生。傘形花序，花淡黃色或白色。漿果球形，黑色，具有甜味。種子小，腎形，種皮不光滑?；ㄆ?～8月，果期9～10月。

1.2 目前采摘存在的主要問題

（1）莖稈多板刺且高于人的身高，頂端生鳥頭狀葉包，人工采摘較困難；（2）采摘過早，成熟種子少，發(fā)芽率不高；采摘過晚，被雀鳥吃或先成熟種子脫落，影響收種量；（3）沒有專用采摘設(shè)備，采摘效率低；（4）因莖稈多板刺，手工采摘對嫩芽的傷害大，損失營養(yǎng)。

1.3 采摘時(shí)的限制條件

（1）每次采集新鮮嫩芽要適量（4～5月），采集過多易傷苗，容易導(dǎo)致植株死亡，使來年的產(chǎn)量下降。（2）采芽后要及時(shí)對植株進(jìn)行整形修剪，一般在其基部留2～3個(gè)側(cè)芽，然后將其上部剪去。（3）如果要采集根皮（9～10月）、莖皮或葉入藥，應(yīng)在秋季科學(xué)、合理采集。

1.4 采摘過程

根據(jù)烏龍頭的采摘過程，繪制采摘系統(tǒng)關(guān)聯(lián)模型圖。采摘過程關(guān)聯(lián)模型分析如圖3所示。

圖3 采摘過程關(guān)聯(lián)模型分析圖

通過采摘過程關(guān)聯(lián)模型分析，存在的主要問題點(diǎn)為：莖稈高度高于人的身高，采摘困難；板刺扎手，采摘困難；碰傷嫩芽，使嫩芽容易損壞。所以只能通過增加或改善采摘工具來提高烏龍頭的采摘效率。

3 總體方案設(shè)計(jì)

使用時(shí)，把采摘器[3]伸到果實(shí)處，若果實(shí)生長在茂密看不清的位置時(shí)，因?yàn)楣麑?shí)與果葉濕度不同，抓手內(nèi)部傳感器探頭就會(huì)進(jìn)行濕度掃描。當(dāng)果實(shí)到達(dá)可摘取位置時(shí)，傳感器顯示器綠燈亮起，否則紅燈亮起，此時(shí)就可知是否滿足采摘條件。使抓手包住果實(shí)，向上按下開關(guān)，電動(dòng)機(jī)充電啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)與10齒齒輪相互固定，10齒為主動(dòng)輪，齒輪正轉(zhuǎn)帶動(dòng)19齒與29齒齒輪，19齒齒輪與29齒齒輪相互固定，然后39齒齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到傳動(dòng)變速目的。39齒齒輪帶動(dòng)滑套進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，滑套的圓周運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠既進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，也進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。絲杠帶動(dòng)滑塊進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，與滑塊相連接的抓手做開合運(yùn)動(dòng)。當(dāng)抓手完全閉合后，電機(jī)停轉(zhuǎn)，此時(shí)果實(shí)摘下。向下按下開關(guān)，抓手張開，當(dāng)抓手張開到最大程度時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，此時(shí)取出果實(shí)，進(jìn)行下次摘取。采摘器如圖4所示。

圖4 采摘器

3.1 滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

滑套與殼體如圖5所示，滑塊設(shè)計(jì)采用九邊形中空管道。九邊形是為了中空部分空間大，并且與外殼連接緊密，防止劇烈抖動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。中空是為了在內(nèi)部連接一個(gè)傳感器探頭，探測農(nóng)作物。而設(shè)備運(yùn)行場合較濕潤，并且經(jīng)常與外殼相互摩擦，所以材料本身具備適當(dāng)?shù)挠捕?、耐磨性，足夠承受住運(yùn)動(dòng)的摩擦。

圖5 滑套與殼體緊密切合

3.2 采摘抓手設(shè)計(jì)

抓手如圖6所示，齒采用40Cr號鋼[5]，因?yàn)闉觚堫^根部較脆，所以該鋼硬度要合適。第一拐角角度為335°，第二拐角角度為125°，抓手零部件厚度為8mm，寬度為10mm。

圖6 抓齒

3.3 感應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

選擇HS1101式電容式空氣濕度傳感器，在不同的濕度環(huán)境下呈現(xiàn)不同的電容數(shù)值，0%～100%RH濕度范圍內(nèi)，電容從162變到200PF，誤差為2%RH，可見精度非常之高，為了反映其電容的變化，本系統(tǒng)采用555多諧振蕩電路產(chǎn)生不同的頻率，用于檢測濕度，溫濕度傳感器結(jié)構(gòu)及原理分析圖詳見附錄。切除流程如圖7所示。

圖7 切除流程圖

3.4 伸縮桿設(shè)計(jì)

防止摘不到過高處或過遠(yuǎn)處的果實(shí)，在采摘器上安裝一節(jié)伸縮桿來滿足采摘條件。在兩段伸縮桿端部設(shè)計(jì)一個(gè)凹槽和一個(gè)凸塊結(jié)構(gòu)。當(dāng)拉伸到最大時(shí)兩結(jié)構(gòu)一端緊密接觸。如圖8所示。

圖8 伸縮桿

4 應(yīng)用效果

采摘器于2021年8月在隴西南部渭源某地區(qū)進(jìn)行實(shí)地采摘，共采摘300株烏龍頭嫩芽，效率提升了49.7%，同時(shí)降低了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度。以電動(dòng)裝置和感應(yīng)裝置作為驅(qū)動(dòng)源，降低了生產(chǎn)成本。提高了采摘效率、采用簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)采摘機(jī)簡單使用，操作方便。

5 結(jié)語

針對目前國內(nèi)市場烏龍頭采摘機(jī)還是個(gè)空白，人工采摘效率低，采用巧妙的構(gòu)思，設(shè)計(jì)并研制了一種動(dòng)力單一、外形小巧、簡單實(shí)用、操作方便的抓手。采摘器完成了姿態(tài)調(diào)整、長度可調(diào)的機(jī)械化，解決了甘肅省小隴地區(qū)的烏龍頭采摘問題，通過機(jī)械傳動(dòng)原理和濕度傳感器檢測原理，可以準(zhǔn)確定位和采摘，此設(shè)備可降低采摘工的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有大規(guī)模推廣的價(jià)值。