青皮尖叶莴笋是我国主要蔬菜作物之一，因其营养丰富，口感脆嫩，深受消费者喜爱，因此市场需求量较大。莴笋和其他蔬菜一样，田间生产是劳动密集型的产业，从育苗、栽种、管理和收获都需要大量的人工，不仅劳动强度大，而且劳动效率较低。随着目前从事农业生产的人员年龄结构趋向老年化，特别是目前随着农村劳动力大量向二三产业转移，造成用工困难，且工价越来越高，是一个越来越突出的问题，蔬菜需求的增长和日渐低下的生产效率之间的矛盾开始凸显。因此，成都农林科学院于 2022年10月在彭州市开展了莴笋全程机械化试验示范，展示了一种适合于四川地形与莴笋品种的单行侧挂式莴笋收获机，而适用于华中、华北地区尖叶莴笋收获的收获机目前相关研究尚处于空白状态。在这样的背景下，机械化莴笋收割技术的研发和应用显得尤为重要。基于此，中北大学科学研究团队选择根据张北县的实际环境和条件自主研发了一款全自动走地式莴笋拔取收获-处理-包装一体机，并于2023年7月6日在张北县实地测试。 在如今科技迅速发展的时代，中北大学来自不同学院的李雨翼、袁嘉浩、刘君昊、胥思彤、郭翰林、王琳茜、乔少田、李成学、宋贵荟九位同学集思广益，相互协助，共同打造出智能实用的“全自动自走式莴笋拔取收获-处理-装箱一体机”。
图1 实物样机 在项目筹备期间，在董亚峰老师的带领下，团队成员前往张北县实地走访、试验和调研，了解当地莴笋种植及收获习惯、田块分布特征，获取收获莴笋相关力学数据。
图2调研实景 李雨翼和袁嘉浩同学分析全球莴笋种植地区情况，重点研究华北地区莴笋种植情况、农艺以及国内外种植技术差异，还对莴笋市场分布、需求和研究现状展开调查，为后续设计提供依据。王琳茜和乔少田同学整合项目资料，从项目的背景调查到项目实施，从项目实物打造到结果分析，精心考虑安排，最后完成了一份详尽的项目计划书。负责实物制作的李成学、胥思彤和郭翰林同学运用SolidWorks自带的动力学分析功能，对机械夹爪、轮系结构、换箱机构、底盘等重要机构进行动力学仿真分析，确保设计满足工作需要。同时，认真对比挑选材料，零件质量，通过不断的尝试、实践，将图纸变成实物。刘君昊和宋贵荟同学则认真钻研代码编写，不断对算法进行优化，凭借扎实的学识与愈挫愈勇的坚持，在技术上得到创新，推动项目升级。经过大家数月的努力钻研奋斗，最终完成整个项目。 莴笋收获机主要由拔取装置、去叶装置、切根装置、运输装置、自动换箱机构和地膜回收装置等构成。在拔取装置方面，本机采用了机械手拔取方案。通过螺杆驱动机械手进行直线运动，气泵带动连杆机构控制机械手的开合，实现对莴笋的精准拔取。这一设计避免了皮带拔升方式可能造成的莴笋损伤，提高了收获效率；去叶装置则采用了收获前去叶的方式，利用光圈机构通过弹簧控制连续变径，适应莴笋表面变化，实现去叶干净、不伤莴笋本体的目标。这一创新设计优化了整机机构布局与动力分布，提高了去叶效率；切根装置位于机械手与套叶装置间，采用固定在机架上的气动切刀进行切削。气动切刀切削力大、速度快、控制方便，确保了切根的准确性和效率。
图 3 机械夹爪与套叶光圈 图注：1 、（带驱动齿轮）螺杆 2 、机架 3 、套叶光圈 4 、机械手 5 、气动活塞 6 、光轴 同时，通过固定凸轮控制弹簧位置，确保机械手上升时光圈完全打开，避免了卡根现象的发生；运输装置采用扭转带轮将机械手收获的莴笋从竖直转为水平运送，避免了损伤切口，确保了良品率。传输链采用齿轮和链轮传动，稳定可靠，确保了莴笋在运输过程中的安全。
图4 运输结构 图注：1 、机架 2 、扭转皮带 3 、齿轮组 4 、带槽位皮带 5 、临时莴笋放置板 自动换箱机构是本机的一大创新点，针对国内种植户小型打包的需求，我们设计了一种欠驱动机械手，专门用于货箱更换。这一设计不仅提高了换箱效率，还减轻了种植户的劳动强度；地膜回收装置则解决了收获后残留地膜的问题。在收获机末端设计了滚筒，用于地膜回收，这一设计既解决了地膜污染问题，又提供了用户选择的灵活性，满足了种植户的实际需求。
图 5 自动换箱机构 图注：1 、主动杆 2 、中间杆（活塞） 3 、顶杆 4 、滑块（带横向滑轨） 5 、竖直滑轨6 、机械手 7 、机架 综上所述，莴笋收获机通过采用机械手拔取、收获前去叶、气动切刀切根、扭转带轮运输、自动换箱机构和地膜回收装置等创新设计，实现了对莴笋的高效、精准收获。本机不仅提高了收获效率，还保证了莴笋的良品率，减轻了种植户的劳动强度，解决了地膜污染问题，为莴笋种植业的机械化收获提供了有力支持。同时，本机还具有良好的适应性和可扩展性，可根据不同地区种植习惯和需求进行衍生产品设计。 在实用性层面，这一一体机堪称莴笋收割的得力助手。它的诞生极大地提高了莴笋收割的效率。想象一下，传统的莴笋收割需要众多人力参与各个环节，从拔取、去叶、切根到运输、包装，每一个步骤都需要耗费大量的人力和时间。而这款一体机集成了自动化拔取、去叶、切根、运输、自动换箱以及地膜回收等多种功能，实现了从莴笋收割到包装的全程机械化操作。这一变革所带来的最直接影响就是劳动力成本的大幅削减。在当前农业生产面临劳动力短缺、用工困难以及工价不断上涨的大背景下，该一体机的出现就像是一场及时雨，为莴笋种植户们提供了一种高效且经济的解决方案。 不仅如此，这一一体机还在提升莴笋收割的精准度和一致性方面表现卓越。它就像一个精准的农业工匠，严格把控着莴笋的品质和产量。精准的拔取、恰到好处的去叶和切根，确保了每一棵莴笋都能在收获过程中保持最佳状态。这意味着莴笋在进入市场时，无论是外观还是内在品质都能得到保证，从而提高了其市场竞争力。 在实际应用中，这一一体机的各项功能都展现出了出色的效果。首先，其拔取装置采用的机械手拔取方案，这一设计堪称巧妙。与传统的皮带拔升方式相比，机械手拔取能够更加轻柔且精准地将莴笋从地里拔出，有效避免了莴笋受到不必要的损伤。这就好比用一双巧手小心翼翼地采摘果实，最大程度地保护了莴笋的完整性。再者，该机的去叶、切根装置同样不容小觑。它们均采用了先进的设计理念，能够像经验丰富的菜农一样，精准地去除莴笋上多余的叶子和根部，在保留莴笋完整性的同时，还让莴笋看起来更加美观。这种对莴笋外观的精心呵护，对于提升莴笋在市场上的吸引力有着不可忽视的作用。 另外，自动换箱机构和地膜回收装置的设计，进一步提升了该机的实用性和环保性。自动换箱机构保证了包装流程的连续性，提高了整体的工作效率；而地膜回收装置则体现了对环境保护的重视。在农业生产中，地膜如果不及时回收，会对土壤和环境造成污染，而这一装置的存在，有效地解决了这一问题，使农业生产更加可持续。 值得一提的是，这一一体机的研发与应用对推动农业现代化进程有着深远的意义。它将先进的机械化收割技术引入农业生产，改善了农业生产环境，使得农业生产从传统的人力密集型向机械化、智能化方向转变，从而提升了农业生产的整体效益。以往，莴笋收割过程中充满了繁重的体力劳动和复杂的人工操作，而现在，随着一体机的应用，整个生产过程变得更加高效、有序，农业生产的整体效益也得到了显著提升。并且，这一成功研发为其他蔬菜作物的机械化收割提供了极具价值的借鉴和参考。可以想象，未来会有更多的蔬菜作物在机械化收割方面取得突破，这将进一步推动整个农业产业的升级。 |
