莲蓬采摘设备的研究

赵亚平，花本杰，仲子平，施苡波，张帅帅，仕乐梅

（苏州农业职业技术学院，江苏 苏州 215008）

莲蓬是一种特种水生经济作物，性喜相对稳定的平静浅水、湖沼、泽地、池塘，新鲜莲子不仅口感好,且具有养心安神、消除疲劳的功效,莲蓬具有很大的药用价值，莲子、莲心都是很好的中药材，莲蓬作为营养品深受人们的喜爱。莲蓬具有生产区域性强、种植面积广、生命周期长、营养价值丰富、经济价值高的特点。经过几千年的不断培育与发展，我国已成为莲子、莲藕生产和出口大国，其市场需求量大，前景广阔，经济效益可观。苏州阳澄湖、太湖周边以及相城区是我国著名的莲蓬产区之一，由于莲蓬的生长环境特殊，大多数种植于淤泥之中，莲蓬采摘期位于夏季，是季节性农作物，由于白天淤泥池内温度高，采摘更加不便，因此大多于晚上进行采摘活动，加上采摘环境的复杂性，在采摘作业中，人工采摘需下水作业，给采摘带来了巨大挑战，也造成了采摘困难。据调查，目前我国绝大多数的莲蓬都为人工采摘或人工乘船进行手工采摘（如图1、图2），耗时耗力，效率低下，进而影响农民的收入。同时人手的长度有限，在采摘莲蓬的过程中，船体会破坏荷花的茎干，造成荷花的茎干折断。目前，关于莲蓬的种植产业也是蓬勃发展，但由于长期的工作效率低下，导致莲蓬单产收入受到了很大的限制，人工采摘效率低下，无法满足市场对莲蓬时令性和新鲜度的要求。

图1 人工采摘

图2 人工乘船采摘

实现莲蓬的采摘自动化，对于解决莲蓬采摘作业中人工采摘工作强度大、采摘难度大和采摘效率低下等问题，以及降低人工成本、提高采摘品质、增强莲蓬的市场竞争力均具有十分重要的意义。针对上述问题，目前迫切需要研究一种结构简单、操作便捷的莲蓬采摘设备。

1 莲蓬采摘设备的研究现状

据调查，目前对莲蓬采摘设备的研究主要有各科研院校、农机企业、技术推广部门，目前已经发表了相关论文及专利，如姜琛公开了一种漏斗形莲蓬采集器，结构简单，造价低廉；乔建强开发出一种莲蓬采摘器，采摘的莲蓬落入采摘器的网袋内，莲蓬采摘一定量后，抬高网袋端，莲蓬即可到达网袋底口，从网袋底口即可取出莲蓬，减轻了劳动强度，提高了采摘效率；浙江省农业科学院和浙江机电职业技术学院设计出一种便携式莲蓬采摘器，使用时，需将收集网扣合在莲蓬上，剪断叶柄后翻转收集网完成莲蓬采摘；浙江理工大学研制出便携式自动莲蓬采收装置，动力为直流电机，通过传动机构各动作的配合，同时完成莲蓬的采摘和收集工作。还有类似的发明，如专利号201620655859.0的莲蓬采摘器，采用X型的两个刀片对莲蓬进行剪切，而后用网兜收集莲蓬，但该结构略显复杂，剪切装置和支撑杆无法分离，且其网兜正处于刀片下方，刀片无法对莲蓬进行有效剪切。因为莲蓬下面是莲蓬的杆茎，如果网兜在刀片的下面，那么采摘时，莲蓬很难进入刀片口，给采摘带来了不便；另一方面，现有技术提供的采摘器只考虑了采摘距离较远的莲蓬，对于一些距离比较近但用手又采摘不到的莲蓬，使用起来时刀片的传送机构就不好使用。

中国专利号2012204282944中公开了一种莲蓬采摘器，其主要由网兜、剪刀、托架、支撑杆和滑动杆组成，该装置虽然能够较好地延长采摘距离，但是，其施力力矩较小且在采摘期间网兜会顶到莲蓬的支撑茎，从而不便于使用。江苏大学唐书萍“基于机器视觉的莲蓬识别关键技术研究”一文中，以自然环境下采集到的子莲莲蓬图像为研究对象,从图像预处理、图像特征提取、目标特征降维以及目标识别等关键技术展开相关研究,以实现基于机器视觉的莲蓬图像目标物识别,为莲蓬的自动采摘研究提供技术支持支持。然而，由于莲蓬采摘设备研究起步较晚，生产组织化、规模化程度低，缺少持续的研发计划与资金扶持等原因，导致莲蓬采摘机械装备研究发展缓慢，且许多成果还停留在方案设计，实用性有待加强。

2 轻型莲蓬采摘设备设计

2.1 设计要求

深入阳澄湖、太湖等周边地区了解农民对莲蓬采摘器的功能需求，通过对调研结果进行分析，归纳梳理关于莲蓬采摘器设计要求包括：（1）采摘器机构简单、质量轻，易于户外操作使用；（2）采摘器需操作省力、省时，能提高采摘效率，并且制造成本低；（3）采摘器需具有足够的强度和刚度以避免在采摘过程中折断或变形；（4）采摘器不仅能将莲蓬采摘下来，还能将莲蓬准确地收集在收集袋中，以减少浪费；（5）为了满足不同远近莲蓬的采摘，采摘器应设计成可以伸缩的结构，以满足不同距离的要求。

2.2 莲蓬采摘器总体设计

因莲蓬目前主要靠人工采摘，且采摘比较辛苦，费时、费力。若能研制出一种减轻采摘辛苦的莲蓬采摘器，可解决莲蓬种植户的后顾之忧。根据莲蓬生长环境、生长特性和产品质量要求等，结合采摘工人提供的经验，提出轻型莲蓬采摘器结构设计，如图3、图4所示。

图3 采摘器外形图

图4 收集装置和分断装置的结构示意图

莲蓬采摘器主要包括手柄组件、收集装置和分断装置，手柄组件靠近收集装置的一端固定设有用于安装收集装置和分断装置的连接座。分断装置包括固定在连接座中的电机和用于分断莲蓬的刀片，电机用于驱动刀片转动，连接座上固定有导轨，莲蓬搭设在导轨上，莲蓬茎干位于导轨之间，手动驱动分断装置逐渐靠近莲蓬，刀片在电机驱动下将莲蓬茎干分断，分断后的莲蓬落在导轨上，重复上述过程，采摘下一个莲蓬，下一个莲蓬将上一个莲蓬顶入收集装置中，也可以人手驱动分断装置的一端抬升，使得莲蓬在重力的作用下自动落在收集装置中。

3 应用前景

本文设计的采摘器，不仅解决了现有技术莲蓬采摘不便利的问题，而且更利于被采摘的莲蓬落入网兜中，同时扩大了采摘范围，既能够采摘较远的莲蓬，又方便采摘较近的莲蓬。莲蓬采摘器的成功研制，不仅能够解决莲蓬采摘之苦，提高采摘效率，同时在 “农家乐”等观光旅游项目中，对于休闲旅游的人群来说，可增加他们的快乐采摘体验，在一定程度上促进莲蓬经济的发展，推进水生植物机械化收获的进程。