基于FBS模型的红枣采摘机造型设计.pdf

2024 年 1 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业基于 FBS 模型的红枣采摘机造型设计邹易，周宪，姜山（西安工业大学 艺术与传媒学院，西安 710000）近几十年来，随着人们生活水平的提高，水果的需求量越来越高。红枣是我国特有的一种林果，其药用价值和经济价值都非常高。目前，我国红枣栽植面积和产量均居世界第一。红枣的种植区域广泛，分布在中国北方的各个省份，而且种植难度不高，但由于红枣采摘和收集工作耗时、劳动强度大等原因，导致市场供求不平衡。红枣的采摘和收集是红枣栽培中劳动强度和用工量最大的环节，根据调查，红枣的采摘、收集、筛选工作占据红枣种植工作量的一半。通过调查发现，中小型枣园的种植户占所有红枣种植户的 74.9豫。目前，国内现有的中小型枣园大多依靠人工采枣的收获方式，用手击打树枝使其振动，把红枣从枝上振动下来再捡拾起来，这种收获方式不仅耗费体力，而且效率低下。通过展开对红枣采收机的设计，以机械采收替代人工采收可以有效地提高红枣采收量。1研究现状调研目前市场上现存的果实收获类机械，我国青岛黄海学院曾设计一款大型红枣采摘及收获为一体的机械，该机械为振动式收获农业机械，其工作模式更加快捷，并且收获果实的效率极高。除此之外，其工作成本低下，在使用这一款采收机械过程中可以大大降低采收过程中的机械损伤，从而确保采摘下来红枣的品质。经过研究分析，其工作原理为行走装置整体对机械在地面的移动进行控制，当这一款装置接近枣树的时候，采摘机构移动，控制夹头抓紧红枣树。然后，激振机构对枣树施加一定振动频率，从而产生振幅的机械振动。当被抓紧的红枣树受激振机构的激振力作用而开始振动时，红枣树上的红枣随着树干一起作加速度移动，当红枣受到的惯性力超过红枣与树枝的结合力之后，红枣与树枝的连接开始变得薄弱，红枣逐渐脱离树枝，当枣子从红枣树上掉落后，由收集装置进行收集。但该装置的缺点在于机器体积大操作不便，因此，设计一种适用于中小型红枣种植园的红枣采摘机非常必要。目前，农业产品具有机械大型化、操作专业化、通用性强、高适应性及逐渐智能化和人性化等特点。这些第一作者简介：邹易（2001-），女，硕士研究生。研究方向为产品设计及工业设计。摘要：目前，中小型枣园采摘红枣的方式多为人工击打树枝，使树枝产生震动，将红枣从树枝上震动摇落。为克服农民摘枣工作效率低下的问题，通过设计一款智能采摘机解决人工摘枣这一工作效率低下的问题并且能够智能筛选出红枣果实的优劣，从而实现红枣的全自动化快速采摘。该机械可以通过采摘杆拉动树枝，使树枝产生高频震动，从而使红枣掉落并进行收集。收集后依次对果实进行初步筛选和智能筛选。智能筛选装置可以对掉落的红枣进行图像识别，提取果实表面的特征，对果实的优劣进行判别，最终输出品质优良的果实。关键词：造型设计；意象分析；功能结构；映射关系；造型模块中图分类号院S225.93文献标志码院A文章编号院2096-9902渊2024冤01-0023-04Abstract:At present,the way of picking red jujube(also known as Ziziphus Jujuba Mill.)in small and medium-sized jujubeorchards is to hit the branches manually,which makes the branches vibrate and shake off the jujube from the branches.In order toovercome the problem of low efficiency of jujube picking by farmers,an intelligent picking machine is designed to solve theproblem of low efficiency of manual jujube picking and can intelligently screen out the advantages and disadvantages of red jujubefruit,so as to realize the automatic and rapid picking of red jujube.The machine can pull the branch through the picking rod,sothat the branch produces high-frequency vibration,so that the red jujube falls and collects.After collection,the fruits were screenedpreliminarily and intelligently.The smart screening device can identify the image of the fallen jujube,extract the features of thefruit surface,and distinguish the advantages and disadvantages of the fruit,with final output of high-quality fruit.Keywords:modeling design;image analysis;functional structure;mapping relationship;modeling moduleDOI：10.20028/j.zhnydk.2024.01.00623-2024 年 1 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture设计需求在大型农业种植园中得到了广泛应用。除此之外，林果种类和种植模式的多样性使得现有的林果采收机械不能满足人们对多样性的需求，所以，研发新型高效的林果采收农业机械是解决这一问题的重要途径之一，同时也为林果采收提供了新的研究方向，促进了林果采收机械的发展。根据我国红枣园基本上为中小型、枣树间距较小等特点，以及操作者的心理特征和生理需求，设计一款合适中小型红枣采摘机构。该收获机械产品可以减少红枣收获过程中 30豫的工作量，以机械采收替代人工采收可以有效地提高红枣采收量，这一款机械结构简单，易于操作。填补了目前市场在中小型红枣种植园收获机械方面的空白，并且对于壮大红枣产业发展规模和提高枣资源利用率有重要意义并具备十分广阔的实际应用价值。2设计分析农业产品的收获机械是当代农业生产必不可少的作业工具之一，其产量大、使用广泛。农业产品作为具有较强功能性的机械产品，在设计时首先要将其功能需求放在首位。除此之外，设计师还需要在工业产品的外观造型和配色方案上进行尽可能完善的设计。尤其在目前高速发展的时代，随着科技进步，人们的消费观念和审美水平也在不断发生变化。越来越多的人在满足机械产品中内部功能需求的同时，对产品的外观造型和感性需求也大大提高。因此，在具有相同功能的基础上，一件产品能否满足顾客情感心理和简洁大方的外观造型设计，成为工业产品和农业机械产品成功的关键。因此，设计时有必要注重农机产品的外观造型设计。在设计前对不同农用机械产品造型的情感语义进行挖掘，为产品的造型设计和改进提供指导。通过调研市场农业机械产品相关的评价和访谈及调研等方式，收集与农业产品造型相关的感性意象词汇。分析归纳其为：圆润的硬朗的、个性的大众的、稳健的动感的、整体的模块的、厚重的轻巧的、几何的无序的。将感性意象词汇等级化对所选的 3个农业机械产品进行意象化评价。将样本案例的感性意象等级化，由-3 分到 3 分划分为 7 个等级对其进行评价。其中，以感性意象词汇对“厚重的轻巧的”为例，-3 分代表很厚重，-2 分代表厚重，-1 分代表较厚重，0分代表着中性感觉，1 分代表较轻巧的，2 分代表轻巧的，3 分代表很轻巧。通过问卷调查的形式对收集到的问卷机型数据进行处理。这 6 对感性意向词汇对构成了意象空间，其中数据的评价标准为 03，负值代表调查者对于产品的感受趋于左边的感性形容词。正值代表调查者对于产品的感受趋于右边的感性形容词。数据的统计是提取产品特征要素的重要依据，统计结果见表 1。表 1意象分析结果根据调查结果显示，农业产品设计外观造型设计特点主要为硬朗的、大众的，并可以进行模块组合的，设计风格主要为稳健的、轻巧的、几何的。通过分析总结市场上最受欢迎的农用机械产品，为接下来的红枣采摘机的设计确定设计方向。3基于FBS模型的造型模块划分3.1FBS 模型概述FBS（Function-Behavior-Structure）模型的名称来自其核心概念：功能、行为、结构。在执行 FBS 模型映射过程中，功能转换为可以执行该功能的预期行为。而预期的行为则可以用于结构的选择和组合，这个过程也可以称为结构的合成。在 FBS 模型中，一个系统被分解为多个子系统，每个子系统由一组功能、行为、结构定义。这样可以帮助开发者将系统分解为不同的功能和部件。功能-行为-结构模型通过对产品功能、行为、结构之间关系进行描述可以激发设计的创造性思维。在产品设计过程中，功能是行为的目标，行为是功能实现的基础，结构是行为的支撑。首先，其设计过程根据用户需求进行归纳转化为产品的功能要素；其次，通过具体的交互行为确认产品功能元素的可能性，并由此推断 样本 1 样本 2 样本 3 样本 4 样本 5 样本 6 样本 7 样本 8 圆润的硬朗的 1.1 1.2 2.1 1.5 1.6-1.1-2.1 1.4 个性的大众的-2.7 1.5 2.2 2.3-1.2-1.1 2.5 2.2 稳健的动感的-2.2-1.2 1.8-2.5-2.1-2.5 2.7 1.1 整体的模块的-2.5 1.7 1.5 2.2 1.8-1.8-2.2-1.5 厚重的轻巧的 1.8-2.0-1.8-2.9-2.3-1.1 1.5-1.0 几何的无序的 2.1 2.3 2.8-1.2 2.6 0.5-1.0-0.4 分24-2024 年 1 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业结构的可行性；最后，实现由具有设计意义的功能与行为得到的结构并分析结构是否满足用户需求。目前FBS 模型已经被广泛应用至各个设计领域当中。有的将 FBS 和产品服务系统之间转换的模型，将行为划分为服务行为和产品行为，以识别和分析工作情况。也有针对机械装备交互行为复杂、易出错的问题对 FBS 模型当中的行为层进行变换映射得出新的设计方案。还有为解决创新设计过程中遇到的新问题，根据 FBS 模型应用领域的不同，通过集成 FBS 模型与其他模型或理论，得到特定领域新的设计方法或流程。例如，将概念-知识（C-K）理论与 FBS 模型进行融合，提出了一种可变功能再设计方法，利用理论的知识空间对 FBS 映射过程进行指导，获取新的设计方案。总之，通过 FBS 映射可以实现产品功能的逐层展开。通过功能分解推理得到行为，借助行为推理求解得到产品结构，由结构推理到形态直到完成产品的整个设计过程。这种设计方法有助于更清楚地理解设计过程和子过程，如问题的提出、综合、分析和评估等内容，以及如何启发创新提供设计灵感。3.2采摘机 FBS 模型分解在进行造型设计时首先需要对功能需求进行全面分析，确定总目标功能。根据 FBS 模型对采摘机进行功能分解，逐级分析采摘机的功能结构。采摘杆可以自由伸缩，从而满足不同高度果实的采摘；收集功能进行果实的收集；筛选装置分为 2 步。第一级筛选主要为风机吹走落叶，利用不同尺寸间隙的滤网初步淘汰掉小果、劣果；果实再次进入智能筛选装置进行二次筛选，智能筛选装置通过图像识别技术，通过提取红枣果实表面的图像特征进行预处理，保证图像的清晰度然后由计算机进行判别，最终将判别结果输出。整个产品的动力部分主要是采用太阳能和直流减速电机为采摘杆和筛选装置提供动力，绿色环保低成本适合中小型农户，以此为其他部分提供动力。综上所述，红枣采摘机的总功能可划分为采摘功能、收集功能、筛选功能和行驶功能。其中采摘功能主要为振落树上的果实。该机构产生的行为包括抓取树干使其振动，将树枝上的红枣摇落。其应该具备抓夹、摇杆等结构。收集功能的主要目的为收集落下的果实，该机构运行的主要行为是张开闭合收集伞，收集落下的果实。该部分需要一个可折叠的收集伞。筛选功能的目的为筛选落下的红枣果实。其主要包括 2 步，第一步为风机吹走落下的树叶，将果实留在初步筛选装置当中；第二步通过智能筛选装置识别果实的优劣，通过图像识别技术对水果的图像进行特征提取，将提取出来的图像在分类器中进行判别，并得出最终的结果。由此判断，为实现这个行为，该装置需要配备风机、相机等结构。为保证整个采摘机正常运行，该机构还需要配有动力装置维持机构运动（图 1）。图 1采摘机 FBS 分解剔除无须设计的结构，将划分后的结构进行重新规整划分。由此，可以将红枣采摘机划分为采摘装置造型模块、收集装置造型模块、筛选装置造型模块和动力装置造型模块。并依次对各造型模块展开设计。并对设计后的各造型模块进行组合。3.3采摘机造型设计采摘装置当中的采摘杆可以自由伸缩，最大可及高度为 2 500 mm，从而满足不同高度果实的采摘，结合输入的指令，自行控制且随时调整电机输出动力和采摘杆频率进行采摘，控制电机停止运动。收集装置的收集伞展开的最大半径为 1 000 mm，这种大尺寸的接收装置具有自适应升降装置的构成，从而大大减少红枣从高空坠下导致坏果的情况。初步筛选装置根据市面上红枣大小的尺寸界定，实际筛选装置为长 40 mm、宽34 mm、间距为 25 mm 的长方形网格。首先利用风机吹走落叶，然后通过不同的网格间隙筛选出大小不同的果实，风扇可将掉落的树叶吹走，避免影响智能筛选功能的使用。初步的筛选装置可将红枣按大小进行筛选，减少红枣采摘的后期工作量。并且还装有传感器，统计红枣数量。智能筛选装置用灯光抓拍果实的表面，进行优劣筛选，消毒灭菌，其工作原理为：红枣通过初步筛选装置采用图像识别技术。这种功能能够在提取特征之前对图像进行预处理，包括噪音去除，图像对比度增强，颜色还原，从而提取红枣的有效特征，包括红枣的形状大小、颜色和纹理。提取之后，将水果图像输入到一个分类器中进行判别得出最终结果。动力装置的造25-2024 年 1 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture型模块设计，其外形尺寸长 600 mm、宽 400 mm、高2 500 mm。结合人因工程学中最佳舒适工作高度，在结构设计上采用直流减速电机为采摘杆和筛选装置提供动力，绿色环保低成本适合中小型农户，以此为采摘装置和筛选装置提供动力。在满足结构功能的需求之外，工业产品在设计时一定要注重产品色彩上的选择。因为不同的色彩会给人们带来不同的心理感受。一件工业产品，内部结构和外观造型构成了产品的大致方向，而赋予工业产品不同的色彩可以传递不同的人类情感，例如，灰白色代表朴素典雅，橙红色代表热烈引人注意，蓝色代表着智能科技感。不同的材料及不同的材质根据工业产品的使用途径而不同。在工业产品的设计过程中，影响产品形态美的因素有很多，其中形态设计原则主要包括：变化与统一、对称与平衡、比例与尺度、对比与协调和节奏与韵律，每一个因素都能影响产品的形态，只有将这些因素统一考虑，才能真正体现产品的形态美。因此，在进行红枣采摘机的设计时，选择简单大方但是富有质感的银灰色作为主色调，选择蓝色作为一个亮色，代表着强烈的科技感与智能感。当红枣采摘机的智能筛选装置开始工作时，蓝色的智能灯开始闪烁，同时提醒工作人员筛选装置开始工作。产品整体给人一种干净，简洁之感，蓝色的添加也削弱了农业机械产品本身的冷漠感，给产品带来一些智能科技感（图 2、图 3）。图 2采摘机方案展示图 3部分造型模块展示4结束语本论文根据社会智能化的发展方向，发现现有采摘收获机械的不足，设计了一款适用于中小型红枣种植户的收获机械，从而实现了红枣的全自动化采、收集及智能筛选出优质果实，淘汰劣质果实。首先在进行设计前对农业采摘机械的设计分析，针对目前红枣采收多为人工收获，工作效率极低这一问题设计出适用于中小型红枣收获的农业机械。通过调研分析目前市场农业收获机械的主要设计风格，偏向于智能化、轻巧化；确定好造型风格后，开展采摘机的功能与行为结构之间的映射，将整体机械划分为 4 个造型模块展开设计，包括采摘装置造型模块、收集装置造型模块、筛选装置造型模块和动力装置造型模块。分析每个造型模块为实现其功能会产生的行为和运行需要的结构。在进行造型设计的前期，考虑产品的功能、行为、结构之间的映射关系，建立功能、结构与产品造型模块的有效连接，使得各部分的产品结构分布合理，最终提升设计方案的有效性。通过在产品设计前加入 FBS 模型，不仅可以明确产品的设计目标，包括产品的主要功能、性能指标、使用场景等，有利于设计师在后续的设计过程中保持设计目标的一致性和明确性。还有助于提供创新性的设计思路，通过对产品功能、行为、结构的多角度分析可以发现以往未曾发现的产品问题和设计亮点，从而不断创新和优化产品设计。参考文献院1 张志栋，王海艳，王娜，等.大枣采摘收集一体机的设计J.南方农机，2019，50（13）：35，39.2 杨延璞，田宏亮，焦生杰，等.意象驱动基于功能-行为-结构的产品造型设计研究J.机械设计与制造，2022（6）：176-179.3 白仲航，张资恒，李晨辉，等.功能-行为-结构（FBS）模型方法研究综述J.图学学报，2022，43（5）：765-775.4 杨凯，杨蕊，马少辉.红枣机械化采收技术现状J.农业机械，2022（4）：91-93，96.5 曹肆林，何义川，王敏，等.沙棘果机械化采收技术的研究现状与思考J.农机化研究，2012，34（5）:12-15.6 梁森，黄杭美.自动检测与转换技术M.北京：机械工业出版社，2012.7 孟祥金，陈永成，汤智辉，等.4SZS 型手持式大枣振动收获机的研制J.新疆农机化，2013（5）：7-8.26-