果園采摘平臺傳送裝箱系統設計與試驗

楊 貞，韓 冰，靳紅玲，陳 軍

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

在蘋果種植生產過程中，采摘約占整個作業量的40%，而機械化收獲可以解放勞動力、提高生產效率、降低生產成本[1]。收獲機器人雖然具有很高的自動化水平，但由于其技術復雜、效率低下、成本高昂，很難在短時間內得到廣泛應用[2-4]。可以斷定，在短時間內，基于人工采摘的半自動化果園作業平臺將得到優先發展。果園采摘平臺的核心裝置是將人工摘下的蘋果進行傳送、匯集裝箱，以提高生產效率[5]。但是，在機械傳輸過程中，碰撞、跌落、滾動會對蘋果造成一定的損傷，影響作業質量[6]，因此研究蘋果傳送裝箱機構顯得尤為重要。

國外在1983年研制了首臺采摘機器人，其后日本、法國、荷蘭等國相繼研發了多種具有機器視覺技術和人工智能的采摘機器人[7-13]。但是，目前的采摘機器人研究仍然無法克服機器人采摘效率低下、識別率低、成本高昂的短板，因而目前果園應用型的作業設備多以半自動機械平臺為主[11，14]。國內許多科研院校通過跟蹤國外先進技術和自主創新，取得了一定的突破，但總體均處于試驗研究階段，投入果園實際生產仍然需要解決很多問題[15-19]。

國外的采摘機器人成本高、采摘效率低下；國內的果園作業平臺基本不能實現蘋果的自動傳送裝箱。因此，本文根據矮砧密植果園的園藝種植特點設計了一種適用于采摘平臺上的傳送裝箱系統，為果園采摘平臺的研究提供參考。

1 基本機構與工作原理

1.1 機構組成

采摘平臺傳送裝置主要由定傳送裝置、動傳送裝置、氣缸、裝箱機架、彈簧和箱子組成，如圖1所示。其中，箱子采用適用于果園采收作業的標準化果箱。

1.定傳送裝置 2.動傳送裝置 3.箱子 4.裝箱機架 5.彈簧 6.氣缸圖1 采摘平臺傳送裝箱系統結構簡圖Fig.1 Structure diagram of conveying and packing box system

1.2 工作原理

調速電機帶動傳送帶工作，傳送帶上有柔性擋板，傳送架邊上有鋁制擋板，防止蘋果滾落傳送架；動傳送裝置工作面加有柔性蓋板，防止蘋果向下傳送時脫離傳送帶；時間繼電器和電磁閥自動控制氣缸的伸縮，然后控制動輸送裝置做循環往復擺動，使蘋果落入箱子內底面的各個位置，不形成錐狀堆積，減少了蘋果在箱子中滾動碰撞。箱子置于箱架上，箱架由特定的彈簧牽拉，并隨箱子中蘋果質量的增大豎直向下移動，使蘋果從傳送帶末端到箱子中的落差基本保持不變，減小了蘋果的跌落碰撞損傷。果園采摘平臺傳送裝箱系統總體結構參數和工作參數如表1所示。

表1 果園采摘平臺傳送裝箱系統總體結構參數和工作參數Table 1 Structural and working parameters conveying and packing system

2 主要部件設計

2.1 傳送裝置

2.1.1 結構

傳送裝置的作用是將采摘者收獲的蘋果傳送到箱子中，主要由輸送帶、電機、邊框、擋板、蓋板和氣缸組成，如圖2所示。根據實際需求設定，定傳送裝置長200cm，動傳送裝置長90cm，動傳送裝置由氣缸推動做循環往復擺動；整個傳送裝置用一條輸送帶，確保蘋果輸送過程中沒有卡頓現象，根據箱子尺寸和蘋果大小，設定傳送帶寬度為80cm，傳送帶上柔性擋板間距30cm,柔性擋板高度為5cm；邊框上的鋁制擋板高6cm，動輸送裝置上的柔性蓋板確保蘋果輸送過程中不脫離輸送帶。

2.1.2 傳送裝置擺動控制系統

傳送裝置的擺動控制系統主要由空壓機、單向止回閥、減壓閥、電磁閥、調速閥、氣缸及時間繼電器組成，控制原理如圖3所示。

1.輸送帶 2.電機 3.邊框 4.擋板 5.氣缸 6.蓋板圖2 傳送裝置機構簡圖Fig.2 Structure diagram of conveyor device

1.空壓機 2.單向止回閥 3.減壓閥 4.電磁閥 5.調速閥 6.氣缸 7.時間繼電器圖3 氣壓控制原理圖Fig.3 Diagram of air pressure control

2.2 裝箱機架

2.2.1 結構

裝箱機架是承載箱子及蘋果質量的裝置，主要由叉架、門架、滑槽、繩輪組、鋼繩、彈簧及底座組成，如圖4所示。

根據果箱尺寸，設定叉架水平方向長度為1.2m，滑槽高度為1.2m。彈簧和箱架通過傳動比為1∶2的繩輪組連接，與彈簧相連的鋼繩繞在較小的繩輪上，與門架相連的鋼繩繞在較大的繩輪上。

1.叉架 2.門架 3.滑槽 4.鋼繩 5.繩輪 6.彈簧 7.底座圖4 裝箱機架結構簡圖Fig.4 Structure diagram of frame of packing box

2.2.2 彈簧選型

由傳動比和物理特性關系可得

FN=2G

(1)

2ΔL=Δh

(2)

G=ρ·V·g

(3)

V=S·h

(4)

(5)

式中FN—彈簧彈力變化量(N)；

G—箱子中所裝蘋果質量(N)；

ΔL—彈簧形變量(m)；

Δh—箱子中所裝蘋果高度(m)；

ρ—蘋果裝箱的容積密度(kg/m3)；

V—箱子中所裝蘋果體積(m3)；

K—彈簧彈性系數。

所用箱子底面積為1.276 9m2，蘋果的容積密度為544～608kg/m3[20]，這里取580kg/m3，則彈簧彈性系數K=29.032N/mm。由于采用兩個彈簧并聯，所以每個彈簧彈性系數為14.516N/mm。由果箱的最大裝箱高度0.6m，得彈簧極限形變量需大于0.3m。

3 試驗與結果分析

3.1 試驗條件與裝置

試驗在西北農林科技大學工程訓練中心進行，選用紅富士蘋果，直徑大小為70～90mm。

試驗所用儀器與設備：游標卡尺；DM6236P智能轉速表，深圳市勝利高電子科技有限公司，測試范圍0.05～1 999.9m/min；秒表等。果園采摘平臺傳送裝箱機架樣機如圖5所示。

圖5 果園采摘平臺傳送裝箱機構樣機Fig.5 Prototype of conveying and packing system on orchard picking platform

3.2 試驗設計與方法

表2 正交試驗因素水平Table 2 Factors and levels

試驗中選蘋果損傷率為試驗指標，計算公式為

式中NS—蘋果破損、變軟等的個數(個)；

NZ—蘋果總數(個)。

3.3 試驗結果與分析

正交試驗各組試驗結果及對試驗指標的極差分析如表3所示。

表3 試驗結果與分析Table 3 Test results and analysis

對蘋果損傷率的各因素水平進行分析，A1B1C1為較優組合。各考察因素的極差值越大，說明該因素對試驗指標的影響越大[21]。由此確定了對蘋果損傷率影響順序為動傳送裝置擺動頻率、輸送效率、輸送帶線速度。

由表4方差分析結果可看出：動傳送裝置擺動頻率和輸送效率對蘋果損傷率影響極顯著(P<0.01)，輸送帶線速度對蘋果損傷率有顯著影響(0.01

表4 方差分析結果Table 4 Results of variance analysis

P<0.01(極顯著)，0.010.05 (不顯著)。

4 結論

1)根據矮砧密植果園的種植模式，設計了果園采摘平臺傳送裝箱系統，通過動傳送裝置的擺動系統和箱架的彈簧控制，可有效減少蘋果傳送裝箱過程中的碰撞損傷。

2)通過正交試驗確定了影響蘋果傳送裝箱系統的3個主次因素為動傳送裝置擺動頻率、輸送效率、輸送帶線速度；較優組合為動傳送裝置擺動頻率0.1Hz、輸送效率3個/s、輸送帶線速度0.1m/s。在此條件下，蘋果傳送裝箱系統適配的果園采摘平臺的采摘效率為10 800個。