草莓采摘裝盒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝穎佳，樊小霞，姬元元

（洛陽(yáng)科技職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車(chē)工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471822）

草莓是薔薇科草莓屬的草本植物，在我國(guó)種植面積廣，經(jīng)濟(jì)效益高，深受人們的喜愛(ài)。草莓多采用地膜附壟式大棚種植，果實(shí)垂在壟地兩側(cè)的斜面上生長(zhǎng)，此種植方式具有增強(qiáng)通風(fēng)、防止果實(shí)污染、節(jié)省用水的效果，可有效提高草莓的種植質(zhì)量，同時(shí)壟間過(guò)道有助于田間管理，便于自動(dòng)化采摘的實(shí)施。目前，我國(guó)草莓主要依靠人工采摘，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，成本高[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，草莓采摘所花費(fèi)的人力成本占草莓生產(chǎn)總成本的50%～70%，草莓生產(chǎn)過(guò)程中近40%的時(shí)間都耗費(fèi)在采摘環(huán)節(jié)[2]。在農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力資源急劇減少的背景下，發(fā)展草莓自動(dòng)采摘設(shè)備已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)[3-4]，也是我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的迫切需求[5]。草莓自動(dòng)采摘裝備目前的研究熱點(diǎn)主要集中在成熟草莓識(shí)別技術(shù)[6]、采摘手設(shè)計(jì)[7]兩方面，較少關(guān)注草莓采摘后裝盒系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，本研究即針對(duì)草莓采摘后裝盒系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 草莓采摘裝盒流程分析

傳統(tǒng)草莓裝盒流程如圖1（a）所示，草莓由采摘手采摘后臨時(shí)堆放在采摘機(jī)的收集容器中，待收集容器內(nèi)草莓達(dá)到一定數(shù)量后取下收集容器，由種植員將草莓轉(zhuǎn)至周轉(zhuǎn)箱內(nèi)，然后人工分揀裝盒，準(zhǔn)備進(jìn)行下一級(jí)的運(yùn)輸銷(xiāo)售。傳統(tǒng)草莓收集裝盒方式中，主要存在以下問(wèn)題：1）草莓堆積放置于收集容器中，層層疊壓，下層草莓容易破裂；2）整個(gè)收集裝盒過(guò)程中草莓轉(zhuǎn)移次數(shù)較多，增加草莓碰撞破損的概率，且轉(zhuǎn)移過(guò)程需要人工接觸參與，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低；3）采摘手放置草莓時(shí)草莓落下的高度應(yīng)盡量一致，隨著堆積高度的增加，采摘手行程需要控制調(diào)節(jié)，控制的復(fù)雜性增加。

草莓包裝盒作為草莓物流運(yùn)輸銷(xiāo)售的載體，具有良好的緩沖保護(hù)功能[8-10]，如圖2 所示。傳統(tǒng)裝盒流程中草莓在采摘后并不直接進(jìn)入包裝盒，需要經(jīng)過(guò)多道周轉(zhuǎn)工序，增加了草莓果實(shí)的損失率。如圖1（b）所示，可設(shè)計(jì)一種草莓自動(dòng)裝盒系統(tǒng)，將其設(shè)置于草莓采摘機(jī)上，作為采摘機(jī)的一部分。將采摘手采摘下的草莓直接放置于運(yùn)輸銷(xiāo)售包裝盒內(nèi)，人員不接觸草莓，減少草莓轉(zhuǎn)移的次數(shù)及分揀工作量。

圖1 草莓采摘裝盒流程對(duì)比

圖2 草莓包裝盒

2 工作原理

草莓裝盒系統(tǒng)工作原理如圖3 所示，草莓裝盒系統(tǒng)集成于草莓采摘機(jī)上，設(shè)置包裝盒供送、堆放機(jī)構(gòu)，草莓自動(dòng)放入包裝盒內(nèi)。具體規(guī)劃流程為包裝盒提前輸送至預(yù)定位置，將采摘手釋放的草莓經(jīng)導(dǎo)向（引導(dǎo)草莓的掉落方向，使其落入包裝盒），按一定數(shù)量同時(shí)導(dǎo)入包裝盒內(nèi)一列，然后包裝盒運(yùn)動(dòng)到下一列工位，如此反復(fù)完成一盒草莓的裝盒；裝盒后經(jīng)平整，使位置不合適的草莓進(jìn)入包裝盒緩沖凹槽內(nèi)；包裝盒臨時(shí)堆放于采摘機(jī)上，達(dá)到一定數(shù)量后，將包裝盒自動(dòng)放置于種植園的預(yù)定位置。草莓裝盒系統(tǒng)中包裝盒應(yīng)能自動(dòng)供送，裝盒完成的草莓可自動(dòng)卸載，保證采摘工作連續(xù)進(jìn)行，包裝盒的補(bǔ)充采用人工方式[11-12]。

圖3 草莓裝盒系統(tǒng)工作原理

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

草莓采摘裝盒系統(tǒng)包括供盒機(jī)構(gòu)、裝盒控制器、包裝盒傳送機(jī)構(gòu)及堆放升降機(jī)構(gòu)，其中供盒機(jī)構(gòu)用于儲(chǔ)存包裝盒，并將包裝盒供送至傳送機(jī)構(gòu)上；傳送機(jī)構(gòu)將包裝盒先送至裝盒控制器，進(jìn)行草莓裝盒，然后送至堆放升降機(jī)構(gòu)；裝盒控制器設(shè)置在包裝盒傳送機(jī)構(gòu)上方，其上設(shè)置3 個(gè)裝盒工位，可同時(shí)使3 顆草莓下落至包裝盒中；堆放升降機(jī)構(gòu)暫時(shí)儲(chǔ)存已裝草莓的包裝盒。其中，裝盒控制器上的裝盒工位數(shù)量可根據(jù)包裝盒結(jié)構(gòu)調(diào)整，圖4 包裝盒內(nèi)設(shè)置有3 行×5 列，共15 個(gè)凹槽，可容納15 顆草莓，草莓裝盒后的高度低于包裝盒側(cè)板。

圖4 整體結(jié)構(gòu)

3.2 裝盒控制器

裝盒控制器接收采摘手采摘后的草莓，并將草莓導(dǎo)送至包裝盒內(nèi)，裝盒控制器如圖5 所示。首先草莓被采摘手放入導(dǎo)向座的接收孔中，并滑入導(dǎo)向槽中，由控制滑座上設(shè)置的斜板托起，暫留于控制滑座的導(dǎo)向槽內(nèi)，接收孔設(shè)置為3 個(gè)，采摘手逐次將草莓放入；待3 個(gè)接收孔內(nèi)均放入草莓后，步進(jìn)電機(jī)A 啟動(dòng)，通過(guò)凸輪連桿機(jī)構(gòu)使控制滑座向左運(yùn)動(dòng)打開(kāi)導(dǎo)向座，草莓落入包裝盒內(nèi)，完成一列草莓裝盒。彈簧起復(fù)位作用，導(dǎo)向座和控制滑座的左右相對(duì)位置可調(diào)，以適應(yīng)不同大小的草莓。

圖5 裝盒控制器

3.3 包裝盒傳送機(jī)構(gòu)

包裝盒傳送機(jī)構(gòu)如圖6 所示，實(shí)現(xiàn)包裝盒的推送。包裝盒放置于由4 條支柱形成的供盒倉(cāng)中，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)B 啟動(dòng)后，皮帶輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，在傳送皮帶上設(shè)置有推板，推動(dòng)供盒倉(cāng)最底部的包裝盒沿傳送皮帶運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，包裝盒由左右兩塊L 型導(dǎo)向側(cè)板支撐，傳送皮帶略低于導(dǎo)向側(cè)板內(nèi)水平面，避免與包裝盒接觸。待最底部包裝盒完全推出后，與其緊連的包裝盒落下，等待下一次推送。當(dāng)包裝盒推送至裝盒控制器底部相應(yīng)位置時(shí)，傳送減速步進(jìn)電機(jī)停止，等待草莓落下。草莓落下后，傳送減速步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)一定步距至第2 列位置，等待草莓落下，如此反復(fù)直至第5 列位置，當(dāng)?shù)? 列位置草莓落下后，傳送減速步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)將包裝盒推送至堆放升降機(jī)構(gòu)，其間經(jīng)過(guò)毛刷，毛刷輕輕掃過(guò)草莓，可將沒(méi)有落到包裝盒凹槽內(nèi)的草莓掃入凹槽中。其中傳送皮帶上推板為軟橡膠材質(zhì)，包裝盒進(jìn)入堆放升降機(jī)構(gòu)后可被包裝盒反向壓縮，待轉(zhuǎn)過(guò)升降機(jī)構(gòu)后靠自身彈性復(fù)位，保證推送運(yùn)動(dòng)連續(xù)、可靠運(yùn)行。

圖6 包裝盒傳送機(jī)構(gòu)

3.4 堆放升降機(jī)構(gòu)

堆放升降機(jī)構(gòu)如圖7 所示，包裝盒到達(dá)堆放升降機(jī)構(gòu)后，首先由定位框進(jìn)行定位，并由放置臺(tái)托起，定位框上設(shè)置有到位開(kāi)關(guān)。當(dāng)包裝盒達(dá)到指定位置后，觸動(dòng)到位開(kāi)關(guān)，步進(jìn)電機(jī)C 轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)放置臺(tái)下移一個(gè)包裝盒的高度，等待下一個(gè)包裝盒堆放進(jìn)入。其中放置臺(tái)分別與絲杠和導(dǎo)向軸連接，可上下移動(dòng)。堆放升降平臺(tái)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)置有4 條定位皮帶，保證包裝盒堆放時(shí)的平穩(wěn)性。

圖7 堆放升降機(jī)構(gòu)

3.5 包裝盒卸載

當(dāng)升降機(jī)構(gòu)中包裝盒堆放至一定數(shù)量后，草莓采摘機(jī)可自動(dòng)卸載包裝盒。如圖8 所示，采摘機(jī)運(yùn)動(dòng)到卸載工位，使放置臺(tái)支撐條間隙和卸載區(qū)固定收集臺(tái)支撐條間隙錯(cuò)位，然后放置臺(tái)繼續(xù)下降一定高度，使包裝盒落于固定收集臺(tái)上，然后采摘機(jī)退出，放置臺(tái)上升至初始位置。

圖8 包裝盒卸載示意圖

4 效果分析

草莓采摘裝盒系統(tǒng)主要包括裝盒控制器、包裝盒傳送機(jī)構(gòu)及堆放升降機(jī)構(gòu)三大部分組件，其中裝盒控制器控制草莓進(jìn)入包裝盒中；包裝盒傳送機(jī)構(gòu)用于儲(chǔ)存包裝盒并將包裝盒供送至傳送機(jī)構(gòu)上，然后送至裝盒控制器，草莓裝盒后送至堆放升降機(jī)構(gòu)；堆放升降機(jī)構(gòu)暫時(shí)儲(chǔ)存已裝草莓的包裝盒，實(shí)現(xiàn)草莓采摘機(jī)邊采摘邊裝盒的工作場(chǎng)景。草莓裝盒系統(tǒng)可直接設(shè)置于現(xiàn)有草莓采摘機(jī)的末端，解決了草莓采摘后的收集問(wèn)題。通過(guò)采摘手將采摘后的草莓直接裝盒包裝，無(wú)需另外設(shè)置收集容器和周轉(zhuǎn)箱，無(wú)需另外安排人員進(jìn)行周轉(zhuǎn)、裝盒，最大限度地減少了草莓的中轉(zhuǎn)次數(shù)，避免了草莓堆積，降低了草莓破損的概率，同時(shí)間接降低了對(duì)采摘手的控制難度，提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)語(yǔ)

農(nóng)業(yè)采摘自動(dòng)化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)體系構(gòu)建的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，當(dāng)下農(nóng)業(yè)自動(dòng)采摘往往忽視自動(dòng)裝盒過(guò)程，采摘后還需要人工分揀才能進(jìn)行運(yùn)輸和銷(xiāo)售。本研究以草莓為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種草莓采摘后自動(dòng)裝盒系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)采摘后草莓的直接運(yùn)輸銷(xiāo)售，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高采摘綜合效率。本設(shè)計(jì)可為其他農(nóng)業(yè)產(chǎn)品采摘后裝盒、裝箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒，也可為擴(kuò)展農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的功能設(shè)計(jì)提供新思路。