一種自動(dòng)果實(shí)套袋裝置的研究*

劉冠楠，馮國紅，任加祺

（東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

水果產(chǎn)業(yè)是我國種植業(yè)第三大產(chǎn)業(yè)，是我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。我國氣候多變，水果的產(chǎn)量、品質(zhì)、外觀、甜度等均受到外部環(huán)境的影響。目前我國優(yōu)質(zhì)果占比只有10%，達(dá)到出口標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)果品在總產(chǎn)量中不足5%，因此提高果品質(zhì)量是解決我國水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，拓寬國外市場的必由之路。

我國于20世紀(jì)90年代開始嘗試水果套袋技術(shù)，果農(nóng)選擇對果實(shí)進(jìn)行套袋的方法減少外界環(huán)境對它的影響，我國水果套袋技術(shù)現(xiàn)已進(jìn)入了大面積推廣階段，目前在山東、河南、河北等地應(yīng)用廣泛。套袋的水果品種有蘋果、柑橘、葡萄、梨等。水果套袋有以下4個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是可以提高果實(shí)的外觀品質(zhì)。以蘋果為例，在自然環(huán)境下生長著色面積大約占整體果實(shí)面積的2/3，經(jīng)過水果套袋后著色面積則可達(dá)到90%以上，具有較高的外觀品質(zhì)，提高了果品在整個(gè)國內(nèi)外市場的競爭力[1]。二是可以減少病蟲害對果實(shí)的危害。三是可以減少果實(shí)的農(nóng)藥殘留。四是可以有效避免果實(shí)裂果[2]。因此水果套袋是我國水果農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然發(fā)展趨勢。

在城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程中，由于大量勞動(dòng)力不斷向城鎮(zhèn)非農(nóng)產(chǎn)業(yè)地區(qū)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力數(shù)量急劇下降，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生顯著負(fù)面影響，制約水果種植業(yè)發(fā)展。人工套袋工作量大，我國人工套袋日均大約3 000個(gè)/天，因此自動(dòng)果實(shí)套袋機(jī)的研究越來越重要，水果套袋流程機(jī)械化、自動(dòng)化，可以減少對勞動(dòng)力的依賴，有效緩解我國勞動(dòng)力短缺的現(xiàn)狀[3]。

目前，我國套袋機(jī)共有兩種：一種是手持式套袋機(jī)。其中根據(jù)果袋材質(zhì)可分為：塑料薄膜式、紙袋式。根據(jù)封口方式可分為：橡筋封口式、訂書釘式和鐵絲折疊式。另一種是半自動(dòng)式套袋機(jī)[4]。本文基于提高果農(nóng)工作效率以及提高果實(shí)品質(zhì)研究了一種全自動(dòng)果實(shí)套袋機(jī)。

1 自動(dòng)果實(shí)套袋裝置整體設(shè)計(jì)

該自動(dòng)果實(shí)套袋裝置整體分為果實(shí)套袋機(jī)部分、果實(shí)位置定位部分、伸縮臂及底座部分。

在果實(shí)套袋機(jī)設(shè)計(jì)方面，分為儲(chǔ)袋結(jié)構(gòu)、紙袋傳送結(jié)構(gòu)、撐袋封口結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)袋結(jié)構(gòu)內(nèi)裝果袋，利用紙袋傳送結(jié)構(gòu)將紙袋從儲(chǔ)袋箱傳送到撐袋結(jié)構(gòu)處，為下一步撐袋過程做準(zhǔn)備。撐袋封口結(jié)構(gòu)分為撐袋部分和封口部分，撐袋吸盤將果袋撐開，封口結(jié)構(gòu)利用無釘訂書釘成功套在果實(shí)上的果袋進(jìn)行封口，完成一次完整的果實(shí)套袋過程。該果實(shí)套袋機(jī)將人工的套袋流程自動(dòng)化，節(jié)約了人力成本，提高了套袋效率。利用壓紋的方式進(jìn)行無釘封口，節(jié)約套袋成本的同時(shí)，體現(xiàn)了“綠色發(fā)展”的理念，達(dá)到了發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的目的。

在果實(shí)位置定位的設(shè)計(jì)方面，攝像頭獲取樹冠上的影像信息，將攝像頭獲取到的靜態(tài)圖像輸入計(jì)算機(jī)。同時(shí)利用形狀識(shí)別技術(shù)灰度處理，對獲取的圖像信息進(jìn)行分析，利用圖像的分割將果實(shí)從復(fù)雜的環(huán)境中分離出來，從而確定果實(shí)的位置[5]。

在伸縮臂與底座的設(shè)計(jì)方面，考慮到由于果園道路崎嶇不平，地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致整體裝置移動(dòng)困難，因此在選擇移動(dòng)方式時(shí)采用了輪履式復(fù)合底盤作為整個(gè)裝置的行走底座，這樣的底盤設(shè)計(jì)大大提高了整體裝置的穩(wěn)定性，減少了果實(shí)套袋機(jī)靠近果實(shí)準(zhǔn)備套袋過程中意外情況的發(fā)生，并且在現(xiàn)有的輪履式底盤基礎(chǔ)上加入轉(zhuǎn)盤軸承，同時(shí)與機(jī)械臂相連接，可以接觸到樹冠上各個(gè)方向的果實(shí)，減少了由于果實(shí)的位置偏僻而限制果實(shí)套袋的情況，可提高果實(shí)套袋的成功率[6]。自動(dòng)果實(shí)套袋機(jī)的技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

2 果實(shí)套袋機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及套袋過程

2.1 儲(chǔ)紙結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)紙結(jié)構(gòu)位于儲(chǔ)紙箱內(nèi)部，用于儲(chǔ)紙。紙袋傳送結(jié)構(gòu)、撐袋封口結(jié)構(gòu)位于儲(chǔ)紙箱上部，用于果實(shí)套袋。4個(gè)傳紙彈簧與供紙板的4個(gè)角相連并固定在儲(chǔ)紙箱底部內(nèi)表面，用于取紙。取紙后所述儲(chǔ)紙箱上部仍處于滿紙狀態(tài)，為下一步傳送紙袋做準(zhǔn)備。儲(chǔ)紙結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 儲(chǔ)紙結(jié)構(gòu)

2.2 紙袋傳送結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)左絲杠和右絲杠位于儲(chǔ)紙箱上部長邊邊緣；左絲桿外側(cè)裝有左絲桿保護(hù)板，右絲桿外側(cè)裝有右絲桿保護(hù)板；轉(zhuǎn)動(dòng)封口凸型軸承座位于左右絲桿保護(hù)板的一端；吸紙傳動(dòng)桿安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)封口凸型軸承座上；轉(zhuǎn)動(dòng)封口機(jī)械臂安裝在吸紙傳動(dòng)桿上；轉(zhuǎn)動(dòng)吸袋齒輪位于左側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)封口凸型軸承座外側(cè)，傳動(dòng)齒條安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)吸袋齒輪下方左絲桿保護(hù)板外側(cè)，并與轉(zhuǎn)動(dòng)吸袋齒輪嚙合，傳動(dòng)齒條與連接桿相連，連接桿與吸袋滑塊相連，用于控制所述吸紙傳動(dòng)桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)封口機(jī)械臂上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)果袋的傳遞。紙袋傳送結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 紙袋傳送結(jié)構(gòu)

2.3 撐袋封口結(jié)構(gòu)

撐袋封口結(jié)構(gòu)具體分為3個(gè)部分：轉(zhuǎn)動(dòng)封口機(jī)械臂、固定封口機(jī)械臂、撐袋封口結(jié)構(gòu)。

轉(zhuǎn)動(dòng)封口機(jī)械臂下部和中上部鏤空，吸袋吸盤安裝在中部的靠內(nèi)側(cè)橫梁上，作用于儲(chǔ)紙箱內(nèi)的紙張，兩個(gè)壓紋子塊并列排列在轉(zhuǎn)動(dòng)封口機(jī)械臂上部靠內(nèi)側(cè)的橫梁上。

固定封口機(jī)械臂固定在左絲桿凸型軸承座和右絲桿凸型軸承座上，固定封口機(jī)械臂位于轉(zhuǎn)動(dòng)封口機(jī)械臂對側(cè)，左絲桿和右絲桿帶動(dòng)固定封口機(jī)械臂向轉(zhuǎn)動(dòng)封口機(jī)械臂移動(dòng)。

撐袋吸盤安裝在中部的靠內(nèi)側(cè)橫梁上，與吸袋吸盤對稱分布，用于與吸袋吸盤貼合，完成撐袋操作；固定封口機(jī)械臂下部和中上部鏤空，壓紋母塊傳動(dòng)桿一端安裝在中部的靠外側(cè)橫梁上，壓紋母塊固定板位于壓紋母塊傳動(dòng)桿另一端，兩個(gè)壓紋母塊并列排列在轉(zhuǎn)動(dòng)封口機(jī)械臂上部靠內(nèi)側(cè)橫梁上，壓紋母塊在壓紋母塊傳動(dòng)桿的帶動(dòng)下與壓紋子塊貼合進(jìn)行封口；攝像頭位于所述固定封口機(jī)械臂頂部，用于對果實(shí)進(jìn)行識(shí)別（見第106頁圖4）。

圖4 撐袋封口結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

在全球信息化發(fā)展的背景下，農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化的推廣和應(yīng)用是我國未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，我國農(nóng)業(yè)將逐步實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化。該裝置一體化程度高，可自動(dòng)完成果實(shí)套袋，具有一定的靈敏性和穩(wěn)定性，具有較好的發(fā)展前景。應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)，能大幅度減少果農(nóng)的勞動(dòng)任務(wù)及降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善我國勞動(dòng)力短缺的現(xiàn)狀，降低人工成本，提高產(chǎn)品收益，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)良性循環(huán)發(fā)展。我國應(yīng)加大農(nóng)業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化技術(shù)的創(chuàng)新力度，注重農(nóng)業(yè)機(jī)械人才培養(yǎng)，保證農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)的穩(wěn)步推進(jìn)及發(fā)展。