吸摘式水果采摘包裝一體機的設計*

孫啟民，劉瑞歌，顏廷宇

（濱州學院機電工程學院，山東濱州 256600）

0 引言

中國是農業大國，果業是農業的重要組成部分[1]。水果種植目前主要是分散栽培、分戶管理，真正集中成片、統一管理的大型現代化果園較少。由于生產規模小、農民技術素質偏低等原因，規范科學的生產管理方法難以實施，果園機械化程度普遍偏低。對于高枝水果，如梨子、蘋果、柑橘等，如何安全、可靠、高效地無損采摘一直是很多研究人員努力的方向[2]。目前果蔬的采摘大多數依靠人工來完成，采摘設備功能單一、勞動強度大，有些果蔬采摘過程復雜，采摘設備目標定位不準確，造成采摘效率低下[3-5]。由于對果實的保護意識不強，缺少保護措施，目前水果采摘設備普遍存在果皮損傷率高的問題[6]。針對以上問題，設計了一款吸摘式柔性水果采摘包裝一體機。該機構不僅能夠實現柔性連續吸摘果實，大大提高了勞動生產率，而且能夠對采摘的果實進行自動包裝，降低了采摘過程中對果皮的損傷，節省人力物力，為實現采摘設備的自動化提供了技術參考，具有推廣應用價值。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

吸摘式水果采摘包裝一體機包括：機架、驅動機構、采摘機構、傳送機構、存儲桶和包裝機構。圖1所示為結構示意圖。

（1）驅動機構。由升降電機、底板、頂板、兩橫向光桿和兩縱向光桿組成。兩橫向光桿上均設置有移動板，縱向光桿固定于移動板上，頂板經滑套固定于兩縱向光桿上。

（2）采摘機構。由旋轉電機、負壓泵、外齒圈和橡膠吸附套組成。旋轉電機的輸出軸上固定有中心齒輪，中心齒輪的外圍設置有多個與其和外齒圈相嚙合的行星齒輪，外齒圈上設置有多個橡膠吸附套。

（3）傳送機構。由S形導流筒、導流板和釋放電機組成。S形導流筒固定于頂板上，導流板的前端鉸接于支撐桿上；S形導流筒的上端開口位于采摘器的下方，下端開口位于導流板的上方；導流板上設置有與存儲桶數量相等的導流槽。

（4）存儲桶和包裝機構。存儲桶的兩側均設置有擋板，相鄰擋板之間形成導向槽。包裝機構由包裝電機、推桿機構、橫桿機構、熔斷機構組成，水果被推桿機構（由后轉軸、前轉軸、后推桿、前推桿組成）推入包裝網中，橫桿機構的上方設置有橫向桿，橫向桿的一端經曲柄連桿與側轉軸相連接，橫向桿上均勻固定有針頭朝向后推板的L形包裝網，限位針負責固定網袋，熔斷機構（由熔斷電機、升降板導向桿、第二絲杠和熔斷絲組成）負責切網袋，完成包裝。

圖1 吸摘式水果采摘包裝一體機結構示意圖

1.2 工作原理

吸摘式水果采摘包裝一體機在控制系統作用下能夠輔助人工對高枝水果采摘，并自動完成包裝工序，工作流程如圖2所示。操作人員將機器置于水果樹下，手動操控無動力二維定位平臺，對目標水果在平面上進行初步定位；待定位后，按下上升開關，控制絲杠帶動采摘機構上升至目標水果下方，采摘機構接觸目標水果；光電開關自動識別并控制氣泵打開，吸取蘋果并旋擰至脫落。關閉電磁閥可將相應橡膠吸附套上吸附的水果釋放下來，傳送至傳送機構中的S形導流筒。導流槽與存儲桶數量相等，驅動電機使水果沿導流槽進入存儲桶；水果落入存儲桶前，包裝網中的錐形體的尖端朝向前推板，錐形體圓柱部分的直徑大于包裝網的內徑，將網袋撐起；包裝機構中推桿機構推果入網；熔斷機構將網袋切開，機架的底部設置有控制底門開合的底門電機，隨后包裝好的水果由底門流出。

圖2 工作流程圖

2 關鍵部件設計

2.1 采摘機構

為了實現高效的柔性采摘，設計了吸附式采摘機構。采摘機構由旋轉電機、負壓泵、中心齒輪、行星齒輪、外齒輪以及多個橡膠吸附套組成，如圖3所示。

旋轉電機的殼體固定于導向桿的頂端，第一絲杠的頂端經軸承固定于旋轉電機上，以便驅使旋轉電機上、下、左、右、前、后運動，即實現空間內的三維運動。中心齒輪固定于旋轉電機的輸出軸上，中心齒輪的外圍設置有多個行星齒輪，行星齒輪與中心齒輪和外齒圈均相嚙合，以便在旋轉電機的帶動作用下驅使外齒圈進行轉動。6個橡膠吸附套均勻固定于外齒圈的外圍，橡膠吸附套沿外齒圈的徑向方向設置，橡膠吸附套實現對待采摘水果的吸附[7]。橡膠吸附套經吸氣管與負壓泵的吸氣口相連通，負壓泵與每個橡膠吸附套之間的吸氣管均設置有電磁閥，以便對相應吸氣管的通斷狀態進行控制。使用時，當利用最上端的橡膠吸附套對水果進行吸附，通過電磁閥打開該橡膠吸附套與負壓泵之間的吸氣管，水果吸附后，通過驅使采摘機構上、下、左、右或前、后運動，即可將水果摘下，摘下后繼續保持該橡膠吸附套的吸負壓狀態；旋轉電機驅使外齒圈進行旋轉，以便利用下一個橡膠吸附套對水果進行吸附，直至所有的橡膠吸附套均吸附上水果，旋轉電機反向轉動；當某個橡膠吸附套運動至朝下的狀態時，則關斷其吸氣管上的電磁閥，使橡膠吸附套的吸負壓狀態消失，以便水果落入S形導流筒中，如此循環，直至所有的水果釋放完畢。

2.2 包裝機構

包裝機構由包裝電機、后轉軸、前轉軸、后推桿、前推桿組成，如圖4所示。

圖4 包裝機構示意圖

前轉軸和后轉軸相互平行，并分別設置于導向槽的前方和后方，前轉軸和后轉軸的兩端均通過軸承固定于機架上，以保證前轉軸和后轉軸的自由轉動。包裝電機固定于機架上，包裝電機的輸出軸與后轉軸相固定。后轉軸上固定有后帶輪，前轉軸上固定有前帶輪，前帶輪與后帶輪經皮帶傳動連接，在包裝電機的驅動下，即可驅使后轉軸和前轉軸同向、同步轉動。

后推桿上固定有與導向槽數量一致的后推板，后推板位于導向槽的后部；前推板上固定有與導向槽數量一致并位于其前部的前推板。后轉軸和前轉軸上分別固定有后轉盤和前轉盤，后推桿經連桿鉸接于后轉盤的偏心位置處，前推桿經連接桿鉸接于前轉盤的偏心位置處，在后轉軸和前轉軸同步、同向轉動的過程中，即可驅使前推桿和后推桿同向和同步轉動。包裝網設置于前推板的外圍，且包裝網向前推板的后方伸出并留有一定的余量。其中伸出的前推板中設置有尖頭朝前的錐形體，使得導向槽中的存儲桶位于后推板與前推板之間，存儲桶的前后兩側開設有便于后推板和存儲桶中的水果通過的空腔，以便后推板將存儲桶中的水果推入至包裝網中。

2.3 控制系統

為使機器各機構能夠合理順暢地工作，以MK60單片機為控制中樞，運用繼電器L298 N、電機驅動器、光電傳感器和降壓模塊等電器元件進行輔助配合，實現手動控制采摘器升降并自動完成吸摘、傳送、包裝等功能。

繼電器的種類較多，考慮到控制系統的穩定性和對電氣元件的保護作用，選擇電壓繼電器，通過高低電平的觸發控制電機的開關[8]。同時，在模塊電源部分設計了過流和過壓保護，進一步增加控制系統抵抗電壓和電流沖擊的能力。

3 結束語

吸摘式水果采摘包裝一體機，驅動機構方便操作，定位和采摘機構的升降能夠精準完成，順利實現吸摘、傳送、包裝工序的自動化。設定包裝電機一次運行速度為20 r/min，升降絲杠電機為200 r/min，機器穩定性和效率綜合情況達到最優。每分鐘可采摘8～10個蘋果，綜合損果率減少到1%～1.8%之間。

吸摘式水果采摘包裝一體機跟傳統的采摘機相比具有以下特點：（1）運用氣泵設計齒輪組實現旋轉吸摘器柔性摘取水果，大大降低損果率，提高采摘速度；（2）驅動機構無動力二維滑軌配合滾珠絲杠操控平臺定位，操作簡便，降低勞動強度；（3）光滑圓錐提前撐起網袋后，利用類曲柄滑桿原理和鏈條與錐型行星齒輪的機械傳動實現水果自動包裝，大大提高勞動效率。

吸摘式水果采摘包裝一體機，能夠實現柔性連續吸摘、傳動、包裝果實，大大降低損果率和勞動強度，節省人力、物力，不僅給果農和企業帶來更高的經濟效益，而且為實現采摘設備的自動化提供了技術參考，具有廣闊的應用前景[9]。