孫啟民，劉瑞歌，顏廷宇

（濱州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東濱州 256600）

0 引言

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，果業(yè)是農(nóng)業(yè)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(tǒng)一管理的大型現(xiàn)代化果園較少。由于生產(chǎn)規(guī)模小、農(nóng)民技術(shù)素質(zhì)偏低等原因，規(guī)范科學(xué)的生產(chǎn)管理方法難以實(shí)施，果園機(jī)械化程度普遍偏低。對(duì)于高枝水果，如梨子、蘋(píng)果、柑橘等，如何安全、可靠、高效地?zé)o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(shù)依靠人工來(lái)完成，采摘設(shè)備功能單一、勞動(dòng)強(qiáng)度大，有些果蔬采摘過(guò)程復(fù)雜，采摘設(shè)備目標(biāo)定位不準(zhǔn)確，造成采摘效率低下[3-5]。由于對(duì)果實(shí)的保護(hù)意識(shí)不強(qiáng)，缺少保護(hù)措施，目前水果采摘設(shè)備普遍存在果皮損傷率高的問(wèn)題[6]。針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款吸摘式柔性水果采摘包裝一體機(jī)。該機(jī)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)柔性連續(xù)吸摘果實(shí)，大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且能夠?qū)Σ烧墓麑?shí)進(jìn)行自動(dòng)包裝，降低了采摘過(guò)程中對(duì)果皮的損傷，節(jié)省人力物力，為實(shí)現(xiàn)采摘設(shè)備的自動(dòng)化提供了技術(shù)參考，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

吸摘式水果采摘包裝一體機(jī)包括：機(jī)架、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、采摘機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、存儲(chǔ)桶和包裝機(jī)構(gòu)。圖1所示為結(jié)構(gòu)示意圖。

（1）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。由升降電機(jī)、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(shè)置有移動(dòng)板，縱向光桿固定于移動(dòng)板上，頂板經(jīng)滑套固定于兩縱向光桿上。

（2）采摘機(jī)構(gòu)。由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、負(fù)壓泵、外齒圈和橡膠吸附套組成。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出軸上固定有中心齒輪，中心齒輪的外圍設(shè)置有多個(gè)與其和外齒圈相嚙合的行星齒輪，外齒圈上設(shè)置有多個(gè)橡膠吸附套。

（3）傳送機(jī)構(gòu)。由S形導(dǎo)流筒、導(dǎo)流板和釋放電機(jī)組成。S形導(dǎo)流筒固定于頂板上，導(dǎo)流板的前端鉸接于支撐桿上；S形導(dǎo)流筒的上端開(kāi)口位于采摘器的下方，下端開(kāi)口位于導(dǎo)流板的上方；導(dǎo)流板上設(shè)置有與存儲(chǔ)桶數(shù)量相等的導(dǎo)流槽。

（4）存儲(chǔ)桶和包裝機(jī)構(gòu)。存儲(chǔ)桶的兩側(cè)均設(shè)置有擋板，相鄰擋板之間形成導(dǎo)向槽。包裝機(jī)構(gòu)由包裝電機(jī)、推桿機(jī)構(gòu)、橫桿機(jī)構(gòu)、熔斷機(jī)構(gòu)組成，水果被推桿機(jī)構(gòu)（由后轉(zhuǎn)軸、前轉(zhuǎn)軸、后推桿、前推桿組成）推入包裝網(wǎng)中，橫桿機(jī)構(gòu)的上方設(shè)置有橫向桿，橫向桿的一端經(jīng)曲柄連桿與側(cè)轉(zhuǎn)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(wǎng)，限位針負(fù)責(zé)固定網(wǎng)袋，熔斷機(jī)構(gòu)（由熔斷電機(jī)、升降板導(dǎo)向桿、第二絲杠和熔斷絲組成）負(fù)責(zé)切網(wǎng)袋，完成包裝。

圖1 吸摘式水果采摘包裝一體機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

吸摘式水果采摘包裝一體機(jī)在控制系統(tǒng)作用下能夠輔助人工對(duì)高枝水果采摘，并自動(dòng)完成包裝工序，工作流程如圖2所示。操作人員將機(jī)器置于水果樹(shù)下，手動(dòng)操控?zé)o動(dòng)力二維定位平臺(tái)，對(duì)目標(biāo)水果在平面上進(jìn)行初步定位；待定位后，按下上升開(kāi)關(guān)，控制絲杠帶動(dòng)采摘機(jī)構(gòu)上升至目標(biāo)水果下方，采摘機(jī)構(gòu)接觸目標(biāo)水果；光電開(kāi)關(guān)自動(dòng)識(shí)別并控制氣泵打開(kāi)，吸取蘋(píng)果并旋擰至脫落。關(guān)閉電磁閥可將相應(yīng)橡膠吸附套上吸附的水果釋放下來(lái)，傳送至傳送機(jī)構(gòu)中的S形導(dǎo)流筒。導(dǎo)流槽與存儲(chǔ)桶數(shù)量相等，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使水果沿導(dǎo)流槽進(jìn)入存儲(chǔ)桶；水果落入存儲(chǔ)桶前，包裝網(wǎng)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(wǎng)的內(nèi)徑，將網(wǎng)袋撐起；包裝機(jī)構(gòu)中推桿機(jī)構(gòu)推果入網(wǎng)；熔斷機(jī)構(gòu)將網(wǎng)袋切開(kāi)，機(jī)架的底部設(shè)置有控制底門(mén)開(kāi)合的底門(mén)電機(jī)，隨后包裝好的水果由底門(mén)流出。

圖2 工作流程圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 采摘機(jī)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)高效的柔性采摘，設(shè)計(jì)了吸附式采摘機(jī)構(gòu)。采摘機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、負(fù)壓泵、中心齒輪、行星齒輪、外齒輪以及多個(gè)橡膠吸附套組成，如圖3所示。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)的殼體固定于導(dǎo)向桿的頂端，第一絲杠的頂端經(jīng)軸承固定于旋轉(zhuǎn)電機(jī)上，以便驅(qū)使旋轉(zhuǎn)電機(jī)上、下、左、右、前、后運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)的三維運(yùn)動(dòng)。中心齒輪固定于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出軸上，中心齒輪的外圍設(shè)置有多個(gè)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(zhuǎn)電機(jī)的帶動(dòng)作用下驅(qū)使外齒圈進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。6個(gè)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(shè)置，橡膠吸附套實(shí)現(xiàn)對(duì)待采摘水果的吸附[7]。橡膠吸附套經(jīng)吸氣管與負(fù)壓泵的吸氣口相連通，負(fù)壓泵與每個(gè)橡膠吸附套之間的吸氣管均設(shè)置有電磁閥，以便對(duì)相應(yīng)吸氣管的通斷狀態(tài)進(jìn)行控制。使用時(shí)，當(dāng)利用最上端的橡膠吸附套對(duì)水果進(jìn)行吸附，通過(guò)電磁閥打開(kāi)該橡膠吸附套與負(fù)壓泵之間的吸氣管，水果吸附后，通過(guò)驅(qū)使采摘機(jī)構(gòu)上、下、左、右或前、后運(yùn)動(dòng)，即可將水果摘下，摘下后繼續(xù)保持該橡膠吸附套的吸負(fù)壓狀態(tài)；旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)使外齒圈進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以便利用下一個(gè)橡膠吸附套對(duì)水果進(jìn)行吸附，直至所有的橡膠吸附套均吸附上水果，旋轉(zhuǎn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)某個(gè)橡膠吸附套運(yùn)動(dòng)至朝下的狀態(tài)時(shí)，則關(guān)斷其吸氣管上的電磁閥，使橡膠吸附套的吸負(fù)壓狀態(tài)消失，以便水果落入S形導(dǎo)流筒中，如此循環(huán)，直至所有的水果釋放完畢。

2.2 包裝機(jī)構(gòu)

包裝機(jī)構(gòu)由包裝電機(jī)、后轉(zhuǎn)軸、前轉(zhuǎn)軸、后推桿、前推桿組成，如圖4所示。

圖4 包裝機(jī)構(gòu)示意圖

前轉(zhuǎn)軸和后轉(zhuǎn)軸相互平行，并分別設(shè)置于導(dǎo)向槽的前方和后方，前轉(zhuǎn)軸和后轉(zhuǎn)軸的兩端均通過(guò)軸承固定于機(jī)架上，以保證前轉(zhuǎn)軸和后轉(zhuǎn)軸的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。包裝電機(jī)固定于機(jī)架上，包裝電機(jī)的輸出軸與后轉(zhuǎn)軸相固定。后轉(zhuǎn)軸上固定有后帶輪，前轉(zhuǎn)軸上固定有前帶輪，前帶輪與后帶輪經(jīng)皮帶傳動(dòng)連接，在包裝電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，即可驅(qū)使后轉(zhuǎn)軸和前轉(zhuǎn)軸同向、同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

后推桿上固定有與導(dǎo)向槽數(shù)量一致的后推板，后推板位于導(dǎo)向槽的后部；前推板上固定有與導(dǎo)向槽數(shù)量一致并位于其前部的前推板。后轉(zhuǎn)軸和前轉(zhuǎn)軸上分別固定有后轉(zhuǎn)盤(pán)和前轉(zhuǎn)盤(pán)，后推桿經(jīng)連桿鉸接于后轉(zhuǎn)盤(pán)的偏心位置處，前推桿經(jīng)連接桿鉸接于前轉(zhuǎn)盤(pán)的偏心位置處，在后轉(zhuǎn)軸和前轉(zhuǎn)軸同步、同向轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，即可驅(qū)使前推桿和后推桿同向和同步轉(zhuǎn)動(dòng)。包裝網(wǎng)設(shè)置于前推板的外圍，且包裝網(wǎng)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(shè)置有尖頭朝前的錐形體，使得導(dǎo)向槽中的存儲(chǔ)桶位于后推板與前推板之間，存儲(chǔ)桶的前后兩側(cè)開(kāi)設(shè)有便于后推板和存儲(chǔ)桶中的水果通過(guò)的空腔，以便后推板將存儲(chǔ)桶中的水果推入至包裝網(wǎng)中。

2.3 控制系統(tǒng)

為使機(jī)器各機(jī)構(gòu)能夠合理順暢地工作，以MK60單片機(jī)為控制中樞，運(yùn)用繼電器L298 N、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、光電傳感器和降壓模塊等電器元件進(jìn)行輔助配合，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制采摘器升降并自動(dòng)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(tǒng)的穩(wěn)定性和對(duì)電氣元件的保護(hù)作用，選擇電壓繼電器，通過(guò)高低電平的觸發(fā)控制電機(jī)的開(kāi)關(guān)[8]。同時(shí)，在模塊電源部分設(shè)計(jì)了過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)，進(jìn)一步增加控制系統(tǒng)抵抗電壓和電流沖擊的能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

吸摘式水果采摘包裝一體機(jī)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方便操作，定位和采摘機(jī)構(gòu)的升降能夠精準(zhǔn)完成，順利實(shí)現(xiàn)吸摘、傳送、包裝工序的自動(dòng)化。設(shè)定包裝電機(jī)一次運(yùn)行速度為20 r/min，升降絲杠電機(jī)為200 r/min，機(jī)器穩(wěn)定性和效率綜合情況達(dá)到最優(yōu)。每分鐘可采摘8～10個(gè)蘋(píng)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(jī)跟傳統(tǒng)的采摘機(jī)相比具有以下特點(diǎn)：（1）運(yùn)用氣泵設(shè)計(jì)齒輪組實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)吸摘器柔性摘取水果，大大降低損果率，提高采摘速度；（2）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)動(dòng)力二維滑軌配合滾珠絲杠操控平臺(tái)定位，操作簡(jiǎn)便，降低勞動(dòng)強(qiáng)度；（3）光滑圓錐提前撐起網(wǎng)袋后，利用類曲柄滑桿原理和鏈條與錐型行星齒輪的機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)水果自動(dòng)包裝，大大提高勞動(dòng)效率。

吸摘式水果采摘包裝一體機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)柔性連續(xù)吸摘、傳動(dòng)、包裝果實(shí)，大大降低損果率和勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省人力、物力，不僅給果農(nóng)和企業(yè)帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益，而且為實(shí)現(xiàn)采摘設(shè)備的自動(dòng)化提供了技術(shù)參考，具有廣闊的應(yīng)用前景[9]。