吸摘式水果采摘包装一体机的设计*

孙启民，刘瑞歌，颜廷宇

（滨州学院机电工程学院，山东滨州 256600）

0 引言

中国是农业大国，果业是农业的重要组成部分[1]。水果种植目前主要是分散栽培、分户管理，真正集中成片、统一管理的大型现代化果园较少。由于生产规模小、农民技术素质偏低等原因，规范科学的生产管理方法难以实施，果园机械化程度普遍偏低。对于高枝水果，如梨子、苹果、柑橘等，如何安全、可靠、高效地无损采摘一直是很多研究人员努力的方向[2]。目前果蔬的采摘大多数依靠人工来完成，采摘设备功能单一、劳动强度大，有些果蔬采摘过程复杂，采摘设备目标定位不准确，造成采摘效率低下[3-5]。由于对果实的保护意识不强，缺少保护措施，目前水果采摘设备普遍存在果皮损伤率高的问题[6]。针对以上问题，设计了一款吸摘式柔性水果采摘包装一体机。该机构不仅能够实现柔性连续吸摘果实，大大提高了劳动生产率，而且能够对采摘的果实进行自动包装，降低了采摘过程中对果皮的损伤，节省人力物力，为实现采摘设备的自动化提供了技术参考，具有推广应用价值。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

吸摘式水果采摘包装一体机包括：机架、驱动机构、采摘机构、传送机构、存储桶和包装机构。图1所示为结构示意图。

（1）驱动机构。由升降电机、底板、顶板、两横向光杆和两纵向光杆组成。两横向光杆上均设置有移动板，纵向光杆固定于移动板上，顶板经滑套固定于两纵向光杆上。

（2）采摘机构。由旋转电机、负压泵、外齿圈和橡胶吸附套组成。旋转电机的输出轴上固定有中心齿轮，中心齿轮的外围设置有多个与其和外齿圈相啮合的行星齿轮，外齿圈上设置有多个橡胶吸附套。

（3）传送机构。由S形导流筒、导流板和释放电机组成。S形导流筒固定于顶板上，导流板的前端铰接于支撑杆上；S形导流筒的上端开口位于采摘器的下方，下端开口位于导流板的上方；导流板上设置有与存储桶数量相等的导流槽。

（4）存储桶和包装机构。存储桶的两侧均设置有挡板，相邻挡板之间形成导向槽。包装机构由包装电机、推杆机构、横杆机构、熔断机构组成，水果被推杆机构（由后转轴、前转轴、后推杆、前推杆组成）推入包装网中，横杆机构的上方设置有横向杆，横向杆的一端经曲柄连杆与侧转轴相连接，横向杆上均匀固定有针头朝向后推板的L形包装网，限位针负责固定网袋，熔断机构（由熔断电机、升降板导向杆、第二丝杠和熔断丝组成）负责切网袋，完成包装。

图1 吸摘式水果采摘包装一体机结构示意图

1.2 工作原理

吸摘式水果采摘包装一体机在控制系统作用下能够辅助人工对高枝水果采摘，并自动完成包装工序，工作流程如图2所示。操作人员将机器置于水果树下，手动操控无动力二维定位平台，对目标水果在平面上进行初步定位；待定位后，按下上升开关，控制丝杠带动采摘机构上升至目标水果下方，采摘机构接触目标水果；光电开关自动识别并控制气泵打开，吸取苹果并旋拧至脱落。关闭电磁阀可将相应橡胶吸附套上吸附的水果释放下来，传送至传送机构中的S形导流筒。导流槽与存储桶数量相等，驱动电机使水果沿导流槽进入存储桶；水果落入存储桶前，包装网中的锥形体的尖端朝向前推板，锥形体圆柱部分的直径大于包装网的内径，将网袋撑起；包装机构中推杆机构推果入网；熔断机构将网袋切开，机架的底部设置有控制底门开合的底门电机，随后包装好的水果由底门流出。

图2 工作流程图

2 关键部件设计

2.1 采摘机构

为了实现高效的柔性采摘，设计了吸附式采摘机构。采摘机构由旋转电机、负压泵、中心齿轮、行星齿轮、外齿轮以及多个橡胶吸附套组成，如图3所示。

旋转电机的壳体固定于导向杆的顶端，第一丝杠的顶端经轴承固定于旋转电机上，以便驱使旋转电机上、下、左、右、前、后运动，即实现空间内的三维运动。中心齿轮固定于旋转电机的输出轴上，中心齿轮的外围设置有多个行星齿轮，行星齿轮与中心齿轮和外齿圈均相啮合，以便在旋转电机的带动作用下驱使外齿圈进行转动。6个橡胶吸附套均匀固定于外齿圈的外围，橡胶吸附套沿外齿圈的径向方向设置，橡胶吸附套实现对待采摘水果的吸附[7]。橡胶吸附套经吸气管与负压泵的吸气口相连通，负压泵与每个橡胶吸附套之间的吸气管均设置有电磁阀，以便对相应吸气管的通断状态进行控制。使用时，当利用最上端的橡胶吸附套对水果进行吸附，通过电磁阀打开该橡胶吸附套与负压泵之间的吸气管，水果吸附后，通过驱使采摘机构上、下、左、右或前、后运动，即可将水果摘下，摘下后继续保持该橡胶吸附套的吸负压状态；旋转电机驱使外齿圈进行旋转，以便利用下一个橡胶吸附套对水果进行吸附，直至所有的橡胶吸附套均吸附上水果，旋转电机反向转动；当某个橡胶吸附套运动至朝下的状态时，则关断其吸气管上的电磁阀，使橡胶吸附套的吸负压状态消失，以便水果落入S形导流筒中，如此循环，直至所有的水果释放完毕。

2.2 包装机构

包装机构由包装电机、后转轴、前转轴、后推杆、前推杆组成，如图4所示。

图4 包装机构示意图

前转轴和后转轴相互平行，并分别设置于导向槽的前方和后方，前转轴和后转轴的两端均通过轴承固定于机架上，以保证前转轴和后转轴的自由转动。包装电机固定于机架上，包装电机的输出轴与后转轴相固定。后转轴上固定有后带轮，前转轴上固定有前带轮，前带轮与后带轮经皮带传动连接，在包装电机的驱动下，即可驱使后转轴和前转轴同向、同步转动。

后推杆上固定有与导向槽数量一致的后推板，后推板位于导向槽的后部；前推板上固定有与导向槽数量一致并位于其前部的前推板。后转轴和前转轴上分别固定有后转盘和前转盘，后推杆经连杆铰接于后转盘的偏心位置处，前推杆经连接杆铰接于前转盘的偏心位置处，在后转轴和前转轴同步、同向转动的过程中，即可驱使前推杆和后推杆同向和同步转动。包装网设置于前推板的外围，且包装网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设置有尖头朝前的锥形体，使得导向槽中的存储桶位于后推板与前推板之间，存储桶的前后两侧开设有便于后推板和存储桶中的水果通过的空腔，以便后推板将存储桶中的水果推入至包装网中。

2.3 控制系统

为使机器各机构能够合理顺畅地工作，以MK60单片机为控制中枢，运用继电器L298 N、电机驱动器、光电传感器和降压模块等电器元件进行辅助配合，实现手动控制采摘器升降并自动完成吸摘、传送、包装等功能。

继电器的种类较多，考虑到控制系统的稳定性和对电气元件的保护作用，选择电压继电器，通过高低电平的触发控制电机的开关[8]。同时，在模块电源部分设计了过流和过压保护，进一步增加控制系统抵抗电压和电流冲击的能力。

3 结束语

吸摘式水果采摘包装一体机，驱动机构方便操作，定位和采摘机构的升降能够精准完成，顺利实现吸摘、传送、包装工序的自动化。设定包装电机一次运行速度为20 r/min，升降丝杠电机为200 r/min，机器稳定性和效率综合情况达到最优。每分钟可采摘8～10个苹果，综合损果率减少到1%～1.8%之间。

吸摘式水果采摘包装一体机跟传统的采摘机相比具有以下特点：（1）运用气泵设计齿轮组实现旋转吸摘器柔性摘取水果，大大降低损果率，提高采摘速度；（2）驱动机构无动力二维滑轨配合滚珠丝杠操控平台定位，操作简便，降低劳动强度；（3）光滑圆锥提前撑起网袋后，利用类曲柄滑杆原理和链条与锥型行星齿轮的机械传动实现水果自动包装，大大提高劳动效率。

吸摘式水果采摘包装一体机，能够实现柔性连续吸摘、传动、包装果实，大大降低损果率和劳动强度，节省人力、物力，不仅给果农和企业带来更高的经济效益，而且为实现采摘设备的自动化提供了技术参考，具有广阔的应用前景[9]。