草莓采摘装盒系统设计

谢颖佳，樊小霞，姬元元

（洛阳科技职业学院智能制造与汽车工程学院，河南 洛阳 471822）

草莓是蔷薇科草莓属的草本植物，在我国种植面积广，经济效益高，深受人们的喜爱。草莓多采用地膜附垄式大棚种植，果实垂在垄地两侧的斜面上生长，此种植方式具有增强通风、防止果实污染、节省用水的效果，可有效提高草莓的种植质量，同时垄间过道有助于田间管理，便于自动化采摘的实施。目前，我国草莓主要依靠人工采摘，劳动强度较大，成本高[1]。据统计，草莓采摘所花费的人力成本占草莓生产总成本的50%～70%，草莓生产过程中近40%的时间都耗费在采摘环节[2]。在农业劳动力资源急剧减少的背景下，发展草莓自动采摘设备已经成为国内外关注的焦点[3-4]，也是我国设施农业发展战略的迫切需求[5]。草莓自动采摘装备目前的研究热点主要集中在成熟草莓识别技术[6]、采摘手设计[7]两方面，较少关注草莓采摘后装盒系统的开发，本研究即针对草莓采摘后装盒系统进行设计。

1 草莓采摘装盒流程分析

传统草莓装盒流程如图1（a）所示，草莓由采摘手采摘后临时堆放在采摘机的收集容器中，待收集容器内草莓达到一定数量后取下收集容器，由种植员将草莓转至周转箱内，然后人工分拣装盒，准备进行下一级的运输销售。传统草莓收集装盒方式中，主要存在以下问题：1）草莓堆积放置于收集容器中，层层叠压，下层草莓容易破裂；2）整个收集装盒过程中草莓转移次数较多，增加草莓碰撞破损的概率，且转移过程需要人工接触参与，劳动强度大、效率低；3）采摘手放置草莓时草莓落下的高度应尽量一致，随着堆积高度的增加，采摘手行程需要控制调节，控制的复杂性增加。

草莓包装盒作为草莓物流运输销售的载体，具有良好的缓冲保护功能[8-10]，如图2 所示。传统装盒流程中草莓在采摘后并不直接进入包装盒，需要经过多道周转工序，增加了草莓果实的损失率。如图1（b）所示，可设计一种草莓自动装盒系统，将其设置于草莓采摘机上，作为采摘机的一部分。将采摘手采摘下的草莓直接放置于运输销售包装盒内，人员不接触草莓，减少草莓转移的次数及分拣工作量。

图1 草莓采摘装盒流程对比

图2 草莓包装盒

2 工作原理

草莓装盒系统工作原理如图3 所示，草莓装盒系统集成于草莓采摘机上，设置包装盒供送、堆放机构，草莓自动放入包装盒内。具体规划流程为包装盒提前输送至预定位置，将采摘手释放的草莓经导向（引导草莓的掉落方向，使其落入包装盒），按一定数量同时导入包装盒内一列，然后包装盒运动到下一列工位，如此反复完成一盒草莓的装盒；装盒后经平整，使位置不合适的草莓进入包装盒缓冲凹槽内；包装盒临时堆放于采摘机上，达到一定数量后，将包装盒自动放置于种植园的预定位置。草莓装盒系统中包装盒应能自动供送，装盒完成的草莓可自动卸载，保证采摘工作连续进行，包装盒的补充采用人工方式[11-12]。

图3 草莓装盒系统工作原理

3 结构设计

3.1 整体结构设计

草莓采摘装盒系统包括供盒机构、装盒控制器、包装盒传送机构及堆放升降机构，其中供盒机构用于储存包装盒，并将包装盒供送至传送机构上；传送机构将包装盒先送至装盒控制器，进行草莓装盒，然后送至堆放升降机构；装盒控制器设置在包装盒传送机构上方，其上设置3 个装盒工位，可同时使3 颗草莓下落至包装盒中；堆放升降机构暂时储存已装草莓的包装盒。其中，装盒控制器上的装盒工位数量可根据包装盒结构调整，图4 包装盒内设置有3 行×5 列，共15 个凹槽，可容纳15 颗草莓，草莓装盒后的高度低于包装盒侧板。

图4 整体结构

3.2 装盒控制器

装盒控制器接收采摘手采摘后的草莓，并将草莓导送至包装盒内，装盒控制器如图5 所示。首先草莓被采摘手放入导向座的接收孔中，并滑入导向槽中，由控制滑座上设置的斜板托起，暂留于控制滑座的导向槽内，接收孔设置为3 个，采摘手逐次将草莓放入；待3 个接收孔内均放入草莓后，步进电机A 启动，通过凸轮连杆机构使控制滑座向左运动打开导向座，草莓落入包装盒内，完成一列草莓装盒。弹簧起复位作用，导向座和控制滑座的左右相对位置可调，以适应不同大小的草莓。

图5 装盒控制器

3.3 包装盒传送机构

包装盒传送机构如图6 所示，实现包装盒的推送。包装盒放置于由4 条支柱形成的供盒仓中，当步进电机B 启动后，皮带轮开始转动，在传送皮带上设置有推板，推动供盒仓最底部的包装盒沿传送皮带运动方向运动，包装盒由左右两块L 型导向侧板支撑，传送皮带略低于导向侧板内水平面，避免与包装盒接触。待最底部包装盒完全推出后，与其紧连的包装盒落下，等待下一次推送。当包装盒推送至装盒控制器底部相应位置时，传送减速步进电机停止，等待草莓落下。草莓落下后，传送减速步进电机启动一定步距至第2 列位置，等待草莓落下，如此反复直至第5 列位置，当第5 列位置草莓落下后，传送减速步进电机启动将包装盒推送至堆放升降机构，其间经过毛刷，毛刷轻轻扫过草莓，可将没有落到包装盒凹槽内的草莓扫入凹槽中。其中传送皮带上推板为软橡胶材质，包装盒进入堆放升降机构后可被包装盒反向压缩，待转过升降机构后靠自身弹性复位，保证推送运动连续、可靠运行。

图6 包装盒传送机构

3.4 堆放升降机构

堆放升降机构如图7 所示，包装盒到达堆放升降机构后，首先由定位框进行定位，并由放置台托起，定位框上设置有到位开关。当包装盒达到指定位置后，触动到位开关，步进电机C 转动，丝杠转动带动放置台下移一个包装盒的高度，等待下一个包装盒堆放进入。其中放置台分别与丝杠和导向轴连接，可上下移动。堆放升降平台两侧对称设置有4 条定位皮带，保证包装盒堆放时的平稳性。

图7 堆放升降机构

3.5 包装盒卸载

当升降机构中包装盒堆放至一定数量后，草莓采摘机可自动卸载包装盒。如图8 所示，采摘机运动到卸载工位，使放置台支撑条间隙和卸载区固定收集台支撑条间隙错位，然后放置台继续下降一定高度，使包装盒落于固定收集台上，然后采摘机退出，放置台上升至初始位置。

图8 包装盒卸载示意图

4 效果分析

草莓采摘装盒系统主要包括装盒控制器、包装盒传送机构及堆放升降机构三大部分组件，其中装盒控制器控制草莓进入包装盒中；包装盒传送机构用于储存包装盒并将包装盒供送至传送机构上，然后送至装盒控制器，草莓装盒后送至堆放升降机构；堆放升降机构暂时储存已装草莓的包装盒，实现草莓采摘机边采摘边装盒的工作场景。草莓装盒系统可直接设置于现有草莓采摘机的末端，解决了草莓采摘后的收集问题。通过采摘手将采摘后的草莓直接装盒包装，无需另外设置收集容器和周转箱，无需另外安排人员进行周转、装盒，最大限度地减少了草莓的中转次数，避免了草莓堆积，降低了草莓破损的概率，同时间接降低了对采摘手的控制难度，提高了生产效率。

5 结语

农业采摘自动化是现代农业体系构建的重点和难点，也是未来农业发展的必然趋势，当下农业自动采摘往往忽视自动装盒过程，采摘后还需要人工分拣才能进行运输和销售。本研究以草莓为研究对象，设计了一种草莓采摘后自动装盒系统，可实现采摘后草莓的直接运输销售，降低劳动强度，提高采摘综合效率。本设计可为其他农业产品采摘后装盒、装箱系统的设计提供借鉴，也可为扩展农业采摘机器人的功能设计提供新思路。