蘋果裝箱一體化裝置的設(shè)計(jì)

黃可婧　梁仙明　劉宇　李威　武官儀　陳紅

摘要：針對(duì)中國果園蘋果人工裝箱效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，設(shè)計(jì)了一種智能裝箱設(shè)備，實(shí)現(xiàn)采摘連續(xù)性、自動(dòng)智能裝箱等功能，在提高果實(shí)裝箱效率的同時(shí)降低果實(shí)損傷率。該設(shè)備由垂直輸送裝置、升降裝置、均布裝置和檢測(cè)裝置組成。通過試驗(yàn)分析，確定了均布裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，即均布裝置轉(zhuǎn)速為40 r/min，均布裝置距果面高度10 cm，均布類置葉片長(zhǎng)度60 cm。對(duì)裝箱設(shè)備關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括升降裝置、均布和檢測(cè)裝置。通過SolidWorks對(duì)整機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。控制部分采用8個(gè)紅外避障傳感器，水平分布在扇葉所在的上升模塊上，當(dāng)所在水平面上蘋果填充的數(shù)量達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，單片機(jī)輸出信號(hào)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)均布裝置的自動(dòng)提升，可滿足箱滿時(shí)均布裝置與箱體相配合的要求。

關(guān)鍵詞：蘋果裝箱裝置;均布;裝箱;單片機(jī);紅外避障傳感器

中圖分類號(hào)：S255.93? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）15-0128-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.030? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Apple packaging and integrated device design

HUANG Ke-jing，LIANG Xian-ming，LIU Yu，LI Wei，WU Guan-yi，CHEN Hong

（College of Engineering，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China）

Abstract： In view of the low efficiency and high labor intensity of citrus apples in orchards in China， a smart packing equipment was designed to realize the functions of picking continuity and automatic intelligent packing， which can improve fruit harvesting efficiency and reduce fruit damage. rate. The device consists of a vertical conveyor， a lifting device， a uniform and a detection device. Through the experimental analysis， the structural parameters and working parameters of the uniform device were determined， that is， the speed of the uniform device was 40 r/min， the height of the uniform device was 10cm from the fruit surface， and the blade length was 60 cm. The design of the key components of the boxing equipment is described， including lifting devices， uniforms， and inspection and detection devices. Design the entire machine through SolidWorks. The control part adopts 8 infrared sensors， which are horizontally distributed on the rising module where the fan blade is located. When the number of apple filling on the horizontal plane reaches the set standard， the single chip outputs a signal to control the motor drive module to realize the automatic lifting of the uniform device. Meet the requirements of the uniform distribution device and the box when the box is full.

Key words： apple packing device; uniform cloth; packing; single chip microcomputer; infrared obstacle avoidance sensor

中國是蘋果的重要原產(chǎn)地之一，蘋果資源豐富，優(yōu)良品種繁多，有悠久的栽培歷史。蘋果廣受消費(fèi)者的青睞，豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益高，對(duì)果農(nóng)脫貧致富、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展起重大作用。但是現(xiàn)有技術(shù)中，蘋果從采摘、收集到裝箱各作業(yè)環(huán)節(jié)主要依靠人工完成，效率低，成本高，難以適應(yīng)蘋果市場(chǎng)的快速發(fā)展。研究一種在國內(nèi)果園具有較強(qiáng)適應(yīng)性的果實(shí)智能收集、裝箱裝置具有重要意義。

國外水果采摘多采用振動(dòng)式收獲機(jī)械、采摘機(jī)器人和大型果園采摘平臺(tái)，采摘作業(yè)過程多為大中型聯(lián)合作業(yè)，配套動(dòng)力較高、價(jià)格昂貴，不適合大面積推廣應(yīng)用。一些發(fā)達(dá)國家試驗(yàn)了多種具有人工智能的采摘機(jī)器人，但由于采摘對(duì)象的復(fù)雜性和采摘環(huán)境的特殊性，目前市場(chǎng)上沒有商業(yè)化的采摘機(jī)器人。國內(nèi)水果采摘機(jī)器人的研究主要集中在果實(shí)識(shí)別、定位和采摘，對(duì)果實(shí)傳送裝箱過程的研究很少，傳送裝箱系統(tǒng)會(huì)對(duì)果實(shí)造成一定的機(jī)械損傷。秦楠等[1]研制的可伸縮式蘋果采摘器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，但不適用于大面積的果園;錢文池等[2]研制的多功能蝶式蘋果采摘器由采摘裝置、角度調(diào)節(jié)裝置、伸縮桿和水果收集裝置等四部分組成，可以連續(xù)采摘;邵強(qiáng)等[3]研制的自走式柔性智能蘋果采摘機(jī)能快速識(shí)別、精準(zhǔn)采摘蘋果，但由于樹葉遮擋等問題，機(jī)器的識(shí)別率存在一定誤差。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)一種適用于現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化果園的智能裝箱設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)采摘連續(xù)性、自動(dòng)收集、智能裝箱多功能，提高果園的采收效率、降低農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度。

1? 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

設(shè)計(jì)的蘋果裝箱一體化裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由果實(shí)收集裝置、絲杠、機(jī)架、輸送帶密封箱、輸送帶、均布與檢測(cè)裝置、箱體等組成。

收集、裝箱設(shè)備整體由垂直輸送裝置、均布裝置、檢測(cè)控制系統(tǒng)三部分組成。工作原理為蘋果通過不同方式（水果采收機(jī)輸送帶、工廠輸送帶等）匯集到蘋果收集裝置，并通過斜面進(jìn)入輸送帶，輸送帶葉片同輸送帶密封箱之間形成一密閉空間約束果實(shí)。輸送到下端的果實(shí)通過均布葉片均勻分布在果箱中，當(dāng)箱體內(nèi)的一層蘋果鋪滿時(shí)，裝置將向上移動(dòng)以利于下一層果實(shí)進(jìn)入箱體中。探頭的分布由試驗(yàn)確定。當(dāng)箱體內(nèi)鋪滿一層蘋果時(shí)，探頭將檢測(cè)果面與探頭之間的距離，當(dāng)該距離達(dá)到設(shè)定值時(shí)，探頭給控制裝置相應(yīng)信號(hào)。當(dāng)信號(hào)探頭數(shù)量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制裝置驅(qū)動(dòng)絲杠，使得輸送裝置和探測(cè)裝置上升。此時(shí)，下一層果實(shí)開始均布入箱，探頭到果面距離超過設(shè)定值，裝置不再上升。一次循環(huán)過程直到箱體裝滿蘋果停止。

1.1? 均布與檢測(cè)裝置

均布與檢測(cè)裝置為整機(jī)的關(guān)鍵部件，其作用為：將蘋果均攤到箱中，盡量減少果實(shí)損傷率，并且檢測(cè)果面與均布葉片間的距離，從而對(duì)垂直輸送裝置的升降進(jìn)行控制。蘋果均布裝置不僅可以緩沖蘋果下落時(shí)的沖擊力，降低蘋果的損壞率，還可以將蘋果均勻地分布在果箱中的不同部位。隨后進(jìn)行試驗(yàn)，最終得到均布裝置的相對(duì)最優(yōu)工作參數(shù)，即均布裝置轉(zhuǎn)速40 r/min，均布裝置距果面高度10 cm，均布裝置葉片長(zhǎng)60 cm。均布裝置整體是由上端的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，均布葉片的材料采用的是防靜電泡棉，泡棉具有彈性良好、重量輕、快速壓敏固定、使用方便、彎曲自如、體積超薄、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，并且泡棉與果皮之間的摩擦系數(shù)很小，能最大限度的減小均布過程中的果實(shí)損傷率。當(dāng)均布裝置滿載時(shí)，即有12個(gè)蘋果同時(shí)落在該均布葉片上。經(jīng)計(jì)算，轉(zhuǎn)矩TM=1.67 N·m。

1.2? 升降裝置

升降裝置的主要作用是實(shí)現(xiàn)垂直輸送裝置和均布裝置整體升降。隨著果箱內(nèi)果實(shí)的增加，通過升降裝置來提升垂直輸送裝置和均布葉片，以使果實(shí)能一層一層的裝入果箱。裝置組成及其作用：絲杠通過滑塊抬升整個(gè)裝置，且絲杠滑臺(tái)上下安裝有限位開關(guān)，均布裝置四周安裝有8個(gè)紅外避障傳感器。在設(shè)備啟動(dòng)后，升降裝置下降，帶動(dòng)垂直輸送裝置下移，滑塊觸碰到下限位開關(guān)時(shí)，裝箱工作準(zhǔn)備就緒，在采摘過程中，果實(shí)不斷進(jìn)入箱中，當(dāng)紅外避障傳感器檢測(cè)到均布裝置與果面之間的距離達(dá)到設(shè)定值時(shí)，升降裝置電機(jī)反轉(zhuǎn)，垂直輸送裝置上升到一定高度，使果實(shí)能繼續(xù)進(jìn)入果箱。升降裝置運(yùn)行的速度設(shè)定為40 mm/s，經(jīng)計(jì)算，TM=8.374 N·m。

2? 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 控制系統(tǒng)工作原理

根據(jù)果園實(shí)際生產(chǎn)需求，箱體為100 cm×100 cm×100 cm立方體，在高于均布葉片20 cm平面增設(shè)一個(gè)95 cm×95 cm的正方形框架，8個(gè)紅外避障傳感器（NPN型）間隔地分布在框架相對(duì)的兩條邊上，預(yù)先設(shè)定傳感器的測(cè)定距離，從而檢測(cè)未被扇葉遮擋的范圍。當(dāng)任何一個(gè)傳感器被遮擋，傳感器內(nèi)部都會(huì)返回給單片機(jī)一個(gè)低頻信號(hào)。當(dāng)單片機(jī)判斷反饋信號(hào)數(shù)量滿足設(shè)定值時(shí)，則認(rèn)為在這一水平面上蘋果已填充滿，從而判定垂直輸送裝置提升。根據(jù)設(shè)定的程序，給控制升降裝置的電機(jī)相應(yīng)的信號(hào)，電機(jī)發(fā)動(dòng)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)絲桿帶動(dòng)均布葉片上升，達(dá)到自動(dòng)控制的效果[4]，整體控制系統(tǒng)流程如圖2所示。

2.2? 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

8個(gè)紅外避障傳感器與stm32單片機(jī)的ADC1的7-15號(hào)接口（即PB0、PB1、PC0、PC1、PC2、PC3、PC4、PC5）相連接且這8個(gè)紅外避障傳感器由單片機(jī)供給5 V電源。當(dāng)這8個(gè)紅外避障傳感器在檢測(cè)范圍內(nèi)被遮擋時(shí)會(huì)向?qū)?yīng)端口發(fā)送低電頻信號(hào)，單片機(jī)通過基于DAM循環(huán)模式的ADC通道連續(xù)轉(zhuǎn)換采集功能統(tǒng)計(jì)這8個(gè)傳感器低電頻個(gè)數(shù)，當(dāng)個(gè)數(shù)大于等于6時(shí)表示該層已裝滿，通過PC0和PA6、PC1和PA7這兩組端口連接兩個(gè)與不同步進(jìn)電機(jī)相連的DM542驅(qū)動(dòng)器。一組端口是給恒定PWM波驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)扇葉旋轉(zhuǎn);另一組輸出PWM波驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)[5]，如圖3所示。

2.3? 具體模塊及功能分析

2.3.1? 輸入信號(hào)模塊? 當(dāng)8個(gè)紅外避障傳感器平均分布在與均布裝置扇葉底端的同一水平面時(shí)，組成輸入信號(hào)模塊，即能較好地在不增加過多誤判的基礎(chǔ)上，同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)性原則和預(yù)計(jì)設(shè)想的要求。

當(dāng)每個(gè)傳感器設(shè)定的檢測(cè)距離為0.3 m左右時(shí)，就能較好地滿足預(yù)計(jì)設(shè)想。每個(gè)傳感器由單片機(jī)上或者外接直流電源供3.3 V電壓，當(dāng)前方有蘋果擋住時(shí)，輸出指示燈會(huì)點(diǎn)亮提示且信號(hào)輸出端會(huì)通過導(dǎo)線連接輸出一個(gè)電頻信號(hào)給單片機(jī)檢測(cè)。

經(jīng)過對(duì)均布試驗(yàn)的觀測(cè)與研究，為避免均布裝置運(yùn)行對(duì)傳感器遮擋的情況，避開均布裝置運(yùn)行的區(qū)域，同時(shí)，為了避免出現(xiàn)四個(gè)角填充滯后的情況，選取兩個(gè)傳感器，針對(duì)其中相對(duì)的兩個(gè)角，用以提高檢測(cè)精度，從而提升判定精準(zhǔn)度（圖4）。

2.3.2? 控制模塊? 利用stm32單片機(jī)ADC的8通道連續(xù)轉(zhuǎn)換采集功能和DAM循環(huán)模式，將紅外避障傳感器信號(hào)端傳過來的模擬數(shù)據(jù)循環(huán)傳輸?shù)絻?nèi)存中，然后對(duì)8個(gè)通道數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)判定，單片機(jī)通過給舵機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)PWM波，分別控制兩個(gè)舵機(jī)。一個(gè)是固定PWM波，驅(qū)動(dòng)扇葉旋轉(zhuǎn)的舵機(jī);另一個(gè)是設(shè)定ADC模式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)作為判定，當(dāng)在一段極短的時(shí)間內(nèi)捕獲到5個(gè)以上低電頻信號(hào)時(shí)，判定滿足條件跳入中斷，運(yùn)行給另一個(gè)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)PWM波程序，驅(qū)使固定在絲桿上的扇葉均布裝置上升，設(shè)定好時(shí)間和信號(hào)就可以使其上升至固定值。

2.3.3? 動(dòng)力輸出模塊? 經(jīng)過機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)分析，最終確定選用一個(gè)2.3 N·m小扭矩的步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)8.5 N·m大扭矩的步進(jìn)電機(jī)作為該模塊的主體，每個(gè)步進(jìn)電機(jī)有對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，直流電源對(duì)驅(qū)動(dòng)器供電，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。給步進(jìn)電機(jī)每個(gè)繞線組一個(gè)變化的電頻信號(hào)（PWM波）就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，信號(hào)變化的快慢決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，但如果信號(hào)變化過快，轉(zhuǎn)子無法同步，并且扭矩降低[6]。

小扭矩步進(jìn)電機(jī)固定在扇葉上方，帶動(dòng)扇葉恒速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)蘋果下落時(shí)，經(jīng)過均布葉片緩沖，均勻地落入箱體中。電機(jī)由24 V直流穩(wěn)壓電源供電，其轉(zhuǎn)速由單片機(jī)輸出給DM542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的PWM波，驅(qū)動(dòng)模塊上有將轉(zhuǎn)速細(xì)分的開關(guān)，通過打開或關(guān)閉對(duì)應(yīng)開關(guān)，可以達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。經(jīng)過試驗(yàn)分析，當(dāng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí)，蘋果分布較為均勻，且損傷較小。大扭矩步進(jìn)電機(jī)固定在絲桿軸線的正上方，由單片機(jī)根據(jù)條件判定，使信號(hào)對(duì)DM860H電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制，從而由絲桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)均布裝置上升。經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)得到，滿足判定條件后，均布裝置應(yīng)至少在3 s內(nèi)完成上升的距離，因此由絲桿和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，得出轉(zhuǎn)速為40 r/min以內(nèi)。

3? 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種果實(shí)智能裝箱設(shè)備，能顯著提高果實(shí)采收效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和果實(shí)損傷率，針對(duì)蘋果果園提出了果實(shí)智能收集、裝箱設(shè)備的功能要求和設(shè)計(jì)參數(shù)，確定了裝箱工藝。針對(duì)裝箱工藝重點(diǎn)設(shè)計(jì)了均布裝置，以蘋果為試驗(yàn)材料，確定了均布裝置合適的工作參數(shù)，即均布裝置轉(zhuǎn)速為40 r/min、均布裝置距果面高度10 cm、均布裝置葉片長(zhǎng)度60 cm。確定果實(shí)收集、裝箱設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)整機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中包括升降裝置、均布和檢測(cè)裝置。通過紅外避障傳感器探測(cè)，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的均勻低損傷裝箱，以及箱內(nèi)每層果實(shí)鋪滿時(shí)垂直輸送裝置的提升判斷。

參考文獻(xiàn)：

[1] 秦? 楠，王林青.可伸縮式蘋果采摘器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2019（3）：112-113.

[2] 錢文池，張? 俊，吳紅靜，等.多功能蝶式蘋果采摘器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2019，32（1）：135-140.

[3] 邵? 強(qiáng)，郭曉云，朱紫薇，等.自走式柔性智能蘋果采摘機(jī)設(shè)計(jì)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，37（2）：247-249.

[4] 丁友強(qiáng)，楊? 麗，張東興，等.玉米變量播種機(jī)單體驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35（11）：1-9.

[5] 熊利榮，鄭? 偉，羅舒豪.基于觸覺感知的家禽凈膛機(jī)械手及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34（3）：42-48.

[6] 陳立坡.混聯(lián)自穩(wěn)跟蹤平臺(tái)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34（1）：22-27.