草莓采摘裝盒系統(tǒng)設計

謝穎佳，樊小霞，姬元元

（洛陽科技職業(yè)學院智能制造與汽車工程學院，河南 洛陽 471822）

草莓是薔薇科草莓屬的草本植物，在我國種植面積廣，經濟效益高，深受人們的喜愛。草莓多采用地膜附壟式大棚種植，果實垂在壟地兩側的斜面上生長，此種植方式具有增強通風、防止果實污染、節(jié)省用水的效果，可有效提高草莓的種植質量，同時壟間過道有助于田間管理，便于自動化采摘的實施。目前，我國草莓主要依靠人工采摘，勞動強度較大，成本高[1]。據統(tǒng)計，草莓采摘所花費的人力成本占草莓生產總成本的50%～70%，草莓生產過程中近40%的時間都耗費在采摘環(huán)節(jié)[2]。在農業(yè)勞動力資源急劇減少的背景下，發(fā)展草莓自動采摘設備已經成為國內外關注的焦點[3-4]，也是我國設施農業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的迫切需求[5]。草莓自動采摘裝備目前的研究熱點主要集中在成熟草莓識別技術[6]、采摘手設計[7]兩方面，較少關注草莓采摘后裝盒系統(tǒng)的開發(fā)，本研究即針對草莓采摘后裝盒系統(tǒng)進行設計。

1 草莓采摘裝盒流程分析

傳統(tǒng)草莓裝盒流程如圖1（a）所示，草莓由采摘手采摘后臨時堆放在采摘機的收集容器中，待收集容器內草莓達到一定數量后取下收集容器，由種植員將草莓轉至周轉箱內，然后人工分揀裝盒，準備進行下一級的運輸銷售。傳統(tǒng)草莓收集裝盒方式中，主要存在以下問題：1）草莓堆積放置于收集容器中，層層疊壓，下層草莓容易破裂；2）整個收集裝盒過程中草莓轉移次數較多，增加草莓碰撞破損的概率，且轉移過程需要人工接觸參與，勞動強度大、效率低；3）采摘手放置草莓時草莓落下的高度應盡量一致，隨著堆積高度的增加，采摘手行程需要控制調節(jié)，控制的復雜性增加。

草莓包裝盒作為草莓物流運輸銷售的載體，具有良好的緩沖保護功能[8-10]，如圖2 所示。傳統(tǒng)裝盒流程中草莓在采摘后并不直接進入包裝盒，需要經過多道周轉工序，增加了草莓果實的損失率。如圖1（b）所示，可設計一種草莓自動裝盒系統(tǒng)，將其設置于草莓采摘機上，作為采摘機的一部分。將采摘手采摘下的草莓直接放置于運輸銷售包裝盒內，人員不接觸草莓，減少草莓轉移的次數及分揀工作量。

圖1 草莓采摘裝盒流程對比

圖2 草莓包裝盒

2 工作原理

草莓裝盒系統(tǒng)工作原理如圖3 所示，草莓裝盒系統(tǒng)集成于草莓采摘機上，設置包裝盒供送、堆放機構，草莓自動放入包裝盒內。具體規(guī)劃流程為包裝盒提前輸送至預定位置，將采摘手釋放的草莓經導向（引導草莓的掉落方向，使其落入包裝盒），按一定數量同時導入包裝盒內一列，然后包裝盒運動到下一列工位，如此反復完成一盒草莓的裝盒；裝盒后經平整，使位置不合適的草莓進入包裝盒緩沖凹槽內；包裝盒臨時堆放于采摘機上，達到一定數量后，將包裝盒自動放置于種植園的預定位置。草莓裝盒系統(tǒng)中包裝盒應能自動供送，裝盒完成的草莓可自動卸載，保證采摘工作連續(xù)進行，包裝盒的補充采用人工方式[11-12]。

圖3 草莓裝盒系統(tǒng)工作原理

3 結構設計

3.1 整體結構設計

草莓采摘裝盒系統(tǒng)包括供盒機構、裝盒控制器、包裝盒傳送機構及堆放升降機構，其中供盒機構用于儲存包裝盒，并將包裝盒供送至傳送機構上；傳送機構將包裝盒先送至裝盒控制器，進行草莓裝盒，然后送至堆放升降機構；裝盒控制器設置在包裝盒傳送機構上方，其上設置3 個裝盒工位，可同時使3 顆草莓下落至包裝盒中；堆放升降機構暫時儲存已裝草莓的包裝盒。其中，裝盒控制器上的裝盒工位數量可根據包裝盒結構調整，圖4 包裝盒內設置有3 行×5 列，共15 個凹槽，可容納15 顆草莓，草莓裝盒后的高度低于包裝盒側板。

圖4 整體結構

3.2 裝盒控制器

裝盒控制器接收采摘手采摘后的草莓，并將草莓導送至包裝盒內，裝盒控制器如圖5 所示。首先草莓被采摘手放入導向座的接收孔中，并滑入導向槽中，由控制滑座上設置的斜板托起，暫留于控制滑座的導向槽內，接收孔設置為3 個，采摘手逐次將草莓放入；待3 個接收孔內均放入草莓后，步進電機A 啟動，通過凸輪連桿機構使控制滑座向左運動打開導向座，草莓落入包裝盒內，完成一列草莓裝盒。彈簧起復位作用，導向座和控制滑座的左右相對位置可調，以適應不同大小的草莓。

圖5 裝盒控制器

3.3 包裝盒傳送機構

包裝盒傳送機構如圖6 所示，實現包裝盒的推送。包裝盒放置于由4 條支柱形成的供盒倉中，當步進電機B 啟動后，皮帶輪開始轉動，在傳送皮帶上設置有推板，推動供盒倉最底部的包裝盒沿傳送皮帶運動方向運動，包裝盒由左右兩塊L 型導向側板支撐，傳送皮帶略低于導向側板內水平面，避免與包裝盒接觸。待最底部包裝盒完全推出后，與其緊連的包裝盒落下，等待下一次推送。當包裝盒推送至裝盒控制器底部相應位置時，傳送減速步進電機停止，等待草莓落下。草莓落下后，傳送減速步進電機啟動一定步距至第2 列位置，等待草莓落下，如此反復直至第5 列位置，當第5 列位置草莓落下后，傳送減速步進電機啟動將包裝盒推送至堆放升降機構，其間經過毛刷，毛刷輕輕掃過草莓，可將沒有落到包裝盒凹槽內的草莓掃入凹槽中。其中傳送皮帶上推板為軟橡膠材質，包裝盒進入堆放升降機構后可被包裝盒反向壓縮，待轉過升降機構后靠自身彈性復位，保證推送運動連續(xù)、可靠運行。

圖6 包裝盒傳送機構

3.4 堆放升降機構

堆放升降機構如圖7 所示，包裝盒到達堆放升降機構后，首先由定位框進行定位，并由放置臺托起，定位框上設置有到位開關。當包裝盒達到指定位置后，觸動到位開關，步進電機C 轉動，絲杠轉動帶動放置臺下移一個包裝盒的高度，等待下一個包裝盒堆放進入。其中放置臺分別與絲杠和導向軸連接，可上下移動。堆放升降平臺兩側對稱設置有4 條定位皮帶，保證包裝盒堆放時的平穩(wěn)性。

圖7 堆放升降機構

3.5 包裝盒卸載

當升降機構中包裝盒堆放至一定數量后，草莓采摘機可自動卸載包裝盒。如圖8 所示，采摘機運動到卸載工位，使放置臺支撐條間隙和卸載區(qū)固定收集臺支撐條間隙錯位，然后放置臺繼續(xù)下降一定高度，使包裝盒落于固定收集臺上，然后采摘機退出，放置臺上升至初始位置。

圖8 包裝盒卸載示意圖

4 效果分析

草莓采摘裝盒系統(tǒng)主要包括裝盒控制器、包裝盒傳送機構及堆放升降機構三大部分組件，其中裝盒控制器控制草莓進入包裝盒中；包裝盒傳送機構用于儲存包裝盒并將包裝盒供送至傳送機構上，然后送至裝盒控制器，草莓裝盒后送至堆放升降機構；堆放升降機構暫時儲存已裝草莓的包裝盒，實現草莓采摘機邊采摘邊裝盒的工作場景。草莓裝盒系統(tǒng)可直接設置于現有草莓采摘機的末端，解決了草莓采摘后的收集問題。通過采摘手將采摘后的草莓直接裝盒包裝，無需另外設置收集容器和周轉箱，無需另外安排人員進行周轉、裝盒，最大限度地減少了草莓的中轉次數，避免了草莓堆積，降低了草莓破損的概率，同時間接降低了對采摘手的控制難度，提高了生產效率。

5 結語

農業(yè)采摘自動化是現代農業(yè)體系構建的重點和難點，也是未來農業(yè)發(fā)展的必然趨勢，當下農業(yè)自動采摘往往忽視自動裝盒過程，采摘后還需要人工分揀才能進行運輸和銷售。本研究以草莓為研究對象，設計了一種草莓采摘后自動裝盒系統(tǒng)，可實現采摘后草莓的直接運輸銷售，降低勞動強度，提高采摘綜合效率。本設計可為其他農業(yè)產品采摘后裝盒、裝箱系統(tǒng)的設計提供借鑒，也可為擴展農業(yè)采摘機器人的功能設計提供新思路。