一種自動果實套袋裝置的研究*

劉冠楠，馮國紅，任加祺

（東北林業(yè)大學工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

水果產業(yè)是我國種植業(yè)第三大產業(yè)，是我國農業(yè)經濟發(fā)展的支柱產業(yè)。我國氣候多變，水果的產量、品質、外觀、甜度等均受到外部環(huán)境的影響。目前我國優(yōu)質果占比只有10%，達到出口標準的優(yōu)質果品在總產量中不足5%，因此提高果品質量是解決我國水果產業(yè)發(fā)展的瓶頸，拓寬國外市場的必由之路。

我國于20世紀90年代開始嘗試水果套袋技術，果農選擇對果實進行套袋的方法減少外界環(huán)境對它的影響，我國水果套袋技術現已進入了大面積推廣階段，目前在山東、河南、河北等地應用廣泛。套袋的水果品種有蘋果、柑橘、葡萄、梨等。水果套袋有以下4個優(yōu)點：一是可以提高果實的外觀品質。以蘋果為例，在自然環(huán)境下生長著色面積大約占整體果實面積的2/3，經過水果套袋后著色面積則可達到90%以上，具有較高的外觀品質，提高了果品在整個國內外市場的競爭力[1]。二是可以減少病蟲害對果實的危害。三是可以減少果實的農藥殘留。四是可以有效避免果實裂果[2]。因此水果套袋是我國水果農業(yè)發(fā)展的必然發(fā)展趨勢。

在城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進程中，由于大量勞動力不斷向城鎮(zhèn)非農產業(yè)地區(qū)轉移，導致農業(yè)勞動力數量急劇下降，對農業(yè)生產產生顯著負面影響，制約水果種植業(yè)發(fā)展。人工套袋工作量大，我國人工套袋日均大約3 000個/天，因此自動果實套袋機的研究越來越重要，水果套袋流程機械化、自動化，可以減少對勞動力的依賴，有效緩解我國勞動力短缺的現狀[3]。

目前，我國套袋機共有兩種：一種是手持式套袋機。其中根據果袋材質可分為：塑料薄膜式、紙袋式。根據封口方式可分為：橡筋封口式、訂書釘式和鐵絲折疊式。另一種是半自動式套袋機[4]。本文基于提高果農工作效率以及提高果實品質研究了一種全自動果實套袋機。

1 自動果實套袋裝置整體設計

該自動果實套袋裝置整體分為果實套袋機部分、果實位置定位部分、伸縮臂及底座部分。

在果實套袋機設計方面，分為儲袋結構、紙袋傳送結構、撐袋封口結構。儲袋結構內裝果袋，利用紙袋傳送結構將紙袋從儲袋箱傳送到撐袋結構處，為下一步撐袋過程做準備。撐袋封口結構分為撐袋部分和封口部分，撐袋吸盤將果袋撐開，封口結構利用無釘訂書釘成功套在果實上的果袋進行封口，完成一次完整的果實套袋過程。該果實套袋機將人工的套袋流程自動化，節(jié)約了人力成本，提高了套袋效率。利用壓紋的方式進行無釘封口，節(jié)約套袋成本的同時，體現了“綠色發(fā)展”的理念，達到了發(fā)展綠色農業(yè)的目的。

在果實位置定位的設計方面，攝像頭獲取樹冠上的影像信息，將攝像頭獲取到的靜態(tài)圖像輸入計算機。同時利用形狀識別技術灰度處理，對獲取的圖像信息進行分析，利用圖像的分割將果實從復雜的環(huán)境中分離出來，從而確定果實的位置[5]。

在伸縮臂與底座的設計方面，考慮到由于果園道路崎嶇不平，地形結構復雜，導致整體裝置移動困難，因此在選擇移動方式時采用了輪履式復合底盤作為整個裝置的行走底座，這樣的底盤設計大大提高了整體裝置的穩(wěn)定性，減少了果實套袋機靠近果實準備套袋過程中意外情況的發(fā)生，并且在現有的輪履式底盤基礎上加入轉盤軸承，同時與機械臂相連接，可以接觸到樹冠上各個方向的果實，減少了由于果實的位置偏僻而限制果實套袋的情況，可提高果實套袋的成功率[6]。自動果實套袋機的技術路線見圖1。

圖1 技術路線圖

2 果實套袋機的機械結構及套袋過程

2.1 儲紙結構

儲紙結構位于儲紙箱內部，用于儲紙。紙袋傳送結構、撐袋封口結構位于儲紙箱上部，用于果實套袋。4個傳紙彈簧與供紙板的4個角相連并固定在儲紙箱底部內表面，用于取紙。取紙后所述儲紙箱上部仍處于滿紙狀態(tài)，為下一步傳送紙袋做準備。儲紙結構見圖2。

圖2 儲紙結構

2.2 紙袋傳送結構

該結構左絲杠和右絲杠位于儲紙箱上部長邊邊緣；左絲桿外側裝有左絲桿保護板，右絲桿外側裝有右絲桿保護板；轉動封口凸型軸承座位于左右絲桿保護板的一端；吸紙傳動桿安裝在轉動封口凸型軸承座上；轉動封口機械臂安裝在吸紙傳動桿上；轉動吸袋齒輪位于左側轉動封口凸型軸承座外側，傳動齒條安裝在轉動吸袋齒輪下方左絲桿保護板外側，并與轉動吸袋齒輪嚙合，傳動齒條與連接桿相連，連接桿與吸袋滑塊相連，用于控制所述吸紙傳動桿帶動轉動封口機械臂上下移動，實現果袋的傳遞。紙袋傳送結構見圖3。

圖3 紙袋傳送結構

2.3 撐袋封口結構

撐袋封口結構具體分為3個部分：轉動封口機械臂、固定封口機械臂、撐袋封口結構。

轉動封口機械臂下部和中上部鏤空，吸袋吸盤安裝在中部的靠內側橫梁上，作用于儲紙箱內的紙張，兩個壓紋子塊并列排列在轉動封口機械臂上部靠內側的橫梁上。

固定封口機械臂固定在左絲桿凸型軸承座和右絲桿凸型軸承座上，固定封口機械臂位于轉動封口機械臂對側，左絲桿和右絲桿帶動固定封口機械臂向轉動封口機械臂移動。

撐袋吸盤安裝在中部的靠內側橫梁上，與吸袋吸盤對稱分布，用于與吸袋吸盤貼合，完成撐袋操作；固定封口機械臂下部和中上部鏤空，壓紋母塊傳動桿一端安裝在中部的靠外側橫梁上，壓紋母塊固定板位于壓紋母塊傳動桿另一端，兩個壓紋母塊并列排列在轉動封口機械臂上部靠內側橫梁上，壓紋母塊在壓紋母塊傳動桿的帶動下與壓紋子塊貼合進行封口；攝像頭位于所述固定封口機械臂頂部，用于對果實進行識別（見第106頁圖4）。

圖4 撐袋封口結構

3 結束語

在全球信息化發(fā)展的背景下，農業(yè)機械自動化的推廣和應用是我國未來農業(yè)發(fā)展的必然趨勢，我國農業(yè)將逐步實現智能化、自動化。該裝置一體化程度高，可自動完成果實套袋，具有一定的靈敏性和穩(wěn)定性，具有較好的發(fā)展前景。應用農業(yè)機械自動化技術，能大幅度減少果農的勞動任務及降低勞動強度，改善我國勞動力短缺的現狀，降低人工成本，提高產品收益，實現農業(yè)良性循環(huán)發(fā)展。我國應加大農業(yè)機械化、自動化技術的創(chuàng)新力度，注重農業(yè)機械人才培養(yǎng)，保證農業(yè)機械化技術的穩(wěn)步推進及發(fā)展。