一种自动果实套袋装置的研究*

刘冠楠，冯国红，任加祺

（东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

水果产业是我国种植业第三大产业，是我国农业经济发展的支柱产业。我国气候多变，水果的产量、品质、外观、甜度等均受到外部环境的影响。目前我国优质果占比只有10%，达到出口标准的优质果品在总产量中不足5%，因此提高果品质量是解决我国水果产业发展的瓶颈，拓宽国外市场的必由之路。

我国于20世纪90年代开始尝试水果套袋技术，果农选择对果实进行套袋的方法减少外界环境对它的影响，我国水果套袋技术现已进入了大面积推广阶段，目前在山东、河南、河北等地应用广泛。套袋的水果品种有苹果、柑橘、葡萄、梨等。水果套袋有以下4个优点：一是可以提高果实的外观品质。以苹果为例，在自然环境下生长着色面积大约占整体果实面积的2/3，经过水果套袋后着色面积则可达到90%以上，具有较高的外观品质，提高了果品在整个国内外市场的竞争力[1]。二是可以减少病虫害对果实的危害。三是可以减少果实的农药残留。四是可以有效避免果实裂果[2]。因此水果套袋是我国水果农业发展的必然发展趋势。

在城镇化和工业化进程中，由于大量劳动力不断向城镇非农产业地区转移，导致农业劳动力数量急剧下降，对农业生产产生显著负面影响，制约水果种植业发展。人工套袋工作量大，我国人工套袋日均大约3 000个/天，因此自动果实套袋机的研究越来越重要，水果套袋流程机械化、自动化，可以减少对劳动力的依赖，有效缓解我国劳动力短缺的现状[3]。

目前，我国套袋机共有两种：一种是手持式套袋机。其中根据果袋材质可分为：塑料薄膜式、纸袋式。根据封口方式可分为：橡筋封口式、订书钉式和铁丝折叠式。另一种是半自动式套袋机[4]。本文基于提高果农工作效率以及提高果实品质研究了一种全自动果实套袋机。

1 自动果实套袋装置整体设计

该自动果实套袋装置整体分为果实套袋机部分、果实位置定位部分、伸缩臂及底座部分。

在果实套袋机设计方面，分为储袋结构、纸袋传送结构、撑袋封口结构。储袋结构内装果袋，利用纸袋传送结构将纸袋从储袋箱传送到撑袋结构处，为下一步撑袋过程做准备。撑袋封口结构分为撑袋部分和封口部分，撑袋吸盘将果袋撑开，封口结构利用无钉订书钉成功套在果实上的果袋进行封口，完成一次完整的果实套袋过程。该果实套袋机将人工的套袋流程自动化，节约了人力成本，提高了套袋效率。利用压纹的方式进行无钉封口，节约套袋成本的同时，体现了“绿色发展”的理念，达到了发展绿色农业的目的。

在果实位置定位的设计方面，摄像头获取树冠上的影像信息，将摄像头获取到的静态图像输入计算机。同时利用形状识别技术灰度处理，对获取的图像信息进行分析，利用图像的分割将果实从复杂的环境中分离出来，从而确定果实的位置[5]。

在伸缩臂与底座的设计方面，考虑到由于果园道路崎岖不平，地形结构复杂，导致整体装置移动困难，因此在选择移动方式时采用了轮履式复合底盘作为整个装置的行走底座，这样的底盘设计大大提高了整体装置的稳定性，减少了果实套袋机靠近果实准备套袋过程中意外情况的发生，并且在现有的轮履式底盘基础上加入转盘轴承，同时与机械臂相连接，可以接触到树冠上各个方向的果实，减少了由于果实的位置偏僻而限制果实套袋的情况，可提高果实套袋的成功率[6]。自动果实套袋机的技术路线见图1。

图1 技术路线图

2 果实套袋机的机械结构及套袋过程

2.1 储纸结构

储纸结构位于储纸箱内部，用于储纸。纸袋传送结构、撑袋封口结构位于储纸箱上部，用于果实套袋。4个传纸弹簧与供纸板的4个角相连并固定在储纸箱底部内表面，用于取纸。取纸后所述储纸箱上部仍处于满纸状态，为下一步传送纸袋做准备。储纸结构见图2。

图2 储纸结构

2.2 纸袋传送结构

该结构左丝杠和右丝杠位于储纸箱上部长边边缘；左丝杆外侧装有左丝杆保护板，右丝杆外侧装有右丝杆保护板；转动封口凸型轴承座位于左右丝杆保护板的一端；吸纸传动杆安装在转动封口凸型轴承座上；转动封口机械臂安装在吸纸传动杆上；转动吸袋齿轮位于左侧转动封口凸型轴承座外侧，传动齿条安装在转动吸袋齿轮下方左丝杆保护板外侧，并与转动吸袋齿轮啮合，传动齿条与连接杆相连，连接杆与吸袋滑块相连，用于控制所述吸纸传动杆带动转动封口机械臂上下移动，实现果袋的传递。纸袋传送结构见图3。

图3 纸袋传送结构

2.3 撑袋封口结构

撑袋封口结构具体分为3个部分：转动封口机械臂、固定封口机械臂、撑袋封口结构。

转动封口机械臂下部和中上部镂空，吸袋吸盘安装在中部的靠内侧横梁上，作用于储纸箱内的纸张，两个压纹子块并列排列在转动封口机械臂上部靠内侧的横梁上。

固定封口机械臂固定在左丝杆凸型轴承座和右丝杆凸型轴承座上，固定封口机械臂位于转动封口机械臂对侧，左丝杆和右丝杆带动固定封口机械臂向转动封口机械臂移动。

撑袋吸盘安装在中部的靠内侧横梁上，与吸袋吸盘对称分布，用于与吸袋吸盘贴合，完成撑袋操作；固定封口机械臂下部和中上部镂空，压纹母块传动杆一端安装在中部的靠外侧横梁上，压纹母块固定板位于压纹母块传动杆另一端，两个压纹母块并列排列在转动封口机械臂上部靠内侧横梁上，压纹母块在压纹母块传动杆的带动下与压纹子块贴合进行封口；摄像头位于所述固定封口机械臂顶部，用于对果实进行识别（见第106页图4）。

图4 撑袋封口结构

3 结束语

在全球信息化发展的背景下，农业机械自动化的推广和应用是我国未来农业发展的必然趋势，我国农业将逐步实现智能化、自动化。该装置一体化程度高，可自动完成果实套袋，具有一定的灵敏性和稳定性，具有较好的发展前景。应用农业机械自动化技术，能大幅度减少果农的劳动任务及降低劳动强度，改善我国劳动力短缺的现状，降低人工成本，提高产品收益，实现农业良性循环发展。我国应加大农业机械化、自动化技术的创新力度，注重农业机械人才培养，保证农业机械化技术的稳步推进及发展。