潘宗平，黃天成，袁春洋，彭 佶，胡校搏

(長江大學，湖北 荊州 434000)

0 引言

高效率、低成本是新時代的一大特征，自動化逐漸變?yōu)橐环N主流趨勢，農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)是當前世界農(nóng)業(yè)機械化研究的前沿領(lǐng)域。機械工作相比人工來說具有效率更高、作業(yè)更精確的特點，尤其是當前我國在微電子、傳感器等一些尖端領(lǐng)域取得了較大成就，這為農(nóng)業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了良好的技術(shù)支持[1-2]。研究了一種手持式幼果套袋機械裝置，能實現(xiàn)自動送袋、撐袋以及封口操作，操作簡單方便，大大提高了果農(nóng)套袋效率和質(zhì)量，適合推廣使用。

1 背景

水果套袋能夠最大限度地隔絕與外界環(huán)境的接觸，隔絕農(nóng)藥的殘留、減少害蟲的侵蝕、避免幼果與樹葉枝干的摩擦損傷，對于增加水果光澤，保持水果內(nèi)部生長的溫度、濕度，提高水果品質(zhì)有著很好的促進作用[3]。套袋技術(shù)首次出現(xiàn)在20世紀70年代的日本、韓國、美國，最初主要應用在易受損傷的水果上，例如梨子、葡萄等，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，各國科學家發(fā)現(xiàn)套袋技術(shù)對于提高水果品質(zhì)有很大的作用，因此水果套袋技術(shù)幾乎應用于所有的水果種植[4]。

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，我國幼果套袋主要分為人工套袋和機械套袋兩種；果袋形式主要為塑料套袋和紙袋；傳動機構(gòu)分為摩擦傳動和吸盤傳動；撐袋機構(gòu)可以分為粘貼撐袋和機械擺動撐袋兩種；封口裝置可分為熱熔膠粘合、鐵絲固定、訂書釘封口等方式[5]。我國作為農(nóng)業(yè)大國，在校企融合促進科研的大背景下，水果套袋機構(gòu)的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，目前針對不同的傳動、封口方式，以及不同的水果已經(jīng)發(fā)展出不同的套袋機構(gòu)，我國各高校及科研院所也對套袋機器人展開了深入研究。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

目前，國外一些發(fā)達國家對于幼果套袋技術(shù)的研究較少。日本和美國更加青睞于多功能一體化的機器人，幼果套袋僅作為其中的一項功能。日本和美國都是世界發(fā)達國家，但是其國家經(jīng)濟體系構(gòu)成有很大的區(qū)別，日本土地資源較為稀缺，加上勞動力不足等因素，使日本在農(nóng)業(yè)機器人等方面一直走在世界前列[6]。美國地廣人稀，農(nóng)場規(guī)模大、勞動力少，因此很難像中國這樣通過果農(nóng)手持幼果套袋機進行工作。其更傾向于利用先進的科學技術(shù)，在水果上噴灑一種可降解液體膜，使用化學藥劑的方式減少水果的病蟲害、保證水果品質(zhì)[7]。

2 蘋果幼果套袋裝置的整體結(jié)構(gòu)

本研究的蘋果幼果套袋裝置主要由三部分組成，分別為儲袋機構(gòu)、送袋機構(gòu)、撐袋及封口機構(gòu)，蘋果幼果套袋裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

儲袋機構(gòu)一側(cè)設(shè)有送袋機構(gòu)，送袋機構(gòu)與儲袋機構(gòu)連接；送袋機構(gòu)一側(cè)設(shè)有撐袋及封口機構(gòu)；撐袋及封口機構(gòu)包括滑動的第二滾輪組，第二滾輪組至少有兩個相反轉(zhuǎn)向的滾輪，第二滾輪組的兩側(cè)設(shè)有滑動封口夾；通過第二滾輪組中的滾輪相反轉(zhuǎn)動，使紙袋開口的一側(cè)卡入第二滾輪組中，將紙袋口拉開，然后通過封口夾將紙袋上的鐵絲擠壓變形封口。

2.1 儲袋機構(gòu)

儲袋機構(gòu)(圖2)中的外罩內(nèi)設(shè)有第一支撐架，第一支撐架內(nèi)設(shè)有滑動連接的連接軸，連接軸端部設(shè)有壓板，壓板與第一支撐架之間設(shè)有彈簧；壓板下方設(shè)有滾軸，滾軸與第一支撐架連接；第一支撐架一側(cè)設(shè)有第一電機，第一電機通過齒輪傳動機構(gòu)驅(qū)動滾軸轉(zhuǎn)動。通過彈簧的彈力將壓板與滾軸之間的紙袋壓緊。

1.儲袋機構(gòu);2.送袋機構(gòu);3.撐袋及封口機構(gòu);4.端蓋圖1 蘋果幼果套袋裝置總體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.外罩;2.第一支撐架;3.彈簧;4.滾軸;5.壓板;6.第一電機;7.連接軸圖2 儲袋機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.2 送袋機構(gòu)

送袋機構(gòu)(圖3)中的第二支撐架內(nèi)設(shè)有多組水平對立安裝的第一滾輪組，第一滾輪組通過支撐座與第二支撐架連接，支撐座一側(cè)設(shè)有第二電機，第二電機通過齒輪傳動機構(gòu)驅(qū)動第一滾輪組中的滾輪旋轉(zhuǎn)。第一滾輪組中的滾輪為2個，2個滾輪旋轉(zhuǎn)方向相反；紙袋兩側(cè)夾持在第一滾輪組中的2個滾輪之間，通過2個滾輪相反的旋轉(zhuǎn)摩擦力對紙袋進行輸送。撐袋及封口機構(gòu)中的第二滾輪組一端設(shè)有滑動座。第二滾輪組與滑動座滑動連接，第二滾輪組一端設(shè)有第三電機(圖4)，第三電機通過齒輪齒條嚙合驅(qū)動第二滾輪組在滑動座上滑動。

1.第二支撐架;2.第一滾輪組;3.支撐座;4.第二電機圖3 送袋機構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.3 撐袋及封口機構(gòu)

撐袋及封口機構(gòu)(圖4)中的第二滾輪組一端設(shè)有滑動座，第二滾輪組與滑動座滑動連接，第二滾輪組一端設(shè)有第三電機，第三電機通過齒輪齒條嚙合驅(qū)動第二滾輪組在滑動座上滑動。撐袋及封口機構(gòu)一端設(shè)有端蓋，滑動座一側(cè)設(shè)有第六電機，第六電機通過齒輪齒條嚙合驅(qū)動滑動座在端蓋上滑動。封口夾為兩個相對滑動的叉形構(gòu)件，叉形構(gòu)件的開口部對稱布置，叉形構(gòu)件的開口部相對滑動，使開口部之間形成的空間截面大小往復變化。封口夾一側(cè)設(shè)有安裝座，封口夾與安裝座滑動連接，安裝座一側(cè)設(shè)有第五電機，第五電機通過齒輪齒條嚙合驅(qū)動封口夾在安裝座上滑動。安裝座一側(cè)設(shè)有固定座，固定座一側(cè)設(shè)有第一滾輪組，安裝座與固定座滑動連接，安裝座一端設(shè)有第四電機，第四電機通過齒輪齒條嚙合驅(qū)動，使安裝座在固定座上滑動，固定座與端蓋滑動連接。滑動座與固定座之間設(shè)有連桿。

1.封口夾；2.滑動座;3.第三電機;4.第六電機;5.滾輪座;6.第二滾輪組;7.連桿;8.第一滾輪組9.安裝座;10.固定座;11.第四電機;12.第五電機圖4 撐袋及封口機構(gòu)結(jié)構(gòu)視圖

3 工作原理

幼果套袋機的工作順序是送袋機構(gòu)將儲袋機構(gòu)中的果袋送到撐袋及封口機構(gòu)進行撐袋及封口，最終完成套袋過程。

儲袋機構(gòu)設(shè)置有壓板、彈簧與滾軸。利用儲袋機構(gòu)所設(shè)置的彈簧彈力將壓板與滾軸之間的紙袋壓緊，確保送袋機構(gòu)將紙袋連續(xù)輸送；在儲袋機構(gòu)出口處設(shè)置擋板結(jié)構(gòu)，擋板與滾軸之間有一定間隙，該間隙尺寸與紙袋厚度相匹配，以保證滾軸轉(zhuǎn)動時只將一個紙袋輸出。通過電機驅(qū)動滾軸轉(zhuǎn)動，帶動一個紙袋向前移動，紙袋兩側(cè)夾持在送袋機構(gòu)的多組滾輪組之間，每個滾輪組的兩個滾輪旋轉(zhuǎn)方向相反，利用相反的旋轉(zhuǎn)摩擦力對紙袋進行輸送。多組滾輪組的設(shè)置保證紙袋輸送的準確性。

撐袋及封口機構(gòu)設(shè)置兩套滾輪組，第一滾輪組一端設(shè)有滑動座和電機，電機通過齒輪齒條嚙合驅(qū)動第一滾輪組在滑動座上滑動。第二滾輪組上安裝的兩個滾輪反向轉(zhuǎn)動，將紙袋開口邊緣卡住，然后將第一滾輪組向上移動，實現(xiàn)開袋，操作簡單方便。

封口機構(gòu)封口夾為兩個相對滑動的叉形構(gòu)件，叉形構(gòu)件的開口部相對布置，能夠?qū)崿F(xiàn)相對滑動，使兩個叉形構(gòu)件的開口部之間形成的空間截面大小往復變化，利用此結(jié)構(gòu)，叉形構(gòu)件能更好地貼合在鐵絲上，通過兩個叉形構(gòu)件行程的空間截面縮小，將紙袋上的鐵絲進行壓縮至封口。封口夾一側(cè)設(shè)有安裝座，封口夾與安裝座滑動連接，安裝座一側(cè)設(shè)有電機，電機通過齒輪齒條嚙合驅(qū)動封口夾在安裝座上滑動。利用叉形、對立安裝、交錯布置的兩個封口夾，能夠在相對移動過程中使兩個封口夾的開口縮到最小，同時保證鐵絲變形將紙袋封口。

封口結(jié)束后封口夾復位，從套好袋的幼果上取下裝置，裝置自動再次進行送袋及撐袋，實現(xiàn)連續(xù)套裝動作。

4 結(jié)語

針對蘋果生產(chǎn)中幼果人工套袋勞動強度大效率低的問題設(shè)計了一種手持式幼果連續(xù)套袋機，該裝置能夠連續(xù)實現(xiàn)取袋、撐袋、套袋、封袋及復位功能。整機結(jié)構(gòu)輕便，自動控制，手持操作較為輕松，簡單方便，套袋效果良好，能有效降低人工套袋的勞動強度，提高幼果套袋的作業(yè)效率。

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