（农业机械化工程专业论文）半自动苹果套袋机器人的研究.pdf

中国农业大学硕士学位论文目录 摘要 随着社会的进步，人们的生活水平在不断的提高，从而对物品的质量要求也在不断提高。水 果在人们生活中是必不可少的，它可以提供许多人们身体的营养元素，在各种水果中，苹果是需 求量最大的，苹果的销售最近几年在不断增加。为了提高苹果的果实品质，许多地方开始采用苹 果套袋技术，套袋后可以防止农药和空气中有害物质对果实的污染，是生产无公害食品苹果的重 要手段之。该技术应用，解决了果质和污染问题，在生产中具有较高的实用价值。 本课题主要针对套袋技术的特点，研究设计了半自动苹果套袋机器入主要分为撑袋机构和 套袋机构，撑袋机构设计了弧形手爪，使果袋的内腔撑开到最大容积，满足水果套袋的要求。机 构中主要采用气动和真空系统驱动，动作快，提高作业的效率，实现了纸袋撑开过程的全自动化。 套袋机构采用独特的v 型封口设计。快捷牢固地将果袋固定在果梗上，套袋机构采用人工操作的 伸缩杆控制，可以快速准确地找到果实，并使套袋机构准确地套上果实，完成套袋作业。 半自动苹果套袋机器人中的撑袋机构控制系统采用5 1 系列的单片机，各部分之间既能同时 动作又能相互协调，大人提高了控制的实时性和作业速度，达到3 4 个份，为其推广应用打下 良好基础。 关键词：套袋技术，苹果套袋，机器人，真空系统，单片机 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y ，p e o p l e ss t a n d a r do fl i v i n gi si m p r o v e dc o n t i n u a l l y , a n ds ot h e q i l a l i t yo f g o o d si sr e g a r d e da sa ni m p o r t a n tt h i n g f r u i t ，an e c e s s a r yp a r ti np e o p l e sl i f e ，c a np r o v i d e al o to fn u t r i t i o ne l e m e n tf o rt h eb e d y a m o n gt h ek i n d so ff r u i t s ，a p p l eh a st h ec a l l a n dt h es a l e s v o l u m eo fa p p l ei si n c r e a s i n gi nt h er e c e n ty e a r s i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fa p p l e ，t h ea p p l e b a g g i n gt e c h n o l o g yi su s e di nm a n yp l a c e s ，t h i st e c h n o l o g yc a l la v o i dt h ep o l l u t i o no fp e s t i c i d ea n d i n j u r a n tt o t h ef f u i ka n di ti so n eo ft h ei m p o r t a n tm e a s u r e st op r o d u c en o n - p o l l u t i o na p p l e t h e a p p l i c a t i o no ft h i st e c h n o l o g yc a ns o l v et h ep r o b l e mo ff r u i tq u a l n ya n dp o l l u t i o n ，a n di th a sh i g h l y p r a c t i c a lv a l u ei np r o d u c t i o n ， a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i co fb a g g i n gt e c h n o l o g y , t h es e m i a u t o m a t i cr o b o tf o ra p p l eb a g g i n gi s d e s i g n e d ，w h i c hm a i n l yc o n t a i n st w op a r t s ，s u p p o r t i n gp a r ta n db a g g i n gp a r t t h es u p p o r t i n g m e c h a n i s mh a sa na r cp a w , c o n t r o l l e db yt h ea e r o d y n a m i cf o r c ea n dv a c u u ms y s t e m t oe n l a r g ei n s i d e o ft h eb a gm a x i m a l l y , i m p r o v i n gt h e w o r k i n ge f f i c i e n c ya n dr e a l i z i n gt h ef u l la u t o m a t i o no ft h e s u p p o f l i n gp r o c e s s t h eb a g g i n gm e c h a n i s mu s e ss p e c i a lm a n u a lf l e xp o l et oa p p r o a c h a n db a gf r u i t e x a c t l y t h ec o n t r o l s y s t e mo ft h es u p p o r t i n gm e c h a n i s mi n t h i sr o b o tu s e s5 1 - s e r i e s s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e r a l lt h ep a r t sc a nw o r ka tt h es a m et i m ea n da l s oc a nc o r r e s p o n dw i t he a c ho t h e r , r e a l 。t i m ec o n t r o la n dw o r k i n gs p e e dh a db e e ni m p r o v e dg r e a t l y t h ew o r k i n gs p e e dr e a c h e st o3 - 4 a p p l e sp e rm i n u t e k e yw o r d s ：b a g g i n gt e c h n o l o g y , a p p l eb a g g i n g , r o b o t ，v a c r u ms y s t e m ，s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r l i i 中国农业大学硕士学位论文 目录 摘要 随着社会的进步，人们的生活水平在不断的提高，从而对物品的质量要求也在不断提高。水 果在人们生活中是必不可少的，它可以提供许多人们身体的营养元素，在各种水果中，苹果是需 求量最大的，苹果的销售最近几年在不断增加。为了提高苹果的果实品质，许多地方开始采用苹 果套袋技术，套袋后可以防止农药和空气中有害物质对果实的污染，是生产无公害食品苹果的重 要手段之。该技术应用，解决了果质和污染问题，在生产中具有较高的实用价值。 本课题主要针对套袋技术的特点，研究设计了半自动苹果套袋机器入主要分为撑袋机构和 套袋机构，撑袋机构设计了弧形手爪，使果袋的内腔撑开到最大容积，满足水果套袋的要求。机 构中主要采用气动和真空系统驱动，动作快，提高作业的效率，实现了纸袋撑开过程的全自动化。 套袋机构采用独特的v 型封口设计。快捷牢固地将果袋固定在果梗上，套袋机构采用人工操作的 伸缩杆控制可咀快速准确地找到果实，并使套袋机构准确地套上果实，完成套袋作业。 半自动苹果套袋机器人中的撑袋机构控制系统采用5 1 系列的单片机，各部分之间既能同时 动作又能相互协调，大人提高了控制的实时性和作业速度，达到3 4 个分，为其推广应用打下 良好基础。 关键词：套袋技术，苹果套袋，机器人，真空系统，单片机 a b s t r a c t f l t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , p e o p l e ss t a n d a r do fl i v i n gi si m p r o v e dc o n t i n u a l l y , a n ds ot h e q u a l i t yo f g o o d si sr e g a r d e da sa l li m p o r t a n tt h i n g f r u i t 。a san e c e s s a r yp a r ti np e o p l e sl i f e ，c a np r o v i d e al o to fn u t r i t i o ne l e m e n tf o rt h eb o d 弘a m o n gt h ek i n d so ff r u i t s ，a p p l eh a st h ec a l l a n dt h es a l e s v o l u m eo fa p p l ei si n c r e a s i n gi nt h er e c e n ty e a r s i no r d e rc 0i m p r o v et h eq u a l i t yo fa p p l e ，t h ea p p l e b a g g i n gt e c h n o l o g yi su s e di nm a n yp l a c e s ，t h i st e c h n o l o g yc a d _ a v o i dt h ep o l l u t i o no fp e s t i c i d ea n d i n j u r a n tt ot h ef r u i la n di t i so n eo ft h ei m p o r t a n tm e a s u r e st op r o d u c en o n p o l l u t i o na p p l e t h e a p p l i c a t i o no ft h i st e c h n o l o g yc a ns o l v et h ep r o b l e mo ff r u i tq u a l i t ya n dp o l l u t i o n ，a n di th a sh i g h l y p m c f i c a lv a l u ei np r o d u c t i o n ， a i m i n g a tt h ec h a r a c t e r i s t i co fb a g g i n gt e c h n o l o g y , t h es e m i - a u t o m a t i cr o b o tf o ra p p l eb a g g i n gi s d e s i g n e d ，w h i c hm a i n l yc o n t a i n st w op a r t s ，s u p p o r t i n gp a r t a n db a g g i n gp a r t t h e s u p p o r t i n g m e c h a n i s mh a sa na r cp a w , c o n t r o l l e db yt h ea e r o d y n a m i cf o r c ea n dv a c u u ms y s t e m ，t oe n l a r g ei n s i d e o ft h eb a gm a x i m a l l y , i m p r o v i n gt h ew o r k i n ge f f i c i e n c ya n d r e a l i z i n gt h e f u l la u t o m a t i o no ft h e s u p p o r t i n gp r o c e s s t h eb a g g i n gm e c h a n i s mu s c ss p e c i a lm a n n a lf l e xp o l et oa p p r o a c h a n db a gf r u i t e x a c t l y t h ec o n t r o l s y s t e mo ft h es u p p o r t i n gm e c h a n i s mi n t h i sr o b o tu s e s5 1 - s e r i e s s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e r a l lt h ep a r t sc a nw o r ka tt h es a m et i m ea n da l s oc a nc o r r e s p o n dw i t he a c ho t h e r r e a l - t i m ec o n t r o la n dw o r k i n gs p e e dh a db e e ni m p r o v e dg r e a t l yt h ew o r k i n gs p e e dr e a c h e st o3 - 4 a p p l e sp e rm i n u t e k e yw o r d s ：b a g g i n gt e c h n o l o g y , a p p l eb a g g i n g ，r o b o t ，v a c u u ms y s t e m ，s i n g l e h j pm i c r o c o m p u t e r l i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研名：甍觑蒙 帆脚占日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议1 研究生硌葛醵 时间渝嫜犰占同 导师签名 固 时间：x 川r 年月j 6 日 中国积业大学顶一i j 学位论文第一章绪论 1 1 我国苹果的生产 1 1 1 我国苹果生产的现状 第一章绪论 改革开放以来，我国水果生产迅猛发展。目前，水果已经成为我国农产品中继粮食、蔬菜之 后的第三大产品，是我国农村支柱产业之。从1 9 9 3 年开始，我国水果总产量就跃居世界第一 位，其中，苹果和梨的产量排列榜首，柑桔排在巴西和美国之后，列第三位【l j 。 中国是世界苹果的主要生产国之一。全世界苹果栽培总箍积约为5 6 3 万公顷，总产量近6 0 0 0 万吨。我国苹果栽培面积约2 2 5 万公顷，年产量约为2 0 2 0 万吨，占世界产量的三分之一。我国 有很大面积的苹果适生区，主要集中在陕西和山东两省”l l z j 。 因为苹果是属于温带果树，它的适生条件是以沙壤土为主，日照时间长，土层厚，温差大， 污染少，空气条件好等为基础，所以陕西和山东两省有非常有利的自然条件。陕西省从二十世纪 九十年代开始大力发展苹果生产，据统计，陕西省苹果种植面积达到5 5 3 5 万亩，当地农民将先 进的科学技术引入到苹果园的生产管理中，充分利用当地有利的资源，将苹果生产迅速发展起来。 2 0 0 4 年陕两省苹果总产量比2 0 0 3 年增产1 0 左右，有望突破5 0 0 万吨。山东省从二十世纪九十 年代开始对苹果生产大量投入，现在苹果种植面积有5 9 6 5 万亩，果树的品种也有很多，如红富 七，乔纳金、新红星、新嘎拉等pj ，因为占有很有利的自然条件，农民对苹果生产很有信心，对 果园精心管理，发展“无公害生产”，建立典型的模范苹果生产基地，不断探索提高苹果质量的 新道路，今年全省苹果总产量估计可以达到7 0 0 万吨。 在物质生活水平的不断提高的今天，人们对苹果的要求已经从单纯的数量转向质量，求的是 “精”，不光是苹果本身质量上要精，而且要求包装要精美，携带要方便。我国加入耵0 以后， 国外的“洋苹果”直接冲击中国市场加上国内苹果生产中的种种问题，使我国苹果产业处于一 个内外夹击的尴尬局面。 1 1 2 我国苹果生产中存在的问题 随着我国苹果生产的迅猛发展，栽植面积的迅速扩大，总产量随着幼园陆续投产和生产水平 的提高，以每年2 0 0 - - 3 0 0 万吨的速度在增长。人均量1 9 9 7 年就已经达到1 4 _ 3 公斤远远超过世 界人均水平”j 。这样的数字让人们以为果农应该为增产增收而高兴。其实不然苹果市场已经由 原来的供不应求转向结构性过剩，市场竞争日益激烈，局部出现“卖果难”的问题。根据2 j 世 纪初统计，世界苹果的年产量是6 0 1 2 6 万吨，其中我国苹果年产量为2 2 0 6 万吨占世界苹果年 产量的3 6 6 ，居世界第一位。但是，我国苹果的平均亩产、品种结构和优质果率都低于世界平 均水平。我国苹果平均亩产为6 0 0 千克，而国外多在1 0 0 0 千克以上，如韩国平均亩产在1 9 2 2 5 千克、法国为1 8 7 0 千克、新西兰为1 6 1 4 千克。目前，我国苹果主要栽种的品种是红富士、嘎拉、 秦冠和新红堤等，其中红富士种植面积超过5 0 ，些地方达到8 0 。囡为品种单一没有臼 中国农业大学碗士学位论文第一章绪论 己国家的品牌，加上全国平均优果率只有2 0 ，精果率只有2 ，因此，我国苹果在市场上的占 有率比较低，年出口量往往占不到世界总出口最的5 ，在世界排名在1 2 名左右口】，很显然，我 国苹果的出口率与苹果生产大国的地位是及其不相称的，有关专家就这个现象。分析了我国苹果 生产中存在的问题。 一、苹果种植面积过大，布局不合理。次适生区和非适生区苹果栽植面积很大，生产【出来的 中、低档苹果冲击市场，虽然总产量很大，但是由于这些中低档苹果r i 有一定比例使整体苹果 质量降低，影响优生区苹果的产业化发展。 二、管理水平不高，果品质量差。苹果市场竞争的关键是果品的质量，而果品质量与管理水 平关系密切。果农是苹果生产的第一线人员和主力军，他们的技术水平和文化素质的高低直接影 响着苹果生产的质量。而我国果农的文化素质和技术水平相对都比较低，接受新观念新技术的能 力相对较差。现在由于果价较低，果农投资积极性减小，管理粗放，使果园枝量多、光照少，化 肥施得多、有机肥施得少。生产出来的劣质果多、优质果少，于是，效益不高，势在必然。 三、品种单一，结构不合理。目前，早中熟品种奇缺，晚熟品种过剩。全国苹果树中，晚熟 品种占8 5 以上，其中红富士和秦冠又占晚熟品种得7 0 左右。我国果农生产规模小，经济基 础薄弱对于品种的改良方面投入不足，使得苹果品种单一，缺乏吸引力。 四、盲目使用农药化肥，使苹果上的农药残留量超标。现在，我国已经加入世界贸易组织， 国际贸易市场对果品无污染、无公害的要求将更大的影响我国果品的出口销售。目前，我国已经 制定了7 9 种农药在3 2 类农副产品中农药最高残留限量的国家标准在此基础上，我们应该向世 界标准看齐。严把质量关。不注意这一问题，我们等于自己把自己拒之于世界贸易市场之外。 五、缺乏品牌。由于我国苹果没有品牌，所以不同区域的苹果无法区别，品质好的与品质差 的也无法辨别。致使消费者很难选择。即使偶尔有好的苹果也无法让国际市场长期认可，这样大 大降低了我国苹果在国际市场上的竞争能力。 六、销售组织不力，规模化产业化不够。国外苹果的销售一般由专门的营销公司负责，或者 由果农联合起来的苹果协会负责统一销售，他们有科学的销售镱略和方法根据市场情况做出最 佳的销售计划，使销售情况达到最好，保证和增加农民的收入。但是，我国苹果种植规模小而多， 比较分散，果农各自为政，无序竞争，也没有科学的营销策略和方法，只为了保证个人利益而各 人自扫门前雪，无法统一管理所以也不能跟国际市场接轨。 七、采后环节及其研究落后。现在，先进国家已经基本实现了采后的冷链流通，分选统一， 贮藏主要采用气调贮藏和恒温冷藏。我国目前采后的选果、分级和包装多数靠人工进行。很难保 证一致性。贮藏能力不足，导致果品上市过于集中造成季节性过剩使每年的果晶损失率大大 增加f 6 l 。 1 1 3 解决问题的对策 针对这些问题，根据我国的实际情况，我们必须提出有效的解决和发展对策。 一、提高质量。增强竞争力。实行适地适栽，合理布局。充分发挥自然优势和品种优势，重 点建设西北和环渤海湾两大优质苹果带，提高经济效益。普及无毒化栽培和矮化优质栽培。加强 土、肥、水管理和接形修剪。采用人 授粉、蜜蜂或壁蜂传粉等技术。提高坐果率和果实整齐度。 2 中国收业大学坝i 学位论文第一章绪论 严格疏花疏果，合理负载，定量生产，单果管理。采用套袋、摘叶、转果、树下铺反光膜等措施， 加强着色管理。科学、合理地使用农药，加强空气、十壤和灌溉水质量检测，控制生产环境污染。 做到适时或按市场要求采收，加强分级、清洗、打蜡、包装等采后处理，大力提倡和推动绿色食 品苹果。 二、加强采后处理，提高加工能力，扩人出口。提高我国苹果贮藏能力，重点发展气调贮藏， 争取尽早与世界苹果生产技术祖接轨，减轻苹果采后的市场压力，提高贮藏质量，实现全年供应。 采用机械化清洗、分选、包装。提高苹果档次、均匀性和价值。拓展国际市场，扩大出1 3 对象， 提高出口率，增强出口创汇能力。充分利_ h j 我国苹果加工业的发展空间和潜力，大幅度提高加工 能力，大力推动苹果汁、苹果酒、苹果干、苹果脆片等的生产与出口。 三、加强服务体系建设。借鉴国外在苹果市场上的策略，建立苹果协会，提供产、供、销、 技术等服务体系，规范生产和市场秩序，将网络引进农村，培养一批技术骨干力量，提高农民的 素质，提高苹果产业的组织化程度，实行规模经营，使生产达到系统化、科技化、高速化，避免 各自为战形成大生产对应大市场的良好格局。 四、建立良种繁育体系。建议由国家落叶果树脱毒中心牵头，以国营良种场和园艺场为依托， 建立采穗嘲、苗圃作为永久性彘种繁育基地，逐步形成完善的良种繁育体系。 五、加强苹果开发研究。建立无公害苹果生产技术体系的研究，包括产地环境选择、农药和 肥料使用准则、栽培技术、病虫害综合防治技术等，完善苹果及加工标准体系，制定主要品种的 气调贮藏技术指标，研究配套的栽培技术井推广普及。 综上所述，这些转变都是我国苹果生产和科技发展的必然过程。我们必须认清当前我国苹果 产业中的问题以及在国际市场中所处的地位，对症下药，顺应时代潮流，紧紧抓住市场主线，将 高新配套技术应用于我国苹果生产当中去，生产出优质高档果，提高竞争能力，提升在国际市场 上的地位。 从问题的分析中不难发现，果实的品质问题和农药残留问题是我国苹果产业所面临的问题之 中的重中之重，它们直接影响到我国苹果的出口量。在不断的实际探索中，人们发现，套袋技术 是解决这两个问题的有效方法。 1 2 苹果套袋技术的发展现状 1 2 1 套袋技术的产生 根据现今我国苹果生产在国内和国际市场的情况来看。提高苹果质量势在必然。随着人们生 活水平的不断提高，对水果的需求已经从原有的“产量时代”跨入现今的“质量时代”，追求优 质果品、保健果品、无公害果品已经是时代的潮流与要求。从我国国内现在的苹果管理和生产状 况来看，苹果套袋技术已经成为生产优质高档果品和绿色果品的一项必要的配套技术。 二i 果套袋技术予七十年代初在日本、韩国、美国等国家开始广泛应用，人们在实际中不断研 究探索这项技术。而在我国，套袋技术还属于一个新兴技术，从试验到真正投入到生产的时间也 不过十年的时间，但是在短短的十年间，农民大胆尝试。研究出苹果全套袋的栽培模式，套袋技 3 中国农业大学颂上学位论文第一章绪论 术得到了迅速的发展，并且在发展中不断大胆创新改进，发展了一批采用该项技术的示范园区， 提高了我国水果的质量和出口量，不仅给国家创造了很大的经济效益，也给果农带来了福音。 现今，套袋技术应用在很多水果上，例如苹果、梨、葡萄、桃、柑橘、瓜类等，但应用在苹 果上是最早的，也是现在应用范围最广的。追溯历史，可以说苹果套袋技术的雏形是在我们国家 产生的，它有一百多年的历史最初也是用来防止病虫害等，但是人们没有注意到它可以作为一 项技术去发展。建国初期烟台的果农曾给苹果套书纸和报纸袋，目的是防治苹果害虫。六十年代 后随着化学农药的广泛使_ j 套袋中止。九十年代初为生产可供出口的红星、红富士苹果，在外 商的要求r ，开始套进口双层纸袋，但多年来一直是选择树上的一部分果进行套袋。由于果袋的 成本高( 当时大部分靠进口) ，不套袋的果仍然受到污染，不能节省用药成本而难以推广实行。 1 2 2 苹果套袋技术的发展 在不断的摸索过程中，苹果套袋技术得到了发展。1 9 9 9 年，在山西、陕西和山东全面推广苹 果套袋。山西省临猗县3 3 3 万公顷苹果，套袋1 亿只，当年仅仅套袋果一项，全县果农增收1 亿多元；陕西省苹果套袋7 亿只，为全省果农增收7 0 0 0 多万元 6 1 。根据相关的调查资料我们发 现：苹果套袋的发展过程大致是部分纸袋部分塑膜袋纸袋与塑膜袋相结合的全套袋技 术。开始纸袋都是从国外进口，成本高，封口相对复杂，但是生产出的苹果颜色均匀，果实个大； 塑膜袋成本低，能够保持果实的水分和糖份，但是塑膜本身污染环境；塑膜和纸袋结合的效果是 最佳的，它是一种新的栽培模式。即一个苹果园，每一棵果树，在严格疏果的基础上，根据不同 部位有选择性的套纸袋或者塑膜袋，给所有的苹果都套上袋。现在图内的果袋加工技术已经完 全成型，这样大大降低了果袋的成本，所以果农可以根据当地的自然条件自由选择采用什么材料 的果袋了。就现今情况来看，我国主要水果产区可分为东部和西部两部分，东部以山东为主，西 部以山西、陕西为主。东部苹果套袋以纸袋为主，塑膜袋为辅；西部恰恰相反，以塑膜袋为主， 纸袋为辆。全套袋栽培已经成为目前多快好省地生产高档优质苹果、满足国内外市场需要的很好 的方案，这是套袋技术的重大改革，也是我国加入世界贸易组织后，苹果参与国际市场竞争的关 键性措施，改变了我国多年以来是水果生产大国而非出口大国的尴尬状况，在完全控制化学农药 使用之前，全套袋栽培技术是生产高效优质无公害苹果的最佳途径。 苹果套袋的优点有：抗水性强；防止病菌；防止日晒风害：减少鸟害虫害：防止农药污染： 防止刮伤变形；提高水分甜度：改善苹果色泽：增加产量：提高农民收入。 塑膜袋、纸袋双套法，是敢想敢干的果农又一个创新成果，是全套袋生产精品果经验的新发 展，使生产套袋糖品果变得经济可靠、效益更高。这种方法主要是先将果实套上塑膜袋，之后再 在外部“巧搭凉棚”，套上纸袋，这种做法得到的效果和套双层纸袋差不多的效果，并且降低了 成本，只高档双层纸袋一般为7 8 分钱，一只塑膜袋5 厘钱，一般双层纸袋或双色单层纸袋 为3 分钱，因此这项技术迅速的被许多果农所关注，此法2 0 0 3 年已经大面积应用，推广前景广 阔。 1 2 3 国内外自动化套袋技术的研究现状 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 我国已经开发出苹果果袋的生产机器，并投入使用其工作原理为将纸牵动过程中自动上胶、 分边、镶丝，经切刀分切，自动计数，人工包装，效果很好。但是对苹果套袋机器人的研究还没 有起步。根据调查资料了解，美国、日本、韩国等机器人技术先进的国家还没有成型的苹果套袋 机器人，只有相关的研究，日本的岩手大学农学部在做苹果收获机器人的开发，主要是机械手部 分，利用直角坐标系和图像处理技术，对单个果实进行收获，发展目标是力求高速化，对复数的 果实也可以进行收获。 m m o n t a 等介绍了一种全自动套袋机械手，该机械手采用的电机较多，整个机械手要与一个 较大的机体连接，计算机操控机体，对于该机器的实际应用性还有待于验证。 苹果套袋收到的效益是明显的，国内外虽然都广泛应用水果套袋技术，但是研究苹果自动或 半自动套袋机器的项目很少，日本现在主要研究葡萄的套袋机器，该技术也可以作为本课题很好 的借鉴。 1 3 本课题研究的目标和内容 通过对手工套袋过程的研究，本课题提出研究甫4 造一种小型轻便的半自动水果套袋机器 人，简单并且容易操作。在保证作业要求的前提下，尽量降低成本，让果农容易接受，以达到减 轻工作人员劳动强度，降低劳动危险系数和提高劳动生产率的目的。 本课题研究时采用规格为1 5 0 1 8 4 m 双层纸袋为试验果袋( 如图( 8 ) ) 。果袋外黄内黑，纸 袋外层为经过药物处理豹毛纹蜡纸，它耐目晒抗老化，风吹雨淋不破碎，无论是过干还是过湿的 条件，均可有效抑制锈斑的发生，使果面美观，生产出高品质的果实( 如图( b ) ) 。果袋经过药 剂处理，田间应用具有良好的反映，对黑斑痫等各种病虫害的侵入具有极高的防治效果；它的通 气孔于纸袋下边缘分别距两边2 5 m m 处，设计合理，可防止果实因为袋内温度过高而出现汗斑和 果锈的问蹶；袋口自带扎口铁丝( 如图( c ) 、( d ) ) ，铁丝硬度适中。扎口方便并且不损伤果柄， 可提高套袋工效，摘除果袋时，因为扎口丝不扎在果柄上，所以不易拽掉果实。 中国农业人学觋l 学位论文笫一章绪论 圈1 1 本课题采用的苹果袋 ( d ) 人工套袋的作业工序为：套袋时，要使左右手十个手指都发挥作用。即用左手的中指和食指 夹住果梗，使果实向外，无名指和小指夹住1 0 一2 0 个纸袋，使纸袋上的铁丝或铁片位于右侧， 右手从左手取一个纸袋再用两手的食指和拇指把袋口撑开，同时，将果实从上向下套住，左手拇 指迅速伸入袋内顶住苹果，让其位于袋内最理想的中央部位，然后两手将袋口从两侧向中间折叠。 用左手食指项住袋口折叠部分，右手食指和拇指将铁丝或铁片折回呈v 字形即可。在套袋时注意 先树冠上部后树冠下部，先内膛后外围，并且使果实处于中间，不与果袋内侧接触。 图1 2 单个果实套袋和槲上整体果实蠢袋 ( b 1 针对上述人 套袋的作业特点和要求，本课题的主要研究任务和思路为： ( - - ) 首先要对半自动苹果套袋机器入从整体上进行布局，安排好机器人的组成部分以及各部分 的- j ：作任务和相对位置，然后将各部分按照其功能要求设计出相应的机构，具体安排如下： ( 1 ) 套袋机器人手持套袋部分机构的设计 该部分上端为套袋机构主要是由两个凹凸v 型块作为工作部分，利用滑道、滑轮和拉绳 进行移动，凹凸y 型块啮合，达到顺利封口的目的。下端为秆状可以伸缩，以便适应不 同高度的苹果位置，机械手由作业人员手持，人工选取果实进行套袋。 ( 2 ) 套袋机器人撑袋部分机构的设计 6 中国农业人学硕士学位论文 第一章绪论 该部分主要采用气动和真空系统，合理设计机构位置，利用真空吸盘和气缸将纸袋完成输 送一撑开一送出的 ：作过程，是该部分机构完全达到自动化，设计结构合理灵巧，操作简 单。 ( 3 ) 控制系统设计 采用单片机对半自动苹果套袋机器人的各部分作业顺序、时间间隔、机器运作基本功能等 进行控制。 ( 4 ) 移动机构设计 果园作业，地面不平，移动机构采用手推轮式结构，撑袋及控制系统均放在移动装置上， 以减轻作业人员负担。 ( 二) 作业精度直接影响到机器人作业的质量，是设计的关键性指标之一。它的主要影响因素是 各功能部分自身的结构相对精度以及各功能部分相互之间配合的精确度，所以在设计的时 候需要从这两个方面入手来保证作业精度。 ( 三) 套袋速度是评价机器人性能的重要指标。解决速度问题主要着眼于套袋部分机构的灵巧性 和控制系统设计的合理性，合理的硬件电路和软件系统既可以提高机器人的可靠性，又能 够减少作业过程中不必要的等待时间达到提高作业速度的目的。套袋部分设计简单灵巧， 能够让操作人员轻松快捷的完成套袋工作，也是提高作业速度的着眼点。 ( 四) 完善机器人的必要功能。启动、停止、暂停等是机器人运作的基本功能，合理选用元器件， 尽可能的降低生产成本，便于推广应用。 7 中国农业大学硕士学位论文第二章套袋机器人的机械结构 第二章苹果套袋机器人的机械结构 2 1 农业机器人的特点 农业机器人可以简单定义为一种以农产品为操作对象、具有人类的部分感知和四肢行动 功能、可以自动编程的柔性自动化或半鲁动化的机械设备，能够部分模拟人类的智能的农业 机器人则称为智能农业机器人。智能机器人能够用感觉和识别功能做决策行动，机器人一般 组成见图2 1 。 圈2 一l 机器人的组成 与工业机器人相比，农业机器人由于受到经济、技术以及工作环境等因素的影响，因而 发展速度较慢。农业机器人从总体上来看，有以下几个特点【l0 l ： ( 1 ) 由于其经常工作在大田或者温室里工作，受自然环境，如气候、地面等，影响较为严 重，所以必须保证工作的可靠性、安全性和耐久性。 ( 2 ) 由丁劳动力的转移农村劳动力中老年人和妇女将i 与多数，设计者在设计的过程中， 必须考虑到使用者的实际情况，尽量使机器结构灵巧，操作简单方便，不需要复杂的 技术培训。 ( 3 ) 农业机器人的作业地点一般不是固定不变的，有时需要经常移动，甚至边行走边作业， 因此其结构必须紧凑，重量要轻，便于移动。 ( 4 ) 价格问题。1 ：业机器人所需大量的投资由工厂或者企业集团负担，购买力强。而农业 中国农业大学硕士学位论文第二章套袋机器人的机槭结构 机器人的购买以个体经济为主，主要的对象是农民，就我国现今的实际情况来看，如 果价格不合理，将很难得以推广应用。 ( 5 ) 作业对象是有生命的农业作物，在作业过拌中容易受到损害，而作物一旦受到损害， 将会影响其生长，直接影响质量和产量所以对机械手的材质、作业能力、精度和灵 活性都有严格的要求。 二f 自动苹果套袋机器人属r 农业智能机器人，因而它具有农业机器人以上的共性。除此 之外由于套袋作业的特殊要求，它义要具有自己的特点：纸袋封口处要求中缝卡在果柄上， 封口严密，防止病菌虫害和雨水农药的进入，并且在适宜摘袋的时候便丁摘袋，果实基本保 证在果袋的中间位置，使之尽量不与纸袋内侧接触。 根据苹果套袋技术的实际要求，本课题研究的苹果套袋机器人主要分为两部分：撑袋机 构和套袋机构。 2 2 撑袋机构的设计 2 2 1 工作原理 撑袋机构主要是完成果袋撑开的工作任务。因为在果实亩径为4 0 4 5 r a m 左右的时候进行 套袋，并且要求在完成套袋的同时尽量不使果实与果袋内侧接触，所以果袋的撑开宽度至少 为6 0 m m 左右，这样才有利丁保证工作质量。套袋前果袋撑开的状况如图2 2 所示： ( a ) 果袋撑开的讵面圈 ( b ) 果袋捧开的侧面图 圉2 2 套袋前果袋撂开的状态 9 2 2 2 撑袋机构部分整体布局 捌气& 1 1 5 拢爪1 6 吸盘气缸7 一 吸盎牺一。 挪一 、 工作台1 一 缺m 2 2 垫块2 3 固2 3 总体结构图 固2 4 撑袋机构实物图 1 0 中国农业大学硕士学位论文第二章套袋机器人的机械结构 根据设计要求，对机器人的机械结构就可以进行整体上的布局。该机器人的整体结构安 排如f ：纸袋盒1 8 位于t 作板下部，对应的面板上开槽，采用弹簧托板装置将纸袋送出，纸 袋上方与工作板同一水平面内设有两个可以旋转的卡块2 1 使提供的纸袋与工作板保持水 平，便于吸盘将纸袋吸起来；真空发生器产生真空，吸盘气缸4 将吸盘5 送出，使吸盘与纸 袋上表面接触并达到要求位置，由于真空作用，纸袋被吸盘吸住，吸盘气缸4 缩同，将纸袋 吸起来，马达3 旋转9 0 度，达到水平位置：马达上的吸盘气缸4 和直立部分的吸盘气缸7 同时伸出，直立部分吸盘6 在真空作用下吸住纸袋另一面，气缸同时收回，把纸袋拉开；拢 爪气缸1 5 伸出，将撑开的纸袋的两个边缘合拢，夹住纸袋夹和宽度为1 5 m m ；垂向气缸1 1 伸出，送出平行气爪1 2 ，平行气爪动作，附带的弧形手爪1 4 将纸袋撑开，达到要求位置， 气缸收回，纸袋被吊起来：水平驱动气缸1 3 动作，将固定在滑道上的垂向气缸等部分整体推 出，到达套袋机构上方，气爪1 2 松开，纸袋落入套袋机构中，撑袭工作结束。 以l 布局比较合理，提高了空间利用率，使结构简洁、紧凑，有利于提高作业精度，作业 距离短，提高了工作效率，除了放置一打纸袋利用人工外，其他动作均由气动部件完成，达 到自动化。 2 2 3 工作流程 圉2 5 撑袋机构整体布局 撑袋机构主要由纸袋输送机构、果袋撑开机构、撑开的果袋输送机构和套袋机构连接机 构组成。其j 二作流程如f ： 中国农业大学硕十学位论文 第二审 套袋机器人的机械绀构 4 、7 气缸同时收 回，吸盘拉开撑袋 o l 垂直气缸1 1 伸 m 气爪1 2 插入 i 袋内 吸盘气缸 4 、7 收回 驱动气缸推动送 入簦袋机构连接 部位，等待套袋 机构 图2 6 撑袋机构工作流程图 2 圉日圈 网 i 。，_ j 中国农业人学硕士学位论文 第二章套袋机器人的机械结构 2 2 4 主要组成部分的结构 机器人的机械结构是整台机器的骨架，也是其是终执行部分。它的结构是否合理不但直接 影响作业质量和速度，还会关系到机器的外观和制造成本。本机的执行机构主要采用真空元 件和气动元件，如真空发生器、吸盘、气缸、气爪等。气动元件有很多优点：体积小，重量 轻动作可靠，靠压缩空气来实现动作，动作迅速，应用方便，因为无泄漏、无污染，利于 环境保护；气泵体积小，运行稳定，操作简单，搬运方便；气量可调。可以根据需要随时调 整机械手的力度。真空元件的优点有：体积小，重量轻，功能全，可以根据工作需要选用不 同工作范围的真空组件，真空吸盘吸附紧密，真空发生器安装控制方便。 ( 一) 纸袋的设计 市面上卖的一种果袋，规格为1 5 0 1 8 4 m m 双层纸袋，外黄内黑，纸袋为经药物处理的毛 纹蜡纸，开口处黑黄纸之间结合较为紧密，中间有长2 7 m m 左右的中缝，目的是套袋后使果袋 卡在果柄上。在果袋的一侧距侧边缘6 m m 处有一条长5 0 m m 的细铁丝，人工将纸袋口折叠之 后，该铁丝用于封口。纸袋底侧距两边2 5 m m 出设有两个开口，此为果袋的通气孔，防止果实 阏为袋内温度过高而出现汗斑和果锈的问题。 为了设计的机器作业方便，本研究中将果袋的设计稍微做了改动，因为铁丝长度较短， 材质较软，质量较轻，所以将原来的一条铁丝增加到四条铁丝，分布位置为：边缘两条分别 距两侧1 5 m m ，中间两条距离中缝l s m m ，铁丝长度和其他部分保持不变。这种设计利于套袋机 构套袋后果袋封口的密封，不影响苹果质量。 l ( a ) 市面r 的果袋 ( 二) 纸袋输送部分 细铁丝 j i | i 图2 7 果袋铁丝分布示意图 ( b ) 设计后的果袋 这部分主要是由纸袋盒、弹簧、托板、卡块组成。 纸袋输送部分就是将挫打的纸袋不断输送到吸盘吸附位置的机构。为了使机构简洁，采 】3 中国农业人学砸i ：学位论文第二章套袋机器人的机械结构 用弹簧托板实现这个功能。 1 纸袋盒的设计 纸袋盒尺寸为1 9 0 1 5 0 1 2 0 m m ，采用有机玻璃薄板制成，固定在工作板的下方，对应工 作板上开有与纸袋盒开口一样大的槽，纸袋盒底部设置四根弹簧，弹簧选用冷拉碳索弹簧钢 丝，钢丝直径为0 8 m m ，弹簧外径2 5 m m ，自由高度1 2 0 m m ，螺距8 m m ，该弹簧抗拉强度为1 7 0 k g f m 3 ，四根弹簧均匀分布于纸袋盒底板上，中心距分别为5 0 m m 和8 5 m m ，并且弹簧上面阎定 块薄扳，尺寸为1 2 0 l o o m m 。目的是挤压纸袋且使之受力均匀。 2 弹簧的选择 弹簧相天参数计算 轴向载荷： 绕；轴扭矩： 根据 1 0 0 个纸袋重量为4 1 7 9 ， p = m g = 4 1 7 n 绕6 轴弯矩 t t l = p d 2 2 c o s 口 m b l = 一p d z l 2 s i n 口 ( 2 - 3 ) 对弹簧稳定性分析： 。一 日o h 一万面再 l 卜瓦j 对于钢制恻形截面弹簧，极惯性矩i ，= 写 = 2 1 1 0 4k g f m m 2 f 可得： r l 0 。i 卜 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 4 ) ，惯性矩i s = i 。丛6 4 ，g = 8 0 0 0 k g f m m 2 ，e 两端周定支撑时，根据商表可知：b ：堕5 3 d 2 试验选用弹簧h o = 1 2 0 m m ，d 2 = 2 5 0 8 = 2 4 2 m m ，代入上式得出b = 4 9 6 5 3 ，所咀选_ i l j 的弹簧满足要求。 其中： 日。一弹簧的臼由高度，m m 1 4 中国农业大学硕士学位论文第二章套袋机器人的机械结构 n 一弹簧中径，m i l l i 。一极性惯矩，i l l m 4 i b 一惯性矩，i l l m g 一弹簧材料的切变模量，k g f m m 2 e 一弹性模量，k g f m m b 一高径比 f 。一圆柱拉伸弹簧对应于初拉力尸n 的假设变形量，m i l l 一泊松比 3 卡块的设计 工作板上表面设置两个旋转卡块