鮮食葡萄袋中袋包裝裝置設計與試驗

劉 平 高德政 王春穎 李雙雙

(1.山東農業大學機械與電子工程學院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室， 泰安 271018)

0 引言

隨著農業采摘機械化、智能化的發展，機械臂取代人工是鮮食葡萄采收的趨勢[1-4]，由于鮮食葡萄含水量較高，在采收、包裝和運輸過程中會因缺少有效保護造成磨損、擠壓、破裂和脫粒等損傷。亟需設計一款聯合機械臂協同采摘的包裝裝置，采摘后即時收集，避免上述損傷。

徐勤超等[5]設計球形水果塑料發泡網套包裝機，采用柔性擴膜錐體擴膜，倒刺卡桶下膜包裝；張克平等[6]設計氣動式水果包裝機，編寫PLC程序對系統中的設備進行控制，完成水果網套過程中的連續動作；而鮮食葡萄果實表皮較薄，汁水豐富，上述設計并不適用。張虎等[7]研究了不同機械損傷對葡萄果實質地的影響，肖越等[8]研究了不同包裝下的葡萄在貯運過程中跌落與震動損傷，為合理選擇葡萄包裝提供理論基礎，但均未做出包裝裝置，且針對鮮食葡萄機械采摘后自動包裝機械相關研究較少。

目前，越來越多的鮮食葡萄種植戶選擇氣體包裝進行緩沖[9-13]，其中袋中袋的包裝方式可有效避免葡萄運輸過程中的損傷，且充氣完畢無需封口，提高鮮食葡萄包裝效率。但其充氣過程是人工依據經驗完成，沒有統一的充氣標準，導致充氣氣壓不同而保護效果參差不齊。因此本文分析袋內氣壓與鮮食葡萄保護效果的關系，設計鮮食葡萄袋中袋包裝裝置，聯合機械臂采摘鮮食葡萄，取代人工采收和充氣包裝，提高葡萄采摘效率，減少運輸過程中的損傷。

1 鮮食葡萄袋中袋采收末端結構與工作原理

鮮食葡萄袋中袋采收末端主要包含鮮食葡萄袋中袋包裝裝置和機械臂，兩者協同工作，完成葡萄的無損采摘、收集和包裝過程。

1.1 鮮食葡萄袋中袋包裝裝置結構

針對籬壁種植模式的鮮食葡萄，設計了鮮食葡萄袋中袋包裝裝置，如圖1，主要由儲袋箱、取袋機構、撐袋機構和充氣機構組成。儲袋箱前部開有取袋窗口，便于取袋，推袋板與儲袋箱后部彈簧連接，通過彈簧擠壓向前推袋。取袋轉板和撐袋平板安裝于儲袋箱的兩側，取袋轉板由電機驅動，撐袋平板由撐袋電缸驅動，取袋轉板和撐袋平板均安裝真空吸盤，通過空壓機連接真空發生器提供負壓。電動推桿固定于取袋轉板內側，推桿的往復運動帶動高壓充氣噴頭上下移動，完成充氣動作，具體參數如表1。

圖1 鮮食葡萄袋中袋包裝裝置結構圖Fig.1 Fresh grapes bag-in-bag packaging device structure diagram1.旋轉電機 2.吸盤 3.電動推桿 4.高壓充氣噴頭 5.取袋轉板 6.儲袋箱 7.推袋板 8.聯軸器 9.撐袋平板 10.撐袋電缸 11.底座

表1 鮮食葡萄袋中袋包裝裝置參數Tab.1 Parameter of bag-in-bag packaging device for fresh grapes

由于袋中袋是軟性材料，其充氣孔與充氣噴頭之間易因受力不均產生形變，市面上的噴頭均較粗，無法滿足充氣需求。因此設計充氣機構，3D打印符合袋中袋充氣口尺寸的高壓充氣噴頭和袋口支撐環。袋口支撐環放置袋中袋充氣通道頂部，將軟性袋口撐開，確保高壓充氣噴頭下降時能夠順利插入。

1.2 機械臂結構

機械臂選擇Denso 6軸6自由度機械臂，底座尺寸160 mm×160 mm，手臂寬度為110 mm，響應速度快，定位精度高。為滿足采摘需求，設計了拍攝—剪切—夾持機構，主要包括深度相機、舵機、異型齒盤、單面刀片、連接桿和夾持片等零件[14]，如圖2。

圖2 拍攝—剪切—夾持機構實物圖Fig.2 Photo-shear-holding mechanism physical picture1.夾持片 2.深度相機 3.SAIBO舵機 4.異型齒盤 5.連接桿 6.單面刀片

1.3 鮮食葡萄袋中袋采收末端工作原理

鮮食葡萄袋中袋包裝裝置與機械臂協同工作，完成葡萄的無損采收，如圖3。在葡萄采摘過程中，首先，位于機械臂末端的深度相機識別到葡萄后，將深度相機與葡萄的距離信息反饋到PC端，不斷調節拍攝—剪切—夾持機構位置與葡萄距離為250 mm，正對葡萄進行拍攝，將圖像傳輸至上位機，上位機圖像處理后獲取葡萄位置和果實面積信息，通過控制舵機開合完成剪切和夾持動作，機械臂夾持葡萄移動至袋口上方。

圖3 鮮食葡萄袋中袋包裝裝置與機械臂協同工作示意圖Fig.3 Schematic of bag-in-bag packaging device for fresh grapes worked in tandem with robotic arm

機械臂采摘葡萄同時，鮮食葡萄袋中袋包裝裝置的旋轉電機帶動取袋轉板轉動90°至儲袋箱窗口，吸盤將袋中袋吸牢，取袋轉板復位至初始位置，將袋中袋取出(圖4a)；撐袋電缸驅動撐袋平板伸出，撐袋平板的吸盤接觸到袋中袋后，真空發生器為吸盤提供負壓，將袋中袋吸牢，撐袋電缸帶動吸盤回縮，保持袋口撐開，等待鮮食葡萄落入(圖4b)。

機械臂夾持裝置釋放葡萄落入袋中后，給袋中袋包裝裝置發送信號，電動推桿運動帶動高壓充氣噴頭下落(圖4c)。開始充氣，按照果實圖像大小與充氣時間關系確定充氣時間，完成充氣過程(圖4d)。充氣完畢后，吸盤停止提供負壓，包裝完畢的葡萄落入收集筐，完成鮮食葡萄收集過程。

圖4 包裝過程示意圖Fig.4 Packaging process diagrams

2 鮮食葡萄袋中袋包裝裝置關鍵參數確定

2.1 葡萄力學特性分析

選擇多種果穗形態的巨峰葡萄12串，每串隨機挑選帶果梗葡萄10粒，共計120粒，測量其單粒平均赤道直徑為28.88 mm，用質構儀測量所選葡萄縱向破裂力，試驗過程中將葡萄放置于試驗臺，保持果梗與試驗臺平行，選取圓形平面壓頭，直徑50 mm，以0.25 mm/s的加載速率緩慢加載，探頭首先與葡萄赤道部分接觸，隨著探頭的下降，葡萄頭部先發生破裂，記錄破裂時載荷，如圖5和圖6，所測葡萄的平均破裂力為18.63 N，最小破裂力為16.25 N，因此袋內充氣氣壓對葡萄的壓力應小于16.25 N。

圖5 單粒葡萄擠壓示意圖Fig.5 Single grape squeeze diagram1.試驗臺 2.破裂位置 3.質構儀平板探頭 4.果梗 5.赤道直徑

圖6 單粒葡萄擠壓試驗Fig.6 Single grape squeeze test

2.2 最佳充氣氣壓確定

袋中袋充氣完畢后，內袋完全緊貼在葡萄上，如圖7，袋內氣壓會對葡萄產生一定的壓力，氣壓越大，壓力越大，為了避免在充氣時將葡萄擠裂，對單個葡萄的力學特性進行分析，確定最大充氣氣壓。

圖7 葡萄受袋中袋內袋擠壓力示意圖Fig.7 Grapes subjected to bag-in-bag inner bag squeeze pressure diagram

充氣完畢后的袋中袋將葡萄完全包裹，袋中袋內袋與葡萄接觸處的葡萄受到的力最大，最容易破裂[15]，如圖8。

圖8 單粒葡萄受力分析圖Fig.8 Single grape force analysis diagrams

接觸點處的葡萄與袋中袋內袋接觸，接觸力為F，與相鄰葡萄對接觸點處葡萄作用的合力∑Fi相等。接觸點處葡萄對相鄰葡萄的作用力Fi3等于內部其他葡萄對該葡萄的合力∑Fj，根據力的傳遞性和作用力與反作用力可得F>Fi3>Fj3，因此，若與內袋接觸的葡萄未發生破裂，內部葡萄也不會發生破裂，因此依據單粒葡萄擠壓破裂試驗，確定單粒葡萄的擠壓破裂力，充氣氣壓產生的壓力應小于單粒葡萄的擠壓破裂力。確保充氣的氣壓所產生的壓力應小于單粒葡萄的最小破裂力要求。

由于葡萄排列緊湊，其最外層單粒葡萄與袋中袋內袋接觸的面積Sg范圍為

(1)

式中S——單粒葡萄表面積，mm2

取單粒葡萄為研究對象，根據公式

(2)

S=4πr2

(3)

S1=πr2

(4)

式中Fmax——內袋對最外層葡萄最大壓力，N

pmax——袋內氣體最大氣壓，Pa

S1——葡萄赤道橫截面積，mm2

r——葡萄赤道部分半徑，mm

最大氣壓產生的壓力Fmax與葡萄破裂最小力相同，均為16.25 N，赤道部分半徑為14.44 mm，袋中袋內袋與單粒葡萄接觸面積取S/2，計算得pmax=24.8 kPa，即充氣氣壓不能超過24.8 kPa。

考慮到充氣完畢后葡萄在落入收集筐的瞬間，袋內氣壓會由于撞擊急劇增大，通過試驗來確定最佳充氣氣壓。選擇大小相近、成熟度一致的巨峰葡萄60串，分為12組，每組5串。1組作為對照組，不做處理，其余11組作為試驗組，試驗跌落高度設置600 mm(鮮食葡萄袋中袋包裝裝置與收集筐高度為300～600 mm可調節，600 mm為最高跌落高度)。對照組不跌落，試驗組同時進行跌落試驗，其余11組向袋內充氣至袋內氣壓分別為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 kPa。跌落保護效果通過表面破裂指數[16]、表面硬度[17]、質量損失率[18]和穿刺破裂力4個損傷指標來衡量：

(1)表面破裂指數反映破裂損傷。把跌落后葡萄裂縫長度劃為4個等級：0級，未破裂；1級，裂縫長度占葡萄縱向直徑的0～10%；2級，裂縫長度占葡萄縱向直徑的10%～30%；3級，裂縫長度超過30%。通過細線測量裂縫長度和葡萄周長，計算表面破裂指數，表面破裂指數的計算公式為

(5)

式中Is——表面損傷指數

li——破裂級別mt——總果實數

mi——該級破裂果實數

(2)表面硬度反映擠壓損傷。采用島津(日本)質構儀測量跌落試驗后未破裂的葡萄赤道部分表面硬度，設定圓形平板探頭(直徑50 mm)，速度為0.25 mm/s。每串取10粒未破裂的葡萄進行測量。

(3)質量損失率反映脫粒損傷。用天平測量每串葡萄跌落前后的質量。計算公式為

(6)

式中rm——質量損失率，%

mf——跌落前質量，kg

ma——跌落后質量，kg

(4)穿刺破裂力反映果實口感[19]。采用島津(日本)質構儀測量跌落后未破裂的赤道部分穿刺破裂力，選取柱形探頭(直徑2 mm)，速度為0.25 mm/s。每串取10粒未破裂的葡萄進行測量。

對照組表面破裂指數為0，表面硬度為18.63 N，質量損失率為0，穿刺破裂力為3.25 N。試驗組的損傷指標平均值和方差如圖9。

圖9 不同充氣氣壓下跌落保護效果試驗結果Fig.9 Test results of fall protection effect under different inflation air pressures

充氣氣壓為4 kPa時，表面破裂指數低于其他幾組，只有2.3%，保護效果最好。

充氣氣壓低于2 kPa時，葡萄的表面硬度較低，說明充入氣壓較低，葡萄果粒與地面發生碰撞導致保護效果不佳，充氣氣壓超過6 kPa，表面硬度下降，說明充入氣壓過高，葡萄在跌落過程中袋中袋受到撞擊時氣壓過大，內袋擠壓葡萄，表面硬度下降。

充氣氣壓為3～5 kPa時，質量損失率較低，均保持在5%上下，4 kPa時質量損失率最低，為3.1%，低于2 kPa或超過6 kPa，質量損失率較高，說明充入氣壓過低或過高，在跌落的瞬間造成葡萄較為嚴重的脫粒損傷。

對于跌落未破裂的葡萄，充入氣壓對穿刺破裂力基本無影響，即口感基本不會改變。

綜上所述，充氣氣壓為4 kPa時，表面破裂指數為2.3%，表面硬度為15.1 N，質量損失率為3.1%，穿刺破裂力為2.95 N，保護效果最佳。

2.3 吸盤直徑和撐袋距離確定

為保證機械臂夾持鮮食葡萄釋放落入袋中時撐袋過程能夠保持袋中袋不掉落，對撐袋過程中袋中袋受力分析，如圖10所示。在撐袋過程中，4個吸盤與袋中袋形成4點接觸，果實重力為G，袋中袋的質量可以忽略，吸盤與袋中袋的摩擦力為Ff，吸盤吸力為Fs，吸盤吸牢袋中袋且不掉落的臨界條件：果實重力小于等于袋中袋與吸盤之間產生的最大靜摩擦力[20-21]。

圖10 撐袋過程袋中袋受力分析Fig.10 Force analysis of bag-in-bag in process of bag propping

4個吸盤吸住袋中袋時產生的最小吸力Fs滿足

(7)

式中μ——真空吸盤與袋中袋的摩擦因數

葡萄質量在0.2～2 kg之間，μ在0.8左右，取葡萄質量為2 kg，摩擦因數為0.8，可得Fs=6.125 N，即在選擇氣動裝置時，為保證撐袋裝置穩定性，要求每個吸盤均至少能提供6.125 N的吸力?？諌簷C氣壓為800 kPa，真空發生器最大負壓為-800 kPa，采用豎直起吊方式，如圖11，所購買吸盤內負壓為真空發生器負壓的70%。

圖11 起吊方式示意圖Fig.11 Diagram of lifting method

為保證撐袋過程中葡萄落入袋內時袋中袋不跌落，需確定吸盤直徑。

根據機器人真空泵選型得吸盤直徑的計算公式為

(8)

其中pk=(0.63～0.95)pv

(9)

式中D——吸盤直徑，mm

W——吸盤吸取物體的重力，N

t1——安全系數，水平起吊時，t1≥4，豎直起吊時，t1≥8

ni——吸盤個數

pk——吸盤內真空度，kPa

pv——真空發生器或真空泵最大負壓，kPa

得出吸盤直徑應大于28.46 mm，因此，選擇標準吸盤直徑為30 mm。

撐袋過程中為了保證袋口能夠撐至最大，需要對撐袋距離和同側吸盤距離進行確定，撐袋過程中吸盤移動俯視圖如圖12，同側吸盤距離為c，兩側吸盤距離為a，撐袋距離為b，在撐袋過程中，撐袋電缸控制撐袋吸盤回縮，慢慢將袋中袋打開，袋口周長保持500 mm不變，為了使袋口內接圓直徑最大，在吸盤移動過程中，內接圓直徑r=min(a,b)不斷變化，當a=b時，內接圓直徑最大，r=125 mm，同側吸盤距離c為95 mm。

圖12 撐袋過程中吸盤移動俯視圖Fig.12 Top view of suction cup movement in process of bag support

2.4 最佳充氣時間確定

不同體積的葡萄裝到相同大小的袋中，為保證充氣完畢后能夠達到最優的保護效果，向袋內充氣時間是不同的，由于袋中袋單向進氣的特點，不將其戳破很難得到其內部的氣壓，通過試驗來分析葡萄體積與充氣時間的關系，根據葡萄體積自調節最優充氣時間，保證每一串葡萄在包裝完畢后都能達到最佳的保護效果。

準備25串體積不同、新鮮的巨峰葡萄，通過深度相機正對葡萄250 mm拍照，圖像處理獲取果實圖像大小信息(白色像素點個數表示圖像中葡萄面積)，如圖13，通過排水法測量葡萄體積，再將已知體積的葡萄裝入袋中袋內，進行充氣，通過氣壓表連接氣針，將袋戳破，實時測量袋內氣壓，當氣壓為4 kPa時，停止充氣，記錄充氣時間。

圖13 圖像處理獲得葡萄像素點數Fig.13 Image processing to obtain number of grape pixel points

根據試驗數據建立果實圖像大小與充氣時間的關系模型

t=6.89×10-10Pi-2.37×10-4Pi+25.99

(10)

式中t——充氣時間，s

Pi——葡萄圖像像素點數

擬合曲線如圖14所示。

圖14 葡萄像素點數與充氣時間關系曲線Fig.14 Curve of grape pixel count versus inflation time

鮮食葡萄袋中袋包裝裝置的自調節充氣原理如下：單片機接收到PC端返回的果實圖像大小信息，根據式(10)計算該串葡萄所需充氣時間，通過控制電磁閥的關斷時間來控制充氣時間，完成自動充氣過程。

3 控制系統設計

鮮食葡萄袋中袋包裝裝置與機械臂協同工作，可實現鮮食葡萄的無損采收包裝，整體控制流程如圖15。

圖15 控制系統流程圖Fig.15 Control system flow chart

機械臂通過PC端控制，袋中袋包裝裝置控制系統程序采用C語言在Keil u Vision 5開發環境中編寫，以正點原子STM32F103ZET6開發板為核心，主程序調動相應的若干模塊實現整個袋中袋收集、充氣和包裝過程。

控制過程：在葡萄采摘過程中，首先，位于機械臂末端的深度相機識別到葡萄后移動至距離葡萄25 cm處，正對葡萄拍攝圖像，將圖像傳輸至上位機，上位機圖像處理后獲取葡萄位置和果實圖像大小信息，同時，袋中袋包裝裝置完成取袋和撐袋動作，當撐袋準備完畢后，裝置向單片機發送完成指令，單片機判斷機械臂是否移動到袋中袋上方，若未完成，繼續等待，若已就位，機械臂釋放葡萄，落入袋中。高壓充氣噴頭下落，等待單片機發送充氣時間信息，接收到信息后，按照此時間控制充氣噴頭的開關，完成充氣過程，實現鮮食葡萄無損采收。

4 試驗

4.1 試驗結果

選購40串成熟度一致、表面無損傷的巨峰葡萄進行包裝跌落保護試驗，樣品質量為0.30～0.65 kg，機械與人工各包裝20串后進行跌落保護試驗，跌落高度設置為300 mm。袋中袋包裝裝置樣機如圖16。

圖16 鮮食葡萄袋中袋包裝裝置Fig.16 Fresh grapes bag-in-bag packaging device1.單面刀片 2.充氣機構 3.電缸支架 4.袋中袋 5.儲袋箱 6.聯軸器 7.旋轉電機 8.連接桿 9.深度相機 10.真空吸盤 11.機械臂

通過包裝試驗考核樣機的平均包裝時長、平均氣壓偏差率、平均表面破裂率、平均脫粒率、工作效率和包裝合格率。機械包裝結果如圖17，包裝試驗結束后將葡萄取出，機械包裝與人工包裝的鮮食葡萄損傷情況對比如圖18，試驗結果如表2。

圖17 包裝結果Fig.17 Packaging result1.袋中袋 2.氣針 3.巨峰葡萄 4.軟PU管 5.數字氣壓表

圖18 機械與人工包裝對比Fig.18 Mechanical and manual packaging comparison charts

表2 機械與人工包裝試驗結果Tab.2 Mechanical and manual packaging test results

平均包裝時長ts為

(11)

式中ti——第i串葡萄包裝時長，s

n——試驗葡萄串數，取20

最大氣壓偏差pm為

pm=max(|pi-ps|)

(12)

式中pi——第i串葡萄袋內氣壓，Pa

ps——標準氣壓，取4 kPa

平均氣壓偏差率dp為

(13)

平均表面破裂率rd為

(14)

式中ci——第i串葡萄破裂粒數

ai——第i串葡萄總粒數

平均脫粒率rf為

(15)

式中fi——第i串葡萄脫粒數

工作效率e為

(16)

包裝合格率dq為

(17)

式中nq——未脫粒、未破裂的葡萄總串數

4.2 結果分析

由表2可知，鮮食葡萄袋中袋包裝裝置平均包裝時長為28.4 s，試驗過程中機械連續工作，運行平穩，最大氣壓偏差為0.2 kPa，平均氣壓偏差率為1.1%，平均表面破裂指數為1.5%，平均脫粒率為0.2%，每小時可包裝126串，包裝合格率為95%。人工平均單果包裝時間為24.6 s，最大氣壓偏差為1.8 kPa,平均氣壓偏差率為11.4%，平均表面破裂率為6.1%，平均脫粒率為0.8%，每小時可包裝145串，包裝合格率為70%。袋中袋包裝裝置包裝的最大氣壓偏差、平均氣壓偏差率、平均表面破裂指數和平均脫粒率指標都遠低于人工，充入氣壓穩定，保護效果好。但機械包裝的工作效率略低于人工，可通過改進包裝過程，或者多組機械同時作業提高效率。

5 結論

(1)設計了鮮食葡萄袋中袋包裝裝置，以葡萄表面硬度、質量損失率、表面破裂指數和穿刺破裂力為損傷指標，確定袋中袋包裝裝置最佳充氣氣壓為4 kPa，通過撐袋過程袋中袋受力分析與袋口形狀分析，確定吸盤直徑、撐袋距離和同側吸盤距離為30、125、 95 mm。

(2)建立葡萄果實圖像大小與充氣時間的關系模型，保證不同體積的葡萄在充氣包裝完畢后都能達到最優的保護效果。

(3)樣機試驗表明，樣機穩定運轉，平均單果包裝時長為28.4 s，最大氣壓偏差為0.2 kPa，平均氣壓偏差率為1.1%，平均表面破裂指數為1.5%，平均脫粒率為0.2%，每小時可包裝126串，包裝合格率為95%。

(4)機械包裝效果明顯優于人工，降低了勞動強度，但作業效率略低，可通過改進包裝過程或者多組機械共同工作提高作業效率，可為鮮食葡萄自動化無損采收提供參考。