2024年1月23日发(作者：禄逸馨)
新闻•視界低驾
HEBEINONGJI摘要:随着我国经济的发展，人们的消费水平不断升级，对水果有了更加严格的要求。我国作为一个农业大
国，农业的发展对经济的发展有很大的影响，为了提高水果的产量，水果套袋技术应运而生,但由于套袋过程过于
烦琐，人工操作的工作效率低，因此我们通过分析水果套袋的工作过程研究出一种水果套袋机器人。本次研究的
水果套袋机器人是对幼果进行套袋，我们主要从水果套袋机器人的执行机构、驱动装置、检测装置、控制系统四个
维度展开分析。关键词:水果套袋;机械结构;避障;机构水果套袋机器人河北农业大学
柏亚萌张德林程园1水果套袋机器人的研究背景及发展现状机中的应用效果优良。推种效果明显。种子的机械操作力小，而
1.1研究背景通过对水果进行套袋处理,能够有效地防止农药、病虫害的
且只要匹配好排种轮转速和推种气流速度。气流对排种均匀度
的影响也可降低到最小％污染,除此之外,对水果进行套袋还形成一种小的“温室”环境,
舷果能够更好的着色，大大提高了水果的品质。可见这一技术
不仅满足了人们的需求，同时还通过高质量的水果提高了市场
2.2果袋撑开机构2.2.1真空负压撑袋这种方法的工作原理是通过对果袋两侧进行真空负压处理
并且通过相应的机械机构产生两个作用相反的力撑开果袋。这
价格。对于水果种植面积比较大的果农来说，水果套袋过程烦
琐,人工套袋将会耗费大量的人力、物力，所以机械化、智能化地
水果套袋是必然的。一方法的优点是撑开果袋的动作易实现，缺点是配备复杂。2.2.2静电撑袋这种方法的工作原理是在果袋口处有相应的机械结构,果
].2发展现状对于国内来说，目前的套袋技术根据套袋的材质可以分为
塑料膜套袋和纸质套袋。目前市场上已有的一些塑料膜套袋机
袋两侧同时装有吸盘，然后利用静电将果袋撑开,这种方法和真
空负压的方法相类似，都是将果袋两侧拉开从而达到撑袋的目
的。械，主要工作原理是用胶棒粘力拉开塑膜袋,用蓄电池通电加热
电热丝来熔合塑膜袋完成封口叫相对于塑料膜套袋，纸质套袋
2.3果袋封口机构2.3.1果袋封口机构弓I用计算机图形处理方法通过模拟人的动作实现机械封口。首先我们引用图形处理
方法中的拓扑图来简单描述实现这一封口过程的演变步骤。第
更加环保,其所运用的机械也有所不同。对于国外来说，这种机器人的总体构造是履带式行走小车
上安装有机械臂，机械臂的末端可以安装多种末端执行器并配
有视觉系统叫一仅有两条边组成的拓扑图只能实现简单的推挤压扁动作，跟
2水果机器人的执行机构其执行机构主要包括果袋分离、运输、撑开、封口四大机构。
人工套袋动作相差甚远,因此应该对缩图扩充，即由最简单的拓
扑图逐渐增加新的节点和边，逐步转化为更复杂、更形象的拓扑
首先水果套袋机器人先将果袋逐个分离开，然后经果袋运输机
构将果运输到下一工作区域，果袋被撑开后将幼果放入袋子中，
最后飜果融行封口。图，以便后期将其特定化叫3水果机器人的驱动装置驱动装置是核心装置,驱动方式可分为气动驱动、电机驱动
和液压驱动。电机驱动方式结构简单、可实现正反转，适合用于
2.1果袋分离和果袋运输机构二者统称为水果机器人的进袋机构，这里主要介绍两种比
小型机器人上;液压驱动方式反应灵敏、精度高,但对工作环境
较常见的工作方法的要求较高;气动系统与液压系统的组成类似。所以我们选用电
动驱动系统作为机器人驱动装置。电动驱动装置的组成要根据
果袋撑开和果袋封口的具体需求进行布置设计。2.1.1辐轮进袋机构这种方法的原理是利用物品在运动过程当中产生的摩擦
力，推进幼果前进完成运输。这类技术的应用比较成熟,使用广
泛，在打印机、复印机上使用最为普遍叫该方法优点是能够方
便纸袋的运输，缺点是容易发生多张纸同时运输的卡死现象。
因此这种装置方案对装置精度要求较高，成功分离进给的可靠
4水果套袋机器人的检测装置水果采摘机器人的检测装置主要的组成是其视觉系统，在
进行套袋前,第一步是进行目标识别,即从视觉系统获取的原始
图像中分离出识别的幼果背景环境。常有的方法有阈值分割、
性与辐轮的正压力和转速相关，装置可实现精细可靠进纸，输
K-means聚类算法、人工神经网络和K最近临法（KNN）等叫
识
别到幼果的图像后,对其进行定位,采用类似包围盒的方法,用
出精度较高叫2.1.2气流进袋机构这种方法的原理是通过气流推动物品。气吹式装置在播种
38
斫*衣祖
2021年第3期略大于果实最大轮廓的球包围果实，用球心和半径定位即可确
定位置叫基于视觉的目标识别和产品检测技术已经得到了深入
的研究和广泛的应用，如康耐视、美国国家仪器(NI)、基恩士等
知名公司在机器视觉领域具有很深入的研究。机器人的视觉系
统作用好比人的眼睛,首先获取套袋时的周围环境信息,然后进
行图像处理,计算出障碍物距离,找出一条准确越过障碍物到达
最终套袋的作业位置，然后驱动电机,机器人向前行驶和转向，
实现避障。避障系统的软件设计是ARM+DSP双核内部通信设计，其原
理是两个CPU通过共享数据实现数据込，首先一方通过发送
中断信号来通知对方取走数据，另一方进入中断服务程序完成
接收数据叫避障控制系统要保证避障过程当中的路径最短、消
耗最少，因此除了基本的避障设计,还要制定正确的避障策略。
对苹果而言，机器人主要识别的是未套袋幼果和其他(树叶、枝
干和已套袋的幼果和纸袋)，在此我们介绍一种全局法避障又称
C-空间。首先根据障碍物信息建立C-空间然后利用栅格法对
空间进行规划,即将空间划分为大小相同的栅格撚后对栅格信
息进行编码处理。最后_步就是搜索障碍起点到终点的路径，借
用A*算法进行搜索A*算法的估计函数为y*(x)=g*(x)+h*(x)^此
算法得到的最短路径为离散的点。5水果套袋机器人的控制系统要保证水果套袋机器人完成套袋，需要预先通过控制系统
设定好相应的时间参数和运动轨迹，进袋和撑袋环节需要设置
开始和终止的时间。在撑袋时选用真空负压方式,需要控制回路
中电磁转换阀的通断来控制气缸的起停。在封口的过程中，需要
两对等驱动力，通过控制系统控制将这对两等驱动力合二为一，
简化了工作过程,提高了工作效率。控制系统的核心是PLC控制和单片机，单片机常用在小型
的控制系统当中，是一个小而完善的计算机系统,功能强大，成
本却很低廉，其应用渗透到我们生活的各个领域。PLC是可编程
逻辑控制器的简称，可进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算
数操作等，可靠性好,但成本较高,多用于机械化生产的过程控
制问。对于水果套袋机器人来说，控制的主要是动作起停和换向
阀的工作状态,因此单片机更适用于控制系统应用。6机器人电机和减速器的选择在关节型机器人中RV减速器具有更高的刚度和回转精度，
且传动比较大(30-260),因此常用作减速；RV减速器的结构比
谐波减速器要复杂得多,生产成本也髙，因此在工业机器人领域
常用于S、L、U三个大惯量高扭矩关节。我们选择伺服电机作为套袋机器人的电机。对电机的要求
有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广
且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器(手爪)应采用
体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时,伺服电
动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过
载能力。这的服电动机在工业机器人中应用的先决条件。7结语本文概述了套袋机器人的组成部分，并对各个部分都提出
了相应的方案设计，我们以幼果作为研究对象，确定了工作步
骤,并对工作步骤展开了相关的方案论述,最后分析了机器人的
电机和减速器的选择。而选择幼果时期套袋可以很大部分地隔
绝农药和病虫害的污染，因此实现幼果套袋机械化、智能化是必
HEBEINONGJI新闻•视界要的。参考文献：[1]
方泯鹏.水果套袋机械的关键技术研究[D].浙江理工大学,
2011.[2]
王胜会.水果套袋机器人的开发设计及研究[D].燕山大学,
2016.国三星电子株式会社.激光打印机的进纸机构[P].韩国,
98116950.3,2002.63[4]
王冰，王兆伍.复印机摩擦力分离进纸的数值模拟[J].重庆
理工大学学报(自然科学),2010(3):96-99.[5]
玉芝，李成华.倾斜圆盘气吹式播种装置的排种性能试验
Q].农机化研究,2008,(08):130-133.[6]
丁华锋潢真，曹毅.运动链拓扑图的自动生成及图谱库的
建立°].机械工程学报,2006,42(4)
:32~35,[7]
明博.玉米生长异常诊断防治决策技术研究[D].北京:中国
农业科学院,2015.[8]
王丹丹，宋怀波,何东健.苹果采摘机器人视觉系统研究进
展Q].农业工程学报,2017,33(10):59-69.[9]
刘继修.PLC应用系统设计[M]福州：福建科学技术出版
社,2007.[10]
阮友德，等.PLC基础实训教程[M].北京：人民邮电出版
社,2007.2021年第3期
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2024年1月23日发(作者：禄逸馨)
新闻•視界低驾
HEBEINONGJI摘要:随着我国经济的发展，人们的消费水平不断升级，对水果有了更加严格的要求。我国作为一个农业大
国，农业的发展对经济的发展有很大的影响，为了提高水果的产量，水果套袋技术应运而生,但由于套袋过程过于
烦琐，人工操作的工作效率低，因此我们通过分析水果套袋的工作过程研究出一种水果套袋机器人。本次研究的
水果套袋机器人是对幼果进行套袋，我们主要从水果套袋机器人的执行机构、驱动装置、检测装置、控制系统四个
维度展开分析。关键词:水果套袋;机械结构;避障;机构水果套袋机器人河北农业大学
柏亚萌张德林程园1水果套袋机器人的研究背景及发展现状机中的应用效果优良。推种效果明显。种子的机械操作力小，而
1.1研究背景通过对水果进行套袋处理,能够有效地防止农药、病虫害的
且只要匹配好排种轮转速和推种气流速度。气流对排种均匀度
的影响也可降低到最小％污染,除此之外,对水果进行套袋还形成一种小的“温室”环境,
舷果能够更好的着色，大大提高了水果的品质。可见这一技术
不仅满足了人们的需求，同时还通过高质量的水果提高了市场
2.2果袋撑开机构2.2.1真空负压撑袋这种方法的工作原理是通过对果袋两侧进行真空负压处理
并且通过相应的机械机构产生两个作用相反的力撑开果袋。这
价格。对于水果种植面积比较大的果农来说，水果套袋过程烦
琐,人工套袋将会耗费大量的人力、物力，所以机械化、智能化地
水果套袋是必然的。一方法的优点是撑开果袋的动作易实现，缺点是配备复杂。2.2.2静电撑袋这种方法的工作原理是在果袋口处有相应的机械结构,果
].2发展现状对于国内来说，目前的套袋技术根据套袋的材质可以分为
塑料膜套袋和纸质套袋。目前市场上已有的一些塑料膜套袋机
袋两侧同时装有吸盘，然后利用静电将果袋撑开,这种方法和真
空负压的方法相类似，都是将果袋两侧拉开从而达到撑袋的目
的。械，主要工作原理是用胶棒粘力拉开塑膜袋,用蓄电池通电加热
电热丝来熔合塑膜袋完成封口叫相对于塑料膜套袋，纸质套袋
2.3果袋封口机构2.3.1果袋封口机构弓I用计算机图形处理方法通过模拟人的动作实现机械封口。首先我们引用图形处理
方法中的拓扑图来简单描述实现这一封口过程的演变步骤。第
更加环保,其所运用的机械也有所不同。对于国外来说，这种机器人的总体构造是履带式行走小车
上安装有机械臂，机械臂的末端可以安装多种末端执行器并配
有视觉系统叫一仅有两条边组成的拓扑图只能实现简单的推挤压扁动作，跟
2水果机器人的执行机构其执行机构主要包括果袋分离、运输、撑开、封口四大机构。
人工套袋动作相差甚远,因此应该对缩图扩充，即由最简单的拓
扑图逐渐增加新的节点和边，逐步转化为更复杂、更形象的拓扑
首先水果套袋机器人先将果袋逐个分离开，然后经果袋运输机
构将果运输到下一工作区域，果袋被撑开后将幼果放入袋子中，
最后飜果融行封口。图，以便后期将其特定化叫3水果机器人的驱动装置驱动装置是核心装置,驱动方式可分为气动驱动、电机驱动
和液压驱动。电机驱动方式结构简单、可实现正反转，适合用于
2.1果袋分离和果袋运输机构二者统称为水果机器人的进袋机构，这里主要介绍两种比
小型机器人上;液压驱动方式反应灵敏、精度高,但对工作环境
较常见的工作方法的要求较高;气动系统与液压系统的组成类似。所以我们选用电
动驱动系统作为机器人驱动装置。电动驱动装置的组成要根据
果袋撑开和果袋封口的具体需求进行布置设计。2.1.1辐轮进袋机构这种方法的原理是利用物品在运动过程当中产生的摩擦
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泛，在打印机、复印机上使用最为普遍叫该方法优点是能够方
便纸袋的运输，缺点是容易发生多张纸同时运输的卡死现象。
因此这种装置方案对装置精度要求较高，成功分离进给的可靠
4水果套袋机器人的检测装置水果采摘机器人的检测装置主要的组成是其视觉系统，在
进行套袋前,第一步是进行目标识别,即从视觉系统获取的原始
图像中分离出识别的幼果背景环境。常有的方法有阈值分割、
性与辐轮的正压力和转速相关，装置可实现精细可靠进纸，输
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识
别到幼果的图像后,对其进行定位,采用类似包围盒的方法,用
出精度较高叫2.1.2气流进袋机构这种方法的原理是通过气流推动物品。气吹式装置在播种
38
斫*衣祖
2021年第3期略大于果实最大轮廓的球包围果实，用球心和半径定位即可确
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知名公司在机器视觉领域具有很深入的研究。机器人的视觉系
统作用好比人的眼睛,首先获取套袋时的周围环境信息,然后进
行图像处理,计算出障碍物距离,找出一条准确越过障碍物到达
最终套袋的作业位置，然后驱动电机,机器人向前行驶和转向，
实现避障。避障系统的软件设计是ARM+DSP双核内部通信设计，其原
理是两个CPU通过共享数据实现数据込，首先一方通过发送
中断信号来通知对方取走数据，另一方进入中断服务程序完成
接收数据叫避障控制系统要保证避障过程当中的路径最短、消
耗最少，因此除了基本的避障设计,还要制定正确的避障策略。
对苹果而言，机器人主要识别的是未套袋幼果和其他(树叶、枝
干和已套袋的幼果和纸袋)，在此我们介绍一种全局法避障又称
C-空间。首先根据障碍物信息建立C-空间然后利用栅格法对
空间进行规划,即将空间划分为大小相同的栅格撚后对栅格信
息进行编码处理。最后_步就是搜索障碍起点到终点的路径，借
用A*算法进行搜索A*算法的估计函数为y*(x)=g*(x)+h*(x)^此
算法得到的最短路径为离散的点。5水果套袋机器人的控制系统要保证水果套袋机器人完成套袋，需要预先通过控制系统
设定好相应的时间参数和运动轨迹，进袋和撑袋环节需要设置
开始和终止的时间。在撑袋时选用真空负压方式,需要控制回路
中电磁转换阀的通断来控制气缸的起停。在封口的过程中，需要
两对等驱动力，通过控制系统控制将这对两等驱动力合二为一，
简化了工作过程,提高了工作效率。控制系统的核心是PLC控制和单片机，单片机常用在小型
的控制系统当中，是一个小而完善的计算机系统,功能强大，成
本却很低廉，其应用渗透到我们生活的各个领域。PLC是可编程
逻辑控制器的简称，可进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算
数操作等，可靠性好,但成本较高,多用于机械化生产的过程控
制问。对于水果套袋机器人来说，控制的主要是动作起停和换向
阀的工作状态,因此单片机更适用于控制系统应用。6机器人电机和减速器的选择在关节型机器人中RV减速器具有更高的刚度和回转精度，
且传动比较大(30-260),因此常用作减速；RV减速器的结构比
谐波减速器要复杂得多,生产成本也髙，因此在工业机器人领域
常用于S、L、U三个大惯量高扭矩关节。我们选择伺服电机作为套袋机器人的电机。对电机的要求
有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广
且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器(手爪)应采用
体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时,伺服电
动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过
载能力。这的服电动机在工业机器人中应用的先决条件。7结语本文概述了套袋机器人的组成部分，并对各个部分都提出
了相应的方案设计，我们以幼果作为研究对象，确定了工作步
骤,并对工作步骤展开了相关的方案论述,最后分析了机器人的
电机和减速器的选择。而选择幼果时期套袋可以很大部分地隔
绝农药和病虫害的污染，因此实现幼果套袋机械化、智能化是必
HEBEINONGJI新闻•视界要的。参考文献：[1]
方泯鹏.水果套袋机械的关键技术研究[D].浙江理工大学,
2011.[2]
王胜会.水果套袋机器人的开发设计及研究[D].燕山大学,
2016.国三星电子株式会社.激光打印机的进纸机构[P].韩国,
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王冰，王兆伍.复印机摩擦力分离进纸的数值模拟[J].重庆
理工大学学报(自然科学),2010(3):96-99.[5]
玉芝，李成华.倾斜圆盘气吹式播种装置的排种性能试验
Q].农机化研究,2008,(08):130-133.[6]
丁华锋潢真，曹毅.运动链拓扑图的自动生成及图谱库的
建立°].机械工程学报,2006,42(4)
:32~35,[7]
明博.玉米生长异常诊断防治决策技术研究[D].北京:中国
农业科学院,2015.[8]
王丹丹，宋怀波,何东健.苹果采摘机器人视觉系统研究进
展Q].农业工程学报,2017,33(10):59-69.[9]
刘继修.PLC应用系统设计[M]福州：福建科学技术出版
社,2007.[10]
阮友德，等.PLC基础实训教程[M].北京：人民邮电出版
社,2007.2021年第3期
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