劉富成 田壯 西北農(nóng)林科技大學(xué)

引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界番茄總產(chǎn)量約為5000 萬(wàn)噸每年。而我國(guó)則占了七百萬(wàn)噸每年。番茄采摘作業(yè)是我國(guó)當(dāng)前果蔬生產(chǎn)過(guò)程中比較費(fèi)時(shí)和費(fèi)力的環(huán)節(jié)。目前，番茄采摘主要依賴(lài)于人工作業(yè)，由果農(nóng)直接將番茄從植株上采摘下來(lái)。然而人工作業(yè)存在成本偏高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、而且采摘不及時(shí)等弊端。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化采摘作業(yè)逐漸代替人類(lèi)進(jìn)行作業(yè)，進(jìn)行番茄采摘作業(yè)自動(dòng)化的研究對(duì)于社會(huì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

然而，番茄的大小和顏色呈現(xiàn)非規(guī)則性。其復(fù)雜的生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)為番茄的采摘帶來(lái)了諸多的不便，實(shí)際的番茄采摘項(xiàng)目或采摘機(jī)非常少，本文介紹一種基于視覺(jué)處理系統(tǒng)的番茄采摘機(jī)構(gòu)。

1 采摘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文介紹了一種番茄采摘機(jī)構(gòu)如圖1，包括皮帶輪、電機(jī)固定絲杠、采摘臂固定絲杠、采摘手、固定框架、第一步進(jìn)電機(jī)、第二步進(jìn)電機(jī)、第一差動(dòng)連接零件、第二差動(dòng)連接零件、絲杠固定零件、步進(jìn)電機(jī)固定零件；絲杠通過(guò)絲杠固定零件安裝在固定框架上；步進(jìn)電機(jī)通過(guò)設(shè)計(jì)的差動(dòng)連接零件與同步帶成十字連接；第一步進(jìn)電機(jī)、第二步進(jìn)電機(jī)分別通過(guò)電機(jī)固定零件安裝在固定框架兩端；電機(jī)固定絲杠固定在固定框架上；采摘臂固定絲杠通過(guò)差動(dòng)連接零件與電機(jī)固定絲杠相互連接；采摘手設(shè)計(jì)有兩凹陷，能夠與采摘臂固定絲杠連接。這種采摘機(jī)可以用于純勞力采摘番茄的場(chǎng)合。

圖1

2 差動(dòng)正交平面機(jī)構(gòu)原理

當(dāng)兩電機(jī)同時(shí)順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)x 長(zhǎng)時(shí)，由于具體各部分皮帶輪長(zhǎng)度改變量未知，設(shè)左上部分兩相鄰皮帶輪改變量分別為-x1，-x2，-x=-x1-x2。左下部分皮帶輪改變量分別為x3，x4，x=x3+x4。故由已知可知，兩相對(duì)皮帶輪長(zhǎng)度變化分別為a-x1，a+x3，而因?yàn)橄鄬?duì)皮帶輪長(zhǎng)度必定相等，有x1 = x3 = 0。故可知在兩電機(jī)同時(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)相同長(zhǎng)度情況下，機(jī)構(gòu)只做豎直方向運(yùn)動(dòng)而水平方向坐標(biāo)不變。同理可證兩電機(jī)反向運(yùn)動(dòng)相同長(zhǎng)度情況下，機(jī)構(gòu)只做水平方向運(yùn)動(dòng)而豎直方向坐標(biāo)不變。

3 具體工作流程

如圖2 所示，第一步進(jìn)電機(jī)、第二步進(jìn)電機(jī)同時(shí)逆時(shí)針等速旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶輪帶動(dòng)同步帶動(dòng)采摘臂固定絲杠做垂直于地面方向向上的勻速運(yùn)動(dòng)；如圖3 所示，第一步進(jìn)電機(jī)、第二步進(jìn)電機(jī)同時(shí)順時(shí)針等速旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶輪帶動(dòng)同步帶帶動(dòng)采摘臂固定絲杠做垂直于地面方向向下的勻速運(yùn)動(dòng)。

圖2

圖3

如圖4 所示，第一步進(jìn)電機(jī)做逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)、第二步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針等速旋轉(zhuǎn)時(shí)，采摘臂固定絲杠做平行于于地面方向向后的勻速運(yùn)動(dòng)；如圖5 所示，第一步進(jìn)電機(jī)做順時(shí)針運(yùn)動(dòng)、第二步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針等速旋轉(zhuǎn)時(shí)，采摘臂固定絲杠做平行于于地面方向向前的勻速運(yùn)動(dòng)。

圖3

圖4

當(dāng)?shù)谝?、第二步進(jìn)電機(jī)通電后，視覺(jué)傳感器接收到番茄顏色信號(hào)時(shí)，根據(jù)番茄位置相對(duì)于機(jī)身的不同，第一步進(jìn)電機(jī)，第二步進(jìn)電機(jī)根據(jù)信號(hào)給出的坐標(biāo)位置，在豎直運(yùn)動(dòng)到某一位置，再水平平移某一距離。使采摘手刀槽卡住番茄枝干，隨后第一、第二步進(jìn)電機(jī)適當(dāng)旋轉(zhuǎn)、使采摘臂按與采摘時(shí)路徑相反的方向運(yùn)動(dòng)直到回到啟動(dòng)點(diǎn)

4 結(jié)語(yǔ)

本發(fā)明的目的在于提供一種番茄采摘機(jī)器設(shè)計(jì)及其操作方法。該產(chǎn)品采用十字差動(dòng)控制的方式，增加了采摘臂可達(dá)到的空間范圍，能夠克服現(xiàn)有采摘裝置采摘速度較慢、采摘距離較短的缺陷，具有精度高、機(jī)械結(jié)構(gòu)巧妙的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確采摘工作。