一种番茄采摘机构

刘富成 田壮 西北农林科技大学

引言

据不完全统计，全世界番茄总产量约为5000 万吨每年。而我国则占了七百万吨每年。番茄采摘作业是我国当前果蔬生产过程中比较费时和费力的环节。目前，番茄采摘主要依赖于人工作业，由果农直接将番茄从植株上采摘下来。然而人工作业存在成本偏高、劳动强度大、而且采摘不及时等弊端。随着自动化技术的发展，自动化采摘作业逐渐代替人类进行作业，进行番茄采摘作业自动化的研究对于社会具有重要的现实意义。

然而，番茄的大小和颜色呈现非规则性。其复杂的生长环境和生长结构为番茄的采摘带来了诸多的不便，实际的番茄采摘项目或采摘机非常少，本文介绍一种基于视觉处理系统的番茄采摘机构。

1 采摘机构设计

本文介绍了一种番茄采摘机构如图1，包括皮带轮、电机固定丝杠、采摘臂固定丝杠、采摘手、固定框架、第一步进电机、第二步进电机、第一差动连接零件、第二差动连接零件、丝杠固定零件、步进电机固定零件；丝杠通过丝杠固定零件安装在固定框架上；步进电机通过设计的差动连接零件与同步带成十字连接；第一步进电机、第二步进电机分别通过电机固定零件安装在固定框架两端；电机固定丝杠固定在固定框架上；采摘臂固定丝杠通过差动连接零件与电机固定丝杠相互连接；采摘手设计有两凹陷，能够与采摘臂固定丝杠连接。这种采摘机可以用于纯劳力采摘番茄的场合。

图1

2 差动正交平面机构原理

当两电机同时顺时针运转x 长时，由于具体各部分皮带轮长度改变量未知，设左上部分两相邻皮带轮改变量分别为-x1，-x2，-x=-x1-x2。左下部分皮带轮改变量分别为x3，x4，x=x3+x4。故由已知可知，两相对皮带轮长度变化分别为a-x1，a+x3，而因为相对皮带轮长度必定相等，有x1 = x3 = 0。故可知在两电机同时顺时针旋转相同长度情况下，机构只做竖直方向运动而水平方向坐标不变。同理可证两电机反向运动相同长度情况下，机构只做水平方向运动而竖直方向坐标不变。

3 具体工作流程

如图2 所示，第一步进电机、第二步进电机同时逆时针等速旋转时，带动皮带轮转动，皮带轮带动同步带动采摘臂固定丝杠做垂直于地面方向向上的匀速运动；如图3 所示，第一步进电机、第二步进电机同时顺时针等速旋转时，带动皮带轮转动，皮带轮带动同步带带动采摘臂固定丝杠做垂直于地面方向向下的匀速运动。

图2

图3

如图4 所示，第一步进电机做逆时针运动、第二步进电机顺时针等速旋转时，采摘臂固定丝杠做平行于于地面方向向后的匀速运动；如图5 所示，第一步进电机做顺时针运动、第二步进电机逆时针等速旋转时，采摘臂固定丝杠做平行于于地面方向向前的匀速运动。

图3

图4

当第一、第二步进电机通电后，视觉传感器接收到番茄颜色信号时，根据番茄位置相对于机身的不同，第一步进电机，第二步进电机根据信号给出的坐标位置，在竖直运动到某一位置，再水平平移某一距离。使采摘手刀槽卡住番茄枝干，随后第一、第二步进电机适当旋转、使采摘臂按与采摘时路径相反的方向运动直到回到启动点

4 结语

本发明的目的在于提供一种番茄采摘机器设计及其操作方法。该产品采用十字差动控制的方式，增加了采摘臂可达到的空间范围，能够克服现有采摘装置采摘速度较慢、采摘距离较短的缺陷，具有精度高、机械结构巧妙的特点，可以实现准确采摘工作。