基于高速攝影的油茶果機(jī)械采摘受力分析

陳 斌，饒洪輝，張立勇，黃登昇，劉木華

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，南昌 330045)

0 引言

油茶樹是一種珍貴的油料作物，茶油營養(yǎng)價值豐富，油中不飽和脂肪酸含量高達(dá)80%以上[1]。油茶樹主要分布在我國南方，在江西由于氣候適宜和政府的扶持，已經(jīng)得到了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。近年來，農(nóng)村勞動力短缺，人工采摘效率低下，勞動力成本提高，這些因素限制了油茶果的采摘，成為油茶產(chǎn)業(yè)化的一個瓶頸[2]。在果類生產(chǎn)過程中，采摘是最耗時、耗力的環(huán)節(jié)之一[3]，用機(jī)械采摘方式代替人工采摘成為迫切的要求。在國內(nèi)，由于油茶果多分布在南方，多山地和丘陵地帶，山地果園果樹種植過于密集限制了山地果園機(jī)械化的發(fā)展。我國雖然研制出了許多果園機(jī)械，但大部分都與大功率拖拉機(jī)匹配，而這些大型機(jī)器很難在狹窄的坡地果園中作業(yè)，導(dǎo)致研制出的機(jī)具用途有限。因此，果園機(jī)械的研發(fā)應(yīng)向輕便、小巧的方向發(fā)展[4]。中南林業(yè)大學(xué)高自成等人設(shè)計了一種齒梳回轉(zhuǎn)式油茶果采摘機(jī)，先由人操作多自由度機(jī)械臂進(jìn)入油茶樹合適的采摘位置，通過采摘頭的回轉(zhuǎn)運(yùn)動實現(xiàn)采果。試驗表明：當(dāng)齒梳式采摘頭上升速度約為0. 8m/s、采摘頭回轉(zhuǎn)速度為15r/min左右時，既可獲得較高的采摘效率，又能將漏摘率問題控制在3. 2%以內(nèi)，且保證油茶花苞的損傷率控制在 3% 以內(nèi)[5]。程學(xué)良等建立了兩自由度的曲柄連桿式采摘機(jī)[6]，分析了不同夾持高度對采摘機(jī)和油茶果樹振動的影響。王朋輝等設(shè)計了一種適用于林果采收的擺動式林果采摘頭，并對該采摘頭進(jìn)行了動力學(xué)分析和動力選型[7]。江西農(nóng)業(yè)大學(xué)張立勇等設(shè)計了一種適合園藝化栽培的履帶式油茶果采摘機(jī)[8]，并在 ADMAS 軟件中對機(jī)械臂參數(shù)化并進(jìn)行試驗設(shè)計和優(yōu)化仿真，同時設(shè)計了平行膠輥采摘機(jī)械。羅時挺等設(shè)計了一款齒梳撥刀式油茶果采摘裝置[9]，并對齒梳撥刀撥果原理進(jìn)行分析，得出了影響撥刀采摘效果的主要因素，并對撥刀前端點(diǎn)的速度和加速度進(jìn)行了仿真分析。以上油茶果采摘機(jī)械實現(xiàn)了對油茶果的采摘，然而對采摘過程中花苞損傷機(jī)理還未進(jìn)行深入研究。油茶果具有花果同期的特性，即成熟油茶果與油茶花苞同樹同枝，如果在機(jī)械采摘過程花苞的損傷會影響來年油茶果的產(chǎn)量[10]?；谶@種特性，在機(jī)械采摘過程中要求對油茶果沖擊力小、動量小、采摘效率高。高速攝影相機(jī)PCO1200s每秒鐘能夠拍攝1 000張圖片，提供了豐富的圖像信息，借助運(yùn)動圖像分析軟件Image pro plus可以對選定的目標(biāo)進(jìn)行軌跡追蹤和測量，包括坐標(biāo)位置、速度、加速度、角度、角速度、角加速度及移動距離等多組數(shù)據(jù)[11]。本文利用高速相機(jī)PCO1200S和image Pro plus軟件對油茶果機(jī)械采摘機(jī)理進(jìn)行分析，旨在探討油茶果與機(jī)械采摘裝置相互作用部位及作用效果，為油茶果機(jī)械采摘裝置設(shè)計提供參考。

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 試驗裝置介紹

1.1.1 旋轉(zhuǎn)式膠輥采摘機(jī)裝置

旋轉(zhuǎn)式膠輥采摘機(jī)主要由直流電機(jī)作為裝置的驅(qū)動，包括上下兩組旋轉(zhuǎn)膠輥，每組膠輥又含3小組膠輥，呈120°分布。這樣設(shè)計相比每組一個膠輥能提高采摘效率，如圖1所示。旋轉(zhuǎn)膠輥通過軸承固定在兩側(cè)腹板，腹板固定到支架上，同時有4個可行走、帶有制動的腳輪，以便搬運(yùn)。

1.旋轉(zhuǎn)膠輥 2.電機(jī) 3.支架

1.1.2 齒梳式撥刀式采摘機(jī)裝置

齒梳撥刀油茶果采摘裝置主要由采摘頭、撥刀、拉線及長桿等結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。

1撥刀 2.彈簧 3.長桿

1.1.3 平行膠輥式采摘裝置

平行膠輥式采摘機(jī)械裝置由一組相互平行的膠輥、拉環(huán)、長桿等組成，如圖3所示。

1.平行膠輥 2.拉桿 3.長桿

1.2 高速攝影和image Pro plus軟件介紹

1.2.1 高速攝影

高速攝影相機(jī)是高速記錄運(yùn)動物體影像的光學(xué)攝影儀器，由光學(xué)系統(tǒng)、快門、輸片和收片機(jī)構(gòu)、機(jī)架和時間控制機(jī)構(gòu)等部分組成。高速攝影技術(shù)的應(yīng)用從軍用到民用，從工業(yè)到化學(xué)、生物學(xué)，從宏觀機(jī)械運(yùn)動到微觀機(jī)理的分析，研究的范圍和內(nèi)容日益廣泛和深入，功能日趨強(qiáng)大。目前，高速攝影技術(shù)時間分辨率已經(jīng)突破10-12s,曝光時間已短至10-13s,甚至更短;幅頻已能達(dá)到10-9幅/s,甚至更多[12 ]。本文中高速攝影相機(jī)拍攝時設(shè)置的分辨率為1 280×1 024，試驗拍攝時間間隔為1ms，幀差設(shè)置為1幀。它以高頻率記錄油茶果采摘脫落過程，視頻圖像通過Camware軟件拍攝并保存[13]。高速攝影試驗裝置主要由高速攝影相機(jī)、PC機(jī)、傳輸電纜及待測試的油茶果采摘機(jī)械組成，如圖4所示。

1.采摘裝置 2.PC機(jī) 3.高速攝影相機(jī) 4.傳輸電纜

1.2.2 Image Pro plus軟件

Image-Pro Plus提供了獲取、增強(qiáng)和分析圖像的藝術(shù)圖像和分析能力，能從照相機(jī)、顯微鏡、錄像機(jī)或掃描儀中獲取圖像數(shù)據(jù)。在Image-Pro Plus軟件可以打開標(biāo)準(zhǔn)的圖像文件格式，如TIFF、JPEG、BMP、TGA等。Image-Pro Plus圖像處理功能十分強(qiáng)大，如圖像增強(qiáng)、手動或自動地跟蹤和計數(shù)對象等，并可用來測量物體屬性，如面積、角度、周長、直徑、圓度和縱橫比,能對物體進(jìn)行測量和追蹤等[14]。

1.3 試驗流程圖

由于膠輥旋轉(zhuǎn)油茶果采摘裝置和平行膠輥油茶果采摘裝置中膠輥對油茶果的作用力F合及齒梳撥刀式油茶果采摘裝置撥刀對油茶果的撥力F作用時間短，難于測量，為了定量研究油茶果所受的沖擊力，采用高速攝影采集油茶果及其采摘裝置作用圖像，借助高速攝影軟件來分析油茶果所受采摘裝置的作用力F合和F，其試驗流程如圖5所示。

圖5 試驗流程圖

2 試驗過程

2.1 油茶果采摘裝置高速攝影

2.1.1 膠輥旋轉(zhuǎn)油茶果采摘裝置高速攝影

從江西農(nóng)業(yè)大學(xué)油茶林中獲得油茶果，高速攝影相機(jī)連接到電腦，打開照明燈光。試驗時，每幅的間隔時間1ms。啟動旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)，將油茶果放入旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)中，開始攝影，油茶果脫落則停止攝影并保存圖像序列。另稱量油茶果質(zhì)量并記錄，用IPP軟件打開TIF格式的圖像序列，找到油茶果開始接觸幀和剛好脫落幀，結(jié)果如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)膠輥部分幀圖像

with rotary rubber roller

2.1.2齒梳撥刀油茶果采摘高速攝影

齒梳撥刀油茶果采摘高速攝影試驗在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)油茶林中進(jìn)行。連接高速攝影相機(jī)及便攜式計算機(jī)，打開Camware軟件和照明電源，調(diào)節(jié)好高速攝影相機(jī)的焦距，使得圖像顯示清晰。試驗過程選擇在晚上進(jìn)行，目的是減少背景的復(fù)雜性，降低圖像噪聲，方便后續(xù)處理。用齒梳式采摘機(jī)械夾住油茶果后，用牽拉絲拉動撥刀擊打油茶果開始攝影，油茶果脫落停止攝影并保存圖像序列。油茶果脫落前后的圖像幀如圖7所示。

圖7 齒梳式油茶果采摘部分幀圖像

equipment with tooth comb

2.1.3 平行膠輥式油茶果采摘高速攝影

用同樣的方法在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)油茶林中進(jìn)行平行膠輥式油茶果采摘高速攝影。將攝像頭焦距調(diào)整好，用平行膠輥采摘機(jī)械夾住油茶果，當(dāng)沖擊力大于樹枝和果實之間的結(jié)合力時，油茶果脫落；采摘掉油茶果后停止拍攝并保存圖像序列。圖8所示為油茶果采摘脫落前后的圖像幀。

圖8 平行膠輥采摘機(jī)械部分幀圖像

with parallel rubber roller

2.2 試驗分析

設(shè)置油茶果為AOI(感興趣區(qū)域，即追蹤目標(biāo))，打開IPP軟件對油茶果脫落過程進(jìn)行追蹤，并導(dǎo)出油茶果速度-時間圖，可得到接觸幀和脫落幀速度，獲得速度差ΔV。由于IPP軟件測得圖像單位為像素，而計算得到的長度為m，速度單位為m/s，因此需要進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定的方法是先測量圖像中實際物體長度，然后測量圖像中對應(yīng)物體的像素長度，用圖像中物體像素長度與其實際長度相比得到像素的實際長度(像素比)。根據(jù)前面標(biāo)定在IPP軟件中設(shè)置好像素比，軟件在計算時中會自動進(jìn)行轉(zhuǎn)換。實際操作時選用膠輥為參照物，用游標(biāo)卡尺測量旋轉(zhuǎn)膠輥直徑3次，取平均直徑31.6mm。從Image pro plus軟件打開試驗圖像幀，測量膠輥像度長度，與前面旋轉(zhuǎn)膠輥實際長度相比得到像素比為0.031 6，具體測量結(jié)果如表1所示。

設(shè)旋轉(zhuǎn)膠輥動量為ΔP1，質(zhì)量為m1，速度變化量為Δv1，所用時間為Δt1，受到的合力為F合，則

ΔP1=m1×Δv1=0.05kg·m/s

F合=ΔP1/Δt1=2.06N

設(shè)齒梳式機(jī)械采摘機(jī)的動量為ΔP2，質(zhì)量為m2，速度變化量為Δv2，所用時間為Δt2，沖擊力為F2，則

ΔP2=m2×Δv2=35.4×10^-3×(2-1.414)

= 0.02kg·m/s

F2=ΔP2/t2=2.65N

設(shè)平行膠輥的動量為ΔP3，質(zhì)量為m3，速度改變量為Δv3，所用時間Δt3，膠輥綜合作用力為F合′，則

ΔP3=m3×Δv3=40.5×10-3×(6-2.828)

=0.13kg·m/s

F合′=ΔP3/Δt3=0.128/47×10-3=2.70N

表1 3種不同采摘裝置油茶果接觸和脫落時間

Table 1 Three different picking device Camellia fruit

contact and loss of time

機(jī)械采摘方式油茶果接觸幀接觸幀速度/m·s-1油茶果脫落幀脫落幀速度/m·s-1旋轉(zhuǎn)膠輥式10042.00011304.123齒梳式12171.41412952平行輥式22062.82822536

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗結(jié)果

為了比較3種不同機(jī)械采摘方式下的油茶果采摘效果，將由前面試驗分析所得油茶果所受沖動力的動量、采摘力和采摘時間進(jìn)行比較，如表2所示。

表2 3種不同機(jī)械采摘方式下的采摘時間，動量和采摘力
Table 2 Picking time, momentum and picking force in three different mechanical picking modes

采摘機(jī)械方式采摘時間/ms動量/(kg·m)s-1采摘力/N旋轉(zhuǎn)膠輥采摘260.052.06齒梳式機(jī)械采摘780.022.65平行膠輥采摘470.132.70

由表2可知：旋轉(zhuǎn)膠輥采摘機(jī)械的采摘時間最短，為26ms，效率最高；齒梳式采摘機(jī)械的動量為0.02kg·m/s，是3種機(jī)械采摘方式中動量最小的；旋轉(zhuǎn)膠輥采摘方式動量為0.05kg·m/s，僅次于齒梳式采摘，但兩者動量相差很??；旋轉(zhuǎn)膠輥的受力為2.06N，是3種機(jī)械采摘方式下受力最小的。

3.2 結(jié)果討論

由3種不同機(jī)械采摘方式結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)：旋轉(zhuǎn)膠輥的采摘時間最短,所受采摘沖擊力也是3種機(jī)械采摘方式中最小的；旋轉(zhuǎn)膠輥的動量雖然不是最小的，但與最小的采摘方式的動量相比，相差程度較小。綜合考慮，旋轉(zhuǎn)膠輥式采摘機(jī)械是3種采摘方式中最理想的。

4 結(jié)論

1)采用高速攝影相機(jī)PCO1200S和Image pro plus軟件對旋轉(zhuǎn)式膠輥、齒梳撥刀式和平行膠輥3種不同機(jī)械采摘方式下油茶果所受的沖擊力進(jìn)行分析，得到旋轉(zhuǎn)式膠輥、齒梳撥刀式和平行膠輥的動量大小分別是0.05、0.02、0.13kgm/s;所受沖擊力分別是2.06、2.65、2.70N，表明旋轉(zhuǎn)膠輥動量較小，其采摘時受力最小。

2)旋轉(zhuǎn)膠輥式機(jī)械采摘效果是旋轉(zhuǎn)膠輥，齒梳式機(jī)械采摘和平行膠輥機(jī)械采摘3種方式中效率高的最理想機(jī)械采摘方式。

3)對油茶果3種機(jī)械采摘方式進(jìn)行了對比，得到旋轉(zhuǎn)膠輥綜合采摘性能最佳。研究結(jié)果可為闡明油茶果機(jī)械采摘機(jī)理及裝置設(shè)計提供參考。