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(shù)是一種珍貴的油料作物，茶油營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，油中不飽和脂肪酸含量高達(dá)80%以上[1]。油茶樹(shù)主要分布在我國(guó)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(lái)，農(nóng)村勞動(dòng)力短缺，人工采摘效率低下，勞動(dòng)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(gè)瓶頸[2]。在果類生產(chǎn)過(guò)程中，采摘是最耗時(shí)、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(guó)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(shù)種植過(guò)于密集限制了山地果園機(jī)械化的發(fā)展。我國(guó)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(jì)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(shù)合適的采摘位置，通過(guò)采摘頭的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)采果。試驗(yàn)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(shí)，既可獲得較高的采摘效率，又能將漏摘率問(wèn)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(duì)采摘機(jī)和油茶果樹(shù)振動(dòng)的影響。王朋輝等設(shè)計(jì)了一種適用于林果采收的擺動(dòng)式林果采摘頭，并對(duì)該采摘頭進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析和動(dòng)力選型[7]。江西農(nóng)業(yè)大學(xué)張立勇等設(shè)計(jì)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(duì)機(jī)械臂參數(shù)化并進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化仿真，同時(shí)設(shè)計(jì)了平行膠輥采摘機(jī)械。羅時(shí)挺等設(shè)計(jì)了一款齒梳撥刀式油茶果采摘裝置[9]，并對(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)油茶果的采摘，然而對(duì)采摘過(guò)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(shù)同枝，如果在機(jī)械采摘過(guò)程花苞的損傷會(huì)影響來(lái)年油茶果的產(chǎn)量[10]?；谶@種特性，在機(jī)械采摘過(guò)程中要求對(duì)油茶果沖擊力小、動(dòng)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(dòng)圖像分析軟件Image pro plus可以對(duì)選定的目標(biāo)進(jìn)行軌跡追蹤和測(cè)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(dòng)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(duì)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(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)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(dòng)，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(jì)相比每組一個(gè)膠輥能提高采摘效率，如圖1所示。旋轉(zhuǎn)膠輥通過(guò)軸承固定在兩側(cè)腹板，腹板固定到支架上，同時(shí)有4個(gè)可行走、帶有制動(dòng)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(zhǎng)桿等結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。

1撥刀 2.彈簧 3.長(zhǎng)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(zhǎng)桿等組成，如圖3所示。

1.平行膠輥 2.拉桿 3.長(zhǎng)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)間分辨率已經(jīng)突破10-12s,曝光時(shí)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(shí)設(shè)置的分辨率為1 280×1 024，試驗(yàn)拍攝時(shí)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(guò)程，視頻圖像通過(guò)Camware軟件拍攝并保存[13]。高速攝影試驗(yàn)裝置主要由高速攝影相機(jī)、PC機(jī)、傳輸電纜及待測(cè)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(kāi)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(dòng)或自動(dòng)地跟蹤和計(jì)數(shù)對(duì)象等，并可用來(lái)測(cè)量物體屬性，如面積、角度、周長(zhǎng)、直徑、圓度和縱橫比,能對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量和追蹤等[14]。

1.3 試驗(yàn)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(duì)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(duì)油茶果的撥力F作用時(shí)間短，難于測(cè)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(lái)分析油茶果所受采摘裝置的作用力F合和F，其試驗(yàn)流程如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)流程圖

2 試驗(yàn)過(guò)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(kāi)照明燈光。試驗(yàn)時(shí)，每幅的間隔時(shí)間1ms。啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)，將油茶果放入旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)中，開(kāi)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(kāi)TIF格式的圖像序列，找到油茶果開(kāi)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(yàn)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(jì)算機(jī)，打開(kāi)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(yàn)過(guò)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(dòng)撥刀擊打油茶果開(kāi)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(shù)枝和果實(shí)之間的結(jié)合力時(shí)，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(yàn)分析

設(shè)置油茶果為AOI(感興趣區(qū)域，即追蹤目標(biāo))，打開(kāi)IPP軟件對(duì)油茶果脫落過(guò)程進(jìn)行追蹤，并導(dǎo)出油茶果速度-時(shí)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(cè)得圖像單位為像素，而計(jì)算得到的長(zhǎng)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(cè)量圖像中實(shí)際物體長(zhǎng)度，然后測(cè)量圖像中對(duì)應(yīng)物體的像素長(zhǎng)度，用圖像中物體像素長(zhǎng)度與其實(shí)際長(zhǎng)度相比得到像素的實(shí)際長(zhǎng)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(jì)算時(shí)中會(huì)自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。實(shí)際操作時(shí)選用膠輥為參照物，用游標(biāo)卡尺測(cè)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(kāi)試驗(yàn)圖像幀，測(cè)量膠輥像度長(zhǎng)度，與前面旋轉(zhuǎn)膠輥實(shí)際長(zhǎng)度相比得到像素比為0.031 6，具體測(cè)量結(jié)果如表1所示。

設(shè)旋轉(zhuǎn)膠輥動(dòng)量為ΔP1，質(zhì)量為m1，速度變化量為Δv1，所用時(shí)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(dòng)量為ΔP2，質(zhì)量為m2，速度變化量為Δv2，所用時(shí)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(dòng)量為ΔP3，質(zhì)量為m3，速度改變量為Δv3，所用時(shí)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(shí)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(yàn)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(yàn)分析所得油茶果所受沖動(dòng)力的動(dòng)量、采摘力和采摘時(shí)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(shí)間，動(dòng)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(shí)間/ms動(dòng)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(shí)間最短，為26ms，效率最高；齒梳式采摘機(jī)械的動(dòng)量為0.02kg·m/s，是3種機(jī)械采摘方式中動(dòng)量最小的；旋轉(zhuǎn)膠輥采摘方式動(dòng)量為0.05kg·m/s，僅次于齒梳式采摘，但兩者動(dòng)量相差很小；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(duì)比發(fā)現(xiàn)：旋轉(zhuǎn)膠輥的采摘時(shí)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(dòng)量雖然不是最小的，但與最小的采摘方式的動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)量較小，其采摘時(shí)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(duì)油茶果3種機(jī)械采摘方式進(jìn)行了對(duì)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(jì)提供參考。