CN101195439B - 使不同大小水果按相同角速度翻转的滚子式水果输送机构 - Google Patents

Abstract

一种使不同大小水果按相同角速度翻转的滚子式水果输送机构。滚子采用整体式双锥凹形结构，滚身母线方程为

(C为常数，r₀为最小滚身半径)，垂直于输送链横向延伸的水平滚子轴则按一定间距相互平行地安装在输送链上，滚子套装在滚子轴上，水果就支承在相邻的两个滚子之间。当输送链转动时，滚子就随滚子轴一起向前运动，而处于图像采集区内的滚子，则由于其下面的摩擦表面的摩擦作用而绕滚子轴转动，并带动其上的水果翻转滚动。只要水果的半径R≥r₀/C，则大小相差近一倍的水果都能由该机构可靠地输送，并以相同的角速度在滚子上翻转。本发明经过设计参数的适当优化，可广泛用于苹果、柑橘、桃子、西红柿、大樱桃和冬枣等准球形水果的输送和机器视觉分选。

Description

使不同大小水果按相同角速度翻转的滚子式水果输送机构

所属技术领域

本发明涉及一种用于水果机器视觉自动分选机的滚子式水果输送机构，尤其是一种能输送大小相差近一倍的准球形水果，并使不同大小的水果在输送的同时都按相同的角速度在滚子上翻转的滚子式水果输送机构。

背景技术

近年来，为提高水果的商品价值，适应消费者日益升高的消费需求，水果生产和经销企业纷纷采用各种手段对水果进行分级处理。其中，利用计算机视觉技术，根据水果的大小、颜色、果形和表面缺陷等外观品质进行分级的水果机器视觉自动分选机得到了广泛研究，已逐步进入市场，并表现出良好的应用前景。而水果输送机构是水果机器视觉自动分选机的核心基础部件，为确保视觉系统能采集到被检水果所有表面的图像，输送机构必须保证在高速输送水果的同时将水果的整个表面都呈现给摄像机。为满足此要求，国内外学者都做了大量的研究工作，并先后研制出滚子式(应义斌等，“能实现准球形水果自动成单列输送并均匀翻转的装置”，中国发明专利，申请号：02136379.X；籍保平等，“双行蜂腰形滚子式水果输送装置”，中国发明专利，申请号：200310117253.9)、无底果杯式和自动定位式等几种不同形式的水果输送机构，其中以滚子式水果输送机构最成熟、实际应用最广泛。滚子呈双锥凹形，并在相邻的两个滚子之间形成一个容纳水果的空间，水果就支承在两个相邻的滚子上，当滚子依靠设置在其下面的摩擦板或摩擦带的摩擦作用而滚动时，水果就一边随滚子向前输送，一边在滚子的带动下翻转滚动，从而将水果的所有表面都先后呈现在摄像机镜头前。

但现有的滚子式水果输送机构，在输送大小不同的水果时，不同大小的水果随滚子翻转滚动的角速度不一样，直径大的水果滚动速度慢，而直径小的水果滚动速度快，致使在图像采集系统连续采集两幅图像的时间间隔内，不同大小的水果旋转过的转角不一样，从而导致某些水果表面被重复采集或漏采集，并进而对分级精度，尤其是对水果表面缺陷的分级精度造成很大影响。徐惠荣等在“双锥式滚子水果输送翻转机构的研究”(《农业机械学报》第34卷第6期，2004年)中分析了在图像采集系统连续采集两幅图像的时间间隔内，水果的转角与水果尺寸、图像采集频率以及某些滚子设计参数之间的关系，证明水果转角取决于滚子的形状和水果的尺寸，且转角误差随图像采集频率的增加而减小。但该结论对实际应用的指导意义不大，实际应用中待分选水果的尺寸往往都是在一个较大的范围内变动，但由于图像处理速度的限制和分选机分选速度的要求，对每个水果不可能采集太多的图像，由转角误差带来的分级误差难以克服。

发明内容

为克服现有滚子式水果输送机构的不足，本发明提供了一种滚身母线形状经过了特殊设计的整体式滚子，并在此基础上设计了一种能输送大小相差近一倍的水果，并使不同大小的水果在输送的同时都按相同的角速度翻转的滚子式水果输送机构，从根本上解决了因水果大小不同而带来的转角误差问题，可以简化后续图像处理的难度，提高水果的分选精度。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的滚子式水果输送机构由输送链带动，垂直于输送链横向伸出的若干根水平滚子轴按一定间距相互平行地并列地安装在输送链链条上，滚子则安装在滚子轴上并可绕滚子轴自由转动。在图像采集区域，滚子下面还设置有摩擦板或摩擦带等摩擦表面，它与滚子之间良好接触并有较大的摩擦系数。当驱动机构通过主动链轮带动输送链转动时，滚子就随着滚子轴和输送链一起向前运动，处于摩擦表面上的滚子则由于受到摩擦表面的摩擦作用而在摩擦表面上绕滚子轴向前旋转滚动。水果就支承在两个相邻的滚子之间，当滚子在摩擦表面上滚动时，水果就一边随滚子向前输送，一边在滚子的带动下绕自身的水平轴线翻转滚动，从而将所有表面都先后呈现在摄像机镜头前。

所述的滚子采用整体式结构，呈双锥凹形，并在相邻的两个滚子之间形成一个可以容纳水果的空间，整个滚子关于通过滚身最小半径处且垂直于滚子轴线的中心平面对称。设支承在滚子上的准球形水果(简化为均质球体)的半径为R，滚子的最小滚身半径为r₀，滚子在摩擦表面上的滚动角速度为ω₀，水果在滚子上的翻转滚动角速度为ω，水果在滚子上的支承点到水果滚动轴线的距离(水果的滚动半径)为R₁，支承点到滚子轴线的距离为r₁，并设滚子与摩擦表面之间以及水果与滚子之间都没有相对滑动。则ω的大小就取决于ω₀、R₁和r₁， $\mathrm{\ω}=\frac{r_1}{R_1}{\mathrm{\ω}}_0.$ 由于在水果输送机构实际运行时ω₀为常数，所以如果能通过对滚子滚身母线形状的特殊设计，使得对于任意大小的水果，

都等于常数C，则不同大小的水果在滚子上都将以相同的角速度ω＝Cω₀翻转滚动。以滚子轴线为x轴，以通过滚子中心点且垂直于滚子轴线的直线为y轴，在滚子上建立坐标系，并设滚子滚身母线在此坐标系中的曲线方程为：y＝f(x)。则通过推导可以最终得到：当滚子的滚身母线方程为 $y=f\left(x\right)=\sqrt{C{x}^2+{r_0}^2},$ 且水果的半径R≥r₀/C时，恒有 $\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}=\frac{r_1}{R_1}=C$ 成立，则支承在滚子上的大小不同的水果都将以相同的角速度ω＝Cω₀翻转滚动。

所述的滚子式水果输送机构，通过设计参数的合理选择能输送大小相差近一倍的水果，并使不同大小的水果在输送的同时都以相同的角速度在滚子上翻转滚动。设滚子的最大滚身半径为r₂，滚身长度为L，相邻滚子轴之间的间距为α，可输送水果的最大半径为R₂，可输送水果的最小半径为R₀，输送链的线速度为v₁，滚子下面的摩擦表面的线速度为v₂，图像采集系统的最大设计视场宽度为S，其中R₀、R₂、v₁和S是根据水果机器视觉自动分选机的设计分选范围、分选速度和图像采集系统的实际配置而事先确定的常数，而需要优化选择的设计参数仅有C、r₀、L、α和v₂。则经过详细推导可得出如下结论：要使所设计的滚子式水果输送机构能可靠地输送大小相差近一倍的水果，并使不同大小的水果在输送的同时都以相同的角速度在滚子上翻转滚动，C、r₀、L、α和v₂必须满足下列限制条件：

本发明所具有的有益效果是：

(1)能可靠地输送大小相差近一倍的准球形水果。

(2)能使大小不同的水果都以相同的角速度均匀翻转。所以在图像采集系统连续采集两幅图像的时间间隔内，所有水果转过的角度都相同，从而彻底消除了现有滚子式水果输送机构中由于水果大小不同而引起的转角误差，简化了后续图像处理系统的处理难度，提高了水果机器视觉自动分选系统的分选精度。

(3)本发明提出的滚子式水果输送机构，经过设计参数的优化选择，可广泛用于苹果、柑橘、桃子、西红柿、猕猴桃、大樱桃、冬枣等不同大小的准球形水果的输送和机器视觉自动分选，具有比较广泛的通用性。

附图说明

图1是本发明滚子式水果输送机构的结构示意图；

图2是水果与滚子的接触状态示意图；

图3是水果在摩擦表面上的两个相邻滚子之间的支承状态示意图；

图4是分级卸料时水果在滚子上的临界支承状态示意图；

图5是水果保持角的计算原理示意图；

图6是本发明的一个实施例中不同大小的苹果在滚子上的支承状态示意图；

图7是本发明滚子式水果输送机构的设计参数的优化选择流程图。

图中：1、滚子；2、水果；3、摩擦表面；4、滚子轴；5、摄像机6、输送链。

具体实施方式

如图1所示，为本发明滚子式水果输送机构的结构示意图。整个输送机构由输送链6带动，垂直于输送链6横向延伸的若干根水平滚子轴4按一定间距相互平行地并列地安装在输送链6上，滚子1则安装在滚子轴4上并可绕滚子轴4自由转动。在图像采集区域，滚子1的下面设置有摩擦板或摩擦带等摩擦表面3，它与滚子1之间良好接触并有较大的摩擦系数。当输送链6在驱动机构的驱动下运转时，滚子1就随滚子轴4和输送链6一起向前运动，处于摩擦表面3上的滚子1则由于摩擦作用而在摩擦表面3上绕滚子轴4向前旋转滚动。滚子1呈双锥凹形，并在相邻的两个滚子1之间形成一个容纳水果的空间，水果2就支承在两个相邻的滚子1上。当滚子1在摩擦表面3上滚动时，水果2就一边随滚子1向前输送，一边在滚子1的带动下翻转滚动，从而将所有表面都先后呈现在摄像机5的镜头前。

如图2所示，为水果2与滚子1的接触状态示意图。图中将准球形水果2近似为一个均质球体，并设滚子1的最小滚身半径为r₀，最大滚身半径为r₂，滚身长度为L，水果2的半径为R，水果2在滚子1上的支承点A到水果2滚动轴线的距离(水果2的滚动半径)为R₁，支承点A到滚子轴线的距离为r₁。以滚子1的轴线为x轴，以通过滚子1中心点且垂直于滚子轴线的直线(该直线也通过水果2的质心)为y轴，在滚子1上建立如图所示坐标系，并设滚子1的滚身母线在此坐标系中的曲线方程为：y＝f(x)，则有：

r₀＝f(0)             (1)

r₂＝f(L/2)           (2)

r₁＝f(x₁)             (3)

$R_1=\frac{x_1}{\mathrm{tg}(\∂)}=\frac{x_1}{f\′\left(x_1\right)}---\left(4\right)$

如图3所示，为水果2在两个相邻滚子1之间的支承状态示意图。设相邻滚子轴4之间的间距为α，输送链6的线速度为v₁，摩擦表面3的线速度为v₂，滚子1在摩擦表面3上的滚动角速度为ω₀，水果2在滚子1上的翻转滚动角速度为ω，并假设滚子1与摩擦表面3之间以及水果2与滚子1之间都无相对滑动，则有：

ω₀＝(v¹-v²)/r₂        (5)

$\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}=\frac{r_1}{R_1}---\left(6\right)$

因为当水果输送系统实际运行时，v₁、v₂和r₂都为常数，所以ω₀也为常数，要使不同大小的水果2都以相同的角速度ω翻转，则必须有：

$\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}=\frac{r_1}{R_1}=C---\left(7\right)$

其中，C为常数。将(3)式、(4)式代入(7)式可得：

$f\left(x_1\right)=\frac{{\mathrm{Cx}}_1}{f\′\left(x_1\right)}---\left(8\right)$

再结合(1)式可得如下微分方程：

$\left\{\begin{array}{c}f\left(x\right)=\frac{\mathrm{Cx}}{f\′\left(x\right)}\\ f\left(0\right)=r_0\end{array}\right.---\left(9\right)$

解此微分方程可得滚子1的滚身母线的曲线方程为：

$y=f\left(x\right)=\sqrt{{\mathrm{Cx}}^2+{r_0}^2}---\left(10\right)$

此时，半径为R的水果2在滚子1上的支承点A的横坐标为：

$x_1=\sqrt{\frac{C}{C+1}(R^2-\frac{{r_0}^2}{C^2})}---\left(11\right)$

滚子1的滚身母线的曲率方程为：

$K\left(x\right)=\frac{{{\mathrm{Cr}}_0}^2}{{({\mathrm{Cx}}^2+C^2{x}^2+{r_0}^2)}^{3/2}}---\left(12\right)$

当x＝0时，即滚身母线最低点处的曲率为：

$K\left(0\right)=\frac{C}{r_0}---\left(13\right)$

当R＝1/K(0)＝r₀/C时，由(11)式可得：x₁＝0，水果2就支承在滚子1的最小半径处，所以R₁＝R，再由(3)式可得：r₁＝f(0)＝r₀，所以 $\frac{\mathrm{\&omega;}}{{\mathrm{\&omega;}}_0}=\frac{r_1}{R_1}=\frac{r_0}{R}=C.$ 但当R<r₀/C时，因为K(x)随x的增加而单调减少，所以水果2仍将直接支承在滚子1的最小半径处，但此时已不再满足ω/ω₀＝C。所以，要使大小不同的水果2都以相同的角速度翻转滚动，水果2的半径R必须满足：

R≥r₀/C                        (14)

所以，只要滚子1滚身母线的曲线方程为 $y=f\left(x\right)=\sqrt{{\mathrm{Cx}}^2+{r_0}^2},$ 且水果2的半径R≥r₀/C，则支承在滚子1上的大小不同的水果2都将以相同的角速度ω＝Cω₀翻转滚动。

如图4所示，为分级卸料时水果2在滚子1上的临界支承状态示意图。此时，水果2支承在滚子1的最大滚身直径处，所以水果2的质心B’距滚子轴4的垂直距离为：

$y_2=\sqrt{{(r_2+R)}^2-{(a/2)}^2}---\left(15\right)$

再由图3可知，水果2在滚子1之间稳定支承时，水果2的质心B距滚子轴4的垂直距离为：

$y_1=\sqrt{{(r_1+R_1)}^2-{(a/2)}^2}---\left(16\right)$

在分级卸料过程中，水果2需要被抬升至少(y₂-y₁)的高度之后才能从输送机构上分离出去。

如图5所示，为水果保持角的计算原理示意图。将水果2在稳定支承状态下的质心B与在分级卸料时的临界支承状态下的质心B’的连线BB’与水平面之间的夹角β定义为滚子式水果输送机构对水果的保持角，则：

$\mathrm{\&beta;}=\mathrm{arctg}\left(\frac{2(y_2-y_1)}{L}\right)---\left(17\right)$

为保证水果2在输送时能稳定可靠地输送，在分级卸料时又容易从输送线上分离，保持角β应满足：

15°≤β≤45°                (18)

由图1、图2和图3及以上的论述可知，在滚子式水果输送机构的设计中，需要确定的设计参数主要有：C、r₀、L、α、v₁和v₂°为保证滚子式水果输送机构满足系统要求并可靠地工作，除(18)式以外，这些设计参数还应满足一些其他的附加条件。由图2可知，为保证水果2正常支承在滚子1的滚身母线上，滚身长度L应满足：

L≥2x₁                  (19)

为防止水果2从两个滚子1之间的缝隙处掉落，应该有：

R>α/2-r₀                 (20)

为防止支承在输送机构上的相邻的水果2之间出现运动干涉，应有：

a≥2R                (21)

为防止相邻的滚子1之间出现运动干涉，其间至少应该有6mm的间隙，所以r₂应满足：

r₂≤α/2-3                  (22)

此外，为节省图像采集系统的设备投资，图像采集系统一般都要求水果在摄像机的视场内至少翻转360°，以便摄像机能连续采集到同一水果的多个表面的图像。由图2可知，水果翻转360°所需要的时间为：

t＝2π/ω              (23)

在此时间内，水果平动的距离为：

$s=v_{1}t=\frac{2\mathrm{\&pi;}{v}_1}{C{\mathrm{\&omega;}}_0}=2{\mathrm{\&pi;r}}_2\frac{v_1}{C(v_1-v_2)}---\left(24\right)$

设图像采集系统的最大设计视场长度为S，则必须有：

$2\mathrm{\&pi;}{r}_2\frac{v_1}{C(v_1-v_2)}\&le;S---\left(25\right)$

所以，假设滚子式水果输送机构要输送的水果的最小半径为R₀，最大半径为R₂，则所选设计参数应满足下列限制条件：

式中，β₀——滚子式水果输送机构对半径为R₀的水果的保持角；

β₂——滚子式水果输送机构对半径为R₂的水果的保持角。

如图7所示，为本发明滚子式水果输送机构的设计参数的优化选择流程图。实际设计时，首先根据实际需要，确定待输送水果的最小半径R₀和最大半径R₂；然后根据(26)式中的条件一和有关输送链节矩系列标准，确定滚子轴之间的间距α；再根据图像采集系统的具体配置，确定允许的最大设计视场长度S；然后再根据水果输送机构的设计输送速度，确定输送链的线速度v₁；摩擦表面的线速度v₂可以在0～-v₁之间选择，一般先设置为0；然后根据以上参数的具体数值，按图7所示流程查找可行的优化设计方案，并根据r₀、r₂、L、β₀和β₂的具体数值从中选择最佳方案。如果找不到可行方案，则只能调整图像采集系统的设计方案(增大S的值)，或者是缩小可输送水果的尺寸范围(增大R₀或减小R₂)，并重新利用图7所示流程寻求可行的优化设计方案。

如图6所示，为本发明的一个实施例中不同大小的苹果2在滚子1上的支承状态示意图。在该实施例中，图像采集系统的最大设计视场长度S＝300mm，输送链6的设计线速度v₁≈0.6m/s，并要求输送机构能够同时输送直径在50mm～100mm之间的苹果，所以R₀＝25mm，R₂＝50mm。根据(26)式中的条件一及有关输送链标准，选择α＝2×50.8＝101.6mm。将摩擦表面3的线速度v₂先设置为0，即采用固定的摩擦板作为滚子1的摩擦表面。由以上已知条件，按图7所示设计参数的优化选择流程，直接得到了如表1所示的五种可行方案(如在选择流程中减小L、C和r₀的步长，则可以得到更多的可行方案，但各主要参数值与表1所列数值相差不大)。选择方案一作为最佳方案，并最终确定滚子式水果输送机构的设计参数为：α＝101.6mm、C＝1.15、r₀＝28.5mm、L＝68mm。直径分别为50mm、60mm、70mm、80mm、90mm和100mm的五种水果2在该实施例的滚子1上的支承参数如表2所示，支承状态如图6所示。

表1输送直径为50～100mm的苹果的五种可行方案

表2不同大小苹果在滚子上的支承参数

Claims (2)

1.一种使不同大小的准球形水果按相同角速度翻转的滚子式水果输送机构，该机构包括若干个沿输送链链条以一定间隔均匀并排排列的双锥凹形滚子，每个滚子都能绕其滚子轴自由转动，滚子轴相对于链条横向伸出并由链条携带，相邻的两个滚子之间可以支承一个水果，在图像采集区域，滚子下面还设置有摩擦板或摩擦带，它与滚子之间良好接触并有较大的摩擦系数，当驱动机构通过主动链轮带动输送链转动时，滚子便随着滚子轴和链条一起向前运动，处于摩擦表面上的滚子则由于摩擦作用而在摩擦表面上绕滚子轴向前旋转滚动，支承在滚子上的水果就一边随滚子向前输送，一边在滚子的带动下翻转滚动，从而将所有水果表面都先后呈现在图像采集系统的摄像机镜头前，其特征在于：所述的滚子滚身母线方程为

准球形水果的半径R≥r₀/C，其中，坐标原点设置在滚子的中心点位置，x轴与滚子的轴线重合，y轴则通过滚子的中心点并与滚子的轴线相垂直，C和r₀都是设计常数，C为水果在滚子上的翻转角速度与滚子在摩擦板或摩擦带上的滚动角速度之比，r₀为滚子的最小滚身半径，R为待输送的准球形水果的半径。

2.根据权利要求1所述的使不同大小的准球形水果按相同角速度翻转的滚子式水果输送机构，其特征在于：所述滚子式水果输送机构的设计参数C、r₀、L、a、v₁、v₂、S、R₀、R₂应满足下列限制条件：

其中：L为滚子的滚身长度、a为相邻滚子轴之间的间距、v₁为输送链的线速度、v₂为摩擦板或摩擦带的线速度、S为图像采集系统的最大设计视场长度、R₀为可输送水果的最小半径、R₂为可输送水果的最大半径。

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