CN104624517A - 机械手式粮食自动分拣设备 - Google Patents

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王宏伟
李其均
王占厚
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Abstract

本发明实施例提供了一种机械手式粮食自动分拣设备,包括:执行机构、驱动机构和控制系统,所述执行机构,包括机身、臂部、手部,该臂部与所述机身连接,所述手部与臂部连接,并在驱动机构的驱动作用下完成对不合格粮食的分拣;所述驱动机构,包括根据控制系统传输过来的分拣指令驱动所述臂部和手部的手部驱动机构;所述的控制系统,包括用于将工控机传输过来的分拣指令传输给控制单元的通讯单元,和用于将所述分拣指令传输给所述驱动机构的控制单元,所述通讯单元和所述控制单元设置在所述执行机构中或执行机构的外部。从而提高了仓库存储粮食的自动化程度以及作业效率,有效地避免了由于水分含量超标而引起粮食霉变等浪费现象的发生。

Description

机械手式粮食自动分拣设备
技术领域
本发明涉及机械电子技术领域,尤其涉及一种机械手式粮食自动分拣设备。
背景技术
粮食入仓前,由于收购批次不同、烘干不一致性等造成待入仓粮食的水分含量不均匀,特别是对于收购的大批量粮食,为了保证粮食在储存过程中不发生霉变和虫蛀,需要对粮食的温度、湿度进行实时监控。目前的粮库温湿度检测一般是在粮库的一些位置安装温度传感器和湿度传感器,根据温度传感器和湿度传感器采集的信息对粮库内的温度和湿度进行调控。
现有技术中的仓库粮食分拣设备检测粮食含水量的抽样检测方式存在随机性和区域性,当粮堆内混入水分含量超标的粮食时,由于检测方法的局限性,很难把水分超标的粮食全部剔除,这部分粮食入仓后,就存在霉变隐患。当前技术多为检测粮食水分含量超标后,暂停输送装置传送过程,由人工把超标粮食卸离入仓输送装置。
上述现有技术中的仓库粮食分拣方法的缺点为:通过人工对含水量超标的粮食进行分离的过程虽然一定程度上减少了水分超标的粮食入仓可能性,但自动化程度不高,作业效率较低,不能满足日益增长的大批量作业需求。有必要在粮食入仓环节引入自动分拣技术。
发明内容
本发明的实施例提供了一种机械手式粮食自动分拣设备,从而提高了自动化程度以及作业效率,有效地避免了由于水分含量超标而引起粮食霉变等浪费现象的发生,有利于粮仓粮食的安全储藏。
一种机械手式粮食自动分拣设备,其特征在于,包括:执行机构、驱动机构和控制系统,
所述的执行机构,包括机身、臂部、手部,所述臂部与所述机身连接,所述手部与臂部连接,所述臂部和手部在所述驱动机构的驱动作用下完成输送带上的不合格粮食的分拣动作;
所述的驱动机构,包括设置在所述臂部的用于驱动手部和臂部进行左右摆动的手部驱动机构,该手部驱动机构根据控制系统传输过来的分拣指令来驱动所述臂部和手部;
所述的控制系统,包括用于与工控机之间进行通讯的通讯单元和用于对驱动机构进行控制的控制单元,所述通讯单元将工控机传输过来的分拣指令传输给控制单元,所述控制单元将所述分拣指令传输给所述驱动机构,所述通讯单元和所述控制单元设置在所述执行机构中或执行机构的外部。
所述执行机构还包括:用于连接所述机身和臂部的肩部,该肩部设置在所述机身顶部,所述臂部设置在该肩部的侧面。
所述臂部分为上臂和下臂,该上臂一端与所述肩部连接,该上臂另一端与所述下臂的一端通过转动关节连接,所述下臂的另一端与所述手部固定连接。
所述机械手式粮食自动分拣设备工作时,所述转动关节位于输送带纵向中心线的正上方,所述手部以该转动关节为中心轴且左右摆动的范围为-60°至60°。
所述驱动机构还包括:用于驱动所述肩部进行回转运动的肩部驱动机构和用于驱动所述机身进行高低位置调节的机身驱动机构,该肩部驱动机构设置在所述肩部中。
所述肩部可带动所述上臂、下臂和手部相对于所述机身水平旋转360°。
所述驱动单元还包括:用于控制所述机身伸长和缩短的机身驱动机构,该机身驱动机构设置在所述机身中。
所述控制系统还包括:用于对所述执行机构的分拣动作进行检测的行程检测单元,该行程检测单元设置在所述执行机构内。
所述控制系统还包括:用于监测粮食是否从手部滑下或脱落与手部是否有效接触的传感单元,该传感单元设置在所述手部。
所述驱动单元的驱动模式为可实现单方向分拣动作的模式或者可实现双方向分拣动作的模式。
所述驱动单元包括数字式交流伺服电机。
所述机械手式粮食自动分拣设备工作时,d≥t2*v(t),则所述输送带连续运转;d<t2*v(t),则所述输送带间歇,间歇时间t3的计算公式为:d为所述手部的宽度,v(t)为所述输送带运行速度,t2为所述手部完成一次分拣工作所需时间。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出,本发明实施例通过提供机械手式粮食自动分拣设备,所述通讯单元将工控机传输过来的分拣指令传输给控制单元,所述控制单元将所述分拣指令传输给所述驱动机构,所述手部驱动机构根据控制系统传输过来的分拣指令来驱动所述臂部和手部,所述臂部和手部在所述驱动机构的驱动作用下完成输送带上的不合格粮食的分拣动作。从而使本发明基于机械手自动抓取技术,进行粮库入仓的不合格粮食的分拣动作,从而提高了自动化程度以及作业效率,有效地避免了由于水分含量超标而引起粮食霉变等浪费现象的发生,有利于粮仓粮食的安全储藏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种机械手式粮食自动分拣设备的电路模块示意图,图中,肩部驱动机构1,行程检测单元2,机身驱动机构3,控制单元4,通讯单元5,手部驱动机构6,传感单元7;
图2为本发明实施例提供的一种机械手式粮食自动分拣设备的结构示意图,图中,机身21,肩部22,上臂231,下臂232,转动关节24,手部25,输送带30;
图3为本发明实施例提供的一种机械手式粮食自动分拣设备的工作流程图。
具体实施方式
为便于对本发明实施例的理解,下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明,且实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例通过提供机械手式粮食自动分拣设备中的通讯单元将工控机传输过来的分拣指令传输给控制单元,上述控制单元将上述分拣指令传输给上述驱动机构,上述手部驱动机构根据控制系统传输过来的分拣指令来驱动上述臂部和手部,上述臂部和手部在上述驱动机构的驱动作用下完成输送带上的不合格粮食的分拣动作。从而使本发明基于机械手自动抓取技术,进行粮库入仓的不合格粮食的分拣动作,从而提高了自动化程度以及作业效率,有效地避免了由于水分含量超标粮食被运送进仓库,从而引起仓库中的粮食霉变等浪费现象的发生。
本发明实施例提供的一种机械手式粮食自动分拣设备的电路模块示意图如图1所示,图中,肩部22驱动机构1,行程检测单元2,机身21驱动机构3,控制单元4,通讯单元5,手部25驱动机构6,传感单元7。图示,控制单元4与上述肩部22驱动机构1、行程检测单元2、机身21驱动机构3、通讯单元5、手部25驱动机构6、传感单元7连接。
本发明实施例提供的一种机械手式粮食自动分拣设备的结构示意图如图2所示,图中,机身21,肩部22,上臂231,下臂232,转动关节24,手部25,输送带30。执行机构包括:机身21、肩部22、臂部和手部25。上述机身21形状可以使圆柱或方柱等形状,并固定在仓库粮食输送带30的一侧的地面上;上述手部25的形状可以为任意可盛放物品的结构,示例性的可以是勺状或者碗状。
控制系统,包括通讯单元5、控制单元4、行程检测单元2和传感单元7,用于对系统进行总的控制,示例性的,如工序分配和监测等。该通讯单元5设置在上述机身21中或者上述机械手式粮食自动分拣设备的外部,用于将工控机传输过来的分拣指令传输给控制单元4。
上述控制单元4设置在机身21中或者上述机械手式粮食自动分拣设备的外部,用于将上述分拣指令传输给上述驱动机构或者控制上述肩部22驱动机构1实现肩部22的360°回转运动或者控制上述机身21实现沿Z轴方向的伸长和缩短。上述行程检测单元2,设置在上述机身21中或者上述机械手式粮食自动分拣设备的外部,用于对执行机构的手部25、肩部22和机身21的动作和位置进行监测,各机构是否到位,是否正常,动作是否准确等。
上述传感单元7设置在机身21中、手部25中、肩部22中或者上述机械手式粮食自动分拣设备的外部,用于对上述手部25的分拣动作进行监测,监测手部25与粮食是否有效接触,或者是否有物料脱落。
驱动机构分为:手部25驱动机构6、肩部22驱动机构1和机身21驱动机构3,为整个自动分拣设备提供驱动力。上述手部25驱动机构6设置在上述机身21中或者肩部22中,或者上述机械手式粮食自动分拣设备的外部,用于根据控制系统传输过来的分拣指令来驱动上述手部25和臂部进行左右摆动。上述驱动单元的驱动模式为可实现单方向分拣动作的模式或者可实现双方向分拣动作的模式,示例性的上述驱动单元可以为数字式交流伺服电机,由输送带30两侧分离水分不合格粮食流,亦可配合不同电动装置驱动模式,实现单方向分离。
上述肩部22驱动机构1设置在上述肩部22中,用于接收到上述控制单元4发出的指令,控制上述肩部22进行范围为0°至360°的回转,从而使上述手部25和臂部达到最佳的工作位置;上述机身21驱动机构3设置在上述机身21中或者上述机械手式粮食自动分拣设备的外部,用于接收到上述控制单元4发送的指令,控制上述机身21可以沿Z轴方向进行机身21结构的伸长和缩短,从而使上述手部25和臂部达到最佳的工作位置。
上述肩部22设置在上述机身21的顶部,与上述机身21可转动的连接,上述臂部设置在该肩部22的一个侧面上,上述臂部分为上臂231和上臂232,该上臂231一端固定在上述肩部22的一个侧面上,上臂231另一端与上述上臂232的一端通过转动关节24连接,上述上臂232的另一端与上述手部25固定连接。
上述机械手式粮食自动分拣设备工作时,上述机身21设置在上述输送带30一侧的地上,并且该机身21自身为可调节长短的机构,通过改变Z轴方向的高度,使上述臂部和手部25处于最佳的工作位置,以便更精准的完成对水分超标的不合格粮食完成分拣动作。
肩部22与上述机身21可转动连接,所以上述肩部22的转动可带动上述上臂231、上臂232和手部25相对于上述机身21水平旋转,旋转范围为:0°至360°,使上述臂部和手部25处于最佳的工作位置。上述转动关节24位于输送带30纵向中心线的正上方,上述手部25以该转动关节24的垂直线为中心轴在输送带30上面完成左右摆动的分拣动作,左右摆动的角度范围根据输送带30的弧形截面的弧度确定,以达到开始分拣动作时,手部25可以从上述输送带30的一个边缘上面沿所述中心轴在竖直平面内摆动到上述输送带30的另一个边缘。
鉴于手部25结构,可最大限度的把不合格粮食从侧面推离入仓路径即输送带30,该部不合格粮食可在分拣设备下方设置不合格粮食收纳器,或由其他输送带30撤离入仓路径,执行下步操作。
示例性的,设定本发明实施例中的输送带的弧度为,即手部25围绕上述中心轴做-60°至60°之间的摆动。准备开始工作时,上述手部25在上述输送带30的一边的边缘处停留,即在φ为-60°处,上述手部25驱动单元等待上述控制单元4下发指令,接收到该指令后,上述手部25在驱动机构的驱动作用下从输送带30的一边向下摆动并抓取不合格的粮食,并继续向输送带30的另一边缘摆动,直到整个手部25到达φ为60°处,将上述不合格粮食倒入不合格粮食收纳器中或不合格粮食输送带30上撤离入仓路径,完成输送带30上的不合格粮食的分拣动作。
本发明实施例提供的一种机械手式粮食自动分拣设备的工作流程图如图3所示,上述不合格粮食的分拣动作流程包括如下步骤:
示例性的,规定允许稻谷水分含量需低于12.5%,新进一批散粮待入库,按照本发明,入仓首道程序为粮食水分含量测量。可采用目前较为先进的微波透射检测方法,在线准确测取流经传感器的粮食水分含量,并把数据上传工控机,工控机对当前粮食的水分含量与允许值作比较,作出是否允许已测粮食入仓的指令。
步骤1、系统初始化,分拣设备自检,机械手就位,分拣准备工作就绪;
步骤2、上述通讯单元5与上位机进行通讯;
上述通讯单元5接收上述工控机发送过来的指令,并将该指令传输给上述控制单元4。
步骤3、判断粮食是否合格,是则不开始分拣动作,否则,执行步骤4;
工控机对当前粮食的水分含量与允许值作比较,如粮食的水分含量不超标即为合格粮食,则执行入仓流程,上述机械手式粮食自动分拣设备不进行分拣动作;水分含量超标则为不合格粮食,则工控机给上述通讯单元5下发动作指令,机械手式粮食自动分拣设备进行分拣动作,如已测粮食水分含量低于12.5%,则工控机不对分拣设备作出指示,上述不合格粮食的分拣动作不开始,而若已测粮食水分含量高于12.5%,则执行步骤4。
步骤4、判断执行机构是否到位,是则执行步骤5,否则发生故障,并报警;
行程检测单元2,对执行机构的手部25、肩部22和机身21的动作和位置进行监测,各机构是否在初始位置上,是否正常,动作是否准确等,是则执行步骤5,否就检测到上述机械手式粮食自动分拣设备出现故障,并及时报警。
步骤5、判断是否满足是则执行步骤6,否则,继续计时;
示例性的,假设手部25的宽度为d,亦即手部25每次可抓取粮食的厚度。机械手式粮食自动分拣设备开始分拣的工作时间t1,输送带30运行速度v(t),分拣设备与检测设备间距S,则开始分拣的工作时间t1可由下式推导:满足条件,则分检工作开始,不满足则继续计时。
而分拣最小时长Δt则由检测到水分含量超标的粮食流长度L、d、机械手分拣动作一次所需时间t2决定,t2指的是机械手从输送带30一边缘进入分拣到从输送带30另一边缘离开的一个分拣过程时间。它们之间存在以下关系: &Delta;t = L d t 2 .
步骤6、手部25开始分拣动作;并判断手部25分拣动作是否正常,是则执行步骤7,否则发生故障,并报警;
手部25开始分拣动作时,传感单元7对上述手部25的分拣动作进行监测,监测手部25与粮食是否有效接触,或者是否有物料脱落。感知到手掌与粮食无有效接触或有物料脱落,则设备给出报警,并通过通讯接口与工控机通信,输送带30暂停,否则执行步骤7。
步骤7、判断是否满足d≥t2*v(t),是则执行步骤9,否则执行步骤8;
为了保证传送的持续性,对于检测到的水分含量超标的粮食段,如d≥t2*v(t),则执行步骤9;如d<t2*v(t),为了保证较高的分拣程度和不至于发生堆粮事故,工控机可发送命令给输送带30控制装置,则执行步骤8。
输送带30以恒定速度v(t)=0.2m/s运转,手部25与检测设备间距S=2m,检测设备连续检测到长为L=20cm的不合格粮食,从开始检测到上述不合格粮食开始的S/v(t)=10s后,上述不合格粮食到达分拣上述手部25工位下边界,假定每次手部25可抓取粮食厚度为d=10cm,手部25t1=(S+d)/v(t)=10.5s后开始抓取。手部25可以往复运动,亦即手部25从输送带30一边缘运动到另一边缘(即手部25的摆动角度为:-60°至60°)后,可立即从到达边缘原路径返回起始输送带30边缘,假定手部25分拣一次所需时间为t2=1s,则手部25完全分离L长度的水分超标粮食所需的分拣时长至少为Δt=L/d=20s,由于满足d=10cm<t2*v(t)=1*0.2m=20cm,为了超标粮食被完全分拣,不致于发生堆粮事故,所以执行步骤8。
步骤8、输送带30暂停并判断是否满足是则执行步骤6,否则,输送带30继续暂停;
输送带30暂停以后开始计时,当时暂停时间t3满足时,则执行步骤6,输送带30继续输送工作,机械手继续进行分拣动作;否则输送带30继续暂停。
如上述示例,暂停时间t3需不小于t2-d/v(t)=0.5s。t3时间后,t1时刻的L-d处的粮食达到机械手工位的上边界,机械手经往复运作,可完全分拣该长度为L的超标粮食流。
步骤9、判断是否完成分拣频率(次数),是则执行步骤11结束,否则10。
判断手部25的分拣动作是否完成工控机指定的分拣频率(次数),达到则执行步骤11结束;否则执行步骤10继续进行手部25的分拣动作。示例性的,所述行程检测单元2连续检测到长度为Le的一段粮食水分含量超标,工控机判定分拣次数为N,N的初始次数为1,计1->N寄存器;当d<Le<2d,N+1,计2->N寄存器,依次类推,而检测到Le长度的粮食需要分拣时,[Le/d]->N寄存器,其中”->”为存入符号,[]为取整符号。当检测到水分含量满足入仓条件时,N即为一共需分拣的频率次数。
步骤10、分拣频率(次数)减一,并执行步骤6。
步骤11、结束。
手部25驱动单元的选取,需考虑所承载的粮食的质量所需力矩。假定输送带30截面弧度为Ф=π/3,输送带30运输粮食的宽度为W=1m,手部25宽度为d=10cm,粮食密度为ρ=750kg/m3,则手部25一次推动的粮食体积手部25一次需驱动M=ρV=6.8kg的粮食,即手部25驱动单元需提供给传送机构至少T=Mg·W=66.7N.m的力矩。
为了最大限度的抓取输送带30上水分超标粮食,手部25的手掌所在平面需垂直于输送带30横截面,为了实施方便,可改造分拣部位部分输送带30截面为弧形,如图2所示结构。依然上例,从开始检测到不合格粮食开始后的t1=10.5s内,上述手部25位于弧形截面输送带30一边缘,该手部25及上述上臂232呈一直线,长度略小于截面弧形的半径,上述上臂232和上述上臂231的连接的转动关节24位于弧形的圆心位置。t1时间到后,手部25驱动机构6驱动手部25沿输送横截面带截面左右摆动,周期为2*t2=2s。
综上所述,本发明实施例通过提供机械手式粮食自动分拣设备,所述通讯单元将工控机传输过来的分拣指令传输给控制单元,所述控制单元将所述分拣指令传输给所述驱动机构,所述手部驱动机构根据控制系统传输过来的分拣指令来驱动所述臂部和手部,所述臂部和手部在所述驱动机构的驱动作用下完成输送带上的不合格粮食的分拣动作。从而使本发明基于机械手自动抓取技术,进行粮库入仓的不合格粮食的分拣动作。
本发明提供的机械手式粮食自动分拣设备采用机械手自动抓取技术,可剔除高水分粮入仓的可能性,有效地避免了由于水分含量超标而引起粮食霉变等浪费现象的发生,有利于粮仓粮食的安全储藏;同时自动化程度加深,可精细化操作流程,提高批量作业效率,具有明显的经济效益。
本领域普通技术人员可以理解:附图只是一个实施例的示意图,附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知,本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品可以存储在存储介质中,如ROM/RAM、磁碟、光盘等,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其,对于装置或系统实施例而言,由于其基本相似于方法实施例,所以描述得比较简单,相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下,即可以理解并实施。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种机械手式粮食自动分拣设备,其特征在于,包括:执行机构、驱动机构和控制系统,
所述的执行机构,包括机身、臂部、手部,所述臂部与所述机身连接,所述手部与臂部连接,所述臂部和手部在所述驱动机构的驱动作用下完成输送带上的不合格粮食的分拣动作;
所述的驱动机构,包括设置在所述臂部的用于驱动手部和臂部进行左右摆动的手部驱动机构,该手部驱动机构根据控制系统传输过来的分拣指令来驱动所述臂部和手部;
所述的控制系统,包括用于与工控机之间进行通讯的通讯单元和用于对驱动机构进行控制的控制单元,所述通讯单元将工控机传输过来的分拣指令传输给控制单元,所述控制单元将所述分拣指令传输给所述驱动机构,所述通讯单元和所述控制单元设置在所述执行机构中或执行机构的外部。
2.根据权利要求1所述的机械手式粮食自动分拣设备,其特征在于,所述执行机构还包括:用于连接所述机身和臂部的肩部,该肩部设置在所述机身顶部,所述臂部设置在该肩部的侧面。
3.根据权利要求2所述的机械手式粮食自动分拣设备,其特征在于,所述臂部分为上臂和下臂,该上臂一端与所述肩部连接,该上臂另一端与所述下臂的一端通过转动关节连接,所述下臂的另一端与所述手部固定连接。
4.根据权利要求3所述的机械手式粮食自动分拣设备,其特征在于,所述机械手式粮食自动分拣设备工作时,所述转动关节位于输送带纵向中心线的正上方,所述手部以该转动关节为中心轴进行左右摆动完成所述分拣动作。
5.根据权利要求1所述的机械手式粮食自动分拣设备,其特征在于,所述驱动机构还包括:用于驱动所述肩部进行回转运动的肩部驱动机构和用于驱动所述机身进行高低位置调节的机身驱动机构,该肩部驱动机构设置在所述肩部中。
6.根据权利要求5所述的机械手式粮食自动分拣设备,其特征在于,所述肩部可带动所述上臂、下臂和手部相对于所述机身水平旋转360°。
7.根据权利要求1所述的机械手式粮食自动分拣设备,其特征在于,所述驱动单元还包括:用于控制所述机身伸长和缩短的机身驱动机构,该机身驱动机构设置在所述机身中。
8.根据权利要求1所述的机械手式粮食自动分拣设备,其特征在于,所述控制系统还包括:用于对所述执行机构的分拣动作进行检测的行程检测单元,该行程检测单元设置在所述执行机构内。
9.根据权利要求1所述的机械手式粮食自动分拣设备,其特征在于,所述控制系统还包括:用于监测粮食是否从手部滑下或脱落与手部是否有效接触的传感单元,该传感单元设置在所述手部。
10.根据权利要求1所述的机械手式粮食自动分拣设备,其特征在于,所述驱动单元的驱动模式为可实现单方向分拣动作的模式或者可实现双方向分拣动作的模式。
11.根据权利要求10所述的机械手式粮食自动分拣设备,其特征在于,所述驱动单元包括数字式交流伺服电机。
12.根据权利要求1至11所述的机械手式粮食自动分拣设备,其特征在于,所述机械手式粮食自动分拣设备工作时,d≥t2*v(t),则所述输送带连续运转;d<t2*v(t),则所述输送带间歇,间歇时间t3的计算公式为:d为所述手部的宽度,v(t)为所述输送带运行速度,t2为所述手部完成一次分拣工作所需时间。
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