一种柔性扶夹自适应根切装置及控制方法和收获机与流程

本发明属于农业机械领域，尤其涉及一种柔性扶夹自适应根切装置及控制方法和收获机。

背景技术：

蔬菜收获是蔬菜生产过程中劳动强度最大也是成本最高的环节之一，蔬菜由于其生长特性使其形态较为松散不紧凑且切割部位距离地面较近，在机械化收获过程中切割作业环节往往是导致蔬菜损伤与产量降低的主要环节。国内外对于蔬菜收获机的研究已初步展开，相对于国内而言，国外的技术相对成熟，对于蔬菜收获其切割形式多为环形带刀或者往复式割刀，此种切割形式对于根切部直径较小的蔬菜具有良好的适应性，但相对于结球甘蓝等大茎类蔬菜其切割效果不佳。

针对上述问题，国内外学者尝试采用双圆盘切刀作为切割部件对蔬菜进行收获，且在导正切割方式上展开了一系列研究。中国专利cn103168560b公开了一种甘蓝类蔬菜收获的导正输送装置，通过引拔总成将甘蓝类蔬菜从地里连根拔起，导正输送总成导入扶正拔起的甘蓝类蔬菜并夹持根部输送，该种装置工作方式为直接从地里将蔬菜拔起从而易导致蔬菜的损伤，另外导正方式为将蔬菜硬性偏移也易造成蔬菜的损伤。中国专利cn105409437b公开了一种绿叶菜整株连续采收装置及采收方法，利用分禾器将收获区域的绿叶菜进行分禾扶禾，该种分禾扶禾方式对绿叶菜有一定的聚拢作用但效果并不明显难以满足切割作业的需求。

因此需进一步对蔬菜导正、聚拢、对行切割进行进一步研究以提高收获机的工作质量进而提高收获质量保证收获量。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提出了一种柔性扶夹自适应根切装置及控制方法和收获机，由柔性扶夹装置将待收蔬菜进行初步聚拢喂入避免插入待收蔬菜造成损伤，弹性挡板对蔬菜进一步进行茎叶聚拢，可有效避免因蔬菜松散导致切割损失等问题，为后续根切提供适宜根切的环境。自适应根切装置可通过两侧浮行夹板因扶夹蔬菜造成两侧不同的平行四杆机构的连架杆旋转偏移量，控制系统根据检测机构测得的旋转偏移量计算得到扭力值，并计算得到左右两侧驱动机构的控制量，控制驱动机构推动平行四杆机构和根切装置同步左右移动，待两侧扶夹装置的扭力值相同后，所述控制系统控制根切装置进行根切，确保切割的准确性，提高了收获机的收获性能与质量。

本发明的技术方案是：一种柔性扶夹自适应根切装置，包括柔性扶夹装置、根切装置和控制系统；

所述柔性扶夹装置位于根切装置收获方向前侧；所述柔性扶夹装置为两组对称布置的扶夹装置，每个扶夹装置均包括一个平行四杆机构、驱动机构和检测机构，所述驱动机构与平行四杆机构连接，平行四杆机构与根切装置通过连接件连接，驱动机构用于推动平行四杆机构和根切装置同步左右移动，所述检测机构用于测量平行四杆机构的旋转偏移量；

所述控制系统分别与驱动机构、检测机构和根切装置连接，控制系统根据检测机构测得的旋转偏移量计算得到扭力值，并计算得到左右两侧驱动机构的控制量，控制驱动机构推动平行四杆机构和根切装置同步左右移动，待两侧扶夹装置的扭力值相同后，所述控制系统控制根切装置进行根切。

上述方案中，所述平行四杆机构包括浮行夹板、连架杆a、安装板、连架杆b和弹性支撑单元；

所述浮行夹板的一端与所述连架杆b一端铰接，另一端与所述连架杆a一端铰接；连架杆a另一端与检测机构连接，所述检测机构安装在安装板上；所述连架杆b另一端与安装板铰接，安装板与驱动机构连接；所述弹性支撑单元的一端与连架杆b连接，另一端与安装板连接；

所述浮行夹板前端为弧状，两侧的浮行夹板前端构成的空间自收获方向前端往后呈收口状。

上述方案中，所述根切装置为两组对称布置的切割装置，每一组切割装置均包括圆盘割刀、割刀驱动器、伸缩杆和伸缩杆架；所述圆盘割刀与所述割刀驱动器连接，所述割刀驱动器与所述伸缩杆的一段连接，所述伸缩杆的另一端与所述伸缩杆架滑动连接。

进一步的，还包括弹性挡板；所述弹性挡板设置在所述浮行夹板上部。

上述方案中，所述弹性支撑单元包括滑套、滑杆、张紧调节机构；所述滑杆一端与连架杆b铰接，滑杆另一端与滑套连接，滑套与所述安装板铰接，所述张紧调节机构连接于所述滑杆上。

进一步的，所述张紧调节机构包括压簧和调节螺母；所述压簧套在所述滑杆上，所述调节螺母设在滑杆的螺纹段上并将压簧压在滑套一端。

上述方案中，还包括挡块：所述挡块设在安装板上，用于限制所述连架杆b的转动范围。

一种收获机，包括所述柔性扶夹自适应根切装置。

一种根据所述柔性扶夹自适应根切装置的控制方法，包括以下步骤：

测量两侧扶夹装置平行四杆机构的旋转偏移量，并传递到控制系统；

所述控制系统根据旋转偏移量计算得到扭力值，并计算两侧扭力值与两侧扭力值平均数的差值e，当差值的绝对值大于或等于预设值a时，或差值变化率ec的绝对值大于或等于预设值b时，控制系统计算得到左右两侧驱动机构的控制量，根据控制量控制驱动机构推动平行四杆机构和根切装置同步左右移动，待两侧扶夹装置的扭力值相同后，所述控制系统控制根切装置进行根切。

上述方案中，所述控制量通过以下公式计算：

式中，ux为输出的驱动机构的控制量，x为采样时刻，t为控制系统采样时间，kp为模糊控制器的比例调节系数、ki为模糊控制器的积分调节系数、kd为模糊控制器的微分调节系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明由柔性扶夹装置将待收蔬菜进行初步聚拢喂入避免插入待收蔬菜造成损伤，弹性挡板对蔬菜进一步进行茎叶聚拢，可有效避免因蔬菜松散导致切割损失等问题，为后续根切提供适宜根切的环境。自适应根切装置可通过两侧浮行夹板因扶夹蔬菜造成两侧平行四杆机构的连架杆不同的旋转偏移量，控制系统根据检测机构测得的旋转偏移量计算得到扭力值，并计算得到左右两侧驱动机构的控制量，控制驱动机构推动平行四杆机构和根切装置同步左右移动，待两侧扶夹装置的扭力值相同后，所述控制系统控制根切装置进行根切，确保切割的准确性，提高了收获机的收获性能与质量。

附图说明

图1是本发明一实施方式的整体结构轴侧示意图。

图2是本发明一实施方式的整体结构俯视示意图。

图3是本发明一实施方式的柔性扶夹装置结构示意图。

图4是本发明一实施方式的柔性扶夹装置结构局部放大示意图。

图5是本发明一实施方式的浮行侧板结构示意图。

图6是本发明一实施方式的根切装置结构示意图。

图7是本发明一实施方式的柔性扶夹状态轴侧示意图。

图8是本发明一实施方式的柔性扶夹状态侧视示意图。

图9是本发明一实施方式的自适应根切状态示意图。

图10是本发明一实施方式的方法流程示意图。

图中：1、柔性扶夹装置；101、浮行夹板；102、弹性挡板；103、连架杆a；104：扭力传感器；105、安装板；106、机架；107、电动推杆a；108、电动推杆b；109、滑套；110、滑杆；111、张紧调节机构；11101、压簧；11102、调节螺母；112、挡块；113、连架杆b；2、根切装置；201、圆盘割刀；202、割刀驱动器；203、伸缩杆；204、伸缩杆架；3、控制系统；4、叶菜；5、土垄。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1、图2所示为所述蔬菜收获机柔性扶夹自适应根切装置的一种实施方式，所述柔性扶夹自适应根切装置，包括柔性扶夹装置1、根切装置2和控制系统3。所述柔性扶夹装置1位于根切装置2收获方向前侧；所述柔性扶夹装置1为两组对称布置的扶夹装置，每个扶夹装置均包括一个平行四杆机构、驱动机构和检测机构，所述驱动机构与平行四杆机构连接，平行四杆机构与根切装置2通过连接件连接，驱动机构用于推动平行四杆机构和根切装置2同步左右移动，所述检测机构用于测量平行四杆机构的旋转偏移量；

所述控制系统3分别与驱动机构、检测机构和根切装置2连接，控制系统3根据检测机构测得的旋转偏移量计算得到扭力值，并计算得到左右两侧驱动机构的控制量，控制驱动机构推动平行四杆机构和根切装置2同步左右移动，待两侧扶夹装置的扭力值相同后，所述控制系统3控制根切装置2进行根切。

优选的，所述检测机构为扭力传感器104。

优选的，所述驱动机构为电动推杆。

所述控制系统3与所述扭力传感器104、电动推杆a107、电动推杆b108、根切装置2电连接进行信号读取与控制，所述控制系统3可读取两侧所述扭力传感器104因扶夹蔬菜4造成浮行夹板101位移使连架杆b113偏转引起的模拟数值，并通过模拟-数字转换电路将模拟量转换为数字量，根据其数值控制两组对称布置的扶夹装置中所述电动推杆a107、电动推杆b108进行移动以保证两侧所述扭力传感器104测得的数值相同，并进一步控制所述根切装置2前伸完成根切作业。

图3所示为所述柔性扶夹装置1为两组对称布置的扶夹装置，每一组扶夹装置包括浮行夹板101、连架杆a103、扭力传感器104、安装板105、电动推杆a107、电动推杆b108和连架杆b113；所述浮行夹板101的一端与所述连架杆b113一端铰接，另一端与所述连架杆a103一端铰接；所述连架杆a103另一端与所述扭力传感器104的测力头部固定连接，所述扭力传感器104的外壳与所述安装板105固定连接；所述连架杆b113另一端与所述安装板105铰接；所述电动推杆a107、电动推杆b108安装在机架106上；所述电动推杆a107、电动推杆b108的活动杆头分别与所述安装板105平直固定连接。

根据本实施例，优选的，所述浮行夹板101前端成弧状，两侧的浮行夹板101组成的腔体自前端至后呈收口状。本发明所述的柔性扶夹装置1中前端两侧带有喇叭状弧度浮行夹板101将待收蔬菜进行初步聚拢喂入且喇叭状弧度结构可避免插入待收蔬菜造成损伤，初步聚拢喂入的蔬菜通过保持向外弹开状态的含有平行四杆机构的两组扶夹装置组合成对行夹持待收获蔬菜茎叶的形态进行柔性扶夹，并通过连接于浮行夹板上部的弹性挡板102对蔬菜进一步进行茎叶聚拢，浮行夹板101与弹性挡板102对待收蔬菜进行柔性夹持，可解决硬性夹持造成蔬菜损伤的问题。

根据本实施例，优选的，所述弹性支撑单元包括滑套109、滑杆110和张紧调节机构111，所述滑杆110一端与连架杆b113铰接，所述滑杆110另一端滑动连接在所述滑套109内，所述滑套109与所述安装板105铰接，所述张紧调节机构111连接于所述滑杆110上。

每一组所述柔性扶夹装置1的所述浮行夹板101、连架杆a103和连架杆b113、安装板105形成平行四杆机构，所述张紧调节机构111和挡块112构造出弹性支撑单元，使组合的平行四杆机构保持向外弹开状态，两组扶夹装置1组合成对行夹持待收获蔬菜4茎叶的形态。

所述浮行夹板101、弹性挡板102、连架杆a103、扭力传感器104、安装板105、滑套109、滑杆110、张紧调节机构111、挡块112、连架杆b113连接形成的机构可通过安装在机架106上的电动推杆a107和电动推杆b108进行左右移动。

所述扭力传感器104测量由所收获蔬菜给予浮行夹板101经所述连架杆a103传递的力。所述控制系统3根据左右两侧两个扭力传感器104所得数值进行比较，进而通过两侧所述电动推杆a107、电动推杆b108进行调节两侧所述安装板105使两侧扭力传感器104数值相等为后续根切工作提供正确的位置基础。所述根切装置2与所述安装板105均固定连接于同一连接件，例如连接杆或框架，即所述根切装置2与所述安装板105可左右同步运动。

图4所示所述张紧调节机构111包括压簧11101和调节螺母11102，所述压簧11101套在所述滑杆110上，所述调节螺母11102连接在滑杆110的螺纹段上并将所述压簧11101压在所述滑套109一端。所述调节螺母11102可在所述滑杆110上移动以改变所述压簧11101的压缩量进而实现所述张紧调节机构111调节张紧力的功能。优选的，还包括挡块112：所述挡块112连接于所述安装板105，且具有限制所述连架杆b113转动范围的作用。

图5和图7所示所述弹性挡板102固定连接在所述浮行夹板101上部有聚拢收获蔬菜叶茎的作用。经过浮行夹板101与弹性挡板102的柔性夹持与聚拢作用，使蔬菜在切割前保持直立紧凑避免松散的菜叶遮挡需切割的部位，为切割作业提供良好的无遮挡环境。

图6所示所述根切装置2为两组对称布置的切割装置，每一组切割装置均包括圆盘割刀201、割刀驱动器202、伸缩杆203和伸缩杆架204；所述圆盘割刀201与所述割刀驱动器202连接，所述割刀驱动器202与所述伸缩杆203的一段连接，所述伸缩杆203的另一端与所述伸缩杆架204滑动连接。所述伸缩杆203可沿所述伸缩杆架204进行伸缩进而控制所述圆盘割刀201的伸缩位置。本发明可实现待收蔬菜良好的扶夹聚拢作用，可有效避免因蔬菜松散导致切割损失等问题，自适应根切装置可通过两侧扭力传感器104同步自动调整圆盘割刀201位置，确保切割的准确性，提高了收获机的收获性能与质量。

图10所示，所述柔性扶夹自适应根切装置的控制方法，包括以下步骤：

测量两侧扶夹装置平行四杆机构的旋转偏移量，并传递到控制系统3；所述控制系统3根据旋转偏移量计算得到扭力值，并计算两侧扭力值与两侧扭力值平均数的差值e及差值变化率ec，当差值的绝对值大于或等于预设值a时，或差值变化率ec的绝对值大于或等于预设值b时，控制系统3计算得到左右两侧驱动机构的控制量，根据控制量控制驱动机构推动平行四杆机构和根切装置2同步左右移动，待两侧扶夹装置的扭力值相同后，所述控制系统3控制根切装置2进行根切。

具体的，利用模糊pid控制算法对电动推杆a107、电动推杆b108的伸缩量以及控制所述圆盘割刀201前伸的伸缩杆203进行控制。所述扭力传感器104测量两侧扶夹装置平行四杆机构的旋转偏移量，并传递到控制系统3；所述控制系统3根据旋转偏移量计算得到两侧的扭力值tl、tr，并计算两侧扭力值与两侧扭力值平均数的差值e和差值变化率ec，差值e和差值变化率ec作为模糊控制器的输入变量，对应变量语言分别为e、ec，模糊控制器的输出变量分别为kp、ki、kd；将输入语言变量e和ec对应到[-3，3]的论域，输出语言变量kp、ki、kd对应到[-3，3]的论域即{-3，-2，-1，-0，1，2，3}，语言变量值均定为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}7个等级即语言变量的模糊子集表示为{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}，各语言变量均采用三角隶属度函数。

然后根据pid控制参数对系统输出的影响，并根据经验，建立如下模糊规则：

当差值|e|小于预设值a且误差变化率|ec|小于预设值b时，控制系统保持不变，对所述电动推杆a107、电动推杆b108的伸缩量以及控制所述圆盘割刀201前伸的伸缩杆203不做改变；

当差值|e|大于或等于预设值a时，或误差变化率|ec|大于或等于预设值b时控制系统根据所制定的规则对所述电动推杆a107、电动推杆b108的伸缩量以及控制所述圆盘割刀201前伸的伸缩杆203作出相应调整。

建立kp、ki、kd的模糊规则控制表1、2和3，并根据建立的模糊控制理论及规则对规则语言进行编辑并存储。

表1模糊pid控制规则表--kp

表2模糊pid控制规则表--ki

表3模糊pid控制规则表--kd

在收获蔬菜作业过程中，控制系统根据所得数值的差值e及其差值变化速度ec查找模糊规则控制表并通过模糊控制器获得kp、ki、kd三个参数，随后根据如下算法将模糊量进行解模糊精确化获得控制系统的输出量。

式中，u(x)为输出的电动推杆a107和b108的控制量，x为采样时刻，t为控制系统采样时间，kp为模糊控制器的比例调节系数、ki为模糊控制器的积分调节系数、kd为模糊控制器的微分调节系数。

图8、图9所示待收蔬菜喂入两侧所述浮行夹板101间后，两侧的所述扭力传感器104由于两侧所述浮行夹板101因扶夹蔬菜造成不同的平行四杆机构的连架杆旋转偏移量进而测得不同扭力值。所述控制系统3根据两侧扭力值进而控制两侧所述电动推杆a107、电动推杆b108进行随动调节，使得两侧扭力值相等，达到待收获蔬菜4茎叶的扶正形态，待两侧扭力值相同后，所述控制系统3控制所述伸缩杆203将所述圆盘割刀前伸至待切根蔬菜处进行根切，完成切割作业。

本发明借鉴传统叶菜收获模式中“手抱住蔬菜，随后伸出刀割一把”的作业模式，自适应根切装置可通过两侧扭力传感器主动探测的两端不同的夹持力值，通过两侧的电动推杆使柔性扶夹装置与根切装置左右自动同步调整，在柔性扶夹装置完成对待收蔬菜柔性夹持，且电动推杆调整好圆盘割刀左右位置相对于待根切位置后进行切割，确保切割的准确性，提高了收获机的收获性能与质量。本柔性扶夹自适应根切装置后续可配套使用夹持输送系统，实现蔬菜的有序收获；也可进行低损切割作业后将蔬菜放置于土垄上，再通过捡拾的方式收集起来。满足不同收获作业模式。

实施例2

一种收获机，包括实施例1所述柔性扶夹自适应根切装置和控制方法，因此具有实施例1所述的有益效果，此处不再赘述。

以结球甘蓝为例，作业前应先调整弹性张紧力，对甘蓝有足够的夹持力，保持平滑夹持，即既要夹持不倒，又要能平顺滑移。在进行土垄5栽培的甘蓝4收获作业中，由所述柔性扶夹装置1中所述前端两侧带有喇叭状弧度浮行夹板101将待收甘蓝4进行初步浮动夹持喂入，且喇叭状弧度结构可避免喂入的待收甘蓝4造成损伤，初步喂入的甘蓝4通过连接于所述浮行夹板101上部的弹性挡板102对蔬菜4进一步进行茎叶扶起为后续根切提供无遮挡的根切环境；待收甘蓝喂入两侧所述浮行夹板101间后，两侧的所述扭力传感器104由于两侧所述浮行夹板101因扶夹甘蓝造成两侧平行四杆机构的连架杆不同的旋转偏移量进而测得不同扭力值。所述控制系统3根据两侧扭力值进而控制两侧所述电动推杆a107、电动推杆b108进行随动调节，使得两侧扭力值相等，达到待收获甘蓝4茎叶的扶正形态，所述根切装置2与所述安装板105可左右同步运动，待两侧扭力值相同后，所述控制系统3控制所述伸缩杆203将所述圆盘割刀前伸至待切根蔬菜处进行根切，完成切割作业。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。