CN102224797B - 一种葡萄套袋机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于现代农业装备技术领域的一种葡萄套袋机械手。该葡萄套袋机械手包括：旋转台；垂直滑轨，其设置于所述旋转台上，与所述旋转台垂直；水平滑轨，其设置在所述垂直滑轨上，与所述垂直滑轨垂直；末端执行器，其设置在所述水平滑轨上，所述末端执行器用于取果袋以及给葡萄套袋；果袋支架，其设置在所述旋转台上，用于盛装果袋。本发明提供的葡萄套袋机械手自动化程度高，符合现代化农业装备技术的发展方向。套袋效率高，大大减少了人工的劳动。结构紧凑，可靠性高。

Description

一种葡萄套袋机械手

技术领域

本发明属于现代农业装备技术领域，特别涉及一种葡萄套袋机械手。

背景技术

水果、蔬菜是我国农产品中继粮食之后的两大支柱产品，也是老百姓民生不可缺少的最重要的食物来源。现阶段，我国果品生产盲目使用大剂量的农药，导致果品残留量过高，果品品质较低。面对二十一世纪国际贸易中的“绿色消费浪潮”和“绿色壁垒”，我国水果必须朝着绿色食品方向发展，水果套袋正是生产绿色果品的一项重要技术。

对于葡萄生产来说，采用套袋技术更是非常重要。葡萄套袋栽培可减少生长期病虫对葡萄的危害，减轻农药和灰尘的污染，提高葡萄光洁度，可改善果实生长的微环境，使果实着色均匀，色彩鲜艳，果皮细腻；减少日灼的发生和鸟类的危害。但是，落后的人工套袋方法远远满足不了现代化生产的要求。很显然套袋机械化、自动化技术正在成为制约我国果品生产发展的重要瓶颈技术。

果树套袋技术于七十年代初在日本、韩国、美国等国家开始广泛应用研究，并在应用中不断研究探索机械化作业技术。国外虽有一些成型的套袋机械手，但并不太适用于我国的水果种植情况。在我国，果树套袋技术尚属于一个新兴技术，试验研究的时间也不过十年的时间，机械化作业更是基本上处于空白。

发明内容

本发明所要解决的问题即在国外的葡萄套袋机械手的基础上，提出一种更适于我国葡萄种植情况的多自由度葡萄套袋机械手，使其能够在较低成本下节省人力物力，完成快速、准确的给葡萄果实套袋封口的工作。

本发明提供一种葡萄套袋机械手，该葡萄套袋机械手包括：

旋转台；

垂直滑轨，其设置于所述旋转台上，与所述旋转台垂直；

水平滑轨，其设置在所述垂直滑轨上，与所述垂直滑轨垂直；

末端执行器，其设置在所述水平滑轨上，所述末端执行器用于取果袋以及给葡萄套袋；

果袋支架，其设置在所述旋转台上，用于盛装果袋；

所述果袋支架设计如下：金属板中间有一条缝隙，在竖直方向每隔一段距离固定一个可旋转的挡块。

所述垂直滑轨和所述水平滑轨均包括丝杠和电机。

在所述末端执行器上设置相机和距离传感器。相机可用于传输图像，以调节机械臂的位置，距离传感器用于检测与目标葡萄的距离。

所述垂直滑轨可使所述水平滑轨在Z轴方向移动，从而带动所述末端执行器在Z轴方向移动；

所述旋转台可使整个机械臂围绕Z轴360度的旋转，从而带动所述末端执行器围绕Z轴旋转；所述机械臂由所述旋转台、所述垂直滑轨和所述水平滑轨构成。

所述水平滑轨可使所述末端执行器在X轴方向移动。

1.果袋及果袋支架

根据我国应用水果套袋技术种植现状，纸袋相对来说有更好的透气性、防日灼、防虫等功效，使用纸袋的情况远多于使用塑膜袋的情况。但目前由于没有能够实际应用的水果套袋机械手，市面上纸袋的设计皆更适于手工操作。为了提高机械手工作效率，本发明中所用的纸袋经过了略微的改进。在葡萄果袋开口处固定两个板簧片，不施加力时果袋保持封口状态，从果袋上弹簧片两侧向中间挤压时果袋可以撑开，松开时能够恢复封口状态。

为了简化机械手的动作，更好的采用上述改进后的葡萄果袋，在取袋之前，果袋应先放入果袋支架中。放果袋时，从下至上依次放入，每放入一个果袋即将其上方的挡块旋下，即可放入下一个。取袋过程与放袋过程相反，从上至下依次取袋。操作者可以在机械手执行套袋动作时放置果袋，不占用机械手套袋时间。

2.套袋方法

应用这种改进后的葡萄果袋及果袋支架，末端执行器的套袋动作大大简化。末端执行器包括步进电机、丝杠、导轨和一对手爪，其中一个手爪位置固定，通过步进电机、丝杠和导轨组合，实现另一手爪的直线运动。通过步进电机旋转，可运动的手爪做往复运动，即可实现一对手爪的开合运动。

套袋方式即，手爪豁口处夹持住葡萄果袋的板簧片处，手爪闭合时，将葡萄果袋撑开，待完全套住葡萄果实之后，手爪张开，葡萄果袋自动封口。

3.机械臂运动方式

此发明的机械臂部分有三个自由度，分别为X轴平移自由度、Z轴平移自由度、Z轴旋转自由度。通过此三个自由度，可使末端执行器能够达到机械臂（旋转台、垂直滑轨和水平滑轨构成机械臂）空间范围内的任意一点。通过旋转台可实现整个机械臂围绕Z轴360度的旋转，从而带动末端执行器10围绕Z轴旋转；通过水平滑轨可使末端执行器在X轴方向移动，通过此两个自由度，构成一个极坐标系，能够使末端执行器到达水平面内机械臂所及范围内的任一点。通过垂直滑轨可实现水平滑轨在Z轴方向的移动，从而带动末端执行器10在Z轴方向移动，即可覆盖机械臂工作的三维空间的任意点。

本发明的葡萄套袋机械手的工作过程

在使用时，只需将本发明与一辆手推车连接。需要进行套袋工作时，将其推入棚架式种植的葡萄园中。在合适的位置，启动机械手开关。机械手先通过垂直导轨的电机旋转，使末端执行器向下运动到果袋支架处，手爪闭合，取一个果袋后上升到原位，末端执行器直线电机旋转，手爪闭合，将果袋撑开。此时可通过相机所看到的图像进行图像处理，在机械臂构成的极坐标系下找到葡萄所在位置的坐标，将坐标位置发给机械臂，旋转台与水平滑轨共同作用，将末端执行器调整至葡萄正下方。此时，垂直滑轨动作，使末端执行器向上运动至葡萄下方一定位置。通过相机获得的图像，处理后得到的葡萄坐标，旋转台和水平滑轨动作，对末端执行器的位置进行微调。进行套袋时，末端执行器通过垂直滑轨电机旋转向上运动，距离传感器检测信号从无到有，再到无的时候，自动发出信号使垂直滑轨的电机停止旋转，套袋动作结束，末端执行器直线电机旋转，手爪张开，袋口在板簧的作用力下自动闭合。完成动作后，水平滑轨电机和垂直滑轨电机同时旋转，使末端执行器回归中间底部位置，准备进行下一次的套袋工作。

本发明的有益效果：本发明提供了一种葡萄套袋机械手，特别是通过机器视觉方式给葡萄果实套果袋的机构，本发明具有以下优点：

（1）自动化程度高，符合现代化农业装备技术的发展方向。

（2）套袋效率高，大大减少了人工的劳动。

（3）结构紧凑，可靠性高。

附图说明

图1是改进后的葡萄果袋；

图2是末端执行器结构图；

图3是葡萄套袋机械手整体结构图；

图4是果袋支架设计；

图中标号：1—电机；2—丝杠；3—手爪；4—果袋；5—手爪；6—导轨；7—垂直滑轨  8—相机  9—距离传感器  10—末端执行器；11—水平滑轨；12—果袋支架；13—旋转台。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

一种葡萄套袋机械手，该葡萄套袋机械手包括：

旋转台13；

垂直滑轨7，其设置于所述旋转台13上，与所述旋转台13垂直；

水平滑轨11，其设置在所述垂直滑轨7上，与所述垂直滑轨7垂直；

末端执行器10，其设置在所述水平滑轨11上，所述末端执行器10用于取果袋以及给葡萄套袋；

果袋支架12，其设置在所述旋转台13上，用于盛装果袋。

所述垂直滑轨7和所述水平滑轨11均包括丝杠和电机。

在所述末端执行器10上设置相机8和距离传感器9。相机用于传输图像，以调节机械臂的位置，距离传感器用于监测套袋过程是否结束。

所述葡萄套袋机械手由控制系统进行控制。

1.果袋及果袋支架

如图1所示，在葡萄果袋开口处固定两个板簧片，不施加力时果袋保持封口状态，从果袋上弹簧片两侧向中间挤压时果袋可以撑开，松开时能够恢复封口状态。

为了简化机械手的动作，更好的采用上述改进后的葡萄果袋，在取袋之前，果袋应先放入果袋支架中，如图3中果袋支架12。果袋支架的具体设计如图4所示，金属板中间有3mm缝隙，竖直方向每隔一段距离固定一个可旋转的挡块。放果袋时，从下至上依次放入，每放入一个果袋即将其上方的挡块旋下，即可放入下一个。取袋过程与放袋过程相反，从上至下依次取袋。操作者可以在机械手执行套袋动作时放置果袋，不占用机械手套袋时间。

2.套袋方法

应用这种改进后的葡萄果袋及果袋支架，末端执行器的套袋动作大大简化。如图2所示为末端执行器结构图。通过步进电机1、丝杠2和导轨6组合，实现手爪3的直线运动。手爪5位置固定，通过电机旋转，手爪3做往复运动，即可实现一对手爪的开合运动。

套袋方式即，手爪豁口处夹持住葡萄果袋4的板簧片处，手爪3、手爪5闭合时，将葡萄果袋4撑开，待完全套住葡萄果实之后，手爪3、手爪5张开，葡萄果袋4自动封口。

3.机械臂运动方式

此发明的机械臂部分有三个自由度，如图3所示，分别为X轴平移自由度、Z轴平移自由度、Z轴旋转自由度。通过此三个自由度，可使机械手能够达到机械臂空间范围内的任意一点。如图3所示为葡萄套袋机械手整体结构图。通过旋转台13可实现整个机械臂围绕Z轴360度的旋转；通过水平滑轨11可使末端执行器在X轴方向移动，通过此两个自由度，构成一个极坐标系，能够使末端执行器到达水平面内机械臂所及范围内的任一点。通过垂直滑轨7可实现末端执行器及水平滑轨在Z轴方向的移动，即可覆盖机械臂工作的三维空间的任意点。垂直滑轨7的丝杠和电机使得水平滑轨11在Z轴方向移动，从而带动所述末端执行器10在Z轴方向移动，水平滑轨11的丝杠和电机使得所述末端执行器10在X轴方向移动。

本发明的葡萄套袋机械手的工作过程

在使用时，只需将本发明与一辆手推车连接。需要进行套袋工作时，将其推入棚架式种植的葡萄园中。如图3，在合适的位置，启动机械手开关。机械手先通过垂直导轨7的电机旋转，使末端执行器10向下运动到果袋支架12处，手爪3、手爪5闭合，取一个果袋4后上升到原位，末端执行器直线电机1旋转，手爪3、手爪5闭合，将果袋撑开。此时通过相机8所看到的图像进行图像处理，在机械臂构成的极坐标系下找到葡萄所在位置的坐标，将坐标位置发给机械臂，旋转台13与水平滑轨11共同作用，将末端执行器10调整至葡萄正下方。此时，垂直滑轨7动作，使末端执行器向上运动至葡萄下方一定位置。通过相机8获得的图像，处理后得到的葡萄坐标，旋转台13和水平滑轨11动作，对末端执行器10的位置进行微调。进行套袋时，末端执行器10通过垂直滑轨7电机旋转向上运动，距离传感器9检测信号从无到有，再到无的时候，自动发出信号使垂直滑轨的电机停止旋转，套袋动作结束，末端执行器直线电机1旋转，手爪张开，袋口在板簧的作用力下自动闭合。完成动作后，水平滑轨电机和垂直滑轨电机同时旋转，使末端执行器10回归中间底部位置，准备进行下一次的套袋工作。

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 (5)

1.一种葡萄套袋机械手，其特征在于：该葡萄套袋机械手包括：

旋转台（13）；

垂直滑轨（7），其设置于所述旋转台（13）上，与所述旋转台（13）垂直；

水平滑轨（11），其设置在所述垂直滑轨（7）上，与所述垂直滑轨（7）垂直；

末端执行器（10），其设置在所述水平滑轨（11）上，所述末端执行器（10）用于取果袋以及给葡萄套袋；末端执行器（10）包括步进电机（1）、丝杠（2）、导轨（6）和一对手爪（3、5），其中一个手爪（5）位置固定，通过步进电机（1）、丝杠（2）和导轨（6）组合，实现另一手爪（3）的直线运动，通过步进电机（1）旋转，可运动的手爪（3）做往复运动，实现一对手爪的开合运动；

果袋支架（12），其设置在所述旋转台（13）上，用于盛装果袋；

所述果袋支架（12）设计如下：金属板中间有一条缝隙，在竖直方向每隔一段距离固定一个可旋转的挡块；

所述机械手有三个自由度，分别为X轴平移自由度、Z轴平移自由度、Z轴旋转自由度；所述垂直滑轨（7）可使所述水平滑轨（11）在Z轴方向移动，从而带动所述末端执行器（10）在Z轴方向移动；所述旋转台（13）可使整个机械臂围绕Z轴360度的旋转，从而带动所述末端执行器（10）围绕Z轴旋转，所述机械臂由所述旋转台、所述垂直滑轨和所述水平滑轨构成；所述水平滑轨（11）可使所述末端执行器（10）在X轴方向移动。

2.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于：所述垂直滑轨（7）和所述水平滑轨（11）均包括丝杠和电机。

3.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于：所述果袋开口处固定有两个板簧片，不施加力时果袋保持封口状态，从果袋上弹簧片两侧向中间挤压时果袋可以撑开，松开时能够恢复封口状态。

4.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于：在所述末端执行器（10）上设置相机（8）和距离传感器（9）。

5.根据权利要求1至4任意一个权利要求所述的机械手，其特征在于：所述葡萄套袋机械手由控制系统进行控制。

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