CN102907213A - 一种用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置，包括用于夹持菠萝的夹持机构、用于将菠萝扭转分离的扭转分离机构及用于将夹持机构和扭转分离机构固定连接的法兰组件。本发明有效解决了现有技术中采摘效率低、劳动强度高、菠萝采摘运输损害大、整体质量大及功耗大等问题，具有结构简单紧凑、实现果实夹持和扭转分离、采摘效率高及经济耐用等特点。

Description

一种用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置

技术领域

本发明涉及水果采摘机械技术，具体来说是一种用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置。

背景技术

目前国内外菠萝采收作业以人工方式为主，仅利用运送机械实现辅助搬送和运输。菠萝采摘季节性很强，每造果收获的高峰期通常只有半个月左右，人工采摘短时期内需要大量人力。采收时果农戴上手套，根据果实大小与颜色选准果实后，用果刀切取，或是用手握紧果实中部，往复扭动折断果梗。菠萝果重一般1-3Kg，大者可达4-5Kg，果农需要按其成熟度分批采收，人工采收劳动强度大，生产效率低。采收作业约占到整个菠萝生产成本的40%。近年随着我国农村城镇化建设的发展，以及农村劳动力逐渐向社会其它行业转移，农业劳动力减少的问题日益严重。研究开发菠萝自动化采摘设备，对于缓解劳动力短缺，稳定采摘作业质量，减轻劳动强度，提高采摘生产效率有重要意义。

根据文献检索，国内外针对菠萝采摘设备的研制报导很少。美国K.J.JACKSON的菠萝收获机（pineapple harvester）专利，采取手工摘取方式，通过拖拉机驱动传送带实现辅助运输。广州仲恺农业工程学院施俊侠等设计了一种安装在拖拉机前端的菠萝自动采摘机，通过各种齿轮传动方案把动力输送到采摘机构和输果机构，拖拉机向前行走时，采摘机的圆盘式切刀在动力的驱动下进行菠萝采摘，一次采摘4排，采摘后的菠萝落在运输皮带上，通过皮带输送到拖拉机的车箱内。该设计虽然采摘效率高，但未能实现按成熟度采摘，且在收集输运过程中对果实损伤大。

为降低人工采摘劳动强度，同时实现按成熟度精准采摘，国内外目前主要采用机器人相关技术研制开发果蔬自动化采摘设备。末端执行器是采摘机器人的关键部件。在菠萝采摘末端执行器方面，中国农业大学徐丽明等的“一种菠萝采摘机械手爪（200920246396.2）”通过一个旋转电机带动整个机构旋转,实现手爪拧断果实,由一个丝杠电机驱动手爪夹持果实的末端执行机构。机械手爪采用丝杆电机驱动夹持手爪，果实夹持中心与手臂固定板距离远，手爪结构尺寸大，菠萝采后输送过程中弯矩大，功耗大；两个驱动电机和机械结构部分都安装在末端执行机构上，整体质量大，动力性能差。

发明内容

本发明的目的在于克服以上现有技术存在的不足，提供了一种结构简单紧凑、实现果实夹持和扭转分离、采摘效率高及经济耐用的用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置，包括用于夹持菠萝的夹持机构、用于将菠萝扭转分离的扭转分离机构及用于将夹持机构和扭转分离机构固定连接的法兰组件。

为了更好的夹持菠萝及作为一种优选的结构，所述夹持机构包括机架连接板、夹持电机、卷线器、钢丝绳、拉杆、弹簧、手爪支撑板、两个横杆和两个手爪；其中，机架连接板与采摘机器人机架固定连接，夹持电机固定安装在机架连接板上，卷线器固定安装在夹持电机输出轴上，卷线器上绕有钢丝绳，钢丝绳伸出端与拉杆一端固定连接，拉杆套设弹簧，拉杆穿过手爪支撑板，拉杆另一端与两个横杆一端铰接，两个横杆另一端与两个手爪铰接，两个手爪的端部与手爪支撑板两端铰接。夹持机构工作原理：夹持电机驱动卷线器卷绕钢丝绳，带动拉杆移动，通过铰接的横杆将两侧的手爪拉近，实现夹紧菠萝的目的。夹持电机反向转动，松开钢丝绳，拉杆在弹簧力作用下反向移动，横杆将两侧的手爪撑开，实现松开菠萝的目的。

为了更好的扭转菠萝及作为一种优选的结构，所述扭转分离机构包括连接支座、扭转电机、电机固定板、联轴器、第一齿轮、第一齿轮轴、第一齿轮轴承组件、旋转轴、第二齿轮、旋转轴输入端轴承组件和旋转轴输出端轴承组件；其中，扭转电机与电机固定板底部固接，电机固定板的顶部与连接支座的垂直端面固定连接，连接支座的水平端面固定安装在采摘机器人手臂末端，扭转电机的输出轴通过联轴器与穿过连接支座垂直端面的第一齿轮轴固定连接，第一齿轮轴的一端由固定安装在连接支座垂直端面的第一齿轮轴承组件支撑，第一齿轮轴的另一端与第一齿轮固定连接，旋转轴的一端由固定安装在连接支座的垂直端面的旋转轴输入端轴承组件支撑，旋转轴的另一端由固定安装在连接支座水平端面的旋转轴输出端轴承组件支撑，第二齿轮固定安装在旋转轴上，第二齿轮与第一齿轮配对啮合。扭转分离机构工作原理：扭转电机的往复转动，扭矩经第一齿轮、第二齿轮传递到旋转轴上，通过法兰盘连接部分传递给手爪，被手爪夹持的菠萝果实绕夹持中心往复摆动，脆弱的果梗部分被拧断，实现果实摘取目的。

优选的，所述法兰组件包括旋转轴法兰盘和两个“L”形夹爪法兰盘；其中，旋转轴法兰盘的一端面与两个“L”形夹爪法兰盘的一端面固定连接，旋转轴法兰盘的另一端面与旋转轴的输出端面固定连接，两个“L”形夹爪法兰盘另一端面分别对应固定连接手爪支撑板的上端面及下端面。

为了增加夹持力，减小对菠萝的夹持损伤，所述手爪包括手指、上角接片、下角接片和橡胶片，上角接片和下角接片的一侧面分别与手指固定连接，上角接片和下角接片的另一侧面与橡胶片固定连接，形成“V”形夹持面。

为了便于拉杆的移动，所述手爪支撑板中部开设有约束拉杆移动方向的导向槽。

为了整机结构紧凑，所述旋转轴的内部为空心结构，钢丝绳穿过旋转轴的中心，钢丝绳与拉杆的一端固定连接。

为了节省材料、便于成型及安装，所述连接支座为“L”形连接支座。

为了节省材料、便于成型及安装，电机固定板为“Z”形电机固定板。

优选的，所述第二齿轮的直径比第一齿轮的直径大。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

1、本发明采用了包括用于夹持菠萝的夹持机构、用于将菠萝扭转分离的扭转分离机构及用于将夹持机构和扭转分离机构固定连接的法兰组件，具有结构简单紧凑、实现果实夹持和扭转分离、采摘效率高及经济耐用等特点。

2、本发明中的夹持电机安装在采摘机器人的机架上，减小了整个采摘执行装置的重量，可以提高使用效率。

3、本发明采用夹持电机、卷线器、钢丝绳、拉杆、弹簧等实现菠萝的夹持和松开，结构简单紧凑，造价低廉。

4、本发明中的钢丝绳穿过旋转轴中心，减小了夹持中心相对手臂固定端的距离，减小了采摘过程中的弯矩载荷，有利于降低了采摘功耗。

5、本发明整体结构紧凑，质量轻，有利于提高采摘机构动力学性能。

6、本发明中的手爪支撑板中部开设有约束拉杆移动方向的导向槽，具有便于拉杆移动，采摘效果好。

附图说明

图1为一种用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置的整体结构示意图；

图2为一种用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置的整体结构左视图；

图3为一种用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置的整体结构俯视图；

图4为一种用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置的手爪结构示意图。

图中标号与名称如下：

1	机架连接板	2	夹持电机
				3	卷线器	4	钢丝绳
5	拉杆	6	弹簧
				7	手爪支撑板	8	横杆
9	手爪	10	连接支座
				11	扭转电机	12	电机固定板
13	联轴器	14	第一齿轮
				15	第一齿轮轴	16	第一齿轮轴承组件
17	旋转轴	18	第二齿轮
				19	旋转轴输入端轴承组件	20	旋转轴法兰盘
21	“L”形夹爪法兰盘	22	手指
				23	上角接片	24	下角接片
25	橡胶片	26	旋转轴输出端轴承组件

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例：

如图1~4所示，一种用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置，包括用于夹持菠萝的夹持机构、用于将菠萝扭转分离的扭转分离机构及用于将夹持机构和扭转分离机构固定连接的法兰组件。

本实施例中的夹持机构包括机架连接板1、夹持电机2、卷线器3、钢丝绳4、拉杆5、弹簧6、手爪支撑板7、两个横杆8和两个手爪9；其中，机架连接板1与采摘机器人机架固定连接，夹持电机2固定安装在机架连接板1上，卷线器3固定安装在夹持电机2输出轴上，卷线器3上绕有钢丝绳4，钢丝绳4伸出端与拉杆5一端固定连接，拉杆5套设弹簧6，拉杆5穿过手爪支撑板7，拉杆5另一端与两个横杆8一端铰接，两个横杆8另一端与两个手爪9铰接，两个手爪9的端部与手爪支撑板7两端铰接。本实施例中的手爪支撑板7中部开设有约束拉杆5移动方向的导向槽。

夹持机构工作原理：夹持电机2驱动卷线器3卷绕钢丝绳4，带动拉杆5移动，通过铰接的横杆8将两侧的手爪9拉近，实现夹紧菠萝的目的。夹持电机2反向转动，松开钢丝绳4，拉杆5在弹簧力作用下反向移动，横杆8将两侧的手爪9撑开，实现松开菠萝的目的。

本实施例中的扭转分离机构包括连接支座10、扭转电机11、电机固定板12、联轴器13、第一齿轮14、第一齿轮轴15、第一齿轮轴承组件16、旋转轴17、第二齿轮18、旋转轴输入端轴承组件19和旋转轴输出端轴承组件26；其中，扭转电机11与电机固定板12底部固接，电机固定板12的顶部与连接支座10的垂直端面固定连接，连接支座10的水平端面固定安装在采摘机器人手臂末端，扭转电机11的输出轴通过联轴器13与穿过连接支座10垂直端面的第一齿轮轴15固定连接，第一齿轮轴15的一端由固定安装在连接支座10垂直端面的第一齿轮轴承组件16支撑，第一齿轮轴15的另一端与第一齿轮14固定连接，旋转轴17的一端由固定安装在连接支座10的垂直端面的旋转轴输入端轴承组件19支撑，旋转轴17的另一端由固定安装在连接支座10水平端面的旋转轴输出端轴承组件26支撑，第二齿轮18固定安装在旋转轴17上，第二齿轮18与第一齿轮14配对啮合。本实施例中旋转轴17的内部为空心结构，钢丝绳4穿过旋转轴17的中心，钢丝绳4与拉杆5的一端固定连接。连接支座10及电机固定板12可以为“U”形等结构，但本实施例中的连接支座10为“L”形连接支座，电机固定板12为“Z”形电机固定板，这样设置的目的在于便于安装，节省材料等方面考虑。第一齿轮14和第二齿轮18的大小并没有特殊要求，但为了增大力矩，本实施例中的第二齿轮18的直径比第一齿轮14的直径大，实际操作时，一般采用比率为1:3。本实施例中的夹持电机2及扭转电机11的控制均由采摘机器人内的控制器控制。

扭转分离机构工作原理：扭转电机11的往复转动，扭矩经第一齿轮14、第二齿轮18传递到旋转轴17上，通过法兰盘连接部分传递给手爪9，被手爪9夹持的菠萝果实绕夹持中心往复摆动，脆弱的果梗部分被拧断，实现果实摘取目的。

本实施例中的法兰组件包括旋转轴法兰盘20和两个“L”形夹爪法兰盘21；其中，旋转轴法兰盘20的一端面与两个“L”形夹爪法兰盘21的一端面固定连接，旋转轴法兰盘20的另一端面与旋转轴17的输出端面固定连接，两个“L”形夹爪法兰盘21另一端面分别对应固定连接手爪支撑板7的上端面及下端面。

为了增加夹持力，减小对菠萝的夹持损伤，如图4所示，手爪包括手指22、上角接片23、下角接片24和橡胶片25，上角接片23和下角接片24的一侧面分别与手指22固定连接，上角接片23和下角接片24的另一侧面与橡胶片25固定连接，形成“V”形夹持面。

本发明当使用时，手爪9在弹簧6的弹簧力作用下，初始处于张开状态。当采摘机器人视觉识别确定果实的成熟度适于采摘，定位系统分析计算出采摘空间位置和姿态后，利用机械手臂将本发明定位到果实采摘位置，使果实进入到手爪9内部，此时，夹持电机2驱动卷线器3将钢丝绳4卷缩，拉动拉杆5向旋转轴17内部运动，拉杆5克服弹簧6的阻力拉动两个横杆8，两个横杆8分别拉动与之铰接的手爪9向菠萝中心方向靠拢，使手爪9夹住菠萝。

菠萝果实被夹紧后，夹持电机2停止运动，扭转电机11驱动第一齿轮轴15往返旋转，扭矩经第一齿轮14和第二齿轮18的啮合运动，传递给旋转轴17。旋转轴17的往复扭转运动经旋转轴法兰盘20和“L”形夹爪法兰盘21传递给手爪9，使被手爪9夹住的菠萝果实绕夹持中心往复摆动，果实被拧断完成摘取工作。

菠萝果实被摘取后，机械臂将采摘的果实运送到果箱处。此后，夹持电机2反向转动，松开钢丝绳4，拉杆5在弹簧6作用下沿手爪支撑板7内导向槽反向移动，通过横杆8带动手指22使两侧的手爪9撑开，使菠萝落入果箱内。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置，其特征在于：包括用于夹持菠萝的夹持机构、用于将菠萝扭转分离的扭转分离机构及用于将夹持机构和扭转分离机构固定连接的法兰组件。

2.根据权利要求1所述的用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置，其特征在于：所述夹持机构包括机架连接板、夹持电机、卷线器、钢丝绳、拉杆、弹簧、手爪支撑板、两个横杆和两个手爪；其中，机架连接板与采摘机器人机架固定连接，夹持电机固定安装在机架连接板上，卷线器固定安装在夹持电机输出轴上，卷线器上绕有钢丝绳，钢丝绳伸出端与拉杆一端固定连接，拉杆套设弹簧，拉杆穿过手爪支撑板，拉杆另一端与两个横杆一端铰接，两个横杆另一端与两个手爪铰接，两个手爪的端部与手爪支撑板两端铰接。

3.根据权利要求2所述的用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置，其特征在于：所述扭转分离机构包括连接支座、扭转电机、电机固定板、联轴器、第一齿轮、第一齿轮轴、第一齿轮轴承组件、旋转轴、第二齿轮、旋转轴输入端轴承组件和旋转轴输出端轴承组件；其中，扭转电机与电机固定板底部固接，电机固定板的顶部与连接支座的垂直端面固定连接，连接支座的水平端面固定安装在采摘机器人手臂末端，扭转电机的输出轴通过联轴器与穿过连接支座垂直端面的第一齿轮轴固定连接，第一齿轮轴的一端由固定安装在连接支座垂直端面的第一齿轮轴承组件支撑，第一齿轮轴的另一端与第一齿轮固定连接，旋转轴的一端由固定安装在连接支座的垂直端面的旋转轴输入端轴承组件支撑，旋转轴的另一端由固定安装在连接支座水平端面的旋转轴输出端轴承组件支撑，第二齿轮固定安装在旋转轴上，第二齿轮与第一齿轮配对啮合。

4.根据权利要求3所述的用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置，其特征在于：所述法兰组件包括旋转轴法兰盘和两个“L”形夹爪法兰盘；其中，旋转轴法兰盘的一端面与两个“L”形夹爪法兰盘的一端面固定连接，旋转轴法兰盘的另一端面与旋转轴的输出端面固定连接，两个“L”形夹爪法兰盘另一端面分别对应固定连接手爪支撑板的上端面及下端面。

5.根据权利要求2所述的用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置，其特征在于：所述手爪包括手指、上角接片、下角接片和橡胶片，上角接片和下角接片的一侧面分别与手指固定连接，上角接片和下角接片的另一侧面与橡胶片固定连接，形成“V”形夹持面。

6.根据权利要求2所述的用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置，其特征在于：所述手爪支撑板中部开设有约束拉杆移动方向的导向槽。

7.根据权利要求3所述的用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置，其特征在于：所述旋转轴的内部为空心结构，钢丝绳穿过旋转轴的中心，钢丝绳与拉杆的一端固定连接。

8.根据权利要求3所述的用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置，其特征在于：所述连接支座为“L”形连接支座。

9.根据权利要求3所述的用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置，其特征在于：所述电机固定板为“Z”形电机固定板。

10.根据权利要求3所述的用于菠萝采摘机械手臂末端的采摘执行装置，其特征在于：所述第二齿轮的直径比第一齿轮的直径大。

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