CN105313106A - 基于非均布并联机构的水果采摘装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非均布并联机构的水果采摘装置。包括定平台、四台电机、四组控制臂、动平台、末端采摘机构和控制系统；定平台竖直放置，四台电机均经各自的控制臂与位于定平台前方的动平台相连接，动平台前部安装有用于采摘水果的末端采摘机构，四台电机和末端采摘机构均与控制系统连接。本发明可任意角度控制末端采摘机构对水果的位置定位，任意角度摘果，大大减小采摘机构的惯性和增加采摘机构的精确性；采摘时能减少水果损伤，具有灵活、精确、快速、低损伤的水果采摘优势。

Description

基于非均布并联机构的水果采摘装置

技术领域

本发明属于农产品收获机械技术领域，尤其是涉及了一种基于非均布并联机构的水果采摘装置，用于采摘树果如苹果，橘子，甜橙等。

背景技术

水果的采摘作业环节是水果生产中最耗时、最费力的一个环节。以2013年为例，我国果园种植面积为1113.95万公顷，水果总产量为2亿吨，同种水果成熟季较为集中，如苹果的采摘期只有不到10天。目前我国的水果采摘工作基本还是人工作业，劳动强度大，生产效率低，工作环境恶劣。因此研发机械化采摘装置，对解决劳动生产力，提高水果生产自动化程度都有非常积极的意义。目前，水果采摘机械手的研发普遍采用串联机构带动末端采摘机构，专利：CN104663138A和US4663925分别为典型代表，串联机构惯性大，动作缓慢，有累计误差，精度低；为扭转摘取水果要在末端配合电机，使得末端采摘机构庞大，失去灵活性，这使得机械化水果采摘的效率始终不理想；并且目前采摘水果通过机械手直接摘取，通过力反馈确定夹持力，判断是否夹持住水果，这使得水果机械损伤率较大。

发明内容

本发明的目的是为解决目前水果采摘装置中采摘精度比较低，采摘效率比较低的问题，提出了一种基于非均布并联机构的水果采摘装置。

本发明为解决上述问题所采取的技术方案是：

本发明包括定平台、四台电机、四组控制臂、动平台、末端采摘机构和控制系统；定平台竖直放置，四台电机固定在定平台上，四台电机均经各自的控制臂与位于定平台前方的动平台相连接，动平台前部安装有用于采摘水果的末端采摘机构，四台电机和末端采摘机构均与控制系统连接。

所述的控制臂包括大臂、从动臂和球铰，大臂沿定平台径向安装，大臂一端连接电机的输出轴，大臂另一端的U型支架经球铰与从动臂一端铰接，从动臂另一端经球铰铰接到动平台，使得四组电机的输出轴以不同角度转动时可带动四个大臂摆动，从而带动动平台移动。

所述的定平台背面安装有四台电机，其中两台电机水平安装在定平台背面的上部，其中两台电机竖直安装在定平台背面的中部。

所述的动平台包括两块对称安装的连接板和连接在两块连接板之间的中心板，两块连接板通过导轨机构和齿轮轴结构与中心板连接。

所述的连接板至少具有三个侧部，其中两个侧部设有与所述控制臂铰接的U型支架，另一侧部边沿的上下面均设有导轨，并在边沿的侧壁设有齿条，中心板两侧侧面开有水平凹槽，水平凹槽的上下两面均固定有用于嵌入导轨配合的滑块，中心板通过滑块与两侧连接板的导轨连接滑动形成滑动副；中心板中部中空并装有可转动的齿轮轴，齿轮轴下部为与齿条啮合的齿轮，齿轮轴顶部有键槽，键槽通过平键与所述末端采摘机构中的套环配合以同轴转动。

所述的末端采摘机构包括套环、安装在套环两侧的两块活动卡板以及连接到活动卡板的固定卡板，套环一端内设有键槽，其通过平键与所述动平台中的齿轮轴同轴连接；套环另一端两侧分别与水平的活动卡板一端铰接，并另一端内装有气缸，活塞杆的两侧分别连接有侧向臂，侧向臂的外端嵌在活动卡板中部的第一条形槽中滑动；套环侧壁开有与气缸腔体连通的通气端头，通气端头与气压控制系统连接；活动卡板另一端与竖直的固定卡板固定连接，活动卡板另一端端部附近设有第二条形槽，横杆的两侧底部各有滑块，两个滑块分别嵌入到位于套环两侧的活动卡板的第二条形槽内滑动，两个推动杆分别铰接到横杆的两端，推动杆的另一端与活动安装在固定卡板中心的吸盘套件铰接，吸盘套件连接气压控制系统。

所述的吸盘套件包括吸盘，吸盘中部设有连接头作为吸盘气腔输出口，连接头上设有与推动杆铰接的铰接头以及与气压控制系统连接的通气端头。

所述的气压控制系统包括电磁阀、真空发生器和空气压缩机，气缸和两个吸盘套件经各自的电磁阀与真空发生器气路连接，真空发生器连接到空气压缩机。

所述的控制系统包括计算机、气压传感器和控制器，电机和电磁阀均经控制器连接到计算机，吸盘套件设有气压传感器，气压传感器连接到计算机。

本发明采用非均布并联机构带动末端采摘机构，并联机构相比于串联机构本身具有惯性小，速度快，无累积误差，精度高的优势，可以更加快速，更加精确的进行采摘操作。

末端采摘机构与并联机构的动平台相连接，利用并联机构动平台相对滑动带动齿轮轴转动的力进行扭转采摘，不需单独配合电机，减小末端采摘机构的惯性，使之更加灵活。

末端采摘机构采用柔性吸盘，可对球形、光滑表面的水果进行吸取，减少水果损伤，并且通过气压的反馈确定是否吸住水果。

本发明所具有的有益效果为：

本发明装置可任意角度控制末端采摘机构对水果的位置定位，可以实现以任意角度摘果，并且由于并联机构自身的特性，可大大减小采摘机构的惯性和增加采摘机构的精确性，实现了更加灵活的、精确的、快速的水果采摘。

本发明的末端采摘机构由双吸盘夹持水果，吸盘由气压驱动，并连接气压传感器，计算机可通过分析气压传感器的数据来判断末端采摘机构是否有吸住的牢苹果，从而提高摘果准确率，减小水果机械损伤。

本发明由并联机构动平台相对滑动带动末端采摘机构扭转将水果摘下，不需添加额外电机，末端采摘机构惯性较小，使得摘果更加灵活，摘果效率更高。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明非均布并联机构爆炸图；

图3为本发明动平台结构示意图；

图4为本发明末端采摘机构示意图；

图5为本发明吸盘结构示意图；

图6为本发明末端采摘机构夹持不同尺寸水果状态示意图之一；

图7为本发明末端采摘机构夹持不同尺寸水果状态示意图之二；

图8为本发明气压系统示意图；

图9为本发明控制系统方框图。

图中：定平台10；电机20；控制臂30、大臂31、从动臂32、球铰33；动平台40、连接板41、中心板42、滑块43、导轨44、齿条45、齿轮轴46；末端采摘机构50、套环51、活塞52、侧向臂521、活动卡板53、第一条形槽531、第二条形槽532、固定卡板54、横杆55、推动杆56、吸盘套件57、吸盘571、连接头572、气压控制系统58、橡胶管581、电磁阀582、真空发生器583、空气压缩机58；控制系统60、计算机61、气压传感器62、控制器63。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括定平台10、四台电机20、四组控制臂30、动平台40、末端采摘机构50和控制系统60；定平台10竖直放置，四台电机20非均匀布置固定在定平台10上，四台电机20均经各自的控制臂30与位于定平台10前方的动平台40相连接，动平台40前部安装有用于采摘水果的末端采摘机构50，四台电机20和末端采摘机构50均与控制系统60连接。

定平台10可安装在水果采摘车的前部，控制系统60判断水果是否抓牢并实施摘果操作。

如图2所示，电机20非均匀布置固定在定平台10上，控制臂30包括大臂31、从动臂32和球铰33，大臂31沿定平台10径向安装，大臂31一端连接电机20的输出轴，大臂31随电机20输出轴转动而转动。大臂31另一端的U型支架经球铰33与从动臂32一端铰接，从动臂32另一端经球铰33铰接到动平台40，使得四组电机20的输出轴以不同角度转动时可带动四个大臂31摆动，从而带动动平台40移动。从动臂32呈弧形，两端有可与球铰33连接的孔洞，使得球铰33可在从动臂32的孔洞内转动也可在一定角度内摆动。

定平台10背面安装有四台电机20，其中两台电机20水平安装在定平台10背面的上部，其中两台电机20竖直安装在定平台10背面的中部。定平台10背面上部的两台电机20分别连接两个竖直平行并排的控制臂30连接，这两个控制臂30控制动平台40的上下运动；定平台10背面中部的两台电机20分别连接两侧的两个水平对称安装的控制臂30连接，这两个控制臂30分别连接到动平台40两侧，以控制动平台40的水平运动。

如图3所示，动平台40包括两块对称安装的连接板41和连接在两块连接板41之间的中心板42，两块连接板41通过导轨机构和齿轮结构与中心板42连接。连接板41至少具有三个侧部，其中两个侧部设有与所述控制臂30的球铰33铰接的U型支架，另一侧部边沿的上下面均设有导轨44，并在边沿的侧壁设有齿条45，中心板42两侧侧面开有水平凹槽，水平凹槽的上下两面均固定有用于嵌入导轨44配合的滑块43，中心板42通过滑块43与两侧连接板41的导轨44连接滑动形成滑动副；中心板42中部中空并装有可转动的齿轮轴46，齿轮轴46下部的齿轮与两侧连接板41上的齿条45啮合，使得当两块连接板41相对滑动时可带动齿轮轴46转动，齿轮轴46与齿条45啮合，齿轮轴顶部有键槽，通过平键与所述末端采摘机构50中的套环51配合以同轴转动。

如图4所示，末端采摘机构50包括套环51、安装在套环51两侧的两块活动卡板53以及连接到活动卡板53的固定卡板54。套环51一端内设有键槽，其通过平键与所述动平台40中的齿轮轴46同轴连接；套环51另一端两侧分别与水平的活动卡板53一端铰接，并另一端内装有气缸，气缸的活塞杆52在气缸腔体内通过气压控制滑动，活塞杆52的两侧分别连接有侧向臂521，侧向臂521的外端嵌在活动卡板53中部的第一条形槽531中滑动；套环51侧壁开有与气缸腔体连通的通气端头，通气端头与气压控制系统58连接。活动卡板53另一端与竖直的固定卡板54固定连接，活动卡板53与固定卡板54相垂直安装，活动卡板53另一端端部附近设有第二条形槽532，横杆55的两侧底部各有滑块，两个滑块分别嵌入到位于套环51两侧的活动卡板53的第二条形槽532内滑动，两个推动杆56分别铰接到横杆55的两端，推动杆56的另一端与活动安装在固定卡板54中心的吸盘套件57铰接，吸盘套件57连接气压控制系统58。

如图5所示，吸盘套件57包括吸盘571，被摘水果夹在两侧的两个吸盘套件57的吸盘571之间，吸盘571中部设有连接头572作为吸盘气腔输出口，连接头572上设有与推动杆56铰接的铰接头以及与气压控制系统58连接的通气端头。

如图9所示，气压控制系统58包括电磁阀583、用于提供空气压力差的真空发生器582和提供空气动力的空气压缩机581，气缸和两个吸盘套件57经各自的电磁阀583与真空发生器582气路连接，真空发生器582连接到空气压缩机581。

如图9所示，控制系统60包括计算机61、气压传感器62和控制器63，电机20和电磁阀583均经控制器63连接到计算机61，吸盘套件57设有气压传感器62，气压传感器62连接到计算机61。

控制器63通过控制电机20的输出轴旋转从而带动大臂31摆动，改变水果夹取或释放的位置；通过电磁阀583控制活塞杆52的伸缩改变活动卡板53张开或闭合；通过电磁阀583控制吸盘套件57的吸取与释放。

本发明的具体工作过程如下：

当套环51中的活塞52回缩时，活塞52两端的侧向臂521下移，导致两块活动卡板53之间的夹角变大，固定卡板54张开，同时横杆55下移，带动吸盘套件57沿固定卡板54向下滑动，使得两吸盘套件57间的距离变大，可夹持较大水果，如图6所示；同理，当套环51中的活塞52推进时，活塞52两端的侧向臂521在第一条形槽531中上移，导致两块活动卡板53之间夹角变小，固定卡板54闭合，同时横杆55在第二条形槽532上移，带动吸盘套件57沿固定卡板54向上滑动，使得两吸盘套件57间的距离变小，可夹持较小水果，如图7所示。

气压控制系统58经过分流后连接的电磁阀583控制气流的通断，控制套环51气流的通断可以控制末端采摘机构50对不同大小水果的夹取或释放，控制吸盘套件57气流的通断可以控制末端采摘机构50对水果吸牢或分离。

吸盘套件57与气压传感器62连接，气压传感器62测量吸盘套件57内气体压力，将吸盘套件57内气体压力数据传输给计算机60，计算机60根据数据判断吸盘套件57是否有吸牢水果。若有吸牢水果，则控制器63控制电机20带动大臂31摆动使动平台40的两块连接板41相对滑动，使得动平台40中的齿轮轴46转动，从而带动末端采摘机构50转动，将水果扭转摘下；如判断未吸牢水果，则控制器63控制电机20调整角度对水果重新实施摘取，并通过气压控制系统58控制气压调节末端采摘机构压紧水果的压力，确保不会压坏水果。

由此可见，本发明实现了任意角度控制末端采摘机构对水果的位置定位，任意角度摘果，并且由于并联机构自身的特性，可大大减小采摘机构的惯性和增加采摘机构的精确性。并且末端采摘机构采用柔性吸盘，可对球形、光滑表面的水果进行吸取，减少水果损伤，并且通过气压的反馈确定是否吸住水果。由此实现了更加灵活的、精确的、快速的、低损伤的水果采摘，技术效果显著突出。

Claims (9)

1.一种基于非均布并联机构的水果采摘装置，其特征在于：包括定平台(10)、四台电机(20)、四组控制臂(30)、动平台(40)、末端采摘机构(50)和控制系统(60)；定平台(10)竖直放置，四台电机(20)固定在定平台(10)上，四台电机(20)均经各自的控制臂(30)与位于定平台(10)前方的动平台(40)相连接，动平台(40)前部安装有用于采摘水果的末端采摘机构(50)，四台电机(20)和末端采摘机构(50)均与控制系统(60)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于非均布并联机构的水果采摘装置，其特征在于：所述的控制臂(30)包括大臂(31)、从动臂(32)和球铰(33)，大臂(31)沿定平台(10)径向安装，大臂(31)一端连接电机(20)的输出轴，大臂(31)另一端的U型支架经球铰(33)与从动臂(32)一端铰接，从动臂(32)另一端经球铰(33)铰接到动平台(40)，使得四组电机(20)的输出轴以不同角度转动时可带动四个大臂(31)摆动，从而带动动平台(40)移动。

3.根据权利要求2所述的一种基于非均布并联机构的水果采摘装置，其特征在于：所述的定平台(10)背面安装有四台电机(20)，其中两台电机(20)水平安装在定平台(10)背面的上部，其中两台电机(20)竖直安装在定平台(10)背面的中部。

4.根据权利要求1所述的一种基于非均布并联机构的水果采摘装置，其特征在于：所述的动平台(40)包括两块对称安装的连接板(41)和连接在两块连接板(41)之间的中心板(42)，两块连接板(41)通过导轨机构和齿轮轴(46)结构与中心板(42)连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于非均布并联机构的水果采摘装置，其特征在于：所述的连接板(41)至少具有三个侧部，其中两个侧部设有与所述控制臂(30)铰接的U型支架，另一侧部边沿的上下面均设有导轨(44)，并在边沿的侧壁设有齿条(45)，中心板(42)两侧侧面开有水平凹槽，水平凹槽的上下两面均固定有用于嵌入导轨(44)配合的滑块(43)，中心板(42)通过滑块(43)与两侧连接板(41)的导轨(44)连接滑动形成滑动副；中心板(42)中部中空并装有可转动的齿轮轴(46)，齿轮轴(46)下部为与齿条(45)啮合的齿轮，齿轮轴(46)顶部有键槽，键槽通过平键与所述末端采摘机构(50)中的套环(51)配合以同轴转动。

6.根据权利要求2所述的一种基于非均布并联机构的水果采摘装置，其特征在于：所述的末端采摘机构(50)包括套环(51)、安装在套环(51)两侧的两块活动卡板(53)以及连接到活动卡板(53)的固定卡板(54)，套环(51)一端内设有键槽，其通过平键与所述动平台(40)中的齿轮轴(46)同轴连接；套环(51)另一端两侧分别与水平的活动卡板(53)一端铰接，并另一端内装有气缸，活塞杆(52)的两侧分别连接有侧向臂(521)，侧向臂(521)的外端嵌在活动卡板(53)中部的第一条形槽(531)中滑动；套环(51)侧壁开有与气缸腔体连通的通气端头，通气端头与气压控制系统(58)连接；活动卡板(53)另一端与竖直的固定卡板(54)固定连接，活动卡板(53)另一端端部附近设有第二条形槽(532)，横杆(55)的两侧底部各有滑块，两个滑块分别嵌入到位于套环(51)两侧的活动卡板(53)的第二条形槽(532)内滑动，两个推动杆(56)分别铰接到横杆(55)的两端，推动杆(56)的另一端与活动安装在固定卡板(54)中心的吸盘套件(57)铰接，吸盘套件(57)连接气压控制系统(58)。

7.根据权利要求6所述的一种基于非均布并联机构的水果采摘装置，其特征在于：所述的吸盘套件(57)包括吸盘(571)，吸盘(571)中部设有连接头(572)作为吸盘气腔输出口，连接头(572)上设有与推动杆(56)铰接的铰接头以及与气压控制系统(58)连接的通气端头。

8.根据权利要求6所述的一种基于非均布并联机构的水果采摘装置，其特征在于：所述的气压控制系统(58)包括电磁阀(583)、真空发生器(582)和空气压缩机(581)，气缸和两个吸盘套件(57)经各自的电磁阀(583)与真空发生器(582)气路连接，真空发生器(582)连接到空气压缩机(581)。

9.根据所述权利要求8所述的一种基于非均布并联机构的水果采摘装置，其特征在于：所述的控制系统(60)包括计算机(61)、气压传感器(62)和控制器(63)，电机(20)和电磁阀(583)均经控制器(63)连接到计算机(61)，吸盘套件(57)设有气压传感器(62)，气压传感器(62)连接到计算机(61)。