CN108401666B - 回转式水果采摘装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种回转式水果采摘装置，属于机械领域。采摘机构位于行程运动机构前端，行程运动机构末端通过连接机构与移动机构配合；行程运动机构升程时通过前腔进气，压缩空气推动活塞前进，由于螺旋棒是右旋螺纹，活塞推力使螺旋棒做顺时针旋转，棘爪向内收合，活塞直线前进。卡爪靠近水果后控制小气缸做回程运动，卡爪闭合。回程时通过后腔进气，压缩空气推动活塞后退，活塞推力使螺旋棒做逆时针旋转，此时固定的棘轮卡住棘爪，阻止螺旋棒转动，此时活塞在压缩气体推力下沿螺纹做旋转直线运动。卡爪回退至极限位置时控制小气缸做升程运动松开卡爪。优点在于：操作简单便捷；保证了水果的成品质量，同时提高了采摘效率。

Description

回转式水果采摘装置

技术领域

本发明涉及机械领域，特别涉及水果采摘装置技术领域，尤指一种回转式水果采摘装置。

背景技术

长久以来，我国的水果产量保持世界第一，苹果作为最为常见的水果品种，在2015年栽种面积己经达到260万公顷，产量高达4200万吨，占世界苹果总产量的55％以上。与苹果种植、采摘、后加工等配套的技术日益成熟，中国己经成为集苹果生产、出口和消费的大国。

21世纪以来，我国面临人口老龄化问题日趋严重，而且随着工业的迅速发展，农业劳动力逐渐向工业及其他行业转移，农业劳动力严重短缺且成本逐渐提高。水果釆摘作业是水果生产中最耗时、最费力的环节，水果收获期间需投入的劳力约占整个生产过程的。而且在水果采摘作业中经常需要借助梯子登高，长时间作业不仅劳动强度大而且具有一定的危险性。以上众多因素给水果的收获带了极大的困难，因此在果实收获中，研究开发一种水果辅助采摘装置迫在眉睫。水果采摘装置不仅能够降低果农的劳动强度、提高劳动生产率、降低生产成本、保证果实及时采收、保证果品质量而且对于促进我国农业科技进步，跟踪世界农业新技术、加速我国农业现代化进程有着重大的现实意义。

为使水果容易采摘，目前国内外多个研究机构已研发出数种类型的水果采摘工具。目前德国机械化采摘苹果有些是利用摇晃震动原理将苹果震下，再利用伞状机构收集苹果，虽然效率较高但对树木损伤大，也易对苹果造成损伤。邹永等人于2018年1月在期刊《科技创新与应用》上发表的《水果自动采摘小型机械车的结构设计》一文中提及了一种水果采摘车，该采摘车采用了履带轮式结构，通过Arduino控制器操作机械手臂摘取水果，在一定程度上提高了采摘作业的机械自动化程度，但效率较低，难以高效地识别水果并实现采摘。还有Yuanshen Zhao于2016年6月在Computers and Electronics in Agriculture中发表的A review of key techniques of vision-based control for harvesting robot一文中提及的水果采摘机器人应用了可视化研究，采摘效率得到了提高，但机器人的移动机构较为笨重，对地形有较高的要求，适应性较差，也难以得到推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种回转式水果采摘装置，解决了现有技术采摘劳动强度大，效率低，采摘成本高的问题。本发明操作简单方便，采摘效率高。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

回转式水果采摘装置，包括行程运动机构2、采摘机构1、连接机构3、驱动机构和移动机构4，所述采摘机构1与行程运动机构2螺纹旋合，且位于行程运动机构2前端，所述行程运动机构2末端通过连接机构3与移动机构4配合；所述移动机构4由支撑架4-1和平板车4-2固连组装而成，连接机构3通过支撑平板3-5与支撑架4-1固连，支撑平板3-5上有孔，与推力滚子轴承3-4的下表面配合，其上表面与转动台3-3固连，转动台3-3绕z轴做360°旋转，转动台3-3与连接座3-1通过光轴3-2连接，连接座3-1与行程运动机构2通过螺纹固连，行程运动机构2与采摘机构1通过螺纹连接，行程运动机构2通过连接座3-1绕光轴3-2旋转，从而实现对各个位置水果的采摘。

所述的采摘机构1包括卡爪1-1、小气缸1-2和四孔圆盘1-3，所述小气缸1-2与四孔圆盘1-3通过螺纹旋合，卡爪1-1的末端与钢绳固连，通过对钢绳施加拉力使卡爪1-1闭合，实现采摘动作，撤去拉力后通过弹簧复位，卡爪1-1松开放下水果；钢绳末端与小气缸1-2的气缸杆固连，通过小气缸1-2的回程和升程控制卡爪1-1的闭合。

所述的卡爪1-1的表面包覆弹性缓冲材料，所述弹性缓冲材料为橡胶、硅胶。

所述的行程运动机构2的外壳由下端盖2-0、上端盖2-1和气缸壁2-6组成，所述下端盖2-0上设有螺纹孔与连接机构3的连接座3-1通过螺钉旋合；在气缸壁2-6内部，棘轮2-9与下端盖2-0固连，螺旋棒2-7置于棘轮2-9中并嵌有4个棘爪2-8，在棘轮2-9端面设有环形挡圈与棘轮2-9固连，用于限制螺旋棒2-7和棘爪2-8的轴向移动；导向螺母2-5与活塞2-4一侧旋合且活塞2-4为中空结构，导向螺母2-5内有旋转键槽与螺旋棒2-7的旋转花键相配合；活塞2-4另一侧与行程杆2-3固连，行程杆2-3为中空结构，防止了行程杆2-3和螺旋棒2-7的运动干涉；行程杆2-3的外伸杆与上端盖2-1的孔配合，上端盖2-1的孔中有密封圈与其配合密封，行程杆2-3的端部设有螺纹，与采摘机构1的四孔圆盘1-3通过螺纹旋合；通过螺纹拉杆2-2使上端盖2-1和下端盖2-0对中压紧，保证行程运动机构2的气密性。

所述的棘爪2-8一侧放置塔型弹簧使棘爪2-8与棘轮2-9的内齿咬合。

所述的驱动机构为空气压缩机，置于移动机构4的平板车4-2上，空气压缩机通过软管分别连接两个气体换向阀，分别控制采摘机构1和行程运动机构2的进气方向，最终实现卡爪1-1的轴向进退与闭合。

所述的采摘机构1下方固定设置收集机构，所述收集机构包括一个向上的开口，所述开口设置卡爪1-1的下方。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过纯气动控制，操作简单方便，且大大降低了劳动强度。

2、通过特定的机械结构实现行程运动机构做升程直线运动和回程旋转直线运动，通过扭转力采摘水果，保证水果的成品质量的同时提高了采摘效率。

3、可进行选择性采摘。

4、可通过移动机构改变位置，通过连接机构绕铅锤方向做360°旋转，绕水平轴做90°旋转，实现对不同位置上水果的采摘。

5、卡爪可结合水果特性设计更换，可实现对苹果、菠萝、榴莲等多种水果的采摘，且该装置可设计为手持式，应用前景广阔。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的手持状态的结构示意图；

图3为本发明的采摘机构的结构示意图；

图4为本发明的行程运动机构的装配效果示意图；

图5为本发明的行程运动机构的爆炸图；

图6为本发明的连接机构的结构示意图；

图7为本发明的移动机构的结构示意图。

图中：1、采摘机构；1-1、卡爪；1-2、小气缸；1-3、四孔圆盘；2、行程运动机构；2-1、上端盖；2-2、螺纹拉杆；2-3、行程杆；2-4、活塞；2-5、导向螺母；2-6、气缸壁；2-7、螺旋棒；2-8、棘爪；2-9、棘轮；2-0、下端盖；3、连接机构；3-1、连接座；3-2、光轴；3-3、转动台；3-4、推力滚子轴承；3-5、支撑平板；4、移动机构；4-1、支撑架；4-2、平板车。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图7所示，本发明的回转式水果采摘装置，包括采摘机构1、行程运动机构2、连接机构3、驱动机构和移动机构4，所述采摘机构1与行程运动机构2螺纹旋合，且位于行程运动机构2前端，所述行程运动机构2末端通过连接机构3与移动机构4配合；所述行程运动机构2通过对驱动机构的控制，进行升程直线运动，回程旋转直线运动。所述连接机构3与行程运动机构2固连，所述连接机构3可绕水平轴旋转。

所述移动机构4由支撑架4-1和平板车4-2固连组装而成，连接机构3通过支撑平板3-5与支撑架4-1固连，支撑平板3-5上有孔，与推力滚子轴承3-4的下表面配合，其上表面与转动台3-3固连，转动台3-3可以绕z轴做360°旋转，转动台3-3与连接座3-1通过光轴3-2连接，连接座3-1与行程运动机构2通过螺纹固连，行程运动机构2与采摘机构1通过螺纹连接，行程运动机构2可以通过连接座3-1绕光轴3-2旋转，从而实现对各个位置水果的采摘。

参见图3所示，所述的采摘机构1包括卡爪1-1、小气缸1-2和四孔圆盘1-3，所述小气缸1-2与四孔圆盘1-3通过螺纹旋合，卡爪1-1的末端与钢绳固连，通过对钢绳施加拉力使卡爪1-1闭合，实现采摘动作，撤去拉力后通过弹簧复位，卡爪1-1松开放下水果；钢绳末端与小气缸1-2的气缸杆固连，通过小气缸1-2的回程和升程控制卡爪1-1的闭合。

所述的卡爪1-1的表面包覆弹性缓冲材料，所述弹性缓冲材料为橡胶、硅胶等，用以保护果皮防止受到损伤。

参见图4及图5所示，所述的行程运动机构2的外壳由下端盖2-0、上端盖2-1和气缸壁2-6组成，所述下端盖2-0上设有螺纹孔与连接机构3的连接座3-1通过螺钉旋合；在气缸壁2-6内部，棘轮2-9与下端盖2-0固连，螺旋棒2-7置于棘轮2-9中并嵌有4个棘爪2-8，在棘轮2-9端面设有环形挡圈与棘轮2-9固连，用于限制螺旋棒2-7和棘爪2-8的轴向移动；导向螺母2-5与活塞2-4一侧旋合且活塞2-4为中空结构，导向螺母2-5内有旋转键槽与螺旋棒2-7的旋转花键相配合；活塞2-4另一侧与行程杆2-3固连，行程杆2-3为中空结构，可减轻重量，节约成本，防止了行程杆2-3和螺旋棒2-7的运动干涉；行程杆2-3的外伸杆与上端盖2-1的孔配合，上端盖2-1的孔中有密封圈与其配合密封，行程杆2-3的端部设有螺纹，与采摘机构1的四孔圆盘1-3通过螺纹旋合；内部结构装配好后通过螺纹拉杆2-2使上端盖2-1和下端盖2-0对中压紧，保证行程运动机构2的气密性。

所述的棘爪2-8一侧放置塔型弹簧使棘爪2-8与棘轮2-9的内齿咬合。

所述的驱动机构为小型空气压缩机，工作时空气压缩机可置于移动机构4的平板车4-2上，空气压缩机泵送空气后通过软管分别连接两个气体换向阀，分别控制采摘机构1和行程运动机构2的进气方向，最终实现卡爪1-1的轴向进退与闭合。

所述的采摘机构1下方固定设置收集机构，所述收集机构包括一个向上的开口，所述开口设置卡爪1-1的下方。

所述行程运动机构2升程时通过前腔进气，压缩空气推动活塞2-4前进，由于螺旋棒2-7是右旋螺纹，活塞推力使螺旋棒2-7做顺时针旋转，棘爪2-8向内收合，活塞2-4直线前进。卡爪1-1靠近水果后控制小气缸1-2做回程运动，卡爪1-1闭合。回程时通过后腔进气，压缩空气推动活塞2-4后退，因螺旋棒2-7是右旋螺纹，活塞推力使螺旋棒做逆时针旋转，此时固定的棘轮2-9卡住棘爪2-8，阻止螺旋棒2-7转动，此时活塞在压缩气体推力下沿螺纹做旋转直线运动。卡爪1-1回退至极限位置时控制小气缸1-2做升程运动松开卡爪，至此完成采摘；本发明的水果采摘装置通过纯机械结构实现升程直线运动和回程的回转直线运动，无须电机电路控制，操作简单便捷；保证了水果的成品质量，同时提高了采摘效率。

参见图1至图7所示，本发明的回转式水果采摘采摘装置的回转原理说明：

行程运动机构2升程时，通过下端盖2-0进气到后腔，压缩空气推动活塞2-4前进，由于螺旋棒2-7是右旋螺纹，与活塞2-4固连的导向螺母2-5施加斜向推力使螺旋棒2-7做顺时针旋转，棘爪2-8向内收合，活塞2-4直线前进。行程运动机构2回程时控制换向阀使气体从上端盖2-1进入后腔，压缩空气推动活塞2-4后退，因螺旋棒2-7是右旋螺纹，与活塞2-4固连的导向螺母2-5施加斜向推力使螺旋棒2-7做逆时针旋转，此时与下端盖2-0固连的棘轮2-9卡住棘爪2-8，阻止螺旋棒2-7转动，此时活塞2-4在压缩气体推力下沿螺纹做旋转直线运动，实现回转运动。

优选地，可根据采摘水果的不同对卡爪1-1进行更换，由于该驱动方式为气动，可提供充足的动力，操作者只需要对方向进行控制，方便省力。

优选地，可通过设计螺旋棒的螺纹形式设计卡爪1-1的回程运动效果，可通过改变螺旋棒长度控制行程范围。

可选地，如图2所示，可利用该回转式水果采摘装置的采摘机构1和行程运动机构2装配在现有的采摘车上替换其采摘机构，亦可改变长径比制成手持式采摘装置。

参见图1至图7所示，本发明的回转式水果采摘采摘装置的工作过程如下：

首先，各个部件处于初始状态，包括行程杆2-3处于行程初始位置，棘爪2-8与棘轮2-9内齿咬合，卡爪1-1处于最大张开位置即小气缸达到最大行程。

操作者控制行程运动机构2绕z轴和光轴3-2旋转，使卡爪1-1与苹果在卡爪的轴向方向上对准，控制行程运动机构2升程，控制换向阀使压缩气体通过下端盖2-0进气到后腔，压缩空气推动活塞2-4前进，由于螺旋棒2-7是右旋螺纹，与活塞2-4固连的导向螺母2-5施加斜向推力使螺旋棒2-7做顺时针旋转，棘爪2-8向内收合，活塞2-4直线前进。卡爪1-1靠近苹果后通过换向阀控制小气缸1-2前腔进气做回程运动，小气缸1-2拉紧钢绳使卡爪1-1闭合，夹持住苹果。

操作者控制换向阀使气体从上端盖2-1进入后腔使行程运动机构2回程，压缩空气推动活塞2-4后退，因螺旋棒2-7是右旋螺纹，与活塞2-4固连的导向螺母2-5施加斜向推力使螺旋棒2-7做逆时针旋转，此时与下端盖2-0固连的棘轮2-9卡住棘爪2-8，阻止螺旋棒2-7转动，此时活塞2-4在压缩气体推力下沿螺纹做旋转直线运动，实现回转运动。卡爪1-1回退至极限位置时控制小气缸1-2后腔进气做升程运动松开卡爪1-1。优选地，在卡爪1-1的极限位置下方设置柔性收集装置。

至此，完成整个采摘过程。

本发明的水果采摘装置通过纯机械结构实现升程直线运动和回程的回转直线运动，无须电机电路控制，操作简单便捷。结构简单、使用方便、采摘效率高，能够大大降低操作者的劳动强度，不会对水果造成损伤，具有很好的实用性。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种回转式水果采摘装置，其特征在于：包括行程运动机构（2）、采摘机构（1）、连接机构（3）、驱动机构和移动机构（4），所述采摘机构（1）与行程运动机构（2）螺纹旋合，且位于行程运动机构（2）前端，所述行程运动机构（2）末端通过连接机构（3）与移动机构（4）配合；所述移动机构（4）由支撑架（4-1）和平板车（4-2）固连组装而成，连接机构（3）通过支撑平板（3-5）与支撑架（4-1）固连，支撑平板（3-5）上有孔，与推力滚子轴承（3-4）的下表面配合，其上表面与转动台（3-3）固连，转动台（3-3）绕z轴做360°旋转，转动台（3-3）与连接座（3-1）通过光轴（3-2）连接，连接座（3-1）与行程运动机构（2）通过螺纹固连，行程运动机构（2）与采摘机构（1）通过螺纹连接，行程运动机构（2）通过连接座（3-1）绕光轴（3-2）旋转，从而实现对各个位置水果的采摘；

所述的采摘机构（1）包括卡爪（1-1）、小气缸（1-2）和四孔圆盘（1-3），所述小气缸（1-2）与四孔圆盘（1-3）通过螺纹旋合，卡爪（1-1）的末端与钢绳固连，通过对钢绳施加拉力使卡爪（1-1）闭合，实现采摘动作，撤去拉力后通过弹簧复位，卡爪（1-1）松开放下水果；钢绳末端与小气缸（1-2）的气缸杆固连，通过小气缸（1-2）的回程和升程控制卡爪（1-1）的闭合；

所述的行程运动机构（2）的外壳由下端盖（2-0）、上端盖（2-1）和气缸壁（2-6）组成，所述下端盖（2-0）上设有螺纹孔与连接机构（3）的连接座（3-1）通过螺钉旋合；在气缸壁（2-6）内部，棘轮（2-9）与下端盖（2-0）固连，螺旋棒（2-7）置于棘轮（2-9）中并嵌有4个棘爪（2-8），在棘轮（2-9）端面设有环形挡圈与棘轮（2-9）固连，用于限制螺旋棒（2-7）和棘爪（2-8）的轴向移动；导向螺母（2-5）与活塞（2-4）一侧旋合且活塞（2-4）为中空结构，导向螺母（2-5）内有旋转键槽与螺旋棒（2-7）的旋转花键相配合；活塞（2-4）另一侧与行程杆（2-3）固连，行程杆（2-3）为中空结构，防止了行程杆（2-3）和螺旋棒（2-7）的运动干涉；行程杆（2-3）的外伸杆与上端盖（2-1）的孔配合，上端盖（2-1）的孔中有密封圈与其配合密封，行程杆（2-3）的端部设有螺纹，与采摘机构（1）的四孔圆盘（1-3）通过螺纹旋合；通过螺纹拉杆（2-2）使上端盖（2-1）和下端盖（2-0）对中压紧，保证行程运动机构（2）的气密性。

2.根据权利要求1所述的回转式水果采摘装置，其特征在于：所述的卡爪（1-1）的表面包覆弹性缓冲材料，所述弹性缓冲材料为橡胶、硅胶。

3.根据权利要求1所述的回转式水果采摘装置，其特征在于：所述的棘爪（2-8）一侧放置塔型弹簧使棘爪（2-8）与棘轮（2-9）的内齿咬合。

4.根据权利要求1所述的回转式水果采摘装置，其特征在于：所述的驱动机构为空气压缩机，置于移动机构（4）的平板车（4-2）上，空气压缩机通过软管分别连接两个气体换向阀，分别控制采摘机构（1）和行程运动机构（2）的进气方向，最终实现卡爪（1-1）的轴向进退与闭合。

5.根据权利要求1所述的回转式水果采摘装置，其特征在于：所述的采摘机构（1）下方固定设置收集机构，所述收集机构包括一个向上的开口，所述开口设置卡爪（1-1）的下方。