CN108617240A - 可拓展式采集一体菠萝采摘装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可拓展式采集一体菠萝采摘装置,包括可行走的机架，感应系统、控制模块；所述机架内设置有可拓展的菠萝采摘区域，所述菠萝采摘区域内沿菠萝种植的水平垂直方向至少设有一个采摘区；所述采摘区内设置有刀架、圆盘铣刀、承载板I、升降机构、挡叶引导装置Ⅱ和双曲柄滑块驱动机构；采用本发明方案，可大大提高果农种植户的生产效率，推动菠萝产业化发展，减少人工劳动强度，节省人工成本，同时可实现对菠萝的无损伤采摘，并保证菠萝叶片的完整程度；另外操作简单、成本低，便于农户使用和购买，社会及经济效应好。

Description

可拓展式采集一体菠萝采摘装置

技术领域

本发明涉及一种菠萝采摘装置，特别涉及一种可拓展式采集一体菠萝采摘装置，属于农用机械邻域。

背景技术

目前只有少数果农具有半机械式的辅助采摘装置，国内外菠萝主要以全人工采摘为主，市场上拥有的菠萝采摘机械尚处于初步发展阶段，国内外已有的菠萝采摘机研究包括双目视觉定位系统采摘机器人、视觉夹持旋转采摘机械手和机械式菠萝采摘机等。虽然视觉系统采摘机器人具有采摘精确度较高、菠萝叶片无损伤、设备小等优点，但由于视觉图像处理较困难，需要很高的制造成本和人力成本；其次这类视觉系统采摘机器人还具有对环境的灵敏性较高、采摘效率低、工作范围有限和操作困难等缺点，限制了装置的适用性。针对大规模的机械式采摘机，主要有轮式和履带式两种行走机构，采摘方式为切割、旋转和剪切等，提高了采摘效率，便于果农操作，但其对菠萝植株的损伤极大，大幅度降低了经济价值。

发明内容

有鉴于此，本发明为了克服困难的视觉处理、采摘效率低下、操作不便性及对菠萝植株的损伤性等缺点，同时进一步降低成本和便于安装维护，设计了一种可拓展式采集一体菠萝采摘装置。

本发明的可拓展式采集一体菠萝采摘装置，包括：

可行走的机架，所述机架内设置有可拓展的菠萝采摘区域，所述菠萝采摘区域内沿菠萝种植的水平垂直方向至少设有一个采摘区；

所述采摘区内设置有刀架、安装于刀架的圆盘铣刀、设置于圆盘铣刀上方用于承载菠萝的承载板I、用于驱动刀架升降的升降机构、设置于承载板I纵向前端用于拨开菠萝叶的挡叶引导装置Ⅱ和用于将菠萝推离承载板I的双曲柄滑块驱动机构，所述承载板Ⅰ包括平行共面且间隔设置的左、右承载板Ⅰ，左、右承载板Ⅰ之间形成条形的菠萝柄过口；所述挡叶引导装置Ⅱ包括两块横向对称间隔设置的斜向压板，所述斜向压板沿纵向由后到前向上倾斜且两斜向压板之间的横向间距由上往下逐渐缩小；

感应系统，设置于靠近采摘区进口端，用于检测进入采摘区内的菠萝高度；

控制模块，输入端与感应系统的输出端连接，输出端与升降机构的输入端连接，用于根据感应系统检测的菠萝高度信息控制升降机构，进而控制圆盘铣刀的切割高度；

传送收集装置，设置于承载板I的横向一侧，用于收集被双曲柄滑块驱动机构从承载板I上推离的菠萝。

进一步，所述感应系统包括多个沿竖向固定在机架上的光电传感器、用于保护光电传感器的干扰防护罩和设置于光电传感器纵向前侧用于拨开菠萝叶的挡叶引导装置Ⅰ；光电传感器的输出端与控制模块的输入端连接；所述挡叶引导装置Ⅰ包括两块横向对称间隔设置的斜向压板，所述斜向压板沿纵向由后到前向上倾斜且两斜向压板之间的横向间距由上往下逐渐缩小。

进一步，所述的升降机构包括升降电机和丝杠螺母机构，所述丝杠螺母机构的丝杠转动安装于机架，丝杠螺母机构的丝杆螺母与刀架通过法兰盘固定，还包括一对用于对丝杠螺母沿纵向导向横向限位的平行导轨，所述平行导轨沿竖向固定于机架。

进一步，所述升降电机通过一减速器与丝杠螺母机构的丝杠传动配合。

进一步，所述双滑块曲柄驱动机构包括双滑块曲柄机构和驱动双滑块曲柄机构的舵机，双滑块曲柄机构包括摇杆、推杆和滚动轴承；所述推杆为沿横向与机架单自由滑动配合的门框状结构，所述推杆的中间横杆位于机架横向内侧且平行于中间横杆固定设置有条形驱动槽，所述摇杆的一端设置有滑动内套于条形驱动槽的驱动销，所述驱动销外套设置有滚动轴承，摇杆的另一端与舵机的输出部固定并通过舵机驱动摇杆摆动，进而驱动推杆沿横向往复滑动。

进一步，所述控制器的输出端与舵机的控制输入端连接，控制器还用于根据感应系统的信号延时控制舵机工作。

进一步，所述传送运输装置包括沿纵向布置的输送带、用于驱动传动带的输送电机、支撑安装于输送带横向两内侧的承载板Ⅱ及位于输送带纵向尾部的收集袋。

进一步，所述挡叶引导装置I和挡叶引导装置Ⅱ的斜向压板的横向内侧边由下往上依次包括第一直线段、第二斜线段和第三斜线段，所述第二斜线段的斜率小于第三斜线段的斜率。

进一步，所述斜向压板的倾斜角度为60-70°。

本发明的有益效果：

本发明是集菠萝采摘、收集为一体的一体化装置，即可拓展式采集一体菠萝采摘装置，该装置主要针对多行式种植菠萝的采摘。装置在菠萝采摘过程中，能自动判断菠萝果实高度实现切割的同时，降低对植株本身的损伤，有效解决菠萝的采摘收集问题，与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)对于半自动采摘机械手，该装置集采摘、收集一体，降低了人工辅助机械对操作者持续工作的手部负担，节省劳动力；(2)装置本身规避了视觉图像处理技术，在识别切割位置时大大降低了采摘时间，提高效率；(3)装置利用丝杆螺母和平行导轨组成升降装置，可实现升降机构的升降与自锁；(4)装置可进行双列、三列式组合，有效实现多行植株的同时采摘、收集功能，其适应性更强，应用更易普及；(5)对于其他全自动采摘机械，装置降低了对菠萝叶片的损伤，有利于菠萝植株的再生长；(6)采用分段式切割点管理层，对于处于一定区间高度的菠萝植株统一切割，减少升降机构的循环次数，降低能耗。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的感应系统的主视图；

图3为本发明的感应系统的俯视图；

图4为本发明的升降机构的等轴侧视图；

图5为本发明的升降机构的立体结构爆炸图；

图6为本发明的丝杠螺母的结构示意图；

图7为本发明的圆盘铣刀的主视图；

图8为本发明的双滑块曲柄机构的俯视图；

图9为本发明的双滑块曲柄机构的主视方向全剖图；

图10为本发明的传送收集装置的结构示意图；

具体实施方式

如图1至图10所示：本实施例的可拓展式采集一体菠萝采摘装置，包括菠萝采摘区域2，升降机构1，感应系统8，传送收集装置37。其中，菠萝采摘区域2沿菠萝种植的垂直方向至少设有一个采摘区，菠萝种植的垂直方向为纵向，即使用该装置时的前后方向，水平面上垂直于纵向的方向为横行，即左右方向，每个采摘区的空间区域相同或相似，可以沿菠萝种植的垂直方向增加采摘区，具体的采摘区可根据果农的种植方式而定，本实例的图1所示为2个采摘区，但可为其它数量。

采摘区内设置有挡叶引导装置Ⅱ12、刀架34、圆盘铣刀14及双曲柄滑块机构18，而承载板Ⅰ11，在采摘过程中主要起承载菠萝和保护圆盘铣刀14的作用；当然，也可设置在刀架上设置滑槽15并与固定在机架3上的一对平行导轨16配合形成沿竖向的单自由度滑动副，此方式具有准确的导向性，其中平行导轨可选用SBR导轨，可克服较大的倾覆力矩；所述丝杠螺母7通过法兰盘17与升降机构1相连，其中螺母31、35和机架3固联，法兰盘17与刀架34固联，可实现升降机构1的上下往复移动；所述升降机构1的刀架34可优先选用质量较轻的铝合金，便于升降；所述机架3可选用铸铁制造，具有较好的韧性及刚度。

感应系统8设置在升降机构1之前，结合处理器，用于控制升降机构1的升降；所述处理器可为现有的51单片机，在此不再赘述。

传送收集装置37设置在升降机构1侧面，包括输送带21、承载板Ⅱ20及收集袋25。

本实施例中，所述感应系统8包括固定在机架3上的光电传感器6、干扰防护罩5和挡叶引导装置Ⅰ4；所述光电传感器6可选用E3F-DS30Y1型号，价格便宜且感应灵敏；所述挡叶引导装置Ⅰ4防止叶片对光电传感器6的干扰，并引导菠萝进入正确的菠萝采摘区域2；所述光电传感器6安装在采摘区2两内侧，能够快速感应菠萝位置信号并反馈给升降电机10，可以控制升降电机10的正反转，通过减速器9与升降电机10相连的丝杠螺母7也跟着正反转，其中减速器可用涡轮蜗杆减速器结构；所述丝杠螺母7带动升降机构1在平行导轨16上上下往复运动，由于丝杠螺母7具有自锁性，对升降机构1起到了坠落保护作用；所述的升降电机10可选用步进电机，优先安装在机架3的顶部，因为机架底部环境恶劣且空间有限；所述升降电机10对信号作出回应，间接的使升降机构1移动到合适位置等待菠萝果梗的切割。

本实施例中，所述挡叶引导装置Ⅱ12可将菠萝采摘区域2中的菠萝引入正确的切割位置，同时压下叶片，防止叶片被损伤；所述圆盘铣刀14由旋转电机13驱动，对菠萝果梗进行铣削切割，其中旋转电机13可根据不同地区果梗硬质的区别进行调速。在整个采摘过程中，旋转电机13既可一直处于工作状态，也可根据感应菠萝情况进行高效切割，这取决于旋转电机13的控制方式；所述旋转电机13安装在挡叶引导装置Ⅱ12与圆盘铣刀14之间，可选用修剪树枝时所用的电机；所述承载板Ⅰ11设置在圆盘铣刀14上方，防止切割下来的菠萝砸到圆盘铣刀14上，同时可起到承载菠萝的作用。

本实施例中，所述双滑块曲柄机构18包括摇杆27、推杆26和滚动轴承28，可随升降机构1一起运动；所述摇杆27与驱动舵机19相连，所述滚动轴承28的内圈与摇杆27过盈配合，滚动轴承28的外圈与推杆26的滑槽间隙配合，从而使滚动轴承28的外圈可在推杆26的滑槽内滚动；所述推杆26在摆动摇杆27的作用下可在刀架34上的两个滑槽Ⅱ中做前后往复运动。所述驱动舵机19的控制方式为：驱动舵机19通过单片机与光电传感器6相连，接受来自光电传感器6反馈回来的菠萝感应信号，若感应到菠萝的位置，升降机构1运动到合适切割点，圆盘铣刀14切割菠萝果梗，给驱动舵机19认为人为一个延时动作命令，时间到即可运作，推杆26就将承载板Ⅰ20上的菠萝或者将要切割完的菠萝推到传送收集装置37上，然后驱动舵机19迅速给出命令驱动推杆26回到初始位置，以便下次作用；若光电传感器6没有感应到菠萝位置信号，则就是此处无菠萝，驱动舵机19不运作；所述驱动电机19安装在刀架34上，优先选用安装在摇杆27下方的方式。

本实施例中，所述传送收集装置37设置在升降机构1侧面，包括输送带21、承载板Ⅱ20及收集袋25；所述承载板Ⅱ20安装在输送带两侧，具有承载菠萝的作用，防止菠萝掉下输送带21上时，造成输送电机24及输送带21的冲击，承载板Ⅱ20可选用不锈钢制造，刚度好且摩擦小，有助于承载菠萝和菠萝在输送带21上的运输；所述输送带21可选用棉帆布，其承载能力好，并可增大与菠萝的摩擦，防止菠萝滚动，输送带21安装在托辊23之上，托辊23的输入端通过联轴器36与输送电机24的输出端相连；所述输送电机24可选用步进电机，在整个采摘过程中一直处于工作状态；所述收集袋25安装在输送带21末端，可选用橡胶口袋进行制造，具有较好的承载能力和柔性。

本实施例中，所述挡叶引导装置I和挡叶引导装置Ⅱ的斜向压板的横向内侧边由下往上依次包括第一直线段、第二斜线段和第三斜线段，所述第二斜线段的斜率小于第二斜线段；如图所述，第二斜线段和第三斜线段表示斜向压板的横向内侧沿横向向外倾斜，第一直线段、第二斜线段和第三斜线段的长度之比为1:1:4，所述斜向压板的倾斜角度为60-70°，优选为65°；利于有效将菠萝和菠萝叶分开。

当然，与本可拓展式采集一体菠萝采摘装置还同时配设有其它相关的控制系统，控制系统包括若干控制器及传感器，可实现各运动机构的先后运作、位置感应及信号判断，从而满足自动采摘的需求；这一控制结构通过已有技术即可完成，因此不再赘述。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种可拓展式采集一体菠萝采摘装置，其特征在于，包括：

可行走的机架，所述机架内设置有可拓展的菠萝采摘区域，所述菠萝采摘区域内沿菠萝种植的水平垂直方向至少设有一个采摘区；

所述采摘区内设置有刀架、安装于刀架的圆盘铣刀、设置于圆盘铣刀上方用于承载菠萝的承载板I、用于驱动刀架升降的升降机构、设置于承载板I纵向前端用于拨开菠萝叶的挡叶引导装置Ⅱ和用于将菠萝推离承载板I的双曲柄滑块驱动机构，所述承载板Ⅰ包括平行共面且间隔设置的左、右承载板Ⅰ，左、右承载板Ⅰ之间形成条形的菠萝柄过口；所述挡叶引导装置Ⅱ包括两块横向对称间隔设置的斜向压板，所述斜向压板沿纵向由后到前向上倾斜且两斜向压板之间的横向间距由上往下逐渐缩小；

感应系统，设置于靠近采摘区进口端，用于检测进入采摘区内的菠萝高度；

控制模块，输入端与感应系统的输出端连接，输出端与升降机构的输入端连接，用于根据感应系统检测的菠萝高度信息控制升降机构，进而控制圆盘铣刀的切割高度；

传送收集装置，设置于承载板I的横向一侧，用于收集被双曲柄滑块驱动机构从承载板I上推离的菠萝。

2.根据权利要求1所述的可拓展式采集一体菠萝采摘装置，其特征在于：所述感应系统包括多个沿竖向固定在机架上的光电传感器、用于保护光电传感器的干扰防护罩和设置于光电传感器纵向前侧用于拨开菠萝叶的挡叶引导装置Ⅰ；光电传感器的输出端与控制模块的输入端连接；所述挡叶引导装置Ⅰ包括两块横向对称间隔设置的斜向压板，所述斜向压板沿纵向由后到前向上倾斜且两斜向压板之间的横向间距由上往下逐渐缩小。

3.根据权利要求1所述的可拓展式采集一体菠萝采摘装置，其特征在于：所述的升降机构包括升降电机和丝杠螺母机构，所述丝杠螺母机构的丝杠转动安装于机架，丝杠螺母机构的丝杆螺母与刀架通过法兰盘固定，还包括一对用于对丝杠螺母沿纵向导向横向限位的平行导轨，所述平行导轨沿竖向固定于机架。

4.根据权利要求3所述的可拓展式采集一体菠萝采摘装置，其特征在于：所述升降电机通过一减速器与丝杠螺母机构的丝杠传动配合。

5.根据权利要求1所述的可拓展式采集一体菠萝采摘装置，其特征在于：所述双滑块曲柄驱动机构包括双滑块曲柄机构和驱动双滑块曲柄机构的舵机，双滑块曲柄机构包括摇杆、推杆和滚动轴承；所述推杆为沿横向与机架单自由滑动配合的门框状结构，所述推杆的中间横杆位于机架横向内侧且平行于中间横杆固定设置有条形驱动槽，所述摇杆的一端设置有滑动内套于条形驱动槽的驱动销，所述驱动销外套设置有滚动轴承，摇杆的另一端与舵机的输出部固定并通过舵机驱动摇杆摆动，进而驱动推杆沿横向往复滑动。

6.根据权利要求5所述的可拓展式采集一体菠萝采摘装置，其特征在于：所述控制器的输出端与舵机的控制输入端连接，控制器还用于根据感应系统的信号延时控制舵机工作。

7.根据权利要求6所述的可拓展式采集一体菠萝采摘装置，其特征在于：所述传送运输装置包括沿纵向布置的输送带、用于驱动传动带的输送电机、支撑安装于输送带横向两内侧的承载板Ⅱ及位于输送带纵向尾部的收集袋。

8.根据权利要求2所述的可拓展式采集一体菠萝采摘装置，其特征在于：所述挡叶引导装置I和挡叶引导装置Ⅱ的斜向压板的横向内侧边由下往上依次包括第一直线段、第二斜线段和第三斜线段，所述第二斜线段的斜率小于第三斜线段的斜率。

9.根据权利要求8所述的可拓展式采集一体菠萝采摘装置，其特征在于：所述斜向压板的倾斜角度为60-70°。