CN108668636A - 一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机 - Google Patents

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姜虎森
车清论
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Abstract

本发明公开了一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机，它解决了现有技术中存在人工采摘耗时耗力、自动采摘设备不能满足要求的问题，能够降低冬枣的表面损伤率，收集后的冬枣能够自动筛选，并根据直径不同进行分级，保证采摘收集分级的高效率；其技术方案为：包括预定位采摘机械手、伞面收集装置和剔除检测装置，预定位采摘机械手带动冬枣枝干高频振动；伞面收集装置包括两个相背设置的7型杆和多个辅助杆，相邻杆之间设有扇形部；两个7型杆通过与辅助杆相连的多级链轮机构实现逆向旋转使扇形部之间形成锥形伞面；剔除检测装置对优质冬枣和劣枣进行筛选；优质冬枣进入螺纹滚筒内进行分级处理；劣枣通过剔除检测装置中内置的步进叶轮实现剔除。

Description

一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机
技术领域
本发明涉及机械设备领域，尤其涉及一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机。
背景技术
目前国内采摘冬枣的最主要的方式是人工采摘，其对冬枣的破坏程度最小，采摘工位灵敏较高。但是相比于机械作业采摘，人工采摘不仅劳动成本巨大，而且也不适用大规模种植的高强度作业，耗时耗力，因此机械作业冬枣采摘主要有切割式和碰撞式两种类型，但是目前国内市场对这种人工辅助型冬枣采摘器使用率不足1％。国外对冬枣采摘机械的研究是以采摘机器人为主。已经有自动化程度较高的大型冬枣采摘机，但是对于目前国内冬枣种植密度如此之大的情况下，国外的大型采摘机根本无法适用。
近些年来，冬枣的相关产业发展十分迅速，需求量逐年递增，传统的人工采摘早已不适用，故冬枣机械作业采摘已经成为必然的趋势，同时据调查发现，以山东沾化冬枣为例，冬枣的采摘过程不是一次就全部采摘完毕，要根据成熟度不同进行分层采摘，所以我们需要一种自动化程度高的，要适用于国内目前种植密度大的，且需要分层采摘的冬枣采摘机。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机，通过振动抖落的方式进行冬枣采摘，再通过锥形伞面收集装置进行收集，降低冬枣的表面损伤率，同时收集后的冬枣能够自动筛选，并根据冬枣直径大小不同进行分级，保证采摘收集分级的高效率。
本发明采用下述技术方案：
一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机，包括：
预定位采摘机械手，用于夹持冬枣枝干，并带动冬枣枝干高频振动；
伞面收集装置，用于接收经预定位采摘机械手振落的冬枣，包括两个相背设置的7型杆和多个辅助杆，相邻杆之间设有扇形部；两个7型杆通过与辅助杆相连的多级链轮机构实现逆向旋转使扇形部之间形成锥形伞面；
剔除检测装置，接收经伞面收集装置收集的冬枣，并对优质冬枣和劣枣进行筛选；优质冬枣进入螺纹滚筒内进行分级处理；劣枣通过剔除检测装置中内置的步进叶轮实现剔除。
进一步的，所述预定位采摘机械手包括套设在一起的第一套筒、第二套筒，第二套筒内安装有与第一套筒相连的丝杠螺母机构，丝杠螺母机构带动装有夹爪机构的第一套筒沿第二套筒内部运动。
进一步的，所述第二套筒外侧套设有第三套筒，第三套筒一侧设有偏心凸轮，所述偏心凸轮底部连接驱动装置且偏心凸轮底部具有减震器。
进一步的，所述夹爪机构包括对称安装的两个手爪，所述手爪通过连杆机构安装于固定板一侧，所述连杆机构通过复位弹簧连接电磁铁。
进一步的，所述伞面收集装置底部具有倾斜向上带有挡板的传送带机构，冬枣经传送带机构运送至位于传送带机构底部的收集滑轨中，收集滑轨一侧安装有用于将冬枣与树叶分离的吹风分离装置。
进一步的，所述剔除检测装置包括一端与收集滑轨相接、另一端与螺纹滚筒相接的导向槽，导向槽一侧具有控制流速的分隔旋转轮，导向槽底部设置剔除出口。
进一步的，所述剔除出口内部设有步进叶轮，步进叶轮连接步进电机，所述步进电机由控制系统控制其正反转。
进一步的，所述螺纹滚筒周向间隔设置若干外围挡杆，螺纹滚筒分为多段，每一段螺纹滚筒的外围挡杆间距不同。
进一步的，所述螺纹滚筒内部设置内螺纹。
进一步的，每一段螺纹滚筒底部均对应一个收集箱。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用预定位采摘机械手，通过电磁铁控制夹爪机构的夹紧和松开，简单轻巧、易于控制，通过丝杠螺母传动将夹爪伸长和缩短达到采摘效果，工作稳定，抖落率较高；后置的方向操纵盘对机械手进行全方位的定位控制，使机械手能够精确夹到目标树枝，保证了采摘的准确率；减震器能够将振动电机所带动的振动能量吸收，减少整个机体振动而产生的对树枝及树干的伤害，有效的在提高抖落率的同时保证了其他装置的正常运行；
(2)本发明采用防掉落挡板传送装置，通过传送带将冬枣提升到螺纹滚筒进行分级，相对于传统的人工分拣，节省了时间和成本，同时提高了工作效率；输送带上布置有距离合适的挡板以及在输送带两边加有裙边，防止冬枣在输送过程中向外掉落的情况，最大化的保证了冬枣的收集率。
(3)本发明设置伞面收集装置，通过“7”型杆和辅助杆的转动展开扇形收集面，使果实收集不易散漏，同时在果实坠落时起到缓冲的作用，减小对冬枣的伤害。在收集快捷方便的同时，便于聚拢，便于下一步的果实传送；“7”型杆的收回运动，能够有效减少机体的空间，大大提高空间的利用率，同时保证了冬枣果实的收集率；
(4)本发明采用内螺纹滚筒分级装置，通过电机带动滚筒均匀低速旋转，利用内螺纹配合挡杆将冬枣推进进行分级，相对传统人工分类大大节省了时间和精力，提高了工作效率，同时，滚筒分级的柔性材料能够有效减少对冬枣表面的损伤，保证冬枣在分级过程中的完好性；
(5)本发明设置剔除检测装置，通过分离旋转轮控制冬枣流速，利用卧式步进叶轮来实现对劣果的剔除，配合巧妙，准确率极高；将处理器缩小到单片机上，节省空间，提高处理效率；具有自动识别及分类，相比于传统靠人工进行分拣的方法大大改进，精度更加高，性能更加稳定，保证了分拣的准确性和可行性；
(6)本发明结构紧凑，不仅降低了机器制造成本，还缩减了机器运行的占地面积，有利于机械的小型、高效化；结构设计可实现拼接组合等多种连接配合工作，能够满足各种生产规模、生产场所的需要，应用更加广泛。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的轴测图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的侧视图；
图4为本发明的俯视图；
图5为本发明的预定位采摘机械手主视图；
图6为本发明的预定位采摘机械手轴测图；
图7为本发明的夹爪机构结构示意图；
图8为本发明的丝杠螺母机构结构示意图；
图9为本发明的伞面收集装置结构示意图；
图10为本发明的伞面收集装置内部链轮机构结构示意图；
图11为本发明的剔除检测装置轴测图；
图12为本发明的剔除检测装置剖视图；
图13为本发明的螺纹滚筒结构示意图；
其中，1-伞面；2-夹爪机构；3-第一套筒；4-第二套筒；5-第三套筒；6-方向操纵盘；7-减震器；8-第一“7”型杆；9-第一主辅助杆；10-第一副辅助杆；11-第一链轮机构；12-齿轮b；13-齿轮a；14-第二链轮机构；15-第三链轮机构；16-驱动电机；17-辅助轴；18-第二副辅助杆；19-第二主辅助杆；20-第二“7”型杆；21-分隔旋转轮；22-剔除出口；23-预定位采摘机械手；24-伞面收集装置；25-螺纹滚筒；26-分级收集装置；27-剔除检测装置；28-传送带机构；29-卧式步进叶轮；30-内螺纹；31-电磁铁；32-复位弹簧；33-横向连杆；34-固连板；35-第一连杆；36-第一手爪；37-第二手爪；38-第二连杆；39-螺母；40-丝杠；41-联轴器；42-丝杠电机；43-固定支柱；44-半圆盘；45-底盘；46-偏心凸轮；47-振动电机；48-从动辊轴；49-传动带电机；50-主动辊轴；51-传送带；52-挡板；53-皮带；54带轮；55-外围档杆；56-吹风分离装置；57-收集滑轨；58-滚针轴承。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在人工采摘耗时耗力、自动采摘设备不能满足要求的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图13所示，提供了一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机，包括支撑框架和安装于支撑框架内部的预定位采摘机械手23、伞面收集装置24、传送带机构28、收集滑轨57、剔除检测装置27、螺纹滚筒25和分级处理装置，支撑框架底部安装滚轮。
预定位采摘机械手23包括第一套筒3、第二套筒4、第三套筒5、夹爪机构2、偏心振动机构和减震器7，其中，第一套筒3、第二套筒4和第三套筒5的内径逐渐增大；夹爪机构2安装于第一套筒3内，且第一套筒3套设于第二套筒4内部。
所述第二套筒4内部固定有丝杠电机42，丝杠电机42通过联轴器41连接丝杠40，丝杠40上设有螺母39，丝杠电机42旋转带动螺母39沿丝杠40水平移动；所述螺母39与第一套筒3固定连接，通过丝杠电机42正反转，实现机械手沿轴向的伸出或缩回。
所述第二套筒4的尾部固定有方向操作盘6，第二套筒4的周向外侧套设第三套筒5，第三套筒5底部一侧设有偏心凸轮46，偏心凸轮46与振动电机47相连，通过振动电机47驱动偏心凸轮46旋转使预定位采摘机械手23产生振动，进而抖动果枝，使冬枣掉落；同时，振动电机47可以根据转速的调整控制抖动频率的大小，适用于不同的树龄。
振动电机47安装于减震器7内，减震器7在振动过程中吸收动能，减少机身整体的抖动。
所述减震器7包括底盘45和半圆盘44，半圆盘44位于第三套筒5下方且二者之间有一定的间距；底盘45和半圆盘44之间通过多个弹簧相连；半圆盘44上部一侧安装有固定支柱43，且振动电机47与半圆盘44固连；固定支柱43与第一套筒5的外表面铰接，偏心凸轮46的旋转可使振动电机47的机身产生振动，从而带动三个套筒和夹爪机构2一起振动。
优选地，底盘45和半圆盘44之间设有三个围绕中心分布的弹簧，振动电机47位于三个弹簧之间。
所述减震器7安装于旋转底座上部，旋转底座内装有轴承，通过后置的方向操作盘6实现机械手装置的360°旋转。
夹爪机构2包括第一手爪36和第二手爪37，第一手爪36和第二手爪27靠近末端位置铰接于固定板34一端，固定板34另一端设置电磁铁31；第一手爪36和第二手爪37末端分别铰接第一连杆35、第二连杆38的一端，第一连杆35、第二连杆38的另一端通过铰链连接横向连杆33的一端，横向连杆33的另一端通过复位弹簧32连接电磁铁31；通过电磁铁31的通断电，实现夹爪机构2的夹取和松开。
伞面收集装置24包括倾斜设定角度的第一“7”型杆8和第二“7”型杆20，第一“7”型杆8和第二“7”型杆20相背安装，且第一“7”型杆8一侧设有第一主辅助杆9、第一副辅助杆10，第二“7”型杆20一侧设有第二主辅助杆19、第二副辅助杆18。
第一“7”型杆8与驱动电机16的电机轴固定连接，电机轴上安装齿轮a13，齿轮a13与齿轮b12啮合，齿轮b12设于齿轮轴上，所述齿轮轴依次通过第一链轮机构11、第二链轮机构14、第三链轮机构15连接第一“7”型杆8、第一副辅助杆10、第二副辅助杆18、第二“7”型杆20，从而将动力传递给第二“7”型杆20，由于齿轮a13与齿轮b12啮合起到换向的作用，故第一“7”型杆8与第二“7”型杆20旋转方向相反。
与第二主辅助杆19相连的辅助轴17上不设置连接机构。
第一链轮机构11、第二链轮机构14、第三链轮机构15中的链轮分别安装于相应的辅助轴上，辅助轴与链轮之间安装有滚针轴承58，因此，链轮在辅助杆上空套转动，不传递动力给辅助杆，其中第一主辅助杆9上链轮和齿轮b12固连，第一副辅助杆10所在辅助轴的两个链轮固连，第二副辅助杆18上两个链轮固连，第二“7”型杆20上的链轮与其安装杆固连。
第一“7”型杆9、第二“7”型杆20、第一主辅助杆9、第一副辅助杆10、第二主辅助杆19、第二副辅助杆18之间均设有扇形部。
优选地，所述扇形部为扇布(布料材质制成的扇形结构)。
通过齿轮、链轮传动实现第一“7”型杆8、第一主辅助杆9、第一副辅助杆10同向旋转，且与第二“7”型杆20、第二主辅助杆19、第二副辅助杆18反向(逆向)旋转的效果，使扇形部展开形成锥形伞面1，锥形伞面1能够降低冬枣的表面损伤率。
伞面收集装置24一侧设有传动带机构28，所述传动带机构28向上倾斜，传动带机构28包括主动辊轴50和从动辊轴48，主动辊轴50和从动辊轴48之间通过传送带51相连；传送带51上间隔设置挡板52，且传送带51两侧带有裙边，防止冬枣在输送过程中向外掉落的情况，最大化的保证了冬枣的收集率。
其中，主动辊轴50一端位于伞面收集装置24下方，从动辊轴48一端的下方安装有向下倾斜的收集滑轨57，与收集滑轨57出口侧相对位置安装吹风分离装置56。
优选地，所述吹风分离装置56采用鼓风机。
收集滑轨57出口侧与剔除检测装置27的一端相连，剔除检测装置27的另一端安装螺纹滚筒25。
所述剔除检测装置安装时顺时针倾斜一定角度，其27包括导向槽，导向槽一侧具有控制冬枣流速的分隔旋转轮21，导向槽底部设置剔除出口22，剔除出口22底部设置一个收集箱。
所述剔除出口22内部设有卧式步进叶轮29，卧式步进叶轮29连接步进电机，所述步进电机由控制系统控制其正反转；当枣运动到卧式步进叶轮29的左侧扇叶上时，若枣是正常枣，则步进电机带动卧式步进叶轮顺时针转动90°，枣就向右通过导向槽；若枣是坏枣，则卧式步进叶轮29逆时针转动90°，枣会掉落到剔除出口22。
优选地，所述控制系统采用单片机系统。
利用安装在支撑框架上的相机采集冬枣表面信息，传递至单片机，并采用rameDifferencing帧差分算法、Color Tracking颜色追踪算法和NCC模板匹配算法技术实现对冬枣360°的动态监测；单片机控制步进电机通过卧式步进叶轮29正反转动实现对劣果的剔除与分拣。
与核磁共振成像的水果轻微损伤识别技术相比，降低了成本，提高了速度，提高了安全性，无辐射。
所述螺纹滚筒25由电机驱动，其周向间隔设置若干外围挡杆55，螺纹滚筒25分为多段，每一段螺纹滚筒25的外围挡杆55间距不同，根据外围挡杆55间距的不同筛选不同直径大小的冬枣。
所述螺纹滚筒25内部(外围挡杆55内表面)设置内螺纹30。
每一段螺纹滚筒25底部均对应一个收集箱，多个收集箱构成分级收集装置26。
本申请的预定位采摘机械手23对成熟层冬枣枝干进行夹持，通过振动抖落的方式对成熟冬枣采摘，再通过锥形伞面1进行收集，降低冬枣的表面损伤；通过带有挡板52的传动带51将伞面收集装置24中的冬枣向上传送，当冬枣从传送带51上自由坠落到收集滑轨57时，通过吹风分离装置56将冬枣和树叶进行分离。
收集后的冬枣进入剔除检测装置27，对优质冬枣和劣果进行筛选，优质冬枣进入螺纹滚筒25内，再根据冬枣直径大小不同进行大、中、小分级，并分别收集于收集箱中，最大化协助人工完成一体化工作，保证采摘收集分级的高效率。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机，其特征在于，包括：
预定位采摘机械手，用于夹持冬枣枝干，并带动冬枣枝干高频振动；
伞面收集装置，用于接收经预定位采摘机械手振落的冬枣，包括两个相背设置的7型杆和多个辅助杆，相邻杆之间设有扇形部；两个7型杆通过与辅助杆相连的多级链轮机构实现逆向旋转使扇形部之间形成锥形伞面；
剔除检测装置，接收经伞面收集装置收集的冬枣，并对优质冬枣和劣枣进行筛选；优质冬枣进入螺纹滚筒内进行分级处理；劣枣通过剔除检测装置中内置的步进叶轮实现剔除。
2.根据权利要求1所述的一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机，其特征在于，所述预定位采摘机械手包括套设在一起的第一套筒、第二套筒，第二套筒内安装有与第一套筒相连的丝杠螺母机构，丝杠螺母机构带动装有夹爪机构的第一套筒沿第二套筒内部运动。
3.根据权利要求2所述的一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机，其特征在于，所述第二套筒外侧套设有第三套筒，第三套筒一侧设有偏心凸轮，所述偏心凸轮底部连接驱动装置且偏心凸轮底部具有减震器。
4.根据权利要求2所述的一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机，其特征在于，所述夹爪机构包括对称安装的两个手爪，所述手爪通过连杆机构安装于固定板一侧，所述连杆机构通过复位弹簧连接电磁铁。
5.根据权利要求1所述的一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机，其特征在于，所述伞面收集装置底部具有倾斜向上带有挡板的传送带机构，冬枣经传送带机构运送至位于传送带机构底部的收集滑轨中，收集滑轨一侧安装有用于将冬枣与树叶分离的吹风分离装置。
6.根据权利要求5所述的一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机，其特征在于，所述剔除检测装置包括一端与收集滑轨相接、另一端与螺纹滚筒相接的导向槽，导向槽一侧具有控制流速的分隔旋转轮，导向槽底部设置剔除出口。
7.根据权利要求6所述的一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机，其特征在于，所述剔除出口内部设有步进叶轮，步进叶轮连接步进电机，所述步进电机由控制系统控制其正反转。
8.根据权利要求1所述的一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机，其特征在于，所述螺纹滚筒周向间隔设置若干外围挡杆，螺纹滚筒分为多段，每一段螺纹滚筒的外围挡杆间距不同。
9.根据权利要求8所述的一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机，其特征在于，所述螺纹滚筒内部设置内螺纹。
10.根据权利要求8所述的一种振落式多功能冬枣分层采摘一体机，其特征在于，每一段螺纹滚筒底部均对应一个收集箱。
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