CN109005890B - 一种连续式菠萝采摘机器人 - Google Patents

Abstract

一种连续式菠萝采摘机器人，主要包括采摘装置、摆放装置、框架及轮式驱动机构，其特征在于：采摘装置固定连接在框架前方顶部位置的下方，摆放装置安装在框架内部的左侧位置，框架底部固定连接轮式驱动部分。本发明可实现采收运输一体化，替代人工采摘时弯腰、采摘、背框、田间抛运等一系列劳动。由于正弦机构非匀速的独特性，使其向菠萝运动时速率小，菠萝受力大，回复时速率快，不与摆放产生干涉。有效解决了高精度与低效率这普遍存在于现有菠萝采摘设计中的矛盾。

Description

一种连续式菠萝采摘机器人

技术领域

本发明涉及农作物采摘设备研究领域，具体涉及一种菠萝采摘机器人。

背景技术

目前国内外的菠萝采摘主要以人工采收为主。菠萝果实与叶外缘皆有锯齿，且较坚硬，需带手套与防护服进行人工采摘。菠萝果实较重，平均质量约为1-2KG，人工采摘时农户多用背筐或田间抛运的运输方式，以上种种均导致人工采摘菠萝时耗费大量体力，十分辛苦。另外，菠萝采摘季节性强，收获期较短，短期需要大量劳动力，使得人力成本高昂，约占总成本40％。菠萝采摘领域机械化，对提高生产效率、解放劳动力都具有重要意义，是未来发展的一个趋势。

目前菠萝采摘领域的技术发展远不如草莓、苹果等其他水果采摘技术成熟。美国K.J.JACKSON的菠萝收获机(pineapple harvester)专利,通过拖拉机驱动传送带实现菠萝田间运输，但采摘过程仍是人工摘取。广州仲恺农业工程学院施俊侠等设计的“一种安装在拖拉机前端的菠萝自动采摘机”，用圆盘式切刀一次切取四排菠萝，效率高但精度低，存在留有根茎过长需二次加工或切到果实易滋生细菌等问题。中国农业大学徐丽明等的“一种菠萝采摘机械手爪”模拟人类采摘的定位、握紧、拧断、释放等动作，精度高，但不可避免的出现机构复杂成本较高的现象，且效率低下。现有研究成果均无法规避精度与效率的矛盾，且功能单一，无法实现菠萝采收运输一体化。

发明内容

本发明的目的是提供成本低、高精度的连续式菠萝采摘机器人。

本发明主要包括有采摘装置、摆放装置、框架及轮式驱动机构。采摘装置固定连接在框架前方顶部位置的下方，摆放装置安装在框架内部的左侧位置，框架底部固定连接轮式驱动部分。

其中，框架包括支撑框架、连接架和外壳。左右两侧的支撑框架的上部设有连接架，两个连接架之间设有采摘机构中的支撑杆。左右两侧支撑框架和连接架组成框架，框架的外部覆盖外壳，且左右两侧支撑框架的后部之间开口。

轮式驱动机构包括驱动轮、载重轮、轴承座C和承重轴。在框架的底部设有两边对称的轮式驱动机构。在左右两侧的支撑框架底部的前方设有轴承座C，在轴承座C的内部插接承重轴，两个驱动轮分别通过与法兰连接与承重轴套接。装置后方两侧为载重轮。在左右两侧的支撑框架底部的后方设有轴承座C，在轴承座C的内部插接承重轴，承重轴插接载重轮。

摆放装置位于框架左侧内部，两根相互平行的斜置连接杆最上端分别通过任意角连接件与框架左侧一根横向放置的连接杆固连，两根斜置连接杆末端通过任意角连接件与框架左侧底端一根横向放置的连接杆固连。使得这两根斜置连接杆在竖直方向上呈一定角度倾斜，菠萝可依托重力下滑。摆放装置由触发器亚克力板A、触发器亚克力板B、行程开关、方形滑槽、限位板、竖直挡板、光轴、轴承座D构成。触发开关位于最前端，行进时触发器亚克力板A可最先碰触菠萝。触发器亚克力板A与光轴的上端套接，光轴的下端与触发器亚克力板B套接，触发器亚克力板A转动时带动触发器亚克力板B转动，触发行程开关。行程开关和触发器亚克力板B固定在框架上的一横置连接杆上。方形滑槽固定于同一连接杆上，方形滑槽上有两个平行的长方形滑槽，整个方形滑槽侧视图呈U形，两侧均有一定高度，用以防止运输过程中菠萝掉落。采摘机构中支撑板B前端下表面有向下的两个长方体，与方形滑槽上的两个滑槽外形、位置均相互配合，可沿滑槽滑动。长方形滑槽与采摘机构中的支撑板B相配合，在两斜置连接杆的内侧设有若干组位置相对应的轴承座D，在对应的轴承座之间设有光轴，光轴从滑槽高度开始至摆放装置末端构成一斜线。光轴两侧放有竖直挡板。在摆放装置末端固定有一竖直放置限位板，以阻碍菠萝继续前进。

左右两侧支撑框架之间设有三根支撑杆，每根支撑杆两端固定在两侧框架上，以支撑整个采摘机构。每个支撑杆上部分别通过螺栓固定连接直线滑轨。在每个直线滑轨上滑动连接两个滑块A，在两个直线滑轨上对应的一组滑块A之间通过支撑板A相连接，在两个直线滑轨上对应的另一组滑块A之间通过上板相连接。底部滑轨的位置比另外两根滑轨的位置低，在底部滑轨上滑动连接滑块B，在滑块B的上部固定连接支撑板B，支撑板B位于采摘机构的左侧。电机A和电机B固定在底部滑轨的两端，电机A的输出端通过关节轴承与连杆A的一端相连，电机A带动连杆A做正弦运动。在支撑板A的下部固定连接两个轴承座A，在两个轴承座A之间设有短轴A，短轴A与连杆A另一端的关节轴承相连。转动轴的底部通过轴承座与滑块B相连。转动轴与驱动转轴之间通过键连接，驱动转轴与转动轴同轴转动。拉动杆的一端套接在转动轴下部，拉动杆与转动轴同轴转动，拉动杆的另一端套接在转轴A的上端。卡槽板上端面与采摘机构中较低位置的连接杆下端面固定连接，位于采摘机构后端。在卡槽板上设有条形槽，转轴A的下端置于条形槽内，转轴A可沿条形槽做直线往复运动。电机B的输出端通过关节轴承与连杆B的一端相连，在支撑板B上固定两个相互平行的轴承座B，在两个轴承座B之间设有短轴B，短轴B与连杆B另一端的关节轴承相连，电机B带动连杆B做正弦运动。转轴B的两端分别设有轴承座，两个轴承座分别固定在支撑板B的上端面和上板的下端面，通过转轴B使支撑板B和上板之间可沿直线滑轨同速运动，上板通过滑块A与直线滑轨相配合。支撑板B最前端上板面有一弧形柱体，与菠萝外形相配合，以阻碍菠萝底部前进。支撑板B的下部与弧形柱体对应的位置，设有两个长方体，可沿摆放装置的方形滑槽做直线运动。采摘机构中机械爪为两个平面四杆机构组合，由驱动转轴、机械爪连杆C、机械爪连杆D构成。机械爪连杆C与机械爪连杆D前端为爪状，中间位置各有一通孔，两根短轴穿过通孔并穿过支撑板A，支撑板A下端面各有一轴承座固定短轴，驱动转轴为两个平面四杆机构共用杆，两根短轴皆沿母线方向削去一平面，使得机械爪连杆C与机械爪连杆D可随驱动转轴转动。驱动转轴为机械爪一部分，整个机械爪固定连接在支撑板A上。

本发明在使用时，初始状态时，支撑板A位于装置右侧，支撑板B位于装置左侧。装置在底部车轮驱动下前进，当装置最前方触发开关碰到前方菠萝时，启动程序，电机A与电机B开始转动。原动件连杆A的正弦运动实现机械爪沿滑轨向左的直线运动。因驱动转轴、转动轴、拉动杆三者可同轴转动，且拉动杆因卡槽板限制而作平面运动，具有角速度，所以使得驱动转轴转动。驱动转轴为机械爪双平面四连杆机构的共用杆，其带动爪状的连杆C与连杆D旋转，以此实现机械爪的摆动。同时支撑板B在电机B带动下沿滑轨向右运动。机械爪与弧形柱体同时到达菠萝位置时，菠萝受二者形成的力偶作用与根部剥离，倒在支撑板B左侧的方形滑槽上，此时因正弦运动的非匀速特性，支撑板B与支撑板A快速回复，且支撑板B将倒在方形滑槽上的菠萝向左推动，使其到摆放装置顶部。之后菠萝依靠重力沿斜面滚落至摆放装置底端，被底部限位板挡住。整个采摘过程中，装置一直保持匀速前进，当遇到下一个菠萝时，再次启动程序采摘菠萝，菠萝滚落至上一个菠萝上方。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、集快速采摘、摆放、独立移动于一体的菠萝采摘机，功能全面，可实现采收运输一体化，替代人工采摘时弯腰、采摘、背框、田间抛运等一系列劳动。

2、将双四连杆正弦机构引入采摘机构，以实现机械爪直线运动与摆动的有机融合。正弦机构非匀速的独特性，使其向菠萝运动时速率小，菠萝受力大，回复时速率快，不与摆放产生干涉。

3、爪向前运动推动菠萝上半部分时，支撑板B的弧形柱体在另一侧卡住菠萝底部，阻碍其前进，使菠萝受到二者形成的力偶作用与根部剥离。这种采摘方式无需精确定位，具备较大容错率。有效解决了高精度与低效率这普遍存在于现有菠萝采摘设计中的矛盾，以及现实环境中菠萝离地高度不一的个体性差异难题。

附图说明

图1为本发明整体外形示意简图；

图2为本发明内部示意简图；

图3为本发明整体左视图；

图4为本发明整体右视图；

图5为本发明触发开关示意图；

图6为本发明采摘机构左侧部分示意图；

图7为本发明采摘机构右侧部分示意图；

图8为本发明采摘机构右侧部分仰视图；

图9为本发明采摘机构整体示意图；

图10为本发明转动轴局部放大示意图；

图11为本发明摆放装置示意图。

其中1-转动轴、2-直线滑轨、3-机械爪连杆C、4-触发器亚克力板A、5-行程开关、6-挡板、7-支撑板A、8-卡槽板、9-上板、10-弧形柱体、11-电机B、12-限位板、13-电机A、14-触发器亚克力板B、15-方形滑槽、16-连杆B、17-拉动杆、18-转轴A、19-转轴B、20-支撑板B、21-键、22-驱动转轴、23-连杆A、24-机械爪连杆D、25-外壳、26-支撑框架、27-连接架、28-支撑杆、29-光轴、30轴承座D、31-轴承座C、32-滑块B、33-轴承座A、34-短轴A、35-轴承座B、36-短轴B、37-滑块A、38-驱动轮、39-载重轮、40-承重轴、41-斜置连接杆、42-横向放置的连接杆。

具体实施方式

在图1至图11所示的本发明的示意简图中，本发明主要包括有采摘装置、摆放装置、框架及轮式驱动机构。采摘装置固定连接在框架前方顶部位置的下方，摆放装置安装在框架内部的左侧位置，框架底部固定连接轮式驱动部分。

框架包括支撑框架、连接架和外壳。左右两侧的支撑框架26的上部设有连接架27，两个连接架之间设有采摘机构中的支撑杆28。左右两侧支撑框架和连接架组成框架，框架的外部覆盖外壳25，且左右两侧支撑框架的后部之间开口。

轮式驱动机构包括驱动轮38、载重轮39、轴承座C31和承重轴40。在框架的底部设有两边对称的轮式驱动机构。在左右两侧的支撑框架底部的前方设有轴承座C，在轴承座C的内部插接承重轴，两个驱动轮分别通过与法兰连接与承重轴套接。装置后方两侧为载重轮。在左右两侧的支撑框架底部的后方设有轴承座C，在轴承座C31的内部插接承重轴，承重轴插接载重轮。

摆放装置位于框架左侧内部，两根相互平行的斜置连接杆41最上端分别通过任意角连接件与框架左侧一根横向放置的连接杆42固连，两根斜置连接杆末端通过任意角连接件与框架左侧底端一根横向放置的连接杆固连。使得这两根斜置连接杆在竖直方向上呈一定角度倾斜，菠萝可依托重力下滑。摆放装置由触发器亚克力板A4、触发器亚克力板B14、行程开关5、方形滑槽15、限位板12、竖直挡板6、光轴29、轴承座D30构成。触发开关位于最前端，行进时触发器亚克力板A可最先碰触菠萝。触发器亚克力板A4与光轴的上端套接，光轴的下端与触发器亚克力板B14套接，触发器亚克力板A转动时带动触发器亚克力板B转动，触发行程开关5。行程开关和触发器亚克力板B固定在框架上的一横置连接杆上。方形滑槽15固定于同一连接杆上，方形滑槽上有两个平行的长方形滑槽，整个方形滑槽侧视图呈U形，两侧均有一定高度，用以防止运输过程中菠萝掉落。采摘机构中支撑板B20前端下表面有向下的两个长方体，与方形滑槽上的两个滑槽外形、位置均相互配合，可沿滑槽滑动。长方形滑槽与采摘机构中的支撑板B相配合，在两斜置连接杆的内侧设有若干组位置相对应的轴承座D30，在对应的轴承座之间设有光轴29，光轴从滑槽高度开始至摆放装置末端构成一斜线。光轴两侧放有竖直挡板6。在摆放装置末端固定有一竖直放置限位板12，以阻碍菠萝继续前进。

左右两侧支撑框架之间设有三根支撑杆28，每根支撑杆两端固定在两侧框架上，以支撑整个采摘机构。每个支撑杆上部分别通过螺栓固定连接直线滑轨。在每个直线滑轨上滑动连接两个滑块A37，在两个直线滑轨上对应的一组滑块A之间通过支撑板A7相连接，在两个直线滑轨上对应的另一组滑块A之间通过上板9相连接。底部滑轨的位置比另外两根滑轨的位置低，在底部滑轨上滑动连接滑块B32，在滑块B的上部固定连接支撑板B20，支撑板B位于采摘机构的左侧。电机A13和电机B11固定在底部滑轨的两端，电机A的输出端通过关节轴承与连杆A23的一端相连，电机A带动连杆A做正弦运动。在支撑板A的下部固定连接两个轴承座A33，在两个轴承座A之间设有短轴A34，短轴A与连杆A23另一端的关节轴承相连。转动轴1的底部通过轴承座与滑块B相连。转动轴与驱动转轴22之间通过键21连接，驱动转轴与转动轴同轴转动。拉动杆17的一端套接在转动轴下部，拉动杆与转动轴同轴转动，拉动杆的另一端套接在转轴A18的上端。卡槽板8上端面与采摘机构中较低位置的连接杆下端面固定连接，位于采摘机构后端。在卡槽板上设有条形槽，转轴A18的下端置于条形槽内，转轴A可沿条形槽做直线往复运动。电机B的输出端通过关节轴承与连杆B16的一端相连，在支撑板B上固定两个相互平行的轴承座B35，在两个轴承座B之间设有短轴B36，短轴B与连杆B另一端的关节轴承相连，电机B带动连杆B做正弦运动。转轴B19的两端分别设有轴承座，两个轴承座分别固定在支撑板B的上端面和上板的下端面，通过转轴B使支撑板B和上板之间可沿直线滑轨同速运动，上板通过滑块A与直线滑轨2相配合。支撑板B最前端上板面有一弧形柱体10，与菠萝外形相配合，以阻碍菠萝底部前进。支撑板B的下部与弧形柱体对应的位置，设有两个长方体，可沿摆放装置的方形滑槽做直线运动。采摘机构中机械爪为两个平面四杆机构组合，由驱动转轴22、机械爪连杆C3、机械爪连杆D24构成。机械爪连杆C3与机械爪连杆D24前端为爪状，中间位置各有一通孔，两根短轴穿过通孔并穿过支撑板A，支撑板A下端面各有一轴承座固定短轴，驱动转轴为两个平面四杆机构共用杆，两根短轴皆沿母线方向削去一平面，使得机械爪连杆C与机械爪连杆D可随驱动转轴转动。驱动转轴为机械爪一部分，整个机械爪固定连接在支撑板A上。

Claims (3)

1.一种连续式菠萝采摘机器人，主要包括采摘装置、摆放装置、框架及轮式驱动机构，其特征在于：采摘装置固定连接在框架前方顶部位置的下方，框架包括支撑框架、连接架和外壳，左右两侧的支撑框架的上部设有连接架，两个连接架之间设有采摘机构中的支撑杆，左右两侧支撑框架和连接架组成框架，框架的外部覆盖外壳，且左右两侧支撑框架的后部之间开口，摆放装置包括斜置连接杆、横向放置的连接杆、触发器亚克力板A、触发器亚克力板B、行程开关、方形滑槽、限位板、竖直挡板、光轴和轴承座D，摆放装置位于框架左侧内部，两根相互平行的斜置连接杆最上端分别通过任意角连接件与框架左侧一根横向放置的连接杆固连，两根斜置连接杆末端通过任意角连接件与框架左侧底端一根横向放置的连接杆固连，使得这两根斜置连接杆在竖直方向上呈一定角度倾斜，菠萝可依托重力下滑，触发开关位于最前端，行进时触发器亚克力板A可最先碰触菠萝，触发器亚克力板A与光轴的上端套接，光轴的下端与触发器亚克力板B套接，触发器亚克力板A转动时带动触发器亚克力板B转动，触发行程开关，行程开关和触发器亚克力板B固定在框架上的一横置连接杆上，方形滑槽固定于同一连接杆上，方形滑槽上有两个平行的长方形滑槽，整个方形滑槽侧视图呈U形，两侧均有一定高度，用以防止运输过程中菠萝掉落，采摘机构中支撑板B前端下表面有向下的两个长方体，与方形滑槽上的两个滑槽外形、位置均相互配合，可沿滑槽滑动，长方形滑槽与采摘机构中的支撑板B相配合，在两斜置连接杆的内侧设有位置相对应的轴承座D，在对应的轴承座之间设有光轴，光轴从滑槽高度开始至摆放装置末端构成一斜线，光轴两侧放有竖直挡板，在摆放装置末端固定有一竖直放置限位板，以阻碍菠萝继续前进，摆放装置安装在框架内部的左侧位置，框架底部固定连接轮式驱动部分。

2.根据权利要求1所述的一种连续式菠萝采摘机器人，其特征在于：轮式驱动机构包括驱动轮、载重轮、轴承座C和承重轴，在框架的底部设有两边对称的轮式驱动机构，在左右两侧的支撑框架底部的前方设有轴承座C，在轴承座C的内部插接承重轴，两个驱动轮分别通过与法兰连接与承重轴套接，装置后方两侧为载重轮，在左右两侧的支撑框架底部的后方设有轴承座C，在轴承座C的内部插接承重轴，承重轴插接载重轮。

3.根据权利要求1所述的一种连续式菠萝采摘机器人，其特征在于：采摘机构包括支撑杆、滑块A、支撑板A、上板、滑块B、支撑板B、电机A、电机B、连杆A、轴承座A、短轴A、转动轴、驱动转轴、键、拉动杆、转轴A、卡槽板、连杆B、轴承座B、短轴B、转轴B、直线滑轨、弧形柱体、机械爪连杆C、机械爪连杆D和连接杆，左右两侧支撑框架之间设有三根支撑杆，每根支撑杆两端固定在两侧框架上，以支撑整个采摘机构，每个支撑杆上部分别通过螺栓固定连接直线滑轨，在每个直线滑轨上滑动连接两个滑块A，在两个直线滑轨上对应的一组滑块A之间通过支撑板A相连接，在两个直线滑轨上对应的另一组滑块A之间通过上板相连接，底部滑轨的位置比另外两根滑轨的位置低，在底部滑轨上滑动连接滑块B，在滑块B的上部固定连接支撑板B，支撑板B位于采摘机构的左侧，电机A和电机B固定在底部滑轨的两端，电机A的输出端通过关节轴承与连杆A的一端相连，电机A带动连杆A做正弦运动，在支撑板A的下部固定连接两个轴承座A，在两个轴承座A之间设有短轴A，短轴A与连杆A另一端的关节轴承相连，转动轴的底部通过轴承座与滑块B相连，转动轴与驱动转轴之间通过键连接，驱动转轴与转动轴同轴转动，拉动杆的一端套接在转动轴下部，拉动杆与转动轴同轴转动，拉动杆的另一端套接在转轴A的上端，卡槽板上端面与采摘机构中较低位置的连接杆下端面固定连接，位于采摘机构后端，在卡槽板上设有条形槽，转轴A的下端置于条形槽内，转轴A可沿条形槽做直线往复运动，电机B的输出端通过关节轴承与连杆B的一端相连，在支撑板B上固定两个相互平行的轴承座B，在两个轴承座B之间设有短轴B，短轴B与连杆B另一端的关节轴承相连，电机B带动连杆B做正弦运动，转轴B的两端分别设有轴承座，两个轴承座分别固定在支撑板B的上端面和上板的下端面，通过转轴B使支撑板B和上板之间可沿直线滑轨同速运动，上板通过滑块A与直线滑轨相配合，支撑板B最前端上板面有一弧形柱体，与菠萝外形相配合，以阻碍菠萝底部前进，支撑板B的下部与弧形柱体对应的位置，设有两个长方体，可沿摆放装置的方形滑槽做直线运动，采摘机构中机械爪为两个平面四杆机构组合，由驱动转轴、机械爪连杆C、机械爪连杆D构成，机械爪连杆C与机械爪连杆D前端为爪状，中间位置各有一通孔，两根短轴穿过通孔并穿过支撑板A，支撑板A下端面各有一轴承座固定短轴，驱动转轴为两个平面四杆机构共用杆，两根短轴皆沿母线方向削去一平面，使得机械爪连杆C与机械爪连杆D可随驱动转轴转动，驱动转轴为机械爪一部分，整个机械爪固定连接在支撑板A上。