CN109328634A - 一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器及采收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器及采收方法，包括固定架、调整装置、采收装置、循环装置和控制系统。固定架用于固定调整装置、采收装置、循环装置和控制系统，带动采收装置插入和拔出土壤；调整装置用于实现对白芦笋茎部的卷持收紧；采收装置用于实现对白芦笋根部的剪切卷持；循环装置用于实现采收装置中剪切线与卷持线的循环；控制系统用于控制整个末端执行器。本发明采用刀片和卷持分步动作，实现白芦笋根部剪切与茎部卷持分步进行，同时循环装置有效提高了采收装置的使用寿命与防磨损能力。

Description

一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器及采收 方法

技术领域

本发明属于农业机械领域，涉及一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器及采收方法，实现白芦笋的切根、卷持、拔取作业及采收装置的循环操作且无需挖土回填。

背景技术

芦笋是一种深受消费者喜爱的营养保健型高档蔬菜。芦笋又名石刁柏，分为白芦笋和青芦笋，而白芦笋含有更多的微量元素，其质嫩味美，营养丰富，风味独特，素有“蔬菜之王”、“世界十大名菜之一”的美誉。

近年来我国芦笋产业发展迅猛，已成为世界上第一大芦笋生产国和出口国。2011年，全球芦笋收获面积达146万公顷，我国芦笋收获面积达132万公顷，占全球的90％。白芦笋采收工具多为细长的芦笋刀，加之白芦笋的采收时间多在早上太阳出来之前或傍晚太阳下山后，采收时间集中，采收过程费工多、工作量大，因此目前白芦笋的收获效率非常低。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利“一种夹切式白芦笋采收装置及采收方法”专利申请号201610887545.8，采用夹持切割方式采收白芦笋，这种采收方式存在以下几个方面需要改进：①夹持切割动作步骤较多，机械结构设计复杂。②切割刀片需要额外刀板保护。③无法改善切刀的机械磨损状况。针对现有白芦笋采收工具落后的状况，发明一种基于循环控制策略的白芦笋选择性采收机器人末端执行器及采收方法，利用固定架的移动带动采收装置的移动实现白芦笋的剪切，通过调整装置的动作实现对白芦笋的卷持，使作业步骤更为简单、快捷，提高采收效率，通过循环装置显著提高设备的使用寿命。

发明内容

本发明针对白芦笋采收存在的不足，提供了一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器及采收方法，实现白芦笋根部剪切与茎部卷持分步进行和采收装置部分的自动循环，使作业步骤更为简单、快捷，提高采收效率。

本发明一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器采用的技术方案包括：固定架、调整装置、采收装置、循环装置和控制系统。所述的固定架为一个矩形金属板，用于固定其它装置实现采收装置的插入和拔出土壤；所述的调整装置固定在固定架上，用于实现采收部件的调整；所述的采收装置连接在调整装置上，用于实现对芦笋的剪切和卷持；所述的循环装置固定在固定架上，用于实现采收装置中剪切线与卷持线的循环；所述的控制系统固定在固定架上，用于控制整个末端执行器；

所述的固定架包括一个矩形金属板，用于固定采收装置、调整装置、循环装置与控制系统，带动采收装置插入和拔出土壤。

所述的调整装置包括丝杠滑块、丝杠导轨、步进电机、C型导管、倒L型导管；所述的丝杠导轨、步进电机固定在固定架上；所述的丝杠滑块固定在丝杠导轨上，用于带动滑块连接轴运动；所述的C型导管固定在丝杠滑块上平面，用于将滑块连接轴内的三根卷持线引向卷持线循环电机的输出轴；所述的倒L型导管固定在丝杠滑块上平面，用于将滑块连接轴内的一根剪切线导向剪切线循环电机的输出轴；

所述的采收装置包括固定轴、滑块连接轴、卷持线、剪切线、轴承座；所述的固定轴为侧壁有开口的空心金属轴，通过轴承座固定在固定架上；所述的滑块连接轴为侧壁有开口的空心金属轴，上端固定在丝杠滑块上；所述的卷持线为有一定宽度的弹性材料制成，位于采收装置中下部两端分别固定在固定轴与滑块连接轴的侧壁开口处；所述的剪切线为有一定刚性的金属丝，位于采收装置底部两端分别固定于固定轴与滑块连接轴轴尖处；

所述的循环装置包括剪切线循环电机与卷持线循环电机；所述的剪切线循环电机嵌在固定架内，输出轴上缠绕一根剪切线，电机转动带动剪切线转动；所述的卷持线循环电机嵌在固定架内，输出轴上缠绕三根卷持线，电机转动带动卷持线转动；

所述的控制系统包括控制箱、控制器、电机驱动器、电源；所述的控制箱包括控制器、电机驱动器，固定在机架上，主要实现电机控制、通讯等功能；所述的控制器可由单片机、微处理器、工控机等其他具备同等处理能力设备和I/O驱动接口电路构成；所述的电机驱动器，根据电机类型选用不同型号的交、直流电机驱动器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器等，接收由控制器发出的控制信号，驱动电机转动；所述的电源可为控制系统的工作提供电能。

所述的一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器采收方法包括固定位采收和原位采收两种技术方案。

所述的一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器采用技术方案一的采收方法包括以下步骤：

1)固定架水平移动带动采收装置移动使露出表层土壤的白芦笋位于剪切线的正前方，固定架竖直向下运动，使采收装置顺利插入土壤中；

2)固定架水平向前运动，带动剪切线切割白芦笋茎部后到达白芦笋正前方，随后步进电机转动使固定在丝杠滑块上的滑块连接轴向固定轴靠近，到达指定距离后，控制系统控制步进电机停止转动，同时卷持线依靠材料自身弹力完成对白芦笋的卷持；

3)固定架竖直向上运动，拔出采收装置，白芦笋被带出土壤，控制系统控制步进电机反方向转动带动滑块连接轴回到初始位置，白芦笋就会落下，完成一次采收工作，此时剪切线循环电机转动带动剪切线转动一定距离，之后卷持线循环电机转动带动三根卷持线分别转动一定距离，完成一次循环。

所述的一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器采用技术方案二的采收方法包括以下步骤：

1)固定架通过滑台与工作车连接，固定架水平移动带动采收装置移动使露出表层土壤的白芦笋位于剪切线的正前方，固定架竖直向下运动，同时滑台带动固定架向工作车运动反方向移动，使固定架与地面保持相对静止，使采收装置顺利插入土壤中；

2)工作车带动固定架水平向前运动，带动剪切线切割白芦笋茎部后到达白芦笋正前方，同时滑台带动固定架向工作车运动反方向移动，使固定架与地面保持相对静止，随后步进电机转动使固定在丝杠滑块上的滑块连接轴向固定轴靠近，到达指定距离后，控制系统控制步进电机停止转动，同时卷持线依靠材料自身弹力完成对白芦笋的卷持；

3)固定架竖直向上运动，拔出采收装置，白芦笋被带出土壤，控制系统控制步进电机反方向转动带动滑块连接轴回到初始位置，白芦笋就会落下，完成一次采收工作，此时剪切线循环电机转动带动剪切线转动一定距离，之后卷持线循环电机转动带动三根卷持线分别转动一定距离，完成一次循环。

与现在技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用切卷式采收方法，利用两轴底部剪切线切割白芦笋根部，利用滑块连接轴向固定轴靠近借助卷持线自身弹力实现白芦笋卷持，相比手动收获白芦笋，省去了多个繁琐采收步骤。

2、本发明所采用的采收装置中的卷持线采用非刚性材料，避免对白芦笋产生机械性损伤。

3、本发明所采用的循环装置可有效降低剪切部分与卷持部分的机械磨损，提高设备使用寿命。

附图说明

图1为一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器主视图

图2为一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器轴测图

图3为一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器分轴测图

图4为一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器控制系统图

图中：1、控制系统2、固定架3、调整装置4、采收装置5、循环装置6、步进电机7、丝杠导轨8、丝杠滑块9、倒L型导管10、C型导管11、滑块连接轴12、卷持线13、固定轴14、剪切线15、轴承座16、剪切线循环电机17、卷持线循环电机

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利进行进一步描述。如图1、2、3所示，本发明一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器包括固定架、调整装置、采收装置、循环装置和控制系统。

所述的固定架(2)包括一个矩形金属板，用于固定采收装置(4)、调整装置(3)、循环装置(5)与控制系统(1)，带动采收装置(4)插入和拔出土壤。

所述的调整装置(3)包括丝杠滑块(8)、丝杠导轨(7)、步进电机(6)、C型导管(10)、倒L型导管(9)；所述的丝杠导轨(7)、步进电机(6)固定在固定架(2)上；所述的丝杠滑块(8)固定在丝杠导轨(7)上，用于带动滑块连接轴(11)运动；所述的C型导管(10)固定在丝杠滑块(8)上平面，用于将滑块连接轴(11)内的三根卷持线(12)引向卷持线循环电机(17)的输出轴；所述的倒L型导管(9)固定在丝杠滑块(8)上平面，用于将滑块连接轴(11)内的一根剪切线(14)导向剪切线循环电机(16)的输出轴；

所述的采收装置(4)包括固定轴(13)、滑块连接轴(11)、卷持线(12)、剪切线(14)、轴承座(15)；所述的固定轴(13)为侧壁有开口的空心金属轴，通过轴承座(15)固定在固定架(2)上；所述的滑块连接轴(11)为侧壁有开口的空心金属轴，上端固定在丝杠滑块(8)上；所述的卷持线(12)为有一定宽度的弹性材料制成，位于采收装置(4)中下部两端分别固定在固定轴(13)与滑块连接轴(11)的侧壁开口处；所述的剪切线(14)为有一定刚性的金属丝，位于采收装置(4)底部两端分别固定于固定轴(13)与滑块连接轴(11)轴尖处；

所述的循环装置(5)包括剪切线循环电机(16)与卷持线循环电机(17)；所述的剪切线循环电机(16)嵌在固定架(2)内，输出轴上缠绕一根剪切线(14)，电机转动带动剪切线(14)转动；所述的卷持线循环电机(17)嵌在固定架(2)内，输出轴上缠绕三根卷持线(12)，电机转动带动卷持线(12)转动；

所述的控制系统(1)包括控制箱、控制器、电机驱动器、电源；所述的控制箱包括控制器、电机驱动器，固定在固定架(2)上，主要实现电机控制、通讯等功能；所述的控制器可由单片机、微处理器、工控机等其他具备同等处理能力设备和I/O驱动接口电路构成；所述的电机驱动器，根据电机类型选用不同型号的交、直流电机驱动器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器等，接收由控制器发出的控制信号，驱动电机转动；所述的电源可为控制系统(1)的工作提供电能。

所述的采收方法包括固定位采收和原位采收两种技术方案。

所述的一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器采用技术方案一的采收方法包括以下步骤：

1)固定架(2)水平移动带动采收装置(4)移动使露出表层土壤的白芦笋位于剪切线(14)的正前方，固定架(2)竖直向下运动，使采收装置(4)顺利插入土壤中；

2)固定架(2)水平向前运动，带动剪切线(14)切割白芦笋茎部后到达白芦笋正前方，随后步进电机(6)转动使固定在丝杠滑块(8)上的滑块连接轴(11)向固定轴(13)靠近，到达指定距离后，控制系统(1)控制步进电机(6)停止转动，同时卷持线(12)依靠材料自身弹力完成对白芦笋的卷持；

3)固定架(2)竖直向上运动，拔出采收装置(4)，白芦笋被带出土壤，控制系统(1)控制步进电机(6)反方向转动带动滑块连接轴(11)回到初始位置，白芦笋就会落下，完成一次采收工作，此时剪切线循环电机(16)转动带动剪切线(14)转动一定距离，之后卷持线循环电机(17)转动带动三根卷持线(12)分别转动一定距离，完成一次循环。

所述的一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器采用技术方案二的采收方法包括以下步骤：

1)固定架(2)通过滑台与工作车连接，固定架(2)水平移动带动采收装置(4)移动使露出表层土壤的白芦笋位于剪切线(14)的正前方，固定架(2)竖直向下运动，同时滑台带动固定架(2)向工作车运动反方向移动，使固定架(2)与地面保持相对静止，使采收装置(4)顺利插入土壤中；

2)工作车带动固定架(2)水平向前运动，带动剪切线(14)切割白芦笋茎部后到达白芦笋正前方，同时滑台带动固定架(2)向工作车运动反方向移动，使固定架(2)与地面保持相对静止，随后步进电机(6)转动使固定在丝杠滑块上的滑块连接轴(11)向固定轴(13)靠近，到达指定距离后，控制系统(1)控制步进电机(6)停止转动，同时卷持线(12)依靠材料自身弹力完成对白芦笋的卷持；

3)固定架(2)竖直向上运动，拔出采收装置(4)，白芦笋被带出土壤，控制系统(1)控制步进电机(6)反方向转动带动滑块连接轴(11)回到初始位置，白芦笋就会落下，完成一次采收工作，此时剪切线循环电机(16)转动带动剪切线(14)转动一定距离，之后卷持线循环电机(17)转动带动三根卷持线(12)分别转动一定距离，完成一次循环。

Claims (3)

1.一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器，其特征在于包括固定架、调整装置、采收装置、循环装置和控制系统组成；

所述的固定架为一个矩形实心金属板，用于固定调整装置、采收装置、循环装置和控制系统，带动采收装置实现起插入和拔出土壤；所述的调整装置固定在固定架上，用于实现采收部件的调整；所述的采收装置连接在调整装置上，用于实现对芦笋的剪切和卷持；所述的循环装置固定在固定架上，用于实现采收装置中剪切线与卷持线的循环；所述的控制系统固定在固定架上，用于控制整个采收装置；

所述的调整装置包括丝杠滑块、丝杠导轨、步进电机、C型导管、倒L型导管；所述的丝杠导轨、步进电机固定在固定架上；所述的丝杠滑块固定在丝杠导轨上，用于带动滑块连接轴运动；所述的C型导管固定在丝杠滑块上平面，用于将滑块连接轴内的三根卷持线导向卷持线循环电机的输出轴；所述的倒L型导管固定在丝杠滑块上平面，用于将滑块连接轴内的一根剪切线导向剪切线循环电机的输出轴；

所述的采收装置包括固定轴、滑块连接轴、卷持线、剪切线、轴承座；所述的固定轴为侧壁有开口的空心金属轴，通过轴承座固定在固定架上；所述的滑块连接轴为侧壁有开口的空心金属轴，上端固定在丝杠滑块上；所述的卷持线为有一定宽度的弹性材料制成，位于采收装置中下部两端分别固定在固定轴与滑块连接轴的侧壁开口处；所述的剪切线为有一定刚性的金属丝，位于采收装置底部两端分别固定于固定轴与滑块连接轴轴尖处；

所述的循环装置包括剪切线循环电机与卷持线循环电机；所述的剪切线循环电机嵌在固定架内，输出轴上缠绕一根剪切线，电机转动带动剪切线转动；所述的卷持线循环电机嵌在固定架内，输出轴上缠绕三根卷持线，电机转动带动卷持线转动；

所述的控制系统包括控制箱、控制器、电机驱动器、电源；所述的控制箱包括控制器、电机驱动器，固定在机架上，主要实现电机控制、通讯等功能；所述的控制器可由单片机、微处理器、工控机等其他具备同等处理能力设备和I/O驱动接口电路构成；所述的电机驱动器，根据电机类型选用不同型号的交、直流电机驱动器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器等，接收由控制器发出的控制信号，驱动电机转动；所述的电源可为控制系统的工作提供电能。

2.根据权利要求1所述一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器采用的技术方案一的工作过程，其特征在于包括如下步骤：

1)固定架水平移动带动采收装置移动使露出表层土壤的白芦笋位于剪切线的正前方，固定架竖直向下运动，使采收装置顺利插入土壤中；

2)固定架水平向前运动，带动剪切线切割白芦笋茎部后到达白芦笋正前方，随后步进电机转动使固定在丝杠滑块上的滑块连接轴向固定轴靠近，到达指定距离后，控制系统控制步进电机停止转动，同时卷持线依靠材料自身弹力完成对白芦笋的卷持；

3)固定架竖直向上运动，拔出采收装置，白芦笋被带出土壤，控制系统控制步进电机反方向转动带动滑块连接轴回到初始位置，白芦笋就会落下，完成一次采收工作，此时剪切线循环电机转动带动剪切线转动一定距离，之后卷持线循环电机转动带动三根卷持线分别转动一定距离，完成一次循环。

3.根据权利要求1所述一种耗材循环式白芦笋选择性采收机器人末端执行器采用的技术方案二的工作过程，其特征在于包括如下步骤：

1)固定架通过滑台与工作车连接，固定架水平移动带动采收装置移动使露出表层土壤的白芦笋位于剪切线的正前方，固定架竖直向下运动，同时滑台带动固定架向工作车运动反方向移动，使固定架与地面保持相对静止，使采收装置顺利插入土壤中；

2)工作车带动固定架水平向前运动，带动剪切线切割白芦笋茎部后到达白芦笋正前方，同时滑台带动固定架向工作车运动反方向移动，使固定架与地面保持相对静止，随后步进电机转动使固定在丝杠滑块上的滑块连接轴向固定轴靠近，到达指定距离后，控制系统控制步进电机停止转动，同时卷持线依靠材料自身弹力完成对白芦笋的卷持；

3)固定架竖直向上运动，拔出采收装置，白芦笋被带出土壤，控制系统控制步进电机反方向转动带动滑块连接轴回到初始位置，白芦笋就会落下，完成一次采收工作，此时剪切线循环电机转动带动剪切线转动一定距离，之后卷持线循环电机转动带动三根卷持线分别转动一定距离，完成一次循环。