CN110122068B - 一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置 - Google Patents

Abstract

一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置，包括气囊采摘机构、自动伸缩机构、万向省力机构、缓冲收集机构和控制机构，其中气囊采摘机构包括采摘头部支架、旋转离心刀结构、气囊、气管、气泵和气泵架，自动伸缩机构包括伸缩杆一、伸缩杆二、伸缩杆三、伸缩平台、步进电机、下带轮、同步带、压板、滑块、上带轮和上带轮平台，伸缩杆一上端穿过气泵架后顶端固定在采摘头部支架底部，万向省力机构包括弹簧一、万向脚杯、接口零件和卡箍，伸缩杆三通过底部万向脚杯固定在底板上，缓冲收集机构包括缓冲机构和收集机构。本发明巧妙运用气囊的握持作用，结合刀片旋转的离心力作用，将果实轻松摘下，并通过铺有缓冲材料的管道送至收集箱中。

Description

一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置

技术领域

本发明涉及自动化辅助人工采摘水果领域，特别是涉及一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置。

背景技术

近年来，人们生活水平不断提高，物质需求日益增长。我国是世界第一大水果生产国和消费国，2008年我国的水果产量已经超过6000万吨，约占全球产量的14%。而水果生产行业中重要的采摘环节仍保持着传统人工采摘水果的生产方式，劳动强度大，劳动成本高，采摘效率低，部分地区的水果采摘者虽有一些简单的机械装置辅助采摘，但未能有效地降低劳动强度，提高采摘效率。

水果采摘中存在的劳动工作量大、作业范围广、触碰力度控制要求高以及需选择性采摘等问题又限制辅助水果采摘机械的发展。我国南方果园大部分处于丘陵山区地带，受限于地形，合适的采摘机械很少，机械化作业基本处于空白，而且存在费工以及作业危险性方面的问题。其低下的生产效率已满足不了人们对水果快速增长的需求，为解决这一系列问题，一款辅助人工采摘水果的水果采摘器，急需投入市场，以期望有效地降低人工采摘劳动强度，提高水果采摘效率。

根据文献和资料统计,摇振式、接触式和林果收获平台是目前主要的机械化收获方法，接触式大致分为“拉拽式”和“剪枝式”两种，因结构简单，成本低廉，受到广泛推广。但细细分析其机械结构设计，不难总结出有以下缺陷：（1）现有的采摘器仅能单次采摘，无法连续采摘，不适用于大批量水果种植，这极大地限制了采摘效率；（2）采摘过程中很容易划伤苹果或者使苹果掉落，良品率低；（3）其多数采用天线式伸缩，需要不时调整杆子的长度，手持使用非常费力，增加了劳动量。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置，巧妙运用气囊的握持作用，结合刀片旋转的离心力作用，将果实轻松摘下，并通过铺有缓冲材料的管道送至收集箱中，可以完成直径小于10cm、生长分布在2-3米的高空水果采摘收集，在一定程度上提高了种植者的采摘效率，可降低高处水果的采摘难度，节约生产成本，为达此目的，本发明提供一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置，包括气囊采摘机构、自动伸缩机构、万向省力机构、缓冲收集机构和控制机构，其特征在于：

所述气囊采摘机构包括采摘头部支架、旋转离心刀结构、气囊、气管、气泵和气泵架，所述采摘头部支架的内壁安装有气囊，所述气泵架在采摘头部支架底部一侧，所述气泵安装在气泵架上，所述气泵通过气管接采摘头部支架内气囊，所述采摘头部支架另一侧有电机固定支架，所述旋转离心刀结构包括刀片，刀架，电机座、直流电机和接触板，所述电机座底部支架通过轴一固定在电机固定支架内，所述轴一两端通过轴承一固定，所述电机座底部通过支架连有接触板，所述接触板通过采摘头部支架一侧的槽伸入至采摘头部支架内，所述电机座上安装有直流电机，所述直流电机的转轴上安装有刀架，所述刀片通过安装轴安装在刀架的两端；

所述自动伸缩机构包括伸缩杆一、伸缩杆二、伸缩杆三、伸缩平台、步进电机、下带轮、同步带、压板、滑块、上带轮和上带轮平台，所述伸缩杆一上端穿过气泵架后顶端固定在采摘头部支架底部，所述伸缩杆一下端插装在伸缩杆二上端内，所述伸缩杆二下端插装在伸缩杆三上端内，所述上带轮平台安装在伸缩杆二上部，所述伸缩平台安装在伸缩杆三上部，所述上带轮平台底部有上轴承座，所述伸缩平台上部有下轴承座，所述上带轮通过转轴安装在上轴承座内，所述下带轮通过转轴安装在下轴承座内，所述同步带套装在下带轮和上带轮上，所述伸缩杆二下端至中上部开有通槽，所述滑块下部在通槽内沿通槽滑移，所述压板通过紧固件将伸缩杆二一侧的同步带压在滑块上，所述步进电机固定在伸缩平台上，所述步进电机的转轴通过联轴器与下带轮的转轴相连；

所述控制机构包括单片机和电池盒，所述伸缩平台上有单片机和电池盒，所述伸缩平台一侧有开关；

所述万向省力机构包括弹簧一、万向脚杯、接口零件和卡箍，所述接口零件上端通过卡箍固定在伸缩杆三底部，所述接口零件下端通过螺纹方式与万向脚杯上部相连，所述万向脚杯底部固定在底板上，所述弹簧一有3-5个且等角度设置，所述弹簧一下端固定在底板上，所述弹簧一上端通过紧定螺钉固定在接口零件上部；

所述缓冲收集机构包括缓冲机构和收集机构，所述缓冲机构包括缓冲平台、可折叠风管、弹簧二和活瓣，所述可折叠风管上端接采摘头部支架底部，所述可折叠风管下端接缓冲平台，所述缓冲平台固定在收集机构上部一角，所述缓冲平台的管体内有一对活瓣，所述活瓣后部支架通过轴二及两端轴承二固定在缓冲平台的支架下方，所述弹簧二有一对，所述弹簧二下端与对应活瓣相连，所述弹簧二上部固定在缓冲平台的管体的内壁；

所述收集机构包括侧板、泡沫板、底板和自锁滚轮，四个侧板及底部的底板围成收集机构壳体，所述底板上有泡沫板，所述底板的四个角各安装有一个自锁滚轮。

本发明的进一步改进，所述伸缩平台下部有握把套，所述握把套套装在伸缩杆三上，设置握把套便于使用者抓握伸缩杆；

本发明的进一步改进，所述伸缩杆三上端有限位环，伸缩杆二与伸缩杆三固定处设置一个限位环，使向下移动具有机械限位同时起到支承的作用。

本发明的进一步改进，所述伸缩平台一侧有带放置槽的辅助支架. 辅助支架用于固定可折叠风管起到辅助支撑作用。

本发明的进一步改进，所述开关包括船型开关和按钮开关，所述船型开关在按钮开关两侧，按钮开关控制设备开闭，船型开关控制伸缩杆上下。

本发明的进一步改进，所述单片机为STC89C52RC单片机，本申请采用STC89C52RC单片机即可完成全部控制。

本发明的进一步改进，所述万向省力机构外有一圈保护板，这样对万向省力机构起到保护作用。

本发明的进一步改进，所述泡沫板为珍珠棉泡沫板，采用珍珠棉泡沫板可以起到更好作用。

本发明的进一步改进，所述活瓣上设置有2-3排防撞粒，防撞粒可以防止果实对活瓣进行冲撞。

本发明的进一步改进，所述滚轮为可自锁静音滚轮，以上滚轮可以在自锁过程中保持静音和锁紧不移动。

本申请一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置，其具有如下创新点：

(1)现如今，高处水果采摘难度大，采摘效率低的问题急需解决，本申请设计的伸缩型气囊式水果采摘器完美解决了该问题，且大大降低了水果采摘者的体力劳动强度；

(2)气囊式采摘机构：利用充满气体而鼓起的气囊将高处水果握持住，枝条被高速飞旋的离心刀片轻易切断，完成水果与枝条的轻松脱离；

(3)自动伸缩机构：利用同步带的传动作用，将采摘器的支撑杆伸长，提高所能采摘的高度，无需采摘者攀爬至高处，降低高处水果的采摘难度；

(4)万向省力机构：伸缩杆底部与万向脚杯连接，实现伸缩杆的灵活摆动，扩大采摘器的采摘范围并提高采摘效率，且伸缩杆通过弹簧与底板连接，实现省力的功能；

(5)缓冲收集机构：收集机构与采摘机构由铺满缓冲材料的可伸缩软管连接，收集机构中还设有以跳水板为原型的缓冲机构，最大程度的避免水果在收集过程中的碰撞问题。

附图说明

图1为本发明整体结构图；

图2为本发明采摘机构结构图；

图3为本发明伸缩机构结构图；

图4为本发明伸缩机构原理示意图；

图5为本发明伸缩机构滑块结构图；

图6为本发明伸缩机构上带轮结构图；

图7为本发明万向省力机构结构图；

图8为本发明缓冲机构结构图；

图9为本发明收集机构结构图；

图10为本发明气囊初始状态示意图；

图11为本发明气囊工作状态示意图；

图12为本发明电路原理图一；

图13为本发明电路原理图二；

图14为本发明实物图；

1、采摘头部支架；2、伸缩杆一；3、伸缩杆二；4、伸缩杆三；5、侧板；6、缓冲平台；7、可折叠风管；8、刀片；9、刀架；10、气囊；11、气管；12、气泵；13、气泵架；14、轴一；15、轴承一；16、电机座；17、直流电机；18、STC89C52RC单片机；19、电池盒；20、船型开关；21、按钮开关；22、握把套；23、伸缩平台；24、下轴承座；25、步进电机；26、联轴器；27、下带轮；28、同步带；29、限位环；30、压板；31、滑块；32、上轴承座；33、上带轮；34、上带轮平台；35、辅助支架；36、弹簧一；37、万向脚杯；38、接口零件；39、卡箍；40、保护板；41、珍珠棉泡沫板；42、弹簧二；43、轴二；44、轴承二；45、活瓣；46、防撞粒；47、底板；48、可自锁静音滚轮；49、接触板。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置，巧妙运用气囊的握持作用，结合刀片旋转的离心力作用，将果实轻松摘下，并通过铺有缓冲材料的管道送至收集箱中，可以完成直径小于10cm、生长分布在2-3米的高空水果采摘收集，在一定程度上提高了种植者的采摘效率，可降低高处水果的采摘难度，节约生产成本。

作为本发明一种实施例，本发明提供了如图1和图14的一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置，以苹果、柑橘、梨等大小适中的圆形水果为主要采摘对象来设计，由气囊采摘机构、自动伸缩机构、万向省力机构、缓冲收集机构四部分组成。气囊采摘机构采用并改进了“剪枝式”的结构，并设计出了一种旋转离心刀，同时增加气囊来模拟人手柔性夹持；伸缩环节，单片机控制步进电机旋转，带动同步带传动，实现伸缩杆上升和下降的功能；万向省力环节，本申请采用万向脚杯外加弹簧，可以保证有较大的采摘范围的同时省力；缓冲部分，采用限流管原理和跳水板的结构实现缓冲。

气囊采摘机构：

其结构如图2所示。设计采摘头部支架时采用杠杆原理，由于直流电机17和刀片8的自重，这样可以使刀片剪枝平面默认保持在垂直位置，从而避开了水果进入的导路，不发生干涉。当进行采摘时，考虑到苹果成熟期不一的问题，本申请设计时在电机座16增加了接触板49，其功能是当苹果触碰到接触板时，会受到反作用力，模拟人手上抬的力，如若此是已成熟的苹果，理想状态下，可以使得苹果枝柄分离，跳过剪切环节，进入缓冲收集机构；如若此是尚未成熟的苹果，苹果自身重力将带动电机座旋转90°，使剪枝平面变为水平位置。然后，当位于合适位置时，按下气泵充气开关，气囊10充气，模拟人手将苹果握持住，按下电机开关，刀具旋转剪枝，再按下放气开关，苹果自由下落进入缓冲收集机构。其中采摘头部支架具有一块挡板，可以巧妙地使电机座在垂直和水平两个位置极限限位，其中气囊工作过程采摘头初始状态，如图10所示气囊未鼓起，之后如图11所示果实进入采摘头，压下杠杆，气囊鼓起夹紧果实，刀片高速旋转切断果梗。

剪茎方式，灵感来自于割草机的原理，本申请设计了一款旋转离心刀。该结构由刀片8，刀架9，电机座16，直流电机17组成。该结构与传统的旋转刀相比，可以在直流电机启动时，因其刀片能够折叠弯曲，不会因为转速过低而使刀片卡死造成枝条震颤，刀片断裂等现象；当电机转速达到一定时，离心力使刀具伸直，从而完成剪茎的动作。

现有的机械采摘器大多是类似机械手（爪）的结构，采摘过程中很容易划伤水果或者使水果掉落，造成良品率低。将采摘头部内贴有可充气气囊，利用两个气泵进行充放气，模拟人手的柔性夹持，其优点在于质地松软，不会划伤果皮，其填充大小可适用于不同大小的水果，非常适合用于水果采摘。

自动伸缩机构:

伸缩机构结构如图3所示，伸缩机构原理图如图4所示，伸缩机构滑块结构如图5所示，伸缩机构上带轮结构如图6所示。自动伸缩机构利用同步带传动原理实现伸缩运动，其中，同步带轮分别固定于伸缩杆二3和伸缩杆三4处，滑块31固定于伸缩杆一2上，用螺栓连接将压板30、传动带、滑块固定，始终保持相对静止。伸缩杆二2下端至中上部开有通槽，滑块31可沿槽任意滑移；当电机驱动同步带轮正反转动时，带动滑块沿通槽上下滑移，进而带动伸缩杆一上下伸缩，实现整个机构的伸缩运动。又因为伸缩杆二3上的通槽长度是有限的，使得伸缩杆一2的向上伸展运动具有机械限位保护；且伸缩杆二3与伸缩杆三4连接处设有一限位环29，对伸缩杆一2的向下收缩运动具有机械限位保护和支撑作用。此机构采用5V直流舵机作为驱动源，故此机构可利用电机的自锁特性使得伸缩杆悬停于任意指定位置，实现处于任意位置的目标水果的成功采摘。

需要用到电器控制的元件有5V伺服电机、两个6V气泵、一个12V直流马达，考虑到控制接口数和各个元件的性能参数故选取STC89C52RC单片机进行控制，用开关断开闭合控制气泵与直流电机，用单片机控制直流舵机，电池选择两节3.7V18650锂电池，选择3.3V5V12V电压模块进行调压，其电路原理图如图12、13所示。

万向省力机构：

为解决大范围连续性采摘和省力功能的问题，本申请设计了万向省力机构，如图7所示。其设计灵感来自于KTV摇麦的结构，将调节脚用螺栓与底板47相连，其中央装有万向脚杯37，其所能调节的角度为40°。再用接口零件将伸缩杆与万向脚杯37相连接，接口零件的四周攻有M5*10的内螺纹，用于固定弹簧。弹簧一36规格选用1.5*10*100。

缓冲收集机构：

为了使水果平稳地减速进入收集装置，本申请设计了三级缓冲.其中第二级缓存为机械式缓冲，其结构图如图8所示，设计灵感来自于跳水板，其结构主要由缓冲平台，活瓣45，弹簧二42，轴承44及卡箍39组成，其中活瓣45上贴有防撞粒，用于减少冲击造成的苹果的损伤，苹果顺着管道进入缓冲平台，当苹果触及活瓣45时，弹簧拉伸其动能部分转化为弹簧的弹性势能，使苹果减速起到缓冲作用。弹簧选择0.8*8*25。其余两级采用珍珠棉作为缓冲材料进行缓冲。

具体实施方式

具体运行流程如下：

（1）采摘者控制伸缩杆的方向使其对准目标水果；

（2）打开电动伸缩开关，伸缩杆上升，至气囊式采摘机构弯曲罩住目标水果时停止；

（3）打开气囊充气开关，气囊受气压作用鼓起，将目标水果包裹并握持固定于采摘机构；

（4）打开刀片旋转开关，飞旋的活动刀片将目标果实与枝条切离；

（5）打开气囊放气开关，气囊放气，目标水果因重力作用通过铺有缓冲材料的传送管道掉落至收集装置中，期间，目标水果将受到多级缓冲机构的缓冲作用，较大程度的避免因碰撞而损伤的问题；

（6）打开电动伸缩开关，伸缩杆下降，同时采摘者控制伸缩杆将采摘机构对准下一目标水果，重复上述步骤，进行下次采摘。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置，包括气囊采摘机构、自动伸缩机构、万向省力机构、缓冲收集机构和控制机构，其特征在于：

所述气囊采摘机构包括采摘头部支架（1）、旋转离心刀结构、气囊（10）、气管（11）、气泵（12）和气泵架（13），所述采摘头部支架（1）的内壁安装有气囊（10），所述气泵架（13）在采摘头部支架（1）底部一侧，所述气泵（12）安装在气泵架（13）上，所述气泵（12）通过气管（11）接采摘头部支架（1）内气囊（10），所述采摘头部支架（1）另一侧有电机固定支架，所述旋转离心刀结构包括刀片（8），刀架（9），电机座（16）、直流电机（17）和接触板（49），所述电机座（16）底部支架通过轴一（14）固定在电机固定支架内，所述轴一（14）两端通过轴承一（15）固定，所述电机座（16）底部通过支架连有接触板（49），所述接触板（49）通过采摘头部支架（1）一侧的槽伸入至采摘头部支架（1）内，所述电机座（16）上安装有直流电机（17），所述直流电机（17）的转轴上安装有刀架（9），所述刀片（8）通过安装轴安装在刀架（9）的两端；

所述自动伸缩机构包括伸缩杆一（2）、伸缩杆二（3）、伸缩杆三（4）、伸缩平台（23）、步进电机（25）、下带轮（27）、同步带（28）、压板（30）、滑块（31）、上带轮（33）和上带轮平台（34），所述伸缩杆一（2）上端穿过气泵架（13）后顶端固定在采摘头部支架（1）底部，所述伸缩杆一（2）下端插装在伸缩杆二（3）上端内，所述伸缩杆二（3）下端插装在伸缩杆三（4）上端内，所述上带轮平台（34）安装在伸缩杆二（3）上部，所述伸缩平台（23）安装在伸缩杆三（4）上部，所述上带轮平台（34）底部有上轴承座（32），所述伸缩平台（23）上部有下轴承座（24），所述上带轮（33）通过转轴安装在上轴承座（32）内，所述下带轮（27）通过转轴安装在下轴承座（24）内，所述同步带（28）套装在下带轮（27）和上带轮（33）上，所述伸缩杆二（3）下端至中上部开有通槽，所述滑块（31）下部在通槽内沿通槽滑移，所述压板（30）通过紧固件将伸缩杆二（3）一侧的同步带（28）压在滑块（31）上，所述步进电机（25）固定在伸缩平台（23）上，所述步进电机（25）的转轴通过联轴器（26）与下带轮（27）的转轴相连；

所述控制机构包括单片机和电池盒（19），所述伸缩平台（23）上有单片机和电池盒（19），所述伸缩平台（23）一侧有开关；

所述万向省力机构包括弹簧一（36）、万向脚杯（37）、接口零件（38）和卡箍（39），所述接口零件（38）上端通过卡箍（39）固定在伸缩杆三（4）底部，所述接口零件（38）下端通过螺纹方式与万向脚杯（37）上部相连，所述万向脚杯（37）底部固定在底板(47)上，所述弹簧一（36）有3-5个且等角度设置，所述弹簧一（36）下端固定在底板（47）上，所述弹簧一（36）上端通过紧定螺钉固定在接口零件（38）上部；

所述缓冲收集机构包括缓冲机构和收集机构，所述缓冲机构包括缓冲平台（6）、可折叠风管（7）、弹簧二（42）和活瓣（45），所述可折叠风管（7）上端接采摘头部支架（1）底部，所述可折叠风管（7）下端接缓冲平台（6），所述缓冲平台（6）固定在收集机构上部一角，所述缓冲平台（6）的管体内有一对活瓣（45），所述活瓣（45）后部支架通过轴二（43）及两端轴承二（44）固定在缓冲平台（6）的支架下方，所述弹簧二（42）有一对，所述弹簧二（42）下端与对应活瓣（45）相连，所述弹簧二（42）上部固定在缓冲平台（6）的管体的内壁；

所述收集机构包括侧板（5）、泡沫板、底板(47)和自锁滚轮，四个侧板（5）及底部的底板(47)围成收集机构壳体，所述底板(47)上有泡沫板，所述底板(47)的四个角各安装有一个自锁滚轮。

2.根据权利要求1所述的一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置，其特征在于：所述伸缩平台（23）下部有握把套（22），所述握把套（22）套装在伸缩杆三（4）上。

3.根据权利要求1所述的一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置，其特征在于：所述伸缩杆三（4）上端有限位环（29）。

4.根据权利要求1所述的一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置，其特征在于：所述伸缩平台（23）一侧有带放置槽的辅助支架（35）。

5.根据权利要求1所述的一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置，其特征在于：所述开关包括船型开关（20）和按钮开关（21），所述船型开关（20）在按钮开关（21）两侧。

6.根据权利要求1所述的一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置，其特征在于：所述单片机为STC89C52RC单片机（18）。

7.根据权利要求1所述的一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置，其特征在于：所述万向省力机构外有一圈保护板（40）。

8.根据权利要求1所述的一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置，其特征在于：所述泡沫板为珍珠棉泡沫板（41）。

9.根据权利要求1所述的一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置，其特征在于：所述活瓣（45）上设置有2-3排防撞粒（46）。

10.根据权利要求1所述的一种气囊式伸缩型水果采摘收集装置，其特征在于：所述滚轮为可自锁静音滚轮（48）。

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