CN110547097A - 一种一果一动的智能可控采摘剪 - Google Patents

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王振
邬明良
张家豪
高宇杭
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    • A01D46/24—Devices for picking apples or like fruit
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors

Abstract

本发明公开一种一果一动的智能可控采摘剪，属于果品采摘设备的技术领域。它包括手枪状壳架、控制系统、传动机构、咬合剪刀。本发明通过控制系统中的防误剪保护电路、单片机、执行电路的配合可以智能判定是否处于危险状态、是否停止动作，防止误剪人体、确保使用安全；通过控制系统中的剪切识别电路、单片机、执行电路、传动机构、咬合剪刀的配合，实现微动开关触碰一次就执行一次剪切的一果一动的智能采摘模式，满足水果复杂多变采摘要求的半自动化采摘，避免无效剪切、有效减轻采摘工人的工作强度、缓解手部疲劳，提高采摘效率，具有结构简单、操作灵活、使用方便、安全可靠、稳定性高、成本低廉的优点。

Description

一种一果一动的智能可控采摘剪
技术领域
本发明属于果品采摘设备的技术领域，具体讲涉及一种一果一动的智能可控采摘剪，适用于柑橘等绝大多数果品的批量采摘，也可用于较细果木的枝叶修剪。
背景技术
随着工农业生产劳作方式的变革，为了缓解人工采摘的劳动强度，柑橘等果品的采摘方式逐渐发生一些变化，开始借助一些采摘工具来进行采摘。采摘高层柑橘等果品的现有摘果器多为长杆摘果网兜，采摘低处柑橘等果品的摘果器主要有以下几种：（1）直接利用采摘辣椒的带视觉识别机械手臂；（2）依靠吸力将苹果吸取收集的机械装置；（3）用于剪切粗树枝的电动切割机也可作为摘果器，但是价格昂贵，目前用来采摘柑橘等果品的比较少。现阶段的采摘工具虽然可以在一定程度上缓解人工采摘的劳动强度、也大大方便了人工采摘，但对于一些品种的柑橘等果品来说，主要生长在丘陵或高山地区，地面有斜坡、基础设施等条件差，上述传统摘果器由于难以运输、不便放置等原因大大限制其适用范围。
通过对国内外水果采摘机械现状分析可知：采用农业机器人和智能自动化采摘机械是未来发展的趋势，目前学者和专家开展了大量试验研究和技术探索，但实际应用中仍存在技术难题，无法满足市场需求。分析原因有一下几点：（1）采摘机械的试验条件比较单一和理想化，而水果实际生长环境复杂多变，因而所设计出来的自动化采摘机械无法实现精确采摘；（2）水果的培育模式、栽植方式和生产环境均差异性大，自动化采摘机械的收获难度加大；（3）水果品种多样，果树高低繁茂差异显著，果农过度追求产量和经济利益，采取密植农艺，没有预留采摘机械的作业空间。因此，智能自动化采摘装备难于满足水果复杂多变的采摘要求，果农们真正需要的是一种结构简单、操作灵活、使用方便、既能提高采摘效率、又能降低采摘成本的半自动化采摘装备。
发明内容
本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供的一种一果一动的智能可控采摘剪。本发明能够实现微动开关触碰一次就执行一次剪切的一果一动的智能采摘模式，能够满足水果复杂多变采摘要求的半自动化采摘，既能避免无效剪切、有效减轻采摘工人的工作强度、缓解手部疲劳，又能提高采摘效率，同时还具有结构简单、操作灵活、使用方便、安全可靠、稳定性高、成本低廉的优点，能够有效防止误剪人体，能够在南方丘陵等潮湿的环境下稳定运行。
本发明的目的可通过下述技术措施来实现：
本发明的一种一果一动的智能可控采摘剪包括手枪状壳架、安装在壳架手柄段内腔中的控制系统、安装在壳架顶部内腔中的传动机构、安装在壳架顶部前端且外延的咬合剪刀；
所述咬合剪刀是由固定在壳架顶部前端的下刀片、中部位置与下刀片铰接相连的上刀片组成，上刀片尾端为半圆弧面结构（便于在导杆的摆动槽内摆动）；所述传动机构包括舵机、以偏心方式固定在舵机舵盘外端面上的滑块（滑块偏心设置才能在转动时推动导杆水平直线移动）、内端用于卡嵌滑块而外端用于卡嵌上刀片尾端的导杆、以竖直滑动方式卡嵌安装在壳架内壁上且用于导杆进行水平直线移动的导杆基座；所述导杆是中间为平板层、两端面自中心外延有凸台的三段式组合结构，在其中一个凸台上开设有竖向滑槽、在另一个凸台上加工有摆动槽；所述导杆基座是一端加工有敞口式矩形截面卡槽、两外侧设置有卡条的长方体结构（平板层的左右两侧可以沿矩形截面卡槽的长度方向进行平移伸缩）；
所述控制系统包括电源接头、单片机、连接在单片机I/O口与GND之间的防误剪保护电路、剪切识别电路和执行电路；所述防误剪保护电路包括设置在壳架手柄处的7.4V金属导体、以并联方式连接在刀头的10KΩ保护电阻和300KΩ分压电阻、连接在10KΩ保护电阻另一端的单片机PA3口（由于此处的单片机I/O口需要有ADC功能，所以选用PA3管脚）、连接在分压电阻另一端的GND（单片机根据PA3口测得刀头处的电压值是否为0，智能判定是否处于正常安全操作状态。如果判定其为危险操作，则执行保护程序，控制舵机停止工作、不进行剪切，防止误剪人体、确保使用安全；如果判定是正常安全操作状态，则执行剪切识别程序）；所述剪切识别电路包括设置在下刀片端头侧面的微动开关KEY、连接在微动开关一端的GND、以并联方式连接在微动开关KEY另一端的单片机PA0口和VCC3.3V端（微动开关KEY触碰到果实枝柄被触发时，通过剪切识别电路传递给单片机一个低电平信号，单片机接收到低电平信号后发出剪切信号给执行电路）；所述执行电路包括舵机、分别与舵机的三个引脚相连的GND、单片机PA1口（由于此处的单片机I/O口需要产生PWM波，所以选用PA1管脚）和的VCC7.4V端（单片机接收到低电平信号后发出剪切信号给执行电路，通过执行电路控制舵机中的伺服电机转过一定角度，并通过传动机构带动咬合剪刀开合来执行剪切任务）。
本发明中所述导杆的竖向滑槽的横截面与滑块的横截面相匹配（便于滑块在转动的同时在竖向滑槽内顺利滑动，并推动竖向滑槽以及导杆水平移动）；所述导杆的摆动槽的横截面为矩形，摆动槽的宽度与上刀片尾端半圆弧面的直径相匹配（因为上刀片在竖直方向上不需要摆动），摆动槽的长度大于上刀片尾端半圆弧面的直径（因为上刀片在水平方向上需要绕铰接轴往返摆动，所以需要一定的摆动间隙）。
本发明中所述导杆基座的矩形截面卡槽的横截面与导杆的平板层的横截面相匹配，矩形截面卡槽的深度大于平板层的单侧外露宽度（平板层的左右两侧随导杆水平移动时沿矩形截面卡槽的深度方向伸缩）。
在本发明中所述壳架顶部导杆安装位置左右两侧的内壁上设置有内端敞口、呈长方体内腔的基座槽（便于安装导杆基座），在基座槽的两侧内面上加工有与卡条相匹配的竖向卡槽（便于安装导杆基座时的水平定位）。
本发明中所述单片机的型号为STM32F103C8T6。
本发明中所述舵机的型号为LD-2701。
本发明工作原理如下：
本发明通过防误剪保护电路、单片机、执行电路的配合可以智能判定是否处于正常安全操作状态、是否停止动作，防止误剪人体、确保本发明的使用安全；本发明通过剪切识别电路、单片机、执行电路的配合，可以将微动开关KEY被果实枝触发时的低电平信号传递给单片机，单片机接收到低电平信号后发出剪切信号给执行电路，控制舵机中的伺服电机转过一定角度来执行剪切任务：即伺服电机带动竖直放置的舵机舵盘转动一定角度，通过滑块、导杆组成的曲柄连杆的正弦运动原理，滑块的转动转换为导杆的水平直线运动，导杆的水平直线运动又转换为上刀片相对于下刀片的铰接往返剪切摆动，实现剪刀的开合。本发明能够实现微动开关触碰一次就执行一次剪切的一果一动的智能采摘模式，能够满足水果复杂多变采摘要求的半自动化采摘，既能避免无效剪切、有效减轻采摘工人的工作强度、缓解手部疲劳，又能提高采摘效率，同时具有结构简单、操作灵活、使用方便、安全可靠、稳定性高、成本低廉的优点，能够有效防止误剪人体，能够在南方丘陵等潮湿的环境下稳定运行。
更具体讲，将电源接头与外部移动电源连通后，手握壳架的手柄段，通过防误剪保护电路的输入电信号和单片机中烧录程序的比对，实时监测并判定是否为正常安全操作状态：如果此时人体碰到咬合剪刀的刀头处时，由于在人手握的壳架手柄段设置一个7.4V金属导体，人体是一个400KΩ～900KΩ的电阻，相当于接上一个7.4V电源，在7.4V与GND之间人体与分压电阻构成一个回路，此时在单片机的PA3口测得刀头处有电压值，判定其为危险操作，执行保护程序——单片机发出保护信号给执行电路，控制舵机中的伺服电机停止转动，则传动机构和咬合剪刀停止动作、不进行剪切，进而防止误剪人体、确保本发明的使用安全。如果此时人体没有碰触咬合剪刀的刀头部位，即此时在单片机的PA3口测得刀头处的电压值为0，判定是正常安全操作状态，则执行剪切识别程序——当设置在下刀片端头侧面的微动开关KEY触碰果实枝柄部分，微动开关KEY被触发时通过剪切识别电路传递给单片机一个低电平信号，单片机接收到低电平信号后发出剪切信号给执行电路，通过执行电路控制舵机中的伺服电机转过一定角度来执行剪切任务：即伺服电机带动竖直放置的舵机舵盘转动一定角度，以偏心方式固定在舵机舵盘外端面上的滑块也会随之转动，因为滑块同时卡嵌在导杆的竖向滑槽内，所以滑块一边沿舵机舵盘的中心转动、一边推动着竖向滑槽进行水平直线移动，则导杆中的平板层也会沿着导杆基座的矩形截面卡槽深度方向水平移动，带动上刀片沿着铰接轴做一定角度的往复摆动、并相对下刀片相互咬合而剪开果柄。这样，本发明通过微动开关触碰一次执行一次剪切的模式实现一果一动的智能可控采摘。
本发明有的有益技术效果如下：
本发明能够实现微动开关触碰一次就执行一次剪切的一果一动的智能采摘模式，能够满足水果复杂多变采摘要求的半自动化采摘，既能避免无效剪切、有效减轻采摘工人的工作强度、缓解手部疲劳，又能提高采摘效率，同时还具有结构简单、操作灵活、使用方便、安全可靠、稳定性高、成本低廉的优点，能够有效防止误剪人体，能够在南方丘陵等潮湿的环境下稳定运行。
附图说明
图1是本发明的立体图。
图2是本发明的主视图（局部剖开）。
图3是本发明的俯视图（移去壳顶）。
图4是本发明中的上刀片尾端立体图。
图5是本发明中的上刀片尾端主视图。
图6是图5的A-A剖视图。
图7是本发明中的导杆结构示意图。
图8是图4的C-C剖视图。
图9是图4的E-E剖视图。
图10是本发明中的导杆基座结构示意图。
图11是图10的俯视图。
图12是图10的F-F剖视图。
图13是本发明的机构运动原理简图。
图14是本发明中控制系统的电路连接图。
图中序号说明：1、咬合剪刀，1-1、下刀片，1-2、上刀片,1-2-1、上刀片尾端；2、传动机构，2-1、舵机，2-1-1、舵机舵盘，2-1-2、伺服电机，2-2、滑块，2-3、导杆，2-3-1、竖向滑槽，2-3-2、摆动槽，2-3-3、平板层，2-4、导杆基座，2-4-1、矩形截面卡槽，2-4-2、卡条；3、控制装置，3-1、电源接头，3-2、单片机，4、壳架，4-1、基座槽，4-2、竖向卡槽，5、人体，6、刀头，KEY、微动开关。
具体实施方式
本发明以下结合附图做进一步描述：
如图1～14所示，本发明的一种一果一动的智能可控采摘剪包括手枪状壳架（4）、安装在壳架手柄段内腔中的控制系统（3）、安装在壳架顶部内腔中的传动机构（2）、安装在壳架顶部前端且外延的咬合剪刀（1）；
所述咬合剪刀（1）是由固定在壳架（4）顶部前端的下刀片（1-1）、中部位置与下刀片（1-1）铰接相连的上刀片（1-2）组成，上刀片尾端（1-2-1）为半圆弧面结构（便于在导杆（2-3）的摆动槽（2-3-2）内摆动）；所述传动机构（2）包括舵机（2-1）、以偏心方式固定在舵机舵盘（2-1-1）外端面上的滑块（2-2）（滑块（2-2）偏心设置才能在转动时推动导杆（2-3）水平直线移动）、内端用于卡嵌滑块（2-2）而外端用于卡嵌上刀片尾端的导杆（2-3）、以竖直滑动方式卡嵌安装在壳架内壁上且用于导杆进行水平直线移动的导杆基座（2-4）；所述导杆（2-3）是中间为平板层（2-3-3）、两端面自中心外延有凸台的三段式组合结构，在其中一个凸台上开设有竖向滑槽（2-3-1）、在另一个凸台上加工有摆动槽（2-3-2）；所述导杆基座（2-4）是一端加工有敞口式矩形截面卡槽（2-4-1）、两外侧设置有卡条（2-4-2）的长方体结构（平板层（2-3-3）的左右两侧可以沿矩形截面卡槽（2-4-1）的长度方向进行平移伸缩）；
所述控制系统（3）包括电源接头（3-1）、单片机（3-2）、连接在单片机I/O口与GND之间的防误剪保护电路、剪切识别电路和执行电路；所述防误剪保护电路包括设置在壳架手柄处的7.4V金属导体、以并联方式连接在刀头（6）的10KΩ保护电阻和300KΩ分压电阻、连接在10KΩ保护电阻另一端的单片机PA3口（由于此处的单片机I/O口需要有ADC功能，所以选用PA3管脚）、连接在分压电阻另一端的GND（单片机根据PA3口测得刀头（6）处的电压值是否为0，智能判定是否处于正常安全操作状态。如果判定其为危险操作，则执行保护程序，控制舵机（2-1）停止工作、不进行剪切，防止误剪人体、确保使用安全；如果判定是正常安全操作状态，则执行剪切识别程序）；所述剪切识别电路包括设置在下刀片（1-1）端头侧面的微动开关KEY、连接在微动开关一端的GND、以并联方式连接在微动开关KEY另一端的单片机PA0口和VCC3.3V端（微动开关KEY触碰到果实枝柄被触发时，通过剪切识别电路传递给单片机一个低电平信号，单片机接收到低电平信号后发出剪切信号给执行电路）；所述执行电路包括舵机（2-1）、分别与舵机的三个引脚相连的GND、单片机PA1口（由于此处的单片机I/O口需要产生PWM波，所以选用PA1管脚）和的VCC7.4V端（单片机接收到低电平信号后发出剪切信号给执行电路，通过执行电路控制舵机（2-1）中的伺服电机（2-1-2）转过一定角度，并通过传动机构（2）带动咬合剪刀（1）开合来执行剪切任务）。
本发明中所述导杆（2-3）的竖向滑槽（2-3-1）的横截面与滑块（2-2）的横截面相匹配（便于滑块（2-2）在转动的同时在竖向滑槽（2-3-1）内顺利滑动，并推动竖向滑槽（2-3-1）以及导杆（2-3）水平移动）；所述导杆（2-3）的摆动槽（2-3-2）的横截面为矩形，摆动槽（2-3-2）的宽度与上刀片尾端（1-2-1）半圆弧面的直径相匹配（因为上刀片（1-2）在竖直方向上不需要摆动），摆动槽（2-3-2）的长度大于上刀片尾端（1-2-1）半圆弧面的直径（因为上刀片（1-2）在水平方向上需要绕铰接轴往返摆动，所以需要一定的摆动间隙）。
本发明中所述导杆基座（2-4）的矩形截面卡槽（2-4-1）的横截面与导杆（2-3）的平板层（2-3-3）的横截面相匹配，矩形截面卡槽（2-4-1）的深度大于平板层（2-3-3）的单侧外露宽度（平板层（2-3-3）的左右两侧随导杆（2-3）水平移动时沿矩形截面卡槽（2-4-1）的深度方向伸缩）。
在本发明中所述壳架顶部导杆安装位置左右两侧的内壁上设置有内端敞口、呈长方体内腔的基座槽（4-1）（便于安装导杆基座（2-4）），在基座槽（4-1）的两侧内面上加工有与卡条（2-4-2）相匹配的竖向卡槽（4-2）（便于安装导杆基座（2-4）时的水平定位）。
本发明中所述单片机（3-2）的型号为STM32F103C8T6。
本发明中所述舵机（2-1）的型号为LD-2701。
本发明的具体使用情况如下：
本发明在使用之前，需要将电源接头（3-1）与外部移动电源连通。随后手握壳架（4）的手柄段，通过防误剪保护电路的输入电信号和单片机（3-2）中烧录程序的比对，判定是否为正常安全操作状态：如果此时人体（5）碰到咬合剪刀（1）的刀头（6）处时，由于在人手握的壳架（4）手柄段设置一个7.4V金属导体，人体（5）是一个400KΩ～900KΩ的电阻，相当于接上一个7.4V电源，在7.4V与GND之间人体（5）与分压电阻构成一个回路，此时在单片机的PA3口测得刀头（6）处有电压值，判定其为危险操作，执行保护程序——单片机发出保护信号给执行电路，控制舵机（2-1）中的伺服电机（2-1-2）停止转动，则传动机构（2）和咬合剪刀（1）停止动作、不进行剪切，进而防止误剪人体（5）、确保本发明的使用安全。如果此时人体（5）没有碰触咬合剪刀（1）的刀头（6）部位，即此时在单片机的PA3口测得刀头（6）处的电压值为0，判定是正常安全操作状态，则执行剪切识别程序——当设置在下刀片（1-1）端头侧面的微动开关KEY触碰果实枝柄部分，微动开关KEY被触发时通过剪切识别电路传递给单片机一个低电平信号，单片机接收到低电平信号后发出剪切信号给执行电路，通过执行电路控制舵机（2-1）中的伺服电机（2-1-2）转过一定角度来执行剪切任务：即伺服电机（2-1-2）带动竖直放置的舵机舵盘（2-1-1）转动一定角度，以偏心方式固定在舵机舵盘（2-1-1）外端面上的滑块（2-2）也会随之转动，因为滑块（2-2）同时卡嵌在导杆（2-3）的竖向滑槽（2-3-1）内，所以滑块（2-2）一边沿舵机舵盘（2-1-1）的中心转动、一边推动着竖向滑槽（2-3-1）进行水平直线移动，则导杆（2-3）中的平板层（2-3-3）也会沿着导杆基座（2-4）的矩形截面卡槽（2-4-1）深度方向水平移动，带动上刀片（1-2）沿着铰接轴做一定角度的往复摆动、并相对下刀片相互咬合而剪开果柄。这样，本发明通过微动开关触碰一次执行一次剪切的模式实现一果一动的智能可控采摘。

Claims (6)

1.一种一果一动的智能可控采摘剪，其特征在于：它包括手枪状壳架（4）、安装在壳架手柄段内腔中的控制系统（3）、安装在壳架顶部内腔中的传动机构（2）、安装在壳架顶部前端且外延的咬合剪刀（1）；
所述咬合剪刀（1）是由固定在壳架（4）顶部前端的下刀片（1-1）、中部位置与下刀片（1-1）铰接相连的上刀片（1-2）组成，上刀片尾端（1-2-1）为半圆弧面结构；
所述传动机构（2）包括舵机（2-1）、以偏心方式固定在舵机舵盘（2-1-1）外端面上的滑块（2-2）、内端用于卡嵌滑块（2-2）而外端用于卡嵌上刀片尾端的导杆（2-3）、以竖直滑动方式卡嵌安装在壳架内壁上且用于导杆进行水平直线移动的导杆基座（2-4）；所述导杆（2-3）是中间为平板层（2-3-3）、两端面自中心外延有凸台的三段式组合结构，在其中一个凸台上开设有竖向滑槽（2-3-1）、在另一个凸台上加工有摆动槽（2-3-2）；所述导杆基座（2-4）是一端加工有敞口式矩形截面卡槽（2-4-1）、两外侧设置有卡条（2-4-2）的长方体结构；
所述控制系统（3）包括电源接头（3-1）、单片机（3-2）、连接在单片机I/O口与GND之间的防误剪保护电路、剪切识别电路和执行电路；所述防误剪保护电路包括设置在壳架手柄处的7.4V金属导体、以并联方式连接在刀头（6）的10KΩ保护电阻和300KΩ分压电阻、连接在10KΩ保护电阻另一端的单片机PA3口、连接在分压电阻另一端的GND；所述剪切识别电路包括设置在下刀片（1-1）端头侧面的微动开关KEY、连接在微动开关一端的GND、以并联方式连接在微动开关KEY另一端的单片机PA0口和VCC3.3V端；所述执行电路包括舵机（2-1）、分别与舵机的三个引脚相连的GND、单片机PA1口和的VCC7.4V端。
2.根据权利要求1所述的一种一果一动的智能可控采摘剪，其特征在于：所述导杆（2-3）的竖向滑槽（2-3-1）的横截面与滑块（2-2）的横截面相匹配；所述导杆（2-3）的摆动槽（2-3-2）的横截面为矩形，摆动槽（2-3-2）的宽度与上刀片尾端（1-2-1）半圆弧面的直径相匹配，摆动槽（2-3-2）的长度大于上刀片尾端（1-2-1）半圆弧面的直径。
3.根据权利要求1所述的一种一果一动的智能可控采摘剪，其特征在于：所述导杆基座（2-4）的矩形截面卡槽（2-4-1）的横截面与导杆（2-3）的平板层（2-3-3）的横截面相匹配，矩形截面卡槽（2-4-1）的深度大于平板层（2-3-3）的单侧外露宽度。
4.根据权利要求1所述的一种一果一动的智能可控采摘剪，其特征在于：在所述壳架顶部导杆安装位置左右两侧的内壁上设置有内端敞口、呈长方体内腔的基座槽（4-1），在基座槽（4-1）的两侧内面上加工有与卡条（2-4-2）相匹配的竖向卡槽（4-2）。
5.根据权利要求1所述的一种一果一动的智能可控采摘剪，其特征在于：所述单片机（3-2）的型号为STM32F103C8T6。
6.根据权利要求1所述的一种一果一动的智能可控采摘剪，其特征在于：所述舵机（2-1）的型号为LD-2701。
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