CN110771350A - 一种穿戴式水果采摘机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种穿戴式水果采摘机械臂，属于农业设备技术领域。所述穿戴式水果采摘机械臂，包括旋转伸缩模块、采摘收集模块和控制模块；所述旋转伸缩模块用于调整改变采摘收集模块所处的空间位置；所述采摘收集模块用于采摘水果并对所述采摘的水果进行收集，所述控制模块用于协调操控整个机械臂的正常运作。所述控制装置以stm32板为控制载体，包括控制按钮，工作人员通过不同的控制按钮开分别控制所述旋转伸缩模块和采摘收集模块的动作，解决了现有的水果采摘方式，效率不高，工作人员劳动强度大的问题。

Description

一种穿戴式水果采摘机械臂

技术领域

本发明涉及农业设备技术领域，具体涉及一种穿戴式水果采摘机械臂。

背景技术

近年来，由于经济飞速发展，国民生活水平在各方显著提高，因此对于新鲜水果的需求量也在以惊人的速度增加，从而带动了整个果园种植业的迅速发展。在果实采摘过程中，所研究的问题为提升水果质量、降低采摘成本。以荔枝种植为例，荔枝是广东省重要的特色水果，广东省茂名地区是全国最大的水果生产基地，世界最大的荔枝生产基地，全市水果种植面积达430多万亩，其中荔枝面积176.57万亩。但是纵观我国的果园种植业依然存在着劳动量大，工作效率不高等显著问题，其中在果实的采摘和收集这一环节体现地尤为明显。所以研究问题就变成了如何提高荔枝的采摘和收获效率。

水果采摘机械分为机械式辅助采摘以及机器人智能采摘两种。但我国的水果采摘工业起步较晚，同时国内的荔枝种植业又是以小农式个体经营户为主，生产基地分散，这导致了大型机械难以在生产基地投入使用，而智能化采摘机械价格昂贵，不便维护。这导致了我国采摘机械化程度低，采摘效率低下，采摘过程基本手工完成，手段原始落后。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种穿戴式采摘机械臂，解决现有技术中采摘效率低下，采摘人员来动强度大的问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案包括一种穿戴式水果采摘机械臂，包括旋转伸缩模块、采摘收集模块和控制模块；

所述旋转伸缩模块包括套筒，所述套筒外圆上间隔套设有第一轴承和第二轴承，所述第一轴承和第二轴承的内圈均与所述套筒固定连接，所述第一轴承和第二轴承的外圈之间固定连接有导向支架；所述套筒的前侧还设置有手柄，所述手柄的上端与所述导向支架固定连接，所述手柄的下端与所述第一轴承的外圈底部固定连接，所述导向支架上还安装有伸缩装置，所述采摘收集模块固定安装在所述伸缩装置的一端，所述伸缩装置带动所述采摘收集模块沿着所述导向支架作水平伸缩运动；

所述采摘收集模块用于采摘并收集所述水果；

所述旋转伸缩模块、采摘收集模块均与所述控制模块电信号连接。

进一步地，所述伸缩装置包括第一驱动电机、齿轮、齿条和伸缩杆，所述伸缩杆的一端与所述导向支架固定连接，所述伸缩杆的另一端与所述齿条的一端固定连接，所述齿条的另一端与所述采摘收集模块固定连接，所述齿条位于所述导向支架内并可沿所述导向支架滑动，第一驱动电机固定安装在导向支架上且位于所述齿条的一侧，所述第一驱动电机的输出端与所述齿轮固定连接，所述齿轮与所述齿条啮合。

进一步地，所述采摘收集模块包括剪切模块和抓取模块，所述剪切模块与所述抓取模块均安装在所述齿条的前端，所述剪切模块位于所述抓取模块的上方；

进一步地，所述剪切模块包括第一驱动部件、第一滑动座以及与所述第一滑动座铰接连接的第一连杆组件和第二连杆组件；所述第一驱动部件的输出端与所述第一滑动座固定连接，所述第一连杆组件与第二连杆组件对称设置；所述第一连杆组件的输出端连接有第一齿轮，所述第二连杆组件的输出端连接有第二齿轮，所述第一驱动部件驱动所述第一齿轮和第二齿轮啮合或分离；所述第二连杆组件上还设置有第二驱动电机，所述第二驱动电机的输出轴与第三齿轮连接，所述第三齿轮与所述第二齿轮啮合。

进一步地，所述抓取模块包括第二驱动部件、第二滑动座以及与所述第二滑动座铰接连接的第三连杆组件和第四连杆组件；所述第二驱动部件的输出端与所述第二滑动座固定连接，所述第三连杆组件和第四连杆组件对称设置，所述第三连杆组件的输出端连接有第一夹爪，所述第四连杆组件的输出端连接有第二夹爪，所述第二驱动部件驱动所述第一夹爪和第二夹爪相互夹紧或分开。

进一步地，所述第一驱动部件为第一直流减速电机，所述第一直流减速电机与所述齿条的前端顶部固定连接，所述第一直流减速电机的输出轴与第一丝杆连接，所述第一丝杆上套设有第一螺母，所述第一螺母与所述第一滑动座固定连接。

进一步地，第二驱动部件为第二直流减速电机，所述第二直流减速电机安装与所述齿条前端底部固定连接，所述第二直流减速电机的输出轴与第二丝杆固定连接，所述第二丝杆上套设有第二螺母，所述第二螺母与所述第二滑动座固定连接。

进一步地，所述手柄上设置有防滑条纹。

进一步地，所述第一轴承和第二轴承均为圆柱形的铝制向心转盘式轴承。

进一步地，所述第一轴承固定在所述套筒的前端。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明提供的穿戴式水果采摘机械臂，工作人员可以将所述穿戴式水果采摘机械臂套设在手臂上，握住并转动手柄，带动旋转伸缩模块随着手腕作旋转运动；同时通过所述旋转伸缩模块还可以带动所述采摘收集模块作水平伸缩运动，从而实现采摘机械臂空间上位置的调整；所述采摘收集模块包括剪切模块和抓取模块，所述剪切模块用于剪切水果枝条；所述抓取模块用于抓取所述剪切掉的水果，整个系统通过所述控制器及控制按钮来完整个动作的协调控制。整个装置提高了采摘的效率，降低了劳动程度，且方便使用。

附图说明

图1是本发明提供的穿戴式水果采摘机械臂一实施方式的主视图；

图2是本发明提供的穿戴式水果采摘机械臂一实施方式的立体视图；

图3是本发明提供的旋转伸缩模块中的旋转部分一实施方式的结构示意图；

图4是本发明提供的剪切模块一实施方式的结构示意图；

图5是本发明提供的抓取模块一实施方式的结构示意图；

1－旋转伸缩模块、2－剪切模块、3－抓取模块、101－套筒、102－第二轴承、103－第一轴承、104－手柄、105－导向支架、106－齿条、107－第一驱动电机、108－齿轮、201－第一减速直流电机、202－电机安装架、203－第一联轴器、204－第一丝杆、205－第一螺母、206－第一滑动座、207－第一连杆、 208－第三连杆、209－第二连杆、210－第一齿轮、211－第二齿轮、212－第三齿轮、213－第二驱动电机、301－第二减速直流电机、302－联轴器、303－第二丝杆、304－第二螺母、305－第二滑座、306－第四连杆、307－第五连杆、308－第六连杆、309－第一夹爪、310－第二夹爪。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了解决现有直接用手进行采摘，采摘效率不高、工作人员劳动强度大以及采用大型的智能机器人进行采摘不能适应采摘的环境，且成本较高的问题，本发明提供一种穿戴式的水果采摘机械臂。具体可以参见图1和图2。需要说明的是，本发明中出现的前侧或前端均指的是采摘机械臂朝向所述待采摘水果所在的方向。本发明中的采摘机械臂可用于采摘荔枝，但又不局限于荔枝的采摘，也可以是其他水果的采摘。

如图1和图2所示，本发明提供了一种穿戴式水果采摘机械臂，包括旋转伸缩模块1、采摘收集模块和控制模块(图中未示出)。所述旋转伸缩模块1用于调整改变所述采摘收集模块所处的空间位置；所述采摘收集模块包括剪切模块2和抓取模块3，所述剪切模块2用于采摘水果，所述抓取模块3用于对所述采摘的水果进行收集，所述控制模块用于协调操控整个机械臂的正常运作。所述控制装置以stm32板为控制载体，包括控制按钮，工作人员通过不同的控制按钮开分别控制所述旋转伸缩模块1和采摘收集模块的动作。

如图3所示，所述旋转伸缩模块1包括套筒101，所述套筒101外圆上间隔套设有第一轴承103和第二轴承102，所述第一轴承103和第二轴承 102的内圈均与所述套筒1固定连接，所述第一轴承103和第二轴承102的外圈之间固定连接有导向支架105；所述套筒101的前侧还设置有手柄104，所述手柄104的上端与所述导向支架105固定连接，所述手柄104的下端与所述第一轴承103的外圈底部固定连接，所述导向支架105上还安装有伸缩装置。

图2所示，所述伸缩装置用于调整改变所述采摘收集模块在水平方向的位置，所述伸缩装置包括第一驱动电机107、齿轮108、齿条106和伸缩杆(图中未示出)，所述伸缩杆的一端与所述导向支架105固定连接，所述伸缩杆的另一端与所述齿条106的一端固定连接，所述齿条106的另一端与所述采摘收集模块固定连接，所述齿条106位于所述导向支架105内并可沿所述导向支架105滑动，第一驱动电机107固定安装在导向支架105 上且位于所述齿条106的一侧，所述第一驱动电机107的输出端与所述齿轮106固定连接，所述齿轮108与所述齿条106啮合。第一驱动电机107 通过电机支架固定安装在所述导向支架105上。

所述采摘收集模块固定安装在所述伸缩装置的一端，所述伸缩装置带动所述采摘收集模块沿着所述导向支架105作水平伸缩运动。

采摘时，工作人员将套筒101穿戴在手臂上时，手握住防滑手柄104，转动手腕，在所述第一轴承103和第二轴承102的作用一下，伸缩机构导向机架105随着手腕做旋转运动，从而调整所述采摘收集模块在圆周方向的位置。工作人员通过操作手柄104上的控制按钮，使第一驱动电机107 正转与反转，利用齿轮齿条传动，使伸缩杆在导向支架105内前后移动，从而实现所述采摘模块在水平方向位置的调整。

其中，更为具体地，所述套筒101为圆柱形镂空手臂套，所述手臂套的外径为136mm，内径为117mm，长度为293mm。

所述手柄104为防滑手柄，所述防滑手柄的表面设有防滑条纹，所述防滑手柄104的长度为170mm。优选地，所述设计有防滑条纹的手柄104 安装在所述导向机架105的最前端，所述手柄104下端通过角钢由螺钉固定在第一轴承103的外圈，手柄104上端与所述导向机架105通过铆钉固定连接。

所述第一轴承103和第二轴承102均为前大型铝制向心转盘式轴承，所述第一轴承103和第二轴承102的内径为148mm，外径为200mm。所述第一轴承103固定在所述套筒101的前端。所述第一轴承103和第二轴承 102的内圈通过螺栓与所述套筒101固定连接。

所述第一驱动电机107和齿轮108也可以设置为两组，两组所述第一驱动电机和齿轮并排设置且同步运动，用于提高所述齿条106水平滑动的动力。

所述采摘收集模块包括剪切模块2和抓取模块3，所述剪切模块2用于剪切所述水果的枝条，所述抓取模块3用于抓取所述剪切掉的水果。所述剪切模块2与所述抓取模块3均安装在所述齿条106的前端，所述剪切模块2位于所述抓取模块3的上方。

图4所示，所述剪切模块包括第一减速直流电机201、第二驱动电机 213、第一齿轮210、第二齿轮211、第三齿轮212、第一滑动座206以及与所述第一滑动座206铰接连接的第一连杆组件和第二连杆组件。所述第一减速直流电机的输出端与第一丝杆204通过联轴器203连接，所述第一丝杆204上套设有第一法兰螺母105，所述第一法兰螺母205外圆端与所述第一滑动座206固定连接。所述第一连杆组件及第二连杆组件的一端均与所述第一滑动座206铰接连接，所述第一连杆组件的另一端固定安装有所述第一齿轮210，所述第二连杆组件的另一端固定安装有所述第二齿轮211。所述第一连杆组件与所述第二连杆组件对称设置，所述第一齿轮210与所述第二齿轮211对称设置。所述第二连杆组件上还固定安装有所述第二驱动电机213，所述第二驱动电机213的输出端与第三齿轮212固定连接，所述第三齿轮212与所述第二齿轮211啮合。

工作人员通过操作手柄上的控制按钮，控制第一减速直流电机201正转，使第一丝杆204上的法兰螺母205带动第一滑动座206前进；控制第一减速直流电机201反转，使第一丝杆204上的法兰螺母205带动所述第一滑动座206后退。所述第一滑动座206前进或后退通过所述第一连杆组件和第二连杆组件的作用带动所述第一齿轮210和所述第二齿轮211啮合或分离。进一步的，控制第二驱动电机213正转，带动第三齿轮212转动，当所述第一齿轮210与第二齿轮211分离时，所述第三齿轮212仅驱动所述第一齿轮210进行转动；当所述第一齿轮210与第二齿轮211啮合时，所述第三齿轮212驱动所述第一齿轮210和第二齿轮211啮合转动，此时所述第一齿轮210与第二齿轮211对水果枝条进行碾压剪切。

其中，所述以第一减速直流电机201配合丝杆螺母作为驱动装置还可以替换为气缸或者是推杆电机，所述气缸或推杆电机的输出端与所述第一滑动座连接，通过所述气缸和推杆电机推动所述第一滑动座206水平移动，从而带动所述第一齿轮210与第二齿轮211啮合或分离。

所述第一连杆组件和第二连杆组件均包括第一连杆207、第二连杆209 和第三连杆208，所述第一连杆207的第一端与所述第一滑动座206铰接连接，所述第一连杆207的第二端与所述第二连杆209的第一端铰接连接，所述第二连杆209的第二端与所述第一齿轮210固定连接，所述第二连杆 209上靠近所述第一连杆207的位置还与所述第三连杆208的一端固定连接，第一连杆组件的第三连杆208与所述第二连杆组件的第三连杆的另一端铰接连接。

图5所示，所述抓取模块包括第二减速直流电机301、第二滑动座305、与所述第二滑动座305铰接连接的第三连杆组件和第四连杆组件、第一夹爪309和第二夹爪310；所述第二减速直流电机301的输出端通过联轴器 302与第二丝杆303固定连接，所述第二丝杆303上套设有第二法兰螺母 304，所述第二法兰螺母304的外圆端与所述第二滑动座305固定连接，所述第三连杆组件和第四连杆组件的一端均对称铰接在所述第二滑动座305 上，所述第三连杆组件的输出端连接有第一夹爪309，所述第四连杆组件的输出端连接有第二夹爪310，所述第二减速直流电机301驱动所述第一夹爪 309和第二夹爪310相互夹紧或分开。

所述第三连杆组件和第四连杆组件对称，所述第三连杆组件和第四连杆组件均包括第四连杆306、第五连杆307和第六连杆308，所述第四连杆 306的一端与所述第二滑动座305铰接连接，所述第四连杆306的另一端与第五连杆307的第一端铰接连接，第五连杆307的第二端连接所述第一夹爪309或第二夹爪310，所述第五连杆307上靠近所述第四连杆306的位置还与所述第六连杆308的第一端铰接连接，所述第三连杆组件的第六连杆 308与所述第四连杆组件的第六连杆的第二端相互铰接连接。

其中所述第四连杆306、第五连杆307和第六连杆308上均等间距间隔设置有多个铰接孔，通过所述铰接孔可以调节所述不同的连杆的之间的铰接位置，从而可以调节所述第一夹爪309和第二夹爪310之间的张开角度。

工作人员通过控制手臂上的按钮，使第二减速直流电机301的驱动作用带动第二丝杆303转动，所述第二丝杆303转动带动所述第二法兰螺母304和第二滑动座305推出或缩回，所述第二滑动座305通过所述第三连杆组件和第四连杆组件带动所述第一夹爪309和第二夹爪310张开或闭合，从而实现所述水果的抓取和松开。

其中，所述以第二减速直流电机配合丝杆螺母作为驱动装置也可以替换为气缸或者是推杆电机，所述气缸或推杆电机的输出端与所述第一滑动座连接，通过所述气缸和推杆电机推动所述第一滑动座水平移动，从而带动所述第一夹爪309与第二夹爪310夹紧或分开。

本发明提供的采摘机械臂的高优选为30.64mm，长优选为800.31mm，宽优选为200mm。

工作过程：工作人员将所述采摘机械臂穿戴在使用者的手臂上，通过肉眼识别荔枝所处的位置，旋转防滑手柄104以及驱动伸缩装置的齿条106 滑动可以调整所述采摘的方位，再由剪切模块2将待采摘的水果枝进行碾压剪切，同时位于所述剪切模块2下方的抓取模块3将所述剪切的水果抓取。抓取后再通过控制按钮控制夹爪将水果释放在指定的位置。

相比直接采用手摘，本穿戴式采摘机械臂能够起到节省劳动力，降低劳动强度，提高采摘效率的作用。相比采用大型的机器人进行采摘，本发明提供的穿戴式采摘机械臂的适应性更好，且成本更低。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种穿戴式水果采摘机械臂，其特征在于，包括旋转伸缩模块、采摘收集模块和控制模块；

所述旋转伸缩模块包括套筒，所述套筒外圆上间隔套设有第一轴承和第二轴承，所述第一轴承和第二轴承的内圈均与所述套筒固定连接，所述第一轴承和第二轴承的外圈之间固定连接有导向支架；所述套筒的前侧还设置有手柄，所述手柄的上端与所述导向支架固定连接，所述手柄的下端与所述第一轴承的外圈底部固定连接；所述导向支架上还安装有伸缩装置，所述采摘收集模块固定安装在所述伸缩装置的一端，所述伸缩装置带动所述采摘收集模块沿着所述导向支架作水平伸缩运动；

所述采摘收集模块用于采摘并收集水果；

所述旋转伸缩模块、采摘收集模块均与所述控制模块电信号连接。

2.根据权利要求1所述的穿戴式水果采摘机械臂，其特征在于，所述伸缩装置包括第一驱动电机、齿轮、齿条和伸缩杆，所述伸缩杆的一端与所述导向支架固定连接，所述伸缩杆的另一端与所述齿条的一端固定连接，所述齿条的另一端与所述采摘收集模块固定连接，所述齿条位于所述导向支架内并可沿所述导向支架滑动，第一驱动电机固定安装在导向支架上且位于所述齿条的一侧，所述第一驱动电机的输出端与所述齿轮固定连接，所述齿轮与所述齿条啮合。

3.根据权利要求1所述的穿戴式水果采摘机械臂，其特征在于，所述采摘收集模块包括剪切模块和抓取模块，所述剪切模块与所述抓取模块均安装在所述伸缩装置的前端，所述剪切模块位于所述抓取模块的上方。

4.根据权利要求3所述的穿戴式水果采摘机械臂，其特征在于，所述剪切模块包括第一驱动部件、第一滑动座以及与所述第一滑动座铰接连接的第一连杆组件和第二连杆组件；所述第一驱动部件的输出端与所述第一滑动座固定连接，所述第一连杆组件与第二连杆组件对称设置；所述第一连杆组件的输出端连接有第一齿轮，所述第二连杆组件的输出端连接有第二齿轮，所述第一驱动部件驱动所述第一齿轮和第二齿轮啮合或分离；所述第二连杆组件上还设置有第二驱动电机，所述第二驱动电机的输出轴与第三齿轮连接，所述第三齿轮与所述第二齿轮啮合。

5.根据权利要求3所述的穿戴式水果采摘机械臂，其特征在于，所述抓取模块包括第二驱动部件、第二滑动座以及与所述第二滑动座铰接连接的第三连杆组件和第四连杆组件；所述第二驱动部件的输出端与所述第二滑动座固定连接，所述第三连杆组件和第四连杆组件对称设置，所述第三连杆组件的输出端连接有第一夹爪，所述第四连杆组件的输出端连接有第二夹爪，所述第二驱动部件驱动所述第一夹爪和第二夹爪相互夹紧或分开。

6.根据权利要求4所述的穿戴式水果采摘机械臂，其特征在于，所述第一驱动部件为第一直流减速电机，所述第一直流减速电机与所述齿条的前端顶部固定连接，所述第一直流减速电机的输出轴与第一丝杆连接，所述第一丝杆上套设有第一螺母，所述第一螺母与所述第一滑动座固定连接。

7.根据权利要求5所述的穿戴式水果采摘机械臂，其特征在于，第二驱动部件为第二直流减速电机，所述第二直流减速电机安装与所述齿条前端底部固定连接，所述第二直流减速电机的输出轴与第二丝杆固定连接，所述第二丝杆上套设有第二螺母，所述第二螺母与所述第二滑动座固定连接。

8.根据权利要求1所述的穿戴式水果采摘机械臂，其特征在于，所述手柄上设置有防滑条纹。

9.根据权利要求1所述的穿戴式水果采摘机械臂，其特征在于，所述第一轴承和第二轴承均为圆柱形的铝制向心转盘式轴承。

10.根据权利要求1所述的穿戴式水果采摘机械臂，其特征在于，所述第一轴承固定在所述套筒的前端。