CN111482976A - 一种双向螺旋式果蔬采摘装置及采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向螺旋式果蔬采摘装置，包括机架，以及设置在所述机架上的转动轴和传动系统；所述转动轴和传动系统相互连接；所述转动轴在所述机架上呈网格布局，所述转动轴上设有双向螺旋叶片；所述双向螺旋叶片包括右旋螺旋叶片和左旋螺旋叶片，以右旋、左旋、右旋的排列方式两两相邻设置在所述转动轴上；本发明适用于采摘被树叶遮挡的果蔬，弥补了现有机器视觉技术无法检测到被树叶遮挡的果蔬的不足；本发明的双向螺旋叶片呈网格布局，形成多层网状、覆盖面积大，不需要精准瞄准果蔬或果蔬的柄，降低了设备软件、硬件的要求，减少了成本，提高了生产效率。

Description

一种双向螺旋式果蔬采摘装置及采摘方法

技术领域

本发明涉及农业采摘技术领域，具体涉及一种双向螺旋式果蔬采摘装置及采摘方法。

背景技术

十几年来，机械化、自动化采摘果蔬主要有两种方式，一种是夹持方式，就是用两瓣或多瓣夹板夹持果蔬，然后拉动或扭转，使果蔬脱离枝干；另一种是剪切方式，就是用刀刃靠近果蔬柄，用刀刃切断果蔬柄或剪断果蔬柄。

近年来，为了提高农业生产现代化水平，机器人技术、机器视觉技术、自动化技术、信息技术、大数据应用、人工智能等新技术正在积极应用到采摘果蔬机械上，但是，这些新技术迫切需要解决的问题是：(1)机器视觉无法检测被树叶遮挡的果蔬；(2)对于轻微扰动的果蔬，机器视觉采摘点的准确率低于90％，采摘点确认处理时间接近10秒；(3)机器视觉确定扰动较大的动态果蔬，还需要进一步研究。上述这些情况造成自动化采摘遗漏果实、动作缓慢、减收、效率低等问题，阻碍了农业全面实现机械化、自动化的进程。

现有技术中，中国专利CN109526395A公开了一种苹果采摘装置，包括手持手柄、主轴、副轴、驱动装置、伸缩轴调节器、果篮以及采摘器，其采摘过程需要人手抓举长轴，用长轴上的刀刃切断果蔬柄；中国专利CN109197155A公开了一种苹果采摘装置，包括长管、剪刀、滑轮、拉绳，拉绳绕在滑轮上，其工作原理为拉绳子剪刀切断苹果梗；中国专利CN109156164A公开了一种苹果采摘机器人，包括机器人主体、多级调节臂、调节装置、手爪和分拣装置，其工作原理为用手爪抓取苹果。以上这些现有技术均存在动作缓慢、减收、效率低等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种双向螺旋式果蔬采摘装置，该装置采用双向螺旋叶片转动产生推力或拉力，使果蔬大幅度、高频率地摆动，模仿人手从树枝上揪下果蔬的动作，造成果柄折断的效果，从而使果蔬脱离枝干；双向螺旋叶片呈网格布局，形成多层网状，适合采摘被树叶遮挡的果蔬，还适合采摘在风中摇摆的果蔬。

本发明的另一目的在于提供一种双向螺旋式果蔬采摘方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种双向螺旋式果蔬采摘装置，包括机架，以及设置在所述机架上的转动轴和传动系统；所述转动轴和传动系统相互连接；所述转动轴在所述机架上呈网格布局，所述转动轴上设有双向螺旋叶片；所述双向螺旋叶片包括右旋螺旋叶片和左旋螺旋叶片，以右旋、左旋、右旋的排列方式两两相邻设置在所述转动轴上；

所述传动系统包括轴承座、齿轮、过桥齿轮一、过桥齿轮二、皮带轮一、皮带轮二、皮带和电机，其中所述轴承座安装在所述机架上；所述轴承座和齿轮都与所述转动轴相对应设置，且都与所述转动轴相连接；纵向之间的齿轮相互连接传动，且机架上相邻两列的齿轮之间连接有所述过桥齿轮一和过桥齿轮二，使得左右相邻的齿轮转动方向相反；所述皮带轮一设置在所述电机上，所述皮带轮二设置在机架的一个转动轴上，所述皮带轮一和皮带轮二通过所述皮带相连接。

优选地，所述右旋螺旋叶片和左旋螺旋叶片均由弹性材料制成。

优选地，所述右旋螺旋叶片和左旋螺旋叶片均采用变径螺旋线，其前端的直径小于后端的直径。

优选地，所述右旋螺旋叶片和左旋螺旋叶片的螺距均小于果蔬直径，便于储存果蔬。

优选地，所述右旋螺旋叶片和左旋螺旋叶片的间距均小于果蔬直径，避免果蔬从间隙掉落。

一种双向螺旋式果蔬采摘方法，包括下述步骤：

(1)工作状态下，双向螺旋式果蔬采摘装置安装在采摘机器的机械臂前端，启动电机正转，右旋螺旋叶片和左旋螺旋叶片转动，产生向外拉动果蔬的力；在自动化控制与机器视觉引导下，双向螺旋式果蔬采摘装置瞄准有果蔬的大概位置，螺旋叶片旋转像钻头一样钻进果蔬枝叶中，两个相邻的螺旋叶片相对转动，组成多个钳口形状，运动效果是连续地咬合、拉动的动作；螺旋叶片旋转拉动接触到的果蔬和部分树叶，即使果蔬被树叶挡住，因为树叶柔软可以轻易摆动，所以螺旋叶片可以隔着树叶拉动果蔬；电机快速变换正反转动方式，由于推拉的效果使接触到的果蔬和树叶大幅度、高频率地摆动，果柄和部分树叶折断，果蔬落入两个螺旋叶片之间的空间里；

(2)采摘机器的机械臂带动双向螺旋式果蔬采摘装置从树枝中退出，在退出过程中，螺旋叶片保持转动，持续提供向外拉动果蔬的力，双向螺旋式果蔬采摘装置保持前高后低，防止果蔬留在树枝中或从装置前端掉落；退出树枝后，双向螺旋式果蔬采摘装置降低高度，改为前低后高，电机反向转动，右旋螺旋叶片与左旋螺旋叶片都反向转动，产生向外推动果蔬的力，则果蔬被吐出；

(3)按照事先规划的采摘路径，将果蔬挂果面积按照网格划分，顺序采摘，并重复上述采摘动作，则可完成全部挂果面积的采摘。

本发明的工作原理：

工作状态下，双向螺旋式果蔬采摘装置安装在采摘机器的机械臂前端，启动电机正转，右旋螺旋叶片和左旋螺旋叶片转动，产生向外拉动果蔬的力；在自动化控制与机器视觉引导下，双向螺旋式果蔬采摘装置瞄准有果蔬的大概位置，螺旋叶片旋转像钻头一样钻进果蔬枝叶中，两个相邻的螺旋叶片相对转动，组成多个钳口形状，运动效果是连续地咬合、拉动的动作；螺旋叶片旋转拉动接触到的果蔬和部分树叶，即使果蔬被树叶挡住，因为树叶柔软可以轻易摆动，所以螺旋叶片可以隔着树叶拉动果蔬；电机快速变换正反转动方式，由于推拉的效果使接触到的果蔬和树叶大幅度、高频率地摆动，果柄和部分树叶折断，果蔬落入两个螺旋叶片之间的空间里；采摘机器的机械臂带动双向螺旋式果蔬采摘装置从树枝中退出，在退出过程中，螺旋叶片保持转动，持续提供向外拉动果蔬的力，双向螺旋式果蔬采摘装置保持前高后低，防止果蔬留在树枝中或从装置前端掉落；退出树枝后，双向螺旋式果蔬采摘装置降低高度，改为前低后高，电机反向转动，右旋螺旋叶片与左旋螺旋叶片都反向转动，产生向外推动果蔬的力，则果蔬被吐出；按照事先规划的采摘路径，将果蔬挂果面积按照网格划分，顺序采摘，并重复上述采摘动作，则可完成全部挂果面积的采摘。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

(1)本发明适用于采摘被树叶遮挡的果蔬，弥补了现有机器视觉技术无法检测到被树叶遮挡的果蔬的不足；

(2)本发明可在风速高的环境，采摘扰动大的果蔬，丰富了目前微扰动果蔬采摘的技术；

(3)本发明可一次采摘相邻的多个果蔬，弥补了现有技术缺乏一次采摘两个以上果蔬技术的不足；

(4)本发明的双向螺旋叶片呈网格布局，形成多层网状、覆盖面积大，不需要精准瞄准果蔬或果蔬的柄，降低了设备软件、硬件的要求，减少了成本，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的右旋、左旋螺旋叶片排列示意图；

图3为本发明的传动系统示意图；

图4为本发明的立体图；

图5为本发明的工作状态示意图之一；

图6为本发明的工作状态示意图之二。

图中附图标记为：1、右旋螺旋叶片；2、左旋螺旋叶片；3、转动轴；4、轴承座；5、齿轮；6、皮带；7、皮带轮一；8、皮带轮二；9、电机；10、机架；11、过桥齿轮一；12、过桥齿轮二；13、机器视觉摄像头。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1～6所示，一种双向螺旋式果蔬采摘装置，包括机架10，以及设置在所述机架10上的转动轴3和传动系统；所述转动轴3和传动系统相互连接；所述转动轴3在所述机架10上呈网格布局，所述转动轴3上设有双向螺旋叶片；所述双向螺旋叶片包括右旋螺旋叶片1和左旋螺旋叶片2，以右旋、左旋、右旋的排列方式两两相邻设置在所述转动轴3上，如图2所示；所述右旋螺旋叶片1与转动轴3同轴，所述左旋螺旋叶片2与转动轴3同轴；所述右旋螺旋叶片1和左旋螺旋叶片2均由弹性材料制成，即采用轻薄、柔软的弹性材料，例如橡胶、尼龙；所述右旋螺旋叶片1和左旋螺旋叶片2均采用变径螺旋线，其前端的直径小于后端的直径；所述右旋螺旋叶片1和左旋螺旋叶片2的螺距均小于果蔬直径，便于储存果蔬；相邻的右旋螺旋叶片1和左旋螺旋叶片2之间的间距小于果蔬直径，避免采摘下来的果蔬从间隙掉落。

所述传动系统包括轴承座4、齿轮5、过桥齿轮一11、过桥齿轮二12、皮带轮一7、皮带轮二8、皮带6和电机9，其中所述轴承座4安装在所述机架10上；所述轴承座4和齿轮5都与所述转动轴3相对应设置，且都与所述转动轴3相连接，即转动轴3通过连接轴承座4从而安装在机架10上，齿轮5再与转动轴3固定连接；纵向之间的齿轮相互连接传动，且机架10上相邻两列的齿轮之间连接有所述过桥齿轮一11和过桥齿轮二12，使得左右相邻的齿轮转动方向相反；所述皮带轮一7设置在所述电机9上，所述皮带轮二8设置在机架10的一个转动轴3上，所述皮带轮一7和皮带轮二8通过所述皮带6相连接。所述转动轴3采用弹性材料，例如尼龙、碳纤维、空心管外层包裹橡胶，这样设置能够减轻重量；所述齿轮5采用非金属材料，例如尼龙，这样设置能够减轻重量；所述螺旋叶片与转动轴3采用热熔连接或铆接固定；所述齿轮5与转动轴3采用热熔连接、铆接或销钉、键传动。

具体来说，如图1～3所示，右旋螺旋叶片1的轴线与转动轴3的轴线重合并固定；左旋螺旋叶片2的轴线与转动轴3的轴线重合并固定；轴承座4安装在机架10上；右旋螺旋叶片1与左旋螺旋叶片2相邻安装在轴承座4上，右旋螺旋叶片1与左旋螺旋叶片2相邻安装，形成一对钳口形状；轴承座4安装在机架10上；转动轴3的下端连接齿轮5；齿轮与齿轮之间啮合，接龙排列；皮带6连接皮带轮一7和皮带轮二8；皮带轮一7连接电机9，皮带轮二8连接一个转动轴3，电机9安装在机架10上。

双向螺旋式果蔬采摘装置通过安装在采摘机器的机械臂前端进行作业，电机的电源与机械臂的电源共用。本发明可以采摘被树叶遮挡的苹果、橙子、李子、山楂、枣、辣椒、罗汉果、核桃、榛子等水果、蔬菜、中药、干果。即使在风速高、扰动大的环境，采摘装置也可以捕捉到动态果蔬，进行采摘作业。

工作状态下，双向螺旋式果蔬采摘装置安装在采摘机器的机械臂前端，呈前高后低姿态，启动电机9正转，右旋螺旋叶片1顺时针转动，产生向外拉动果蔬的力，左旋螺旋叶片2逆时针转动，也产生向外拉动果蔬的力，右旋螺旋叶片1连接的齿轮与左旋螺旋叶片2连接的齿轮啮合，这样转动可以使螺旋叶片产生的推力或拉力方向一致；在自动化控制与机器视觉摄像头13的引导下，双向螺旋式果蔬采摘装置瞄准有果蔬的大概位置，螺旋叶片旋转像钻头一样钻进果蔬枝叶中，两个相邻的螺旋叶片相对转动，组成多个钳口形状，运动效果是连续地咬合、拉动的动作；螺旋叶片旋转拉动接触到的果蔬和部分树叶，即使果蔬被树叶挡住，因为树叶柔软可以轻易摆动，所以螺旋叶片可以隔着树叶拉动果蔬；电机9快速变换正反转动方式，由于推拉的效果使接触到的果蔬和树叶大幅度、高频率地摆动，果柄和树叶折断，果蔬落入两个螺旋叶片之间的空间里；采摘机器的机械臂带动双向螺旋式果蔬采摘装置从树枝中退出，在退出过程中，螺旋叶片保持转动，持续提供向外拉动果蔬的力，双向螺旋式果蔬采摘装置保持前高后低，防止果蔬留在树枝中或从装置前端掉落；退出树枝后，双向螺旋式果蔬采摘装置降低高度，改为前低后高，被采摘下来的果蔬，因为螺旋叶片间隙小于果蔬的直径，所以果蔬不会掉落，螺旋叶片的压力会推动果蔬向压力小的方向运动，因为间隙的压力最小，所以一般会储存在螺旋叶片的间隙里，电机9反向转动，右旋螺旋叶片1与左旋螺旋叶片2都反向转动，则果蔬被吐出；按照事先规划的采摘路径，将果蔬挂果面积按照网格划分，顺序采摘，并重复上述采摘动作，则可完成全部挂果面积的采摘。

其中：(1)利用螺旋副传动原理，螺旋升角越小，沿螺纹面方向的分力越小，垂直于螺纹面的分力越大，则摩擦力越大，反之，沿垂直于螺纹面的分力越小。根据上述原理，螺旋叶片的轴向分力施加在果蔬上，可以产生拉力。

拉力计算如下：

P＝2πηT/L

其中η为丝轴传动效率，大约为0.9～0.95；P为拉力；T为转矩；L为丝轴导程。

(2)螺旋叶片转动，轴向分力像波浪一样传递给接触到的果蔬，即使果蔬被树叶挡住，因为树叶柔软可以轻易摆动，所以螺旋叶片可以隔着树叶传递动力给果蔬。

(3)相邻的右旋螺旋叶片和左旋螺旋叶片之间的间距小于果蔬直径，所以被采摘下来的果蔬不会从间隙掉落到地面。

采摘路径规划：先采摘树根边缘的果蔬，从突出的树枝开始进入，然后逐渐向树顶采摘。这样的采摘路径可以减少采摘装置碰掉周围的果蔬。

螺旋叶片钻进树枝过程中，可能遇到的问题及解决方法：(1)顶到树干或粗大的树枝，柔软、弹性的螺旋叶片和转动轴可以被挤压弹开，避让阻挡物；(2)如果阻力过大，可以先退出树枝，然后偏移一些位置再重新钻进树枝中；(3)遇到正面树枝茂密无法插入，避开茂密的树枝，从两侧插入树枝；(4)采摘个别不易脱落果蔬的方法，左、右螺旋叶片频繁换向转动，使被包裹的果蔬提高摆动频率和幅度，使果柄折断脱离树枝；(5)对于在采摘果蔬的过程中可能会碰落不少树叶，经过对部分果农调研，果农认可在采摘过程中碰落树叶，因为秋收后，果树的树叶基本都自行脱落了；(6)果柄的直径小于树枝的直径，螺旋叶片的推力大于果柄折断需要的力，小于树枝损伤的力，就可以保护树枝不会损伤。

本发明适用于采摘被树叶遮挡的果蔬，弥补了现有机器视觉技术无法检测到被树叶遮挡的果蔬的不足；可在风速高的环境，采摘扰动大的果蔬，丰富了目前微扰动果蔬采摘的技术；可一次采摘相邻的多个果蔬，弥补了现有技术缺乏一次采摘两个以上果蔬技术的不足；本发明的双向螺旋叶片呈网格布局，形成多层网状、覆盖面积大，不需要精准瞄准果蔬或果蔬的柄，降低了设备软件、硬件的要求，减少了成本，提高了生产效率。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双向螺旋式果蔬采摘装置，其特征在于，包括机架，以及设置在所述机架上的转动轴和传动系统；所述转动轴和传动系统相互连接；所述转动轴在所述机架上呈网格布局，所述转动轴上设置有双向螺旋叶片；所述双向螺旋叶片包括右旋螺旋叶片和左旋螺旋叶片，以右旋、左旋、右旋的排列方式两两相邻设置在所述转动轴上；

所述传动系统包括轴承座、齿轮、过桥齿轮一、过桥齿轮二、皮带轮一、皮带轮二、皮带和电机，其中所述轴承座安装在所述机架上；所述轴承座和齿轮都与所述转动轴相对应设置，且都与所述转动轴相连接；纵向之间的齿轮相互连接传动，且机架上相邻两列的齿轮之间连接有所述过桥齿轮一和过桥齿轮二，使得左右相邻的齿轮转动方向相反；所述皮带轮一设置在所述电机上，所述皮带轮二设置在机架的一个转动轴上，所述皮带轮一和皮带轮二通过所述皮带相连接。

2.根据权利要求1所述的双向螺旋式果蔬采摘装置，其特征在于，所述右旋螺旋叶片和左旋螺旋叶片均由弹性材料制成。

3.根据权利要求1所述的双向螺旋式果蔬采摘装置，其特征在于，所述右旋螺旋叶片和左旋螺旋叶片均采用变径螺旋线，其前端的直径小于后端的直径。

4.根据权利要求1所述的双向螺旋式果蔬采摘装置，其特征在于，所述右旋螺旋叶片和左旋螺旋叶片的螺距均小于果蔬直径，便于储存果蔬。

5.根据权利要求1所述的双向螺旋式果蔬采摘装置，其特征在于，相邻的右旋螺旋叶片和左旋螺旋叶片之间的间距小于果蔬直径，避免果蔬从间隙掉落。

6.一种双向螺旋式果蔬采摘方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)工作状态下，双向螺旋式果蔬采摘装置安装在采摘机器的机械臂前端，启动电机正转，右旋螺旋叶片和左旋螺旋叶片转动，产生向外拉动果蔬的力；在自动化控制与机器视觉引导下，双向螺旋式果蔬采摘装置瞄准有果蔬的大概位置，螺旋叶片旋转像钻头一样钻进果蔬枝叶中，两个相邻的螺旋叶片相对转动，组成多个钳口形状，运动效果是连续地咬合、拉动的动作；螺旋叶片拉动接触到的果蔬和部分树叶，即使果蔬被树叶挡住，因为树叶柔软可以轻易摆动，所以螺旋叶片可以隔着树叶拉动果蔬；电机快速变换正反转动方式，由于推拉的效果使接触到的果蔬和树叶大幅度、高频率地摆动，果柄和树叶折断，果蔬落入两个螺旋叶片之间的空间里；

(2)采摘机器的机械臂带动双向螺旋式果蔬采摘装置从树枝中退出，在退出过程中，螺旋叶片保持转动，持续提供向外拉动果蔬的力，双向螺旋式果蔬采摘装置保持前高后低，防止果蔬留在树枝中或从装置前端掉落；退出树枝后，双向螺旋式果蔬采摘装置降低高度，改为前低后高，电机反向转动，右旋螺旋叶片与左旋螺旋叶片都反向转动，产生向外推动果蔬的力，则果蔬被吐出；

(3)按照事先规划的采摘路径，将果蔬挂果面积按照网格划分，顺序采摘，并重复上述采摘动作，则可完成全部挂果面积的采摘。

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