CN113966669A - 一种菠萝自动化采摘外挂装置及采摘方法 - Google Patents

Abstract

一种菠萝自动化采摘外挂装置及采摘方法，涉及菠萝采摘领域，它安装在市场上已有的大型臂式菠萝收获机的悬臂式传送带上，包括一个安装在悬臂式传送带底部的剪叉式升降平台、一个安装在剪叉式升降平台底部的二自由度十字导轨滑台机构、一个安装在十字导轨滑台机构上的菠萝果体采摘机构和二个拍摄方位可调的工业相机；采摘作业时，在工业相机定位菠萝果体后，由菠萝果体采摘机构中的果叶推杆和果体托盘共同完成别断菠萝果茎的操作并将运至悬臂式传送带上传回菠萝收获机车厢。使用本发明可以实现大田菠萝采摘作业过程的完全自动化且不降低采收效率，具有比基于机械臂的单体菠萝自动化采摘机更加低廉的制造维护成本和更高的实用性。

Description

一种菠萝自动化采摘外挂装置及采摘方法

技术领域

本发明涉及一种菠萝自动化采摘外挂装置，尤其是适用于使用市场上已有大型臂式菠萝收获机对植株间距规范的大型菠萝种植田的菠萝进行自动化采摘的采摘机及采摘方法，属于菠萝采摘领域。

背景技术

菠萝产业属较典型的劳动密集型产业，全球菠萝产量最高的国家主要是位于南北回归线之间的国家，例如哥斯达黎加、菲律宾、美国、巴西、澳大利亚等，这些国家的菠萝生产过程大多需要人工作业（包括美国、澳大利亚等国），尤其是菠萝采摘环节；当然，同样的情况也发生在我国的菠萝种植业中。哥斯达黎加、菲律宾、澳大利亚等全球主要菠萝产地中，菠萝种植主要以大面积菠萝田的规范化种植为主，其菠萝田的规模通常达到数公顷甚至超过10公顷，因此在采摘季常使用带有悬臂式传送带的大型臂式菠萝收获机配合大量人手进行人工菠萝采摘，我国菠萝第一县徐闻的菠萝种植与采摘也是如此，不同的只是臂式菠萝收获机的采摘工位较少且机具更小。一种常见的大型臂式菠萝收获机产品可以在GameEquipment LLC公司的网站（http://www.gameeq.com/）上找到，也可从常用视频网站上找到这种收获机的视频资料（例如由都乐Dole食品公司提供的大田菠萝种植采收作业视频）。该类型菠萝收获机一般是挂接在大型轮式拖拉机上，其左右两侧各有一个（或仅一侧有）臂展达5-20米的悬臂式传送带，单侧悬臂式传送带可供4-15人一字排开并同时手工作业，他们采摘菠萝后将其放置到传送带上送回拖拉机上的车厢内。根据澳大利亚昆士兰州农业与渔业（Queensland Government Department of Agriculture and Fisheries）部于2019年底发布的菠萝采收作业技术指导（详见官方网站https://www.daf.qld.gov.au/ 和官方油管频道关于菠萝采收的技术解说视频），人工采摘菠萝的作业要点是：一手向斜下方推握菠萝果叶下部，同时另一只手轻轻拍档菠萝果茎与果体交接点（即果柄处）从而将果体从果柄处整齐地折断，即可轻松完成一个菠萝的采摘。根据业内最新的菠萝收获作业技术指导可以看出，目前全球范围内菠萝主产区的菠萝采收仍以大型臂式菠萝收获机辅助大量劳动力进行人工采摘为主，因此以降低人工成本为目的，使用自动化菠萝采摘装置代替人工作业值得尝试。一些研究正在为此做出努力，其中华南农业大学的王红军等研制的“基于机器视觉的菠萝采摘机及采摘方法”（发明专利申请号202010702982.4）是其中的典型代表之一，其主要工作原理是以四轮驱动的小型车辆为动力平台，在平台上安装有机器视觉机构和采摘机械臂（V形手爪）。采摘时，动力平台首先要行驶至靠近待采摘菠萝植株的附近，接下来由机器视觉机构采集菠萝图形用以生成菠萝三维坐标信息，然后根据所生成的菠萝位置信息控制采摘机械臂抓取单个菠萝果体，最后将采摘下来的菠萝果体放置到运输传送带上完成一次菠萝采摘，之后循环往复。显然，目前与此类似的自动化菠萝采摘机并未考虑全球范围内菠萝主产区的种植规模，如果使用这种基于小型动力平台的菠萝采摘机对数公顷甚至更大的菠萝大田进行采收作业，要么需要大量的采摘机同时作业从而大幅增加采收设备及其维护成本，要么严重降低菠萝采收作业效率至不可接受的程度；另一方面，由于大田菠萝按照1-2米的植株间距进行规范化种植，加之菠萝树叶向各方向散开生长，使得总尺寸较大的这种菠萝采摘机根本无法进入植株行间进行采摘，而总尺寸足够小的类似菠萝采摘机会因无法容纳足够多的菠萝而经常需要对采摘下来的果实进行转运，在实际的大田菠萝采收作业中，这些都是无法接受的缺陷，相信这也是目前全球范围内菠萝主产区依然采用人工作业的重要原因。为了提高自动化菠萝采摘作业的效率和降低设备成本，可以考虑利用目前已经成熟使用的大型臂式菠萝收获机作为基本动力和作业平台，在其悬臂式传送带上设置与人工采摘工位相同数量的多个菠萝自动化采摘外挂装置，使其能够对菠萝田中的整行（或整列）菠萝同时进行自动化采摘，采摘之后的运输和装箱仍然沿用现有做法，这样就可以使得一次大田菠萝采摘作业的工人数量大幅度降低且保证了采摘效率；另外，为了降低这种菠萝自动化采摘外挂装置的机构复杂程度和成本，应该摒弃使用机械臂或类似机械臂的采摘执行机构，而采用更加简单可靠的运动机构来完成采摘与放置动作，这样就可以使菠萝的自动采摘技术具有更优的实用性，从而早日应用于菠萝种植业。

发明内容

为了减少大田菠萝采收对大量人力资源的依赖，并克服现有自动化菠萝采摘机因效率低、设备成本高、设备尺寸无法适应标准大田菠萝植株间距等问题而导致其无法实际应用于大规模采收作业的缺陷，本发明提供了一种菠萝自动化采摘外挂装置及采摘方法，在同一大型臂式菠萝收获机的悬臂式传送带下方按照正常人工工位数量安装多个菠萝自动化采摘外挂装置并使其按照本发明提供的采摘方法运转后，可以大幅减少完成一次大田菠萝采收作业的人员数量，且不影响菠萝采收作业的效率；这种菠萝自动化采摘外挂装置的采摘执行机构没有使用机械臂或其变体形式，而是参照澳大利亚昆士兰州农业与渔业部于2019年底发布的菠萝人工采收作业的技术指导设计了比机械臂更加简单、可靠和鲁棒的机械结构，从而使得这种菠萝自动化采摘外挂装置具有更加低廉的制造与维护成本，且对机器视觉装置和执行机构的控制定位精度要求也显著降低。

本发明的第一个目的是提供一种能够安装在业界普遍适用的大型臂式菠萝收获机的悬臂式传送带下方的菠萝自动化采摘外挂装置。

本发明的第二个目的是提供一种适用于使用市场上已有大型臂式菠萝收获机对植株间距规范的大型菠萝种植田的菠萝进行的自动化菠萝采摘方法。

本发明的第一个目的是通过以下技术方案实现的：

一种菠萝自动化采摘外挂装置，其特征在于：它安装在市场上已有的大型臂式菠萝收获机上，包括一个菠萝果体采摘机构、一个剪叉式升降平台，一个二自由度十字导轨滑台机构和二个拍摄方位可调的工业相机。

所述剪叉式升降平台的顶板与大型臂式菠萝收获机的悬臂式传送带底部连接，剪叉式升降平台的底板与二自由度十字导轨滑台机构的x轴滑轨的顶部连接，升降电机可以通过丝杠螺母传动副驱动底板相对于顶板作竖直方向的上下运动；顶板与悬臂式传送带底部的连接方位正好可以保证十字导轨滑台机构的x轴滑台可以在横移电机的驱动下沿平行于悬臂式传送带的传送方向在x轴滑轨上作水平面内的往复运动，从而使得十字导轨滑台机构的y轴滑台可以在纵移电机的驱动下正好沿垂直于悬臂式传送带的传送方向在y轴滑轨上作水平面内的往复运动；所述的二个工业相机分别通过可锁定球铰安装在x轴滑轨的首尾两端，保证其镜头均可调节至指向下方地面的方向且其视域中心可以对准地面上的同一点。

所述菠萝果体采摘机构安装在y轴滑台的下方，由一个减速电机、一根前摆杆轴、一根后摆杆轴、二根果体推杆、二根前摆杆、二根连杆、二根后摆杆、一根果叶推杆和一块果体托盘组成；减速电机安装在y轴滑台的下表面，前摆杆轴垂直于y轴滑台的运动方向水平地安装在y轴滑台下方且可在减速电机的驱动下绕其自身轴线转动，二根相互平行的果体推杆的一端分别与前摆杆轴的两端固连，当果体推杆随前摆杆轴一起转动时，其旋转平面与前摆杆轴的轴线垂直，这二根果体推杆的另一端安装有一根果茎推杆，其与二根果体推杆形成一个矩形框体的三条硬质边框，这个矩形框体内布置一块由弹性材料制成的矩形编织物，矩形编织物的另一边不与任何硬质边框连接而保持自由状态，果茎推杆和矩形编织物组成果体托盘；二根相互平行的前摆杆的一端也分别与前摆杆轴的两端固连，固连在前摆杆轴同一端的一根前摆杆和一根果体推杆有相同的旋转平面且二者之间的夹角范围可在50°~70°之间调整，二根前摆杆的另一端分别与二根相互平行的连杆的一端铰链连接；二根连杆的另一端分别与二根相互平行的后摆杆的一端通过铰链连接且两个连接点之间安装一根果叶推杆，二根后摆杆的另一端分别与一根后摆杆轴的两端固连，后摆杆轴垂直于y轴滑台的运动方向水平地安装在y轴滑台下方且可绕其自身轴线转动，当后摆杆随后摆杆轴一起转动时，其旋转平面与后摆杆轴的轴线垂直，后摆杆的旋转平面与前摆杆的旋转平面相互平行且其法线方向均与x轴滑台的运动方向平行。

本发明的第二个目的可以通过以下技术方案实现，同时以下技术方案也是上述实现第一个目的技术方案的工作原理：

一种适用于使用市场上已有大型臂式菠萝收获机对植株间距规范的大型菠萝种植田的菠萝进行的自动化菠萝采摘方法，基于权利要求1所述的菠萝自动化采摘外挂装置实现，其特征在于，所述方法包括：

大型臂式菠萝收获机的悬臂式传送带与菠萝植株行或列基本平行地驶入菠萝田，从而使其悬臂式传送带位于一行或一列已经成熟的菠萝植株的正上方；悬臂式传送带下方安装有多个所述的菠萝自动化采摘外挂装置，调整其相互间距使其正好与悬臂下的菠萝植株间距基本一致，调整每一个菠萝自动化采摘外挂装置的所述二个工业相机的拍摄方位使其能拍摄采摘对象菠萝的图像以便控制系统确定对象菠萝的三维坐标信息。

对于每一个菠萝自动化采摘外挂装置，在初始状态下，所述的剪叉式升降平台处于完全收合状态，其底板向上靠近顶板并与之贴合，果体推杆由减速电机驱动旋转至与y轴滑台的运动方向平行的位置。

随后，根据对象菠萝的三维坐标信息，由控制系统控制所述的升降电机、横移电机和纵移电机共同调整所述果茎推杆和果叶推杆相对于对象菠萝的位置。

然后，纵移电机和减速电机同时运转，使得果茎推杆按照直线+旋转的复合运动轨迹运动，这样，果茎推杆能够避开菠萝树叶而从果体上方的空隙处向下运动至菠萝果体下方的茎秆一侧，另一方面，果叶推杆按多杆机构的运动规律运动至同一菠萝果体另一侧的菠萝果叶处，进而由果叶推杆进一步向斜下方运动推挤菠萝果叶，由于果茎推杆对果茎在对侧形成阻挡，使得菠萝果体下方的茎秆从果茎与果体的交界处断裂，菠萝果体顺势倾倒并盛放在所述的矩形编织物上。

菠萝果体盛放到矩形编织物上后，升降电机开始再次运转以使剪叉式升降平台逐渐回到完全收合状态，并带动菠萝果体采摘机构整体向上运动至最接近悬臂式传送带的位置，与此同时，纵移电机和减速电机继续按原方向运转直到果体推杆与竖直方向夹角达到至少30°，此时纵移电机变为反向运转，同时减速电机继续按原方向运转，从而使得盛放菠萝果体的果体托盘脱离植株叶片范围并被送至略低于悬臂式传送带的位置且果体基本水平为止。

接下来，纵移电机继续运转以进一步调整果体托盘的位置，减速电机继续按原方向运转使得果体托盘携带菠萝果体向上越过悬臂式传送带的传送带上表面，随着果体托盘倾斜角度加大，其上的菠萝果体从矩形编织物上顺势滑到悬臂式传送带上或其改装延伸结构上，然后被传送带送回。

最后，减速电机反向运转使得果体推杆旋转至初始状态下的位置，一次采摘结束，本行或列的所有菠萝采摘均结束后，大型臂式菠萝收获机前进一个植株列宽或行距以准备下一次采摘。

本发明的有益效果是：本发明通过机器视觉反馈菠萝果体位置信息能够实现自动化采摘，从而代替人工完成菠萝采收操作；本发明是配合业界已经成熟使用的大型臂式菠萝收获机使用的外挂装置，其安装部位为悬臂式传送带下方亦即菠萝植株的上方，采摘下来的菠萝果体直接放置到传送带上传回拖拉机的车厢内，从而使其规避了常见的单体自动化菠萝采摘机无法进入大田菠萝植株行间作业或需要多次转运而导致效率过低的问题，进而使其实用性得到了大幅度、根本性的提高；在同一大型臂式菠萝收获机的悬臂式传送带下方可以按照正常人工工位数量安装多个菠萝自动化采摘外挂装置，从而在完全取代收获过程中的大量采摘作业人员的同时还不会显著影响菠萝采收作业的效率，如果考虑到采摘人员作业期间需要休息的时间，则使用本发明的采摘效率甚至可以高于目前的大田菠萝常规采收作业；本发明的菠萝果体落果动作是：使用一根果叶推杆从上方推压菠萝果叶，同时使用一块果体托盘从下方阻挡并别断果茎（从果茎与果体的交界处），这是参照澳大利亚昆士兰州农业与渔业部于2019年底发布的菠萝人工采收作业的技术指导设计的机械动作方案，该机构较之其他常见的单体自动化菠萝采摘机所使用的的机械臂或其变体结构更加简单、可靠和具有鲁棒性，其鲁棒性体现在工业相机对菠萝果体的实时定位信息可以存在厘米级的误差而不影响落果动作，因为所述的果叶推杆和果体托盘的长度可以略大于菠萝果体的最大处外径且别断果茎的位置可以位于果柄及其以下的数厘米范围内的果茎一侧；由于采摘落果机构的特点使其依赖的机器视觉系统和整体机械结构较之使用机械臂或其变体结构的常见单体自动化菠萝采摘机具有更加低廉的制造与维护成本。

附图说明

图1是多个本发明提供的菠萝自动化采摘外挂装置在市场上已有的大型臂式菠萝收获机上的布置示意图。

图2是本发明在市场上已有的大型臂式菠萝收获机上的安装位置示意图，也是对应于图1中A处安装结构的详细放大视图。

图3是本发明的总体结构示意图。

图4是剪叉式升降平台的结构示意图。

图5是二自由度十字导轨滑台机构的结构示意图。

图6是菠萝果体采摘机构示意图。

图7是按照本发明提供的自动化的菠萝采摘方法进行采摘时，从平行于悬臂式传送带的方向看，Step001步骤中的菠萝自动化采摘外挂装置的各组成部分所处初始位置的示意图。

图8是按照本发明提供的自动化的菠萝采摘方法进行采摘时，从平行于悬臂式传送带的方向看，Step002步骤中的菠萝自动化采摘外挂装置的各组成部分相对于采摘对象菠萝果体所处位置的示意图。

图9是按照本发明提供的自动化的菠萝采摘方法进行采摘时，从垂直于悬臂式传送带的方向看，Step002步骤中的菠萝自动化采摘外挂装置的各组成部分相对于采摘对象菠萝果体所处位置的示意图。

图10是按照本发明提供的自动化的菠萝采摘方法进行采摘时，从平行于悬臂式传送带的方向看，Step003步骤中菠萝果体采摘机构的果茎推杆和果叶推杆相对采摘对象菠萝的初始位置及其运动轨迹示意图。

图11是按照本发明提供的自动化的菠萝采摘方法进行采摘时，从平行于悬臂式传送带的方向看，Step003步骤中菠萝果体采摘机构的果茎推杆和果叶推杆开始沿其运动轨迹靠近但尚未接触到菠萝时的各部分位置示意图，此时果体托盘的矩形编织物也尚未接触到菠萝。

图12是按照本发明提供的自动化的菠萝采摘方法进行采摘时，从平行于悬臂式传送带的方向看，Step003步骤中菠萝果体采摘机构的果茎推杆和果叶推杆沿其运动轨迹运动至即将接触到菠萝时的各部分位置示意图，此时果体托盘的矩形编织物已经接触到菠萝而发生变形。

图13是按照本发明提供的自动化的菠萝采摘方法进行采摘时，从平行于悬臂式传送带的方向看，Step003步骤中菠萝果体采摘机构的果茎推杆和果叶推杆共同作用折断菠萝果茎时的各部分位置示意图，此时被折断果茎的菠萝果体已经盛放到果体托盘上。

图14是按照本发明提供的自动化的菠萝采摘方法进行采摘时，从平行于悬臂式传送带的方向看，Step004步骤中，果体托盘携带采摘下来的菠萝果体继续向上运动但尚未到达水平位置时的各部分位置示意图。

图15是按照本发明提供的自动化的菠萝采摘方法进行采摘时，从平行于悬臂式传送带的方向看，Step005步骤中，果体托盘携带菠萝果体向上越过悬臂式传送带的改装延伸结构的上表面，其上菠萝果体即将从矩形编织物上滑到传送带延伸结构上表面时的各部分位置示意图。

图中标记为：0-大型臂式菠萝收获机、01-悬臂式传送带、02-菠萝自动化采摘外挂装置、03-菠萝果体、04-菠萝树叶、1-菠萝果体采摘机构、101-减速电机、102-前摆杆轴、103-后摆杆轴、104-果体推杆、105-前摆杆、106-连杆、107-后摆杆、108-果叶推杆、109-果体托盘、1091-果茎推杆、1092-矩形编织物、2-剪叉式升降平台、21-升降电机、22-顶板、23-底板、24-丝杠螺母传动副、3-二自由度十字导轨滑台机构、311-x轴滑台、312-x轴滑轨、313-横移电机、321-y轴滑台、322-y轴滑轨、323-纵移电机、4-工业相机、C1-果茎推杆的中心点、C2-果叶推杆的中心点、C3-菠萝果柄处中心点、C4-前摆杆轴中心点、tr1-果茎推杆的运动轨迹、tr2-果叶推杆的运动轨迹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，本实施例提供了一种菠萝自动化采摘外挂装置02，它安装在市场上已有的大型臂式菠萝收获机0的悬臂式传送带01的底部，安装的数量可以不止一个，一般按照人工采摘时的工位数量和位置来布置和安装，例如图1中的悬臂式传送带01的底部就安装了十五个菠萝自动化采摘外挂装置02，图2是其中两个菠萝自动化采摘外挂装置02在悬臂式传送带01底部的安装情况详图，亦即图1中A处局部放大图，其中一个菠萝自动化采摘外挂装置02（右）已经准备将采摘到的一个菠萝果体03投放至悬臂式传送带01上。

如图3所示，每一个菠萝自动化采摘外挂装置02都包括一个菠萝果体采摘机构1、一个剪叉式升降平台2，一个二自由度十字导轨滑台机构3和二个拍摄方位可调的工业相机4。

如图3、4、5所示，剪叉式升降平台2的顶板22与大型臂式菠萝收获机0的悬臂式传送带01底部连接，剪叉式升降平台2的底板23与二自由度十字导轨滑台机构3的x轴滑轨312的顶部连接，升降电机21可以通过丝杠螺母传动副24驱动底板23相对于顶板22作竖直方向的上下运动；顶板22与悬臂式传送带01底部的连接方位正好可以保证十字导轨滑台机构3的x轴滑台311可以在横移电机313的驱动下沿平行于悬臂式传送带01的传送方向（如图2箭头所示）在x轴滑轨312上作水平面内的往复运动，从而使得十字导轨滑台机构3的y轴滑台321可以在纵移电机323的驱动下正好沿垂直于悬臂式传送带01的传送方向在y轴滑轨322上作水平面内的往复运动；所述的二个工业相机4分别通过可锁定球铰安装在x轴滑轨312的首尾两端，保证其镜头均可调节至指向下方地面的方向且其视域中心可以对准地面上的同一点。

如图6所示，菠萝果体采摘机构1安装在y轴滑台321的下方，由一个减速电机101、一根前摆杆轴102、一根后摆杆轴103、二根果体推杆104、二根前摆杆105、二根连杆106、二根后摆杆107、一根果叶推杆108和一块果体托盘109组成；减速电机101安装在y轴滑台321的下表面，前摆杆轴102垂直于y轴滑台321的运动方向水平地安装在y轴滑台321下方且可在减速电机101的驱动下绕其自身轴线转动，二根相互平行的果体推杆104的一端分别与前摆杆轴102的两端固连，当果体推杆104随前摆杆轴102一起转动时，其旋转平面与前摆杆轴102的轴线垂直，这二根果体推杆104的另一端安装有一根果茎推杆1091，其与二根果体推杆104形成一个矩形框体的三条硬质边框，这个矩形框体内布置一块由弹性材料制成的矩形编织物1092，矩形编织物1092的另一边不与任何硬质边框连接而保持自由状态，果茎推杆1091和矩形编织物1092组成果体托盘109。二根相互平行的前摆杆105的一端也分别与前摆杆轴102的两端固连，固连在前摆杆轴102同一端的一根前摆杆105和一根果体推杆104有相同的旋转平面且二者之间的夹角为57.5°，二根前摆杆105的另一端分别与二根相互平行的连杆106的一端铰链连接。二根连杆106的另一端分别与二根相互平行的后摆杆107的一端通过铰链连接且两个连接点之间安装一根果叶推杆108，二根后摆杆107的另一端分别与一根后摆杆轴103的两端固连，后摆杆轴103平行于前摆杆轴102地安装在y轴滑台321下方且可绕其自身轴线转动，当后摆杆107随后摆杆轴103一起转动时，其旋转平面与后摆杆轴103的轴线垂直，后摆杆107的旋转平面与前摆杆105的旋转平面相互平行且其法线方向均与x轴滑台311的运动方向（如图5实线箭头方向）平行。

本实施例中的菠萝自动化采摘外挂装置02还包括了为二个工业相机4、一个升降电机21、一个横移电机313、一个纵移电机323和一个减速电机101供电及传输控制信号的电气及控制线路，各电机的驱动器及控制各电机的单板计算机，它们分布式地安装在大型臂式菠萝收获机0上。所述单板计算机为基于ARM架构的树莓派4B（Raspberry pi 4B）简化指令集计算机，运行Raspbian操作系统。利用大量的已成熟可采摘的单一品种菠萝果体照片对基于OpenCV的级联分类器（cascade classifier）进行离线训练，得到一个最终的菠萝级联分类器，在这种树莓派计算机上使用这一菠萝级联分类器对二个工业相机4传输回的菠萝图像进行识别与定位，从而得到准确的菠萝果体位置坐标信息。

如图1、2、图7-图15所示，本实施例还提供一种自动化的菠萝采摘方法，基于上述菠萝自动化采摘外挂装置实现，包括以下步骤：

Step000：对于规范化种植的菠萝大田，菠萝植株的行或列相对田间机耕道路是近似垂直的，大型臂式菠萝收获机0的悬臂式传送带01展开后，可以与菠萝植株行或列近似平行地驶入菠萝田，大型臂式菠萝收获机0行进至某处时可以使其悬臂式传送带01大致位于某一行或一列菠萝植株的正上方；如图1、2所示，悬臂式传送带01下方安装有多个所述的菠萝自动化采摘外挂装置02，事先调整其相互间距使其正好与悬臂下的菠萝植株间距基本一致，事先调整每一个菠萝自动化采摘外挂装置02的所述二个工业相机4的拍摄方位使其能拍摄采摘对象菠萝的图像以便控制系统确定对象菠萝的三维坐标信息，具体地，松开可锁定球铰，调整工业相机4镜头的方位至合理位置，然后锁定球铰（过程与磁力表座的调整类似）。

Step001：如图7，对于每一个菠萝自动化采摘外挂装置02，所述的剪叉式升降平台2一开始处于完全收合状态，其底板23向上靠近顶板22并与之贴合，果体推杆104由减速电机101驱动旋转至与y轴滑台321的运动方向(图7中虚线箭头y指向的方向)平行的位置。

Step002：如图8、图9所示，二个工业相机4实时采集对象菠萝的三维坐标信息，据此由单板计算机控制升降电机21、横移电机313和纵移电机323的驱动器，使三个电机同时运转以将果茎推杆1091的中心点C1和果叶推杆108的中心点C2在x轴滑台311的运动方向(图9中实线箭头x指向的方向)上对准菠萝果体与果茎交界处亦即果柄处中心点C3；果柄处中心点C3在竖直方向上的坐标比果茎推杆1091中心点C1在竖直方向上的坐标低0.95倍果体推杆104的长度；且果柄处中心点C3在y轴滑台321的运动方向(图8中虚线箭头y指向的方向)上位于果茎推杆1091中心点C1和前摆杆轴中心点C4之间，果柄处中心点C3在y轴滑台321的运动方向上距离果茎推杆1091中心点C1的坐标之差的绝对值为果体推杆104长度的0.25倍；但以上定位位置参数及尺寸参数关系均允许正负3厘米的误差。

Step003：纵移电机323和减速电机101同时运转，如图10~图13所示，分别使得y轴滑台321沿虚线箭头所示的“+”方向作直线运动，二根果体推杆104和二根前摆杆105沿实线箭头所示的“+”方向作旋转运动，从而使得果茎推杆1091按照直线+旋转的复合运动轨迹tr1运动，果茎推杆1091的运动轨迹tr1经过试验确认能够刚好避开菠萝树叶04而从果体上方的空隙处向下延伸至菠萝果体03下方的茎秆一侧（图10），在本实施例中，y轴滑台321的直线运动速度（m/s）与果体推杆104的旋转运动速度（rad/s）之比为0.48（m/rad），如果果茎推杆1091无法避开菠萝树叶04，则会使果体托盘109无法直接作用于菠萝果体03而导致采摘失败；另一方面，果叶推杆108按多杆机构运动轨迹tr2向菠萝果体另一侧的菠萝果叶处运动（图11~图12）。随着纵移电机323和减速电机101继续沿原方向运转，果叶推杆108将进一步向斜下方运动至轨迹tr2的极限行程处并对菠萝果叶产生推挤作用，此时果茎推杆1091正好对菠萝果茎在对侧形成阻挡且继续沿轨迹tr1运动从而使得菠萝果体03下方的茎秆从果茎与果体的交界处(果柄处)断裂，菠萝果体03顺势倾倒并盛放在所述的矩形编织物1092上（图13）。

Step004：菠萝果体03盛放到矩形编织物1092上后，升降电机21开始再次运转以使剪叉式升降平台2逐渐地回到完全收合的状态，这样会带动菠萝果体采摘机构1整体向上运动至最接近悬臂式传送带0的位置，与此同时，纵移电机323和减速电机101继续按原方向运转，如图14所示，直到果体推杆104与竖直方向夹角达到30°后，纵移电机323变为反向运转从而使y轴滑台321沿虚线箭头所示的“-”方向作直线运动，同时减速电机101继续按原方向运转进而使二根果体推杆104和二根前摆杆105继续沿实线箭头所示的“+”方向作旋转运动，直到盛放菠萝果体03的果体托盘109（由果茎推杆1091和矩形编织物1092组成）脱离菠萝树叶的范围并被送至略低于悬臂式传送带01的位置且果体基本水平为止。

Step005：如图15所示，纵移电机323继续运转使y轴滑台321沿虚线箭头所示的“-”方向作直线运动，以进一步调整果体托盘109的位置，减速电机101继续按原方向运转从而使二根果体推杆104和二根前摆杆105继续沿实线箭头所示的“+”方向作旋转运动，果体托盘109携带菠萝果体03向上越过悬臂式传送带01的传送带上表面（此时剪叉式升降平台2已经在升降电机21的驱动下达到完全收合状态），随着果体托盘109倾斜角度加大，其上的菠萝果体03从矩形编织物1092上顺势滑到悬臂式传送带01上或其改装延伸结构上（图2），然后被传送带送回。

Step006：减速电机101反向运转使得二根果体推杆104和二根前摆杆105沿实线箭头所示的“-”方向作旋转运动(参照图10)，直到二根果体推杆104旋转至Step001所述的位置，一次采摘结束，本行或列的所有菠萝采摘均结束后，大型臂式菠萝收获机0前进一个植株列宽或行距以准备下一次采摘。

Claims (2)

1.菠萝自动化采摘外挂装置，其特征在于：它安装在市场上已有的大型臂式菠萝收获机上，包括一个菠萝果体采摘机构(1)、一个剪叉式升降平台(2)，一个二自由度十字导轨滑台机构(3)和二个拍摄方位可调的工业相机(4)；

所述剪叉式升降平台(2)的顶板(22)与大型臂式菠萝收获机的悬臂式传送带(01)的底部连接，剪叉式升降平台(2)的底板(23)与二自由度十字导轨滑台机构(3)的x轴滑轨(312)的顶部连接，升降电机(21)可以通过丝杠螺母传动副(24)驱动底板(23)相对于顶板(22)作竖直方向的上下运动；顶板(22)与悬臂式传送带(01)底部的连接方位正好可以保证十字导轨滑台机构(3)的x轴滑台(311)可以在横移电机(313)的驱动下沿平行于悬臂式传送带(01)的传送方向在x轴滑轨(312)上作水平面内的往复运动，从而使得十字导轨滑台机构(3)的y轴滑台(321)可以在纵移电机(323)的驱动下正好沿垂直于悬臂式传送带(01)的传送方向在y轴滑轨(322)上作水平面内的往复运动；所述的二个工业相机(4)分别通过可锁定球铰安装在x轴滑轨(312)的首尾两端，保证其镜头均可调节至指向下方地面的方向且其视域中心可以对准地面上的同一点；

所述菠萝果体采摘机构(1)安装在y轴滑台(321)的下方，由一个减速电机(101)、一根前摆杆轴(102)、一根后摆杆轴(103)、二根果体推杆(104)、二根前摆杆(105)、二根连杆(106)、二根后摆杆(107)、一根果叶推杆(108)和一块果体托盘(109)组成；

减速电机(101)安装在y轴滑台(321)的下表面，前摆杆轴(102)垂直于y轴滑台(321)的运动方向水平地安装在y轴滑台(321)下方且可在减速电机(101)的驱动下绕其自身轴线转动，二根相互平行的果体推杆(104)的一端分别与前摆杆轴(102)的两端固连，当果体推杆(104)随前摆杆轴(102)一起转动时，其旋转平面与前摆杆轴(102)的轴线垂直，这二根果体推杆(104)的另一端安装有一根果茎推杆(1091)，其与二根果体推杆(104)形成一个矩形框体的三条硬质边框，这个矩形框体内布置一块由弹性材料制成的矩形编织物(1092)，矩形编织物(1092)的另一边不与任何硬质边框连接而保持自由状态，果茎推杆(1091)和矩形编织物(1092)组成果体托盘(109)；

二根相互平行的前摆杆(105)的一端也分别与前摆杆轴(102)的两端固连，固连在前摆杆轴(102)同一端的一根前摆杆(105)和一根果体推杆(104)有相同的旋转平面且二者之间的夹角范围可在50°~70°之间调整，二根前摆杆(105)的另一端分别与二根相互平行的连杆(106)的一端铰链连接；

二根连杆(106)的另一端分别与二根相互平行的后摆杆(107)的一端通过铰链连接且两个连接点之间安装一根果叶推杆(108)，二根后摆杆(107)的另一端分别与一根后摆杆轴(103)的两端固连，后摆杆轴(103)垂直于y轴滑台(321)的运动方向水平地安装在y轴滑台(321)下方且可绕其自身轴线转动，当后摆杆(107)随后摆杆轴(103)一起转动时，其旋转平面与后摆杆轴(103)的轴线垂直，后摆杆(107)的旋转平面与前摆杆(105)的旋转平面相互平行且其法线方向均与x轴滑台(311)的运动方向平行。

2.一种适用于使用市场上已有大型臂式菠萝收获机对具有规范一致的植株间距的大型菠萝种植田的菠萝进行的自动化菠萝采摘方法，基于权利要求1所述的菠萝自动化采摘外挂装置实现，其特征在于，所述方法包括：

大型臂式菠萝收获机的悬臂式传送带(01)与菠萝植株行或列基本平行地驶入菠萝田，从而使其悬臂式传送带(01)位于一行或一列已经成熟的菠萝植株的正上方；悬臂式传送带(01)下方安装有多个所述的菠萝自动化采摘外挂装置，调整其相互间距使其正好与悬臂下的菠萝植株间距基本一致，调整每一个菠萝自动化采摘外挂装置的所述二个工业相机(4)的拍摄方位使其能拍摄采摘对象菠萝的图像以便控制系统确定对象菠萝的三维坐标信息；

对于每一个菠萝自动化采摘外挂装置，在初始状态下，所述的剪叉式升降平台(2)处于完全收合状态，其底板(23)向上靠近顶板(22)并与之贴合，果体推杆(104)由减速电机(101)驱动旋转至与y轴滑台(321)的运动方向平行的位置；

随后，根据对象菠萝的三维坐标信息，由控制系统控制所述的升降电机(21)、横移电机(313)和纵移电机(323)共同调整所述果茎推杆(1091)和果叶推杆(108)相对于对象菠萝的位置；

然后，纵移电机(323)和减速电机(101)同时运转，使得果茎推杆(1091)按照直线+旋转的复合运动轨迹运动，这样，果茎推杆(1091)能够避开菠萝树叶而从果体上方的空隙处向下运动至菠萝果体下方的茎秆一侧，另一方面，果叶推杆(108)按多杆机构的运动规律运动至同一菠萝果体另一侧的菠萝果叶处，进而由果叶推杆(108)进一步向斜下方运动推挤菠萝果叶，由于果茎推杆(1091)对果茎在对侧形成阻挡，使得菠萝果体下方的茎秆从果茎与果体的交界处断裂，菠萝果体顺势倾倒并盛放在所述的矩形编织物(1092)上；

菠萝果体盛放到矩形编织物(1092)上后，升降电机(21)开始再次运转以使剪叉式升降平台(2)逐渐回到完全收合状态，并带动菠萝果体采摘机构(1)整体向上运动至最接近悬臂式传送带(01)的位置，与此同时，纵移电机(323)和减速电机(101)继续按原方向运转直到果体推杆(104)与竖直方向夹角达到至少30°，此时纵移电机(323)变为反向运转，同时减速电机(101)继续按原方向运转，从而使得盛放菠萝果体的果体托盘(109)脱离植株叶片范围并被送至略低于悬臂式传送带(01)的位置且果体基本水平为止；

接下来，纵移电机(323)继续运转以进一步调整果体托盘(109)的位置，减速电机(101)继续按原方向运转使得果体托盘(109)携带菠萝果体向上越过悬臂式传送带(01)的传送带上表面，随着果体托盘(109)倾斜角度加大，其上的菠萝果体从矩形编织物(1092)上顺势滑到悬臂式传送带(01)上或其改装延伸结构上，然后被传送带送回；

最后，减速电机(101)反向运转使得果体推杆(104)旋转至初始状态下的位置，一次采摘结束，本行或列的所有菠萝采摘均结束后，大型臂式菠萝收获机前进一个植株列宽或行距以准备下一次采摘。

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