CN114271099B - 一种垄作草莓人机协作采摘系统及其作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垄作草莓人机协作采摘系统及其作业方法，垄作草莓人机协作采摘系统包括穿戴式采摘装置、摆臂式悬挂机构、自动驾驶平台以及控制盒。该垄作草莓人机协作采摘系统利用自主行走底盘带动坐姿调节椅移动，无需果农自己行走进行采摘，同时利用坐姿调节椅调节果农的坐姿，使果农在舒适乘坐的同时进行采摘，无需弯腰或蹲起，减少了果农的劳动强度；利用穿戴式采摘装置采摘草莓，无需果农用手采摘，防止因用手接触草莓引起的腐烂，同时进一步降低了果农的劳动强度；利用摆臂式悬挂机构调节穿戴式采摘装置的悬吊位置，使果农能舒适的使用穿戴式采摘装置进行采摘。

Description

一种垄作草莓人机协作采摘系统及其作业方法

技术领域

本发明涉及一种采摘系统，尤其是一种垄作草莓人机协作采摘系统。

背景技术

目前，草莓采摘设备主要有两种类型：人机协作型和全自动化型。由于草莓生长于非结构化环境，及其易损伤的结构特性，这些对全自动化型采摘设备的视觉系统和整机灵活性要求特别高，导致此类设备大多仍处于试制阶段，而且设备构成复杂、制造成本高。因此，提出一种垄作草莓采摘人机协作系统及其作业方法，在降低果农劳动强度的同时提高无损采摘草莓效率。

发明内容

发明目的：提供一种垄作草莓人机协作采摘系统，能够在降低果农劳动强度的同时提高无损采摘草莓效率。

技术方案：本发明所述的垄作草莓人机协作采摘系统，包括穿戴式采摘装置、摆臂式悬挂机构、自动驾驶平台以及控制盒；

自动驾驶平台包括自主行走底盘、坐姿调节椅、顶棚以及两个前置收集箱；坐姿调节椅安装在自主行走底盘上，自主行走底盘用于带动坐姿调节椅沿草莓垄行走，坐姿调节椅用于调节果农的坐姿；两个前置收集箱分别安装在自主行走底盘的左右两侧上；在坐姿调节椅后侧的自主行走底盘上安装有L形顶棚架，且L形顶棚架的水平框架位于坐姿调节椅的上方；顶棚固定在L形顶棚架的水平框架上；摆臂式悬挂机构安装在顶棚上，穿戴式采摘装置悬吊在摆臂式悬挂机构的下端上，用于采摘草莓，由摆臂式悬挂机构调节穿戴式采摘装置的悬吊位置；控制盒安装在自动驾驶平台上，在控制盒内设置有控制器；自主行走底盘、坐姿调节椅、穿戴式采摘装置以及摆臂式悬挂机构均由控制器驱动控制。

进一步的，自主行走底盘包括U形支架以及两个履带行走机构；

两个履带行走机构的分别安装在U形支架的两个竖直板的外侧面上，且两个履带行走机构由控制器协调控制；在U形支架水平板的前侧边缘上设置有一个与控制器电连接的脚踏操纵杆；两个前置收集箱分别安装在U形支架两个竖直板的前侧面上；L形顶棚架的竖直框架下端固定在U形支架水平板的后侧边缘上。

进一步的，坐姿调节椅包括控制面板、座板、滑移板、滑移驱动机构、两个臂部托板以及两个支撑臂；

在U形支架水平板的上侧面上纵向设置有两根滑轨；在滑移板的四个顶角处均设置有与对应侧滑轨滑动配合的滑移座；滑移驱动机构安装在U形支架的水平板上，用于驱动滑移板纵向滑移，且滑移驱动机构由控制器驱动控制；电动升降杆的下端安装在滑移板上，座板安装在电动升降杆的上端上，且电动升降杆与控制器电连接；两个支撑臂分别安装在座板的左右两侧边缘上；在两个支撑臂上均安装有剪叉升降结构；在每个支撑臂上均设置有驱动剪叉升降结构做剪叉运动的电动推杆，且两个电动推杆均与控制器电连接；两个臂部托板分别安装在两个剪叉升降结构上，由剪叉升降结构带动臂部托板进行升降；控制面板安装在其中一个臂部托板的上侧面上，且控制面板与控制器电连接。

进一步的，穿戴式采摘装置包括腕部接板、握柄、上侧对接杆、上撑杆、下撑杆、采摘头以及两个锁紧带；

腕部接板旋转式安装在上侧对接杆的上端上，上侧对接杆的下端对接在上撑杆的上端上；两个锁紧带的一端固定在腕部接板的一侧长边上；在腕部接板的另一侧长边上设置有锁扣孔；两个锁紧带的另一端用于锁扣在锁扣孔上；握柄安装在上侧对接杆上；在握柄上安装有与控制器电连接的按钮开关；下撑杆的上端插装在上撑杆的下端上，在上撑杆的下端上安装有一个用于锁紧下撑杆的锁紧螺母；采摘头安装在下撑杆的下端上，用于采摘草莓；摆臂式悬挂机构的下端活动安装在下撑杆上。

进一步的，采摘头包括定剪体、V形动剪体以及剪切驱动机构；

定剪体由V形上壁板以及V形下壁板构成；V形上壁板的两个上边缘分别固在V形下壁板的两个上边缘上，且V形上壁板与V形下壁板之间存在V型槽腔；在V形上壁板的两个上边缘上以及V形下壁板的两个上边缘上均排布有多个位置相对应的定剪体槽口；V形上壁板短于V形下壁板；在V形下壁板的一侧V形边缘上固定有固定端盖；下撑杆的下端固定在固定端盖上；在V形上壁板与固定端盖相邻的V形边缘上固定有隔板；V形动剪体贯穿式插装在V型槽腔上；在V形动剪体的两个上边缘上均排布有与各个定剪体槽口位置相对应的多个动剪体槽口；在V形动剪体的两个V形边缘上均固定有挡板；剪切驱动机构安装在固定端盖与挡板之间，用于驱动V形动剪体沿V型槽腔来回移动；剪切驱动机构由控制器驱动控制。

进一步的，剪切驱动机构包括电磁吸盘、衔铁柱以及复位弹簧；

在固定端盖上固定有套筒；电磁吸盘安装在套筒内，且电磁吸盘与控制器电连接；衔铁柱的一端固定在与固定端盖相邻的挡板上，另一端插装在套筒上；复位弹簧套设在衔铁柱上，且复位弹簧弹性支撑在挡板与套筒之间。

进一步的，摆臂式悬挂机构包括摆臂、柔绳、柔绳收放单元以及摆臂驱动单元；柔绳收放单元包括收放机构以及传感机构；摆臂驱动单元包括摆臂驱动电机以及主动齿轮；

摆臂的中部铰接在顶棚上；在摆臂的前端安装有改向滑轮；收放机构安装在摆臂上；柔绳的一端绕设在收放机构上，由收放机构收放柔绳；柔绳的另一端向下贯穿摆臂的前端，且柔绳按压在改向滑轮上；在下撑杆的下侧设置有一个悬吊环槽；在悬吊环槽上旋转式安装有悬吊环；传感机构的上端悬吊在柔绳的下端上，传感机构的下端通过球铰关节安装在悬吊环上，用于监测柔绳上的拉力；主动齿轮旋转式安装在摆臂的后端上；摆臂驱动电机用于驱动主动齿轮旋转；在顶棚的上侧面上固定有与主动齿轮相啮合的弧形齿条；在顶棚的上侧面上固定有按压在摆臂后端上的弧形压轨；收放机构由控制器驱动；

在控制盒内设置有与控制器电连接的摆动驱动电路；摆动驱动电路与摆臂驱动电机电连接，控制器通过摆动驱动电路驱动摆臂驱动电机旋转。

进一步的，收放机构包括收放驱动电机、绕线辊以及锁定机构；锁定机构包括锁定轮、外套管、内套管、锁定套管以及推拉式电磁铁；

绕线辊旋转式安装在摆臂的中部，柔绳的一端绕设在绕线辊上；收放驱动电机用于驱动绕线辊旋转；锁定轮同轴式安装在绕线辊上；外套管的一端安装在摆臂上，且锁定轮位于外套管内；外套管的另一端封闭；内套管的一端封闭，且内套管滑动式安装在外套管内；推拉式电磁铁安装在外套管的封闭端上，且推拉式电磁铁与控制器电连接；在得电状态下，推拉式电磁铁的伸缩铁芯回缩；推拉式电磁铁的伸缩铁芯端部伸入外套管后固定在内套管封闭端上；在推拉式电磁铁的伸缩铁芯上套设有一个弹性支撑在外套管的封闭端与内套管的封闭端之间的锁定弹簧；在锁定套管的圆周侧面上设置有限位块；在内套管的圆周内壁上设置有与限位块相配合的弧形槽，使锁定套管在内套管内小幅度旋转；在锁定轮的圆周侧面上设置有多个锁定柱；在锁定套管的内壁上设置有两个夹紧轮，用于对其中一个锁定柱进行旋转限位；

在控制盒内设置有与控制器电连接的收放驱动电路；收放驱动电路与收放驱动电机电连接，控制器通过收放驱动电路驱动收放驱动电机旋转。

进一步的，传感机构包括伸缩管、伸缩杆以及伸缩弹簧；在伸缩杆的上端上设置有一个绳环；柔绳的下端系扣在绳环上；伸缩管的上端封闭；伸缩杆的下端插装在伸缩管的封闭端上；在伸缩杆的插装端上同轴固定有柱塞杆；在伸缩管上沿长度方向设置有长条孔；在柱塞杆上设置有通过长条孔伸出的连接块；在伸缩管的上侧环绕式固定有上侧支撑环；在连接块上固定有环绕伸缩管的下侧支撑环；伸缩弹簧套设在伸缩管上，且伸缩弹簧弹性支撑在上侧支撑环与下侧支撑环之间；在伸缩管的上端安装有与控制器电连接的上接触开关；在伸缩管的下端安装有与控制器电连接的下接触开关；伸缩管的下端安装在球铰关节上；当向下拉扯悬吊环直至伸缩弹簧压缩到极限时，柱塞杆挤压上接触开关；当上抬悬吊环直至柱塞杆到达伸缩管内的最下端时，柱塞杆挤压下接触开关。

本发明还提供了一种垄作草莓采摘人机协作系统的作业方法，包括如下步骤：

步骤一：采摘前，果农根据需求调节坐姿调节椅；

步骤二：果农根据手臂使用习惯或采摘需求将穿戴式采摘装置穿戴在一侧手臂上，通过摆臂式悬挂机构将穿戴式采摘装置调至舒适的采摘位置；

步骤三：果农驾驶自动驾驶平台，使自主行走底盘横跨一个草莓垄，并停在采摘初始端；

步骤四：采摘时，果农驾驶自动驾驶平台前进，同时控制穿戴式采摘装置对垄上草莓设施精准采摘；将采摘的草莓放置在两个前置收集箱内；

当对一个草莓垄上的草莓完成采摘后，若需要继续采摘，则返回步骤二。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：利用自主行走底盘带动坐姿调节椅移动，无需果农自己行走进行采摘，同时利用坐姿调节椅调节果农的坐姿，使果农在舒适乘坐的同时进行采摘，无需弯腰或蹲起，减少了果农的劳动强度；利用穿戴式采摘装置采摘草莓，无需果农用手采摘，防止因用手接触草莓引起的腐烂，同时进一步降低了果农的劳动强度；利用摆臂式悬挂机构调节穿戴式采摘装置的悬吊位置，使果农能舒适的使用穿戴式采摘装置进行采摘。

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2为本发明穿戴式采摘装置的结构示意图；

图3为本发明采摘头的立体剖视图；

图4为本发明定剪体的立体图；

图5为本发明V形动剪体的零件图；

图6为本发明传感机构的剖视图；

图7为本发明传感机构的结构示意图；

图8为本发明锁定机构的剖视图；

图9为本发明摆臂驱动单元的结构示意图；

图10为本发明自动驾驶平台的立体图；

图11为本发明的电路结构示意图；

图12为本发明的工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：

如图1-12所示，本发明公开的垄作草莓人机协作采摘系统包括：穿戴式采摘装置1、摆臂式悬挂机构2、自动驾驶平台3以及控制盒4；

自动驾驶平台3包括自主行走底盘、坐姿调节椅、顶棚307以及两个前置收集箱306；坐姿调节椅安装在自主行走底盘上，自主行走底盘用于带动坐姿调节椅沿草莓垄行走，坐姿调节椅用于调节果农的坐姿；两个前置收集箱306分别安装在自主行走底盘的左右两侧上；在坐姿调节椅后侧的自主行走底盘上安装有L形顶棚架303，且L形顶棚架303的水平框架位于坐姿调节椅的上方；顶棚307固定在L形顶棚架303的水平框架上；摆臂式悬挂机构2安装在顶棚307上，穿戴式采摘装置1悬吊在摆臂式悬挂机构2的下端上，用于采摘草莓，由摆臂式悬挂机构2调节穿戴式采摘装置1的悬吊位置；控制盒4安装在自动驾驶平台3上，在控制盒4内设置有控制器；自主行走底盘、坐姿调节椅、穿戴式采摘装置1以及摆臂式悬挂机构2均由控制器驱动控制。

利用自主行走底盘带动坐姿调节椅移动，无需果农自己行走进行采摘，同时利用坐姿调节椅调节果农的坐姿，使果农在舒适乘坐的同时进行采摘，无需弯腰或蹲起，减少了果农的劳动强度；利用穿戴式采摘装置1采摘草莓，无需果农用手采摘，防止因用手接触草莓引起的腐烂，同时进一步降低了果农的劳动强度；利用摆臂式悬挂机构2调节穿戴式采摘装置1的悬吊位置，使果农能舒适的使用穿戴式采摘装置1进行采摘；利用顶棚307在为摆臂式悬挂机构2提供安装条件的同时，可以避雨。

进一步的，自主行走底盘包括U形支架301以及两个履带行走机构；

两个履带行走机构的分别安装在U形支架301的两个竖直板的外侧面上；履带行走机构包括履带307、电动主动履带轮321以及两个从动履带轮302；两个从动履带轮302分别位于竖直板外侧面下边缘的前后两端上；电动主动履带轮321以及两个从动履带轮302通过履带307传动连接，两个从动履带轮302按压在履带307下侧边的上侧面上；在竖直板上安装有多个支撑轮308以及多个张紧轮320，各个支撑轮308用于将履带307按压在地面上，各个张紧轮320用于张紧履带307；

两个履带行走机构的电动主动履带轮321均与控制器电连接；在U形支架301水平板的前侧边缘上设置有一个与控制器电连接的脚踏操纵杆304；两个前置收集箱306分别安装在U形支架301两个竖直板的前侧面上；L形顶棚架303的竖直框架下端固定在U形支架301水平板的后侧边缘上。

利用履带行走机构降低自主行走底盘与地面之间的接地比压，使自主行走底盘在行驶过程中具有较好的稳定性，同时可以防止自主行走底盘陷入泥土中；利用张紧轮320张紧履带307，提高了电动主动履带轮321以及两个从动履带轮302之间的传动效率；利用支撑轮308将履带307按压在地面上，增大履带与地面的接触面积，提高抓地力；利用脚踏操纵杆304，在果农踩动脚踏操纵杆304前后左右的摆动时，通过控制器协调控制两个电动主动履带轮321正反转，使两个履带行走机构协调实现前进、后退、左转、右转等功能。

进一步的，坐姿调节椅包括控制面板5、座板315、滑移板311、滑移驱动机构、两个臂部托板317以及两个支撑臂316；滑移驱动机构包括滑移驱动丝杆313以及滑移驱动电机；

在U形支架301水平板的上侧面上纵向设置有两根滑轨309；在滑移板311的四个顶角处均设置有与对应侧滑轨309滑动配合的滑移座310；在滑移板311的下侧面上设置有驱动座；滑移驱动丝杆313旋转式纵向安装在U形支架301水平板的上侧面上，且滑移驱动丝杆313螺纹旋合在驱动座上；滑移驱动电机用于驱动滑移驱动丝杆313旋转；电动升降杆312的下端安装在滑移板311上，座板315安装在电动升降杆312的上端上，且电动升降杆312与控制器电连接；两个支撑臂316分别安装在座板315的左右两侧边缘上；在两个支撑臂316上均安装有剪叉升降结构；在每个支撑臂316上均设置有驱动剪叉升降结构做剪叉运动的电动推杆，且电动推杆与控制器电连接；两个臂部托板317分别安装在两个剪叉升降结构上，由剪叉升降结构带动臂部托板317进行升降；在座板315的后边缘上竖向设置有背板318；控制面板5安装在其中一个臂部托板317的上侧面上；在控制面板5上设置有与控制器电连接的前移按键、后移按键、座椅上升按键、座椅下降按键、臂部上升按键以及臂部下降按键；

在控制盒4内设置有与控制器电连接的滑移驱动电路；滑移驱动电路与滑移驱动电机电连接，控制器通过滑移驱动电路驱动滑移驱动电机旋转。

利用滑移驱动丝杆313、驱动座以及滑移板311之间的配合，通过滑移驱动电机驱动滑移驱动丝杆313旋转，从而实现对调节滑移板311前后位置的调节；利用滑移座310与滑轨309之间的配合，减小摩擦力，增强滑移板311移动过程中的平稳性；利用前移按键以及后移按键便于果农通过控制器自行调节座板315的前后位置；利用座椅上升按键以及座椅下降按键便于果农通过控制器控制电动升降杆312进行升降，从而自行调节座板315的高度位置；利用臂部上升按键以及臂部下降按键便于果农通过控制器控制电动推杆伸缩，带动剪叉升降结构做剪叉运动，从而自行调节臂部托板317的高度位置。

进一步的，穿戴式采摘装置1包括腕部接板131、握柄132、上侧对接杆134、上撑杆121、下撑杆122、采摘头以及两个锁紧带133；

腕部接板131旋转式安装在上侧对接杆134的上端上，上侧对接杆134的下端对接在上撑杆121的上端上；两个锁紧带133的一端固定在腕部接板131的一侧长边上；在腕部接板131的另一侧长边上设置有锁扣孔；两个锁紧带133的另一端用于锁扣在锁扣孔上；握柄132安装在上侧对接杆134上；在握柄132上安装有与控制器电连接的按钮开关；下撑杆122的上端插装在上撑杆121的下端上，在上撑杆121的下端上安装有一个用于锁紧下撑杆122的锁紧螺母123；采摘头安装在下撑杆122的下端上，用于采摘草莓；摆臂式悬挂机构2的下端活动安装在下撑杆122上。

利用锁紧带133以及锁扣孔之间的配合，使腕部接板131能牢固的绑在果农的手臂上，增强了穿戴可靠性；利用握柄132便于果农握持，使果农能够通过握柄132控制穿戴式采摘装置1整体的朝向；利用锁紧螺母123可以锁定下撑杆122，当拧紧锁紧螺母123时，上撑杆121的下端管口缩小挤压下撑杆122，实现对下撑杆122伸出长度的调节；利用按钮开关便于果农通过控制器自主控制采摘头进行剪切，当按下按钮开关时采摘头保持剪切动作，当松开按钮开关时采摘头停止剪切动作。

进一步的，采摘头包括定剪体、V形动剪体1121以及剪切驱动机构；

定剪体由V形上壁板1111以及V形下壁板1112构成；V形上壁板1111的两个上边缘分别固在V形下壁板1112的两个上边缘上，且V形上壁板1111与V形下壁板1112之间存在V型槽腔；在V形上壁板1111的上侧面上设置有弹性垫；在V形上壁板1111的两个上边缘上以及V形下壁板1112的两个上边缘上均排布有多个位置相对应的定剪体槽口1115；V形上壁板1111短于V形下壁板1112；在V形下壁板1112的一侧V形边缘上固定有固定端盖1114；下撑杆122的下端固定在固定端盖1114上；在V形上壁板1111与固定端盖1114相邻的V形边缘上固定有隔板1113；V形动剪体1121贯穿式插装在V型槽腔上；在V形动剪体1121的两个上边缘上均排布有与各个定剪体槽口1115位置相对应的多个动剪体槽口1123；在V形动剪体1121的两个V形边缘上均固定有挡板1122；剪切驱动机构安装在固定端盖1114与挡板1122之间，用于驱动V形动剪体1121沿V型槽腔来回移动；在V形下壁板1112上沿长度方向设置有一个导向孔；在V形动剪体1121上设置有通过导向孔伸出的导向块1124；在V形下壁板1112的下边缘上沿长度方向设置有一根贯穿导向块1124的导向杆1125；剪切驱动机构由控制器驱动控制。

利用定剪体可以暂时存储剪切下的草莓，无需果农进行拾取，减少草莓的损伤；利用V形上壁板1111以及V形下壁板1112对夹V形动剪体1121，对V形动剪体1121进行运动导向，确保V形动剪体1121能沿间隙往复运动；利用动剪体槽口1123与定剪体槽口1115相配合，在V形动剪体1121往复运动时，对伸入的草莓的果柄进行剪切，使草莓落入定剪体内；利用弹性垫防止草莓落入定剪体时受到磕碰；利用导向孔、导向块1124与导向杆1125之间的配合，减少V形动剪体1121与定剪体之间的摩擦。

进一步的，剪切驱动机构包括电磁吸盘1131、衔铁柱1132以及复位弹簧1133；

在固定端盖1114上固定有套筒1135；电磁吸盘1131安装在套筒1135内，且电磁吸盘1131与控制器电连接；衔铁柱1132的一端固定在与固定端盖1114相邻的挡板1122上，另一端插装在套筒1135上；复位弹簧1133套设在衔铁柱1132上，且复位弹簧1133弹性支撑在挡板1122与套筒1135之间。

利用电磁吸盘1131、衔铁柱1132以及复位弹簧1133之间的配合，电磁吸盘1131得电磁吸衔铁柱1132，带动V形动剪体1121向电磁吸盘1131移动，之后电磁吸盘1131失电，复位弹簧1133将V形动剪体1121压回原位，电磁吸盘1131循环得电失电，从而实现对V形动剪体1121的往复驱动。

进一步的，摆臂式悬挂机构2包括摆臂201、柔绳212、柔绳收放单元以及摆臂驱动单元；柔绳收放单元包括收放机构以及传感机构；摆臂驱动单元包括摆臂驱动电机204以及主动齿轮205；

摆臂201的中部铰接在顶棚307上；在摆臂201的前端安装有改向滑轮211；在摆臂201前侧的上侧面上安装有调节架209；在调节架209前侧的摆臂201上安装有测长机构210；测长机构210由两个夹持滚轮构成；两个夹持滚轮平行设置，且在其中一个夹持滚轮的转轴上设置有一个角位移传感器；收放机构安装在摆臂201上；柔绳212的一端穿过测长机构210后绕设在收放机构上，且两个夹持滚轮夹持柔绳212，由收放机构收放柔绳212；柔绳212的另一端向下贯穿摆臂201的前端，且柔绳212按压在改向滑轮211上；在下撑杆122的下侧设置有一个悬吊环槽124；在悬吊环槽124上旋转式安装有悬吊环125；传感机构的上端悬吊在柔绳212的下端上，传感机构的下端通过球铰关节223安装在悬吊环125上，用于监测柔绳212上的拉力；主动齿轮205旋转式安装在摆臂201的后端上；摆臂驱动电机204用于驱动主动齿轮205旋转；在顶棚307的上侧面上固定有与主动齿轮205相啮合的弧形齿条206；在顶棚307的上侧面上固定有按压在摆臂201后端上的弧形压轨203；在控制面板5上设置有与控制器电连接的左摆按键以及右摆按键。

在控制盒4内设置有与控制器电连接的摆动驱动电路；摆动驱动电路与摆臂驱动电机204电连接，控制器通过摆动驱动电路驱动摆臂驱动电机204旋转。

利用摆臂驱动电机204、弧形齿条206以及主动齿轮205之间的配合，摆臂驱动电机204驱动主动齿轮205旋转，主动齿轮205沿弧形齿条206行走，带动摆臂201进行摆动，从而根据果农的手臂使用习惯或采摘需求，实现对穿戴式采摘装置1悬吊位置的左右调节；利用改向滑轮211支撑柔绳212减小摩擦；利用收放机构与传感机构相配合，可以根据柔绳212上的拉力自动调节穿戴式采摘装置1的悬吊高度；利用左摆按键以及右摆按键便于果农通过控制器自行控制摆臂驱动电机204调节穿戴式采摘装置1的悬吊位置；利用球铰关节223以及悬吊环125指间的配合，使穿戴式采摘装置1在悬吊时不影响穿戴式采摘装置1的活动；利用两个夹持滚轮夹持柔绳212，并由控制器根据角位移传感器检测到的夹持滚轮的旋转圈数，计算柔绳212的收放长度，当达到一定的收放长度后控制器控制柔绳收放单元停止收放，从而控制柔绳收放单元每次收放柔绳的长度。

进一步的，收放机构包括收放驱动电机208、绕线辊207以及锁定机构；锁定机构包括锁定轮241、外套管231、内套管234、锁定套管235以及推拉式电磁铁230；

绕线辊207旋转式安装在摆臂201的中部，柔绳212的一端绕设在绕线辊207上；收放驱动电机208用于驱动绕线辊207旋转；锁定轮241同轴式安装在绕线辊207上；外套管231的一端安装在摆臂201上，且锁定轮241位于外套管231内；外套管231的另一端封闭；内套管234的一端封闭，且内套管234滑动式安装在外套管231内；推拉式电磁铁230安装在外套管231的封闭端上，且推拉式电磁铁230与控制器电连接；在得电状态下，推拉式电磁铁230的伸缩铁芯回缩；推拉式电磁铁230的伸缩铁芯端部伸入外套管231后固定在内套管234封闭端上；在推拉式电磁铁230的伸缩铁芯上套设有一个弹性支撑在外套管231的封闭端与内套管234的封闭端之间的锁定弹簧233；在内套管234的外侧圆周面上设置有滑条237；在外套管231的内壁上沿长度方向设置有与限位滑条237相配合的滑槽236；在锁定套管235的圆周侧面上设置有限位块239；在内套管234的圆周内壁上设置有与限位块239相配合的弧形槽238，使锁定套管235在内套管234内小幅度旋转；在锁定轮241的圆周侧面上设置有多个锁定柱242；在锁定套管235的内壁上设置有两个夹紧轮240，用于对其中一个锁定柱242进行旋转限位；

在控制盒4内设置有与控制器电连接的收放驱动电路；收放驱动电路与收放驱动电机208电连接，控制器通过收放驱动电路驱动收放驱动电机208旋转。

利用收放驱动电机208控制驱动绕线辊207旋转，实现了对柔绳212的收放；利用锁定轮241、外套管231、内套管234、锁定套管235以及推拉式电磁铁230之间的配合，当收放驱动电机208需要时，推拉式电磁铁230得电伸缩铁芯回缩，内套管234带动锁定套管235移动，使锁定轮241上的锁定柱242脱离两个夹紧轮240，当收放驱动电机208完成旋转后，推拉式电磁铁230失电，锁定弹簧233驱动内套管234带动锁定套管235移动，使两个夹紧轮240夹持其中一个锁定柱242，从而实现对绕线辊207的旋转锁定，防止柔绳212松脱；利用限位滑条237与滑槽236之间的配合，防止内套管234在外套管231内旋转；利用两个夹紧轮240、弧形槽238与限位块239之间的配合，当锁定柱242没有对准两个夹紧轮240的中间位置时，在内套管234移动的过程中锁定套管235可以小幅度旋转，同时两个夹紧轮240按压锁定柱242旋转，使锁定柱242能够平稳进入两个夹紧轮240之间，实现对锁定轮241的旋转锁定。

进一步的，传感机构包括伸缩管213、伸缩杆214以及伸缩弹簧221；

在伸缩杆214的上端上设置有一个绳环219；柔绳212的下端系扣在绳环219上；伸缩管213的上端封闭；伸缩杆214的下端插装在伸缩管213的封闭端上；在伸缩杆214的插装端上同轴固定有柱塞杆215；在伸缩管213上沿长度方向设置有长条孔224；在柱塞杆215上设置有通过长条孔224伸出的连接块217；在伸缩管213的上侧环绕式固定有上侧支撑环216；在连接块217上固定有环绕伸缩管213的下侧支撑环222；伸缩弹簧221套设在伸缩管213上，且伸缩弹簧221弹性支撑在上侧支撑环216与下侧支撑环222之间；在伸缩管213的上端安装有与控制器电连接的上接触开关218；在伸缩管213的下端安装有与控制器电连接的下接触开关220；伸缩管213的下端安装在球铰关节223上；当向下拉扯悬吊环125直至伸缩弹簧221压缩到极限时，柱塞杆215挤压上接触开关218；当上抬悬吊环125直至柱塞杆215到达伸缩管213内的最下端时，柱塞杆215挤压下接触开关220。

利用伸缩弹簧221弹性支撑在上侧支撑环216与下侧支撑环222之间，在采摘时可以使伸缩杆214在伸缩管213内小范围伸缩，无需收放机构调节穿戴式采摘装置1的高度位置；利用上接触开关218与下接触开关220便于控制器通过收放驱动电机208自动调节柔绳212的释放长度，当柱塞杆215挤压上接触开关218时，控制器控制收放驱动电机208释放柔绳212，当柱塞杆215挤压下接触开关220时控制器控制收放驱动电机208收紧柔绳212。

本发明还提供了一种垄作草莓人机协作采摘系统的作业方法，包括如下步骤：

步骤一：采摘前，果农根据需求，通过按下控制面板5上的前移按键以及后移按键，使控制器控制滑移驱动电机旋转，滑移驱动丝杆313带动滑移板311前后移动，通过按下座椅上升按键以及座椅下降按键，使控制器驱动电动升降杆312进行升降，通过按下臂部上升按键以及臂部下降按键，使控制器同步驱动两个电动推杆伸缩，带动剪叉升降结构做剪叉运动调节臂部托板317的高度位置，直至将坐姿调节椅调至舒适的采摘位姿；

步骤二：果农根据手臂使用习惯或采摘需求，将腕部接板131通过两个锁紧带133绑定在一侧手臂上；果农通过按下左摆按键以及右摆按键，使控制器驱动摆臂驱动电机204旋转，主动齿轮205沿弧形齿条206行走，带动摆臂201摆动，直至将穿戴式采摘装置1调至舒适的水平位置；同时果农可以通过向下拉扯或向上释放柔绳212的方式，使柱塞杆215挤压上接触开关218或下接触开关220，使控制器获得信号，驱动收放驱动电机208释放或收紧一定长度的柔绳212，重复向下拉扯或向上释放柔绳212直至穿戴式采摘装置1到达采摘舒适的高度位置；

步骤三：果农通过踩动脚踏操纵杆304前后左右的摆动，使控制器协调控制两个电动主动履带轮321正反转，使两个履带行走机构协调带动U形支架301前进、后退、左转、右转，直至U形支架301横跨一个草莓垄，并停在采摘初始端；

步骤四：采摘时，果农通过踩动脚踏操纵杆304驾驶自动驾驶平台3前进，同时握紧握柄132并按下按钮开关，控制器反复对电磁吸盘1131进行通电断电，使衔铁柱1132在电磁吸盘1131以及复位弹簧1133的作用下，带动V形动剪体1121沿V形上壁板1111与V形下壁板1112之间间隙往复运动；果农控制穿戴式采摘装置1移动，使草莓的果柄同时伸入定剪体槽口1115与动剪体槽口1123内，在V形动剪体1121往复运动的过程中被剪断，草莓落入定剪体内，从而对垄上草莓设施精准采摘，最后将采摘的草莓放置在两个前置收集箱内；当对一个草莓垄上的草莓完成采摘后，若需要继续采摘，则返回步骤二。

本发明提供的垄作草莓人机协作采摘系统中，控制器采用现有的ARM处理器模块，用于实现协调控制；滑移驱动电机、摆臂驱动电机204以及收放驱动电机208均采用现有的步进电机；滑移驱动电路、摆臂驱动电路以及收放驱动电路均采用对应的步进电机驱动电路；电磁吸盘1131采用现有的电磁吸盘；推拉式电磁铁230采用现有的推拉式电磁铁；电动升降杆312以及电动推杆均采用现有的步进式电动推杆；下接触开关220以及上接触开关218均采用现有的轻触开关。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (8)

1.一种垄作草莓人机协作采摘系统，其特征在于：包括穿戴式采摘装置（1）、摆臂式悬挂机构（2）、自动驾驶平台（3）以及控制盒（4）；自动驾驶平台（3）包括自主行走底盘、坐姿调节椅、顶棚（307）以及两个前置收集箱（306）；坐姿调节椅安装在自主行走底盘上，自主行走底盘用于带动坐姿调节椅沿草莓垄行走，坐姿调节椅用于调节果农的坐姿；两个前置收集箱（306）分别安装在自主行走底盘的左右两侧上；在坐姿调节椅后侧的自主行走底盘上安装有L形顶棚架（303），且L形顶棚架（303）的水平框架位于坐姿调节椅的上方；顶棚（307）固定在L形顶棚架（303）的水平框架上；摆臂式悬挂机构（2）安装在顶棚（307）上，穿戴式采摘装置（1）悬吊在摆臂式悬挂机构（2）的下端上，用于采摘草莓，由摆臂式悬挂机构（2）调节穿戴式采摘装置（1）的悬吊位置；控制盒（4）安装在自动驾驶平台（3）上，在控制盒（4）内设置有控制器；自主行走底盘、坐姿调节椅、穿戴式采摘装置（1）以及摆臂式悬挂机构（2）均由控制器驱动控制；

摆臂式悬挂机构（2）包括摆臂（201）、柔绳（212）、柔绳收放单元以及摆臂驱动单元；柔绳收放单元包括收放机构以及传感机构；摆臂驱动单元包括摆臂驱动电机（204）以及主动齿轮（205）；摆臂（201）的中部铰接在顶棚（307）上；在摆臂（201）的前端安装有改向滑轮（211）；收放机构安装在摆臂（201）上；柔绳（212）的一端绕设在收放机构上，由收放机构收放柔绳（212）；柔绳（212）的另一端向下贯穿摆臂（201）的前端，且柔绳（212）按压在改向滑轮（211）上；在穿戴式采摘装置（1）的下撑杆（122）的下侧设置有一个悬吊环槽（124）；在悬吊环槽（124）上旋转式安装有悬吊环（125）；传感机构的上端悬吊在柔绳（212）的下端上，传感机构的下端通过球铰关节（223）安装在悬吊环（125）上，用于监测柔绳（212）上的拉力；主动齿轮（205）旋转式安装在摆臂（201）的后端上；摆臂驱动电机（204）用于驱动主动齿轮（205）旋转；在顶棚（307）的上侧面上固定有与主动齿轮（205）相啮合的弧形齿条（206）；在顶棚（307）的上侧面上固定有按压在摆臂（201）后端上的弧形压轨（203）；收放机构由控制器驱动；在控制盒（4）内设置有与控制器电连接的摆动驱动电路；摆动驱动电路与摆臂驱动电机（204）电连接，控制器通过摆动驱动电路驱动摆臂驱动电机（204）旋转；

传感机构包括伸缩管（213）、伸缩杆（214）以及伸缩弹簧（221）；在伸缩杆（214）的上端上设置有一个绳环（219）；柔绳（212）的下端系扣在绳环（219）上；伸缩管（213）的上端封闭；伸缩杆（214）的下端插装在伸缩管（213）的封闭端上；在伸缩杆（214）的插装端上同轴固定有柱塞杆（215）；在伸缩管（213）上沿长度方向设置有长条孔（224）；在柱塞杆（215）上设置有通过长条孔（224）伸出的连接块（217）；在伸缩管（213）的上侧环绕式固定有上侧支撑环（216）；在连接块（217）上固定有环绕伸缩管（213）的下侧支撑环（222）；伸缩弹簧（221）套设在伸缩管（213）上，且伸缩弹簧（221）弹性支撑在上侧支撑环（216）与下侧支撑环（222）之间；在伸缩管（213）的上端安装有与控制器电连接的上接触开关（218）；在伸缩管（213）的下端安装有与控制器电连接的下接触开关（220）；伸缩管（213）的下端安装在球铰关节（223）上；当向下拉扯悬吊环（125）直至伸缩弹簧（221）压缩到极限时，柱塞杆（215）挤压上接触开关（218）；当上抬悬吊环（125）直至柱塞杆（215）到达伸缩管（213）内的最下端时，柱塞杆（215）挤压下接触开关（220）；当柱塞杆（215）挤压上接触开关（218）时，控制器控制收放机构释放柔绳（212），当柱塞杆（215）挤压下接触开关（220）时，控制器控制收放机构收紧柔绳（212）。

2.根据权利要求1所述的垄作草莓人机协作采摘系统，其特征在于：自主行走底盘包括U形支架（301）以及两个履带行走机构；

两个履带行走机构的分别安装在U形支架（301）的两个竖直板的外侧面上，且两个履带行走机构由控制器协调控制；在U形支架（301）水平板的前侧边缘上设置有一个与控制器电连接的脚踏操纵杆（304）；两个前置收集箱（306）分别安装在U形支架（301）两个竖直板的前侧面上；L形顶棚架（303）的竖直框架下端固定在U形支架（301）水平板的后侧边缘上。

3.根据权利要求2所述的垄作草莓人机协作采摘系统，其特征在于：坐姿调节椅包括控制面板（5）、座板（315）、滑移板（311）、滑移驱动机构、两个臂部托板（317）以及两个支撑臂（316）；

在U形支架（301）水平板的上侧面上纵向设置有两根滑轨（309）；在滑移板（311）的四个顶角处均设置有与对应侧滑轨（309）滑动配合的滑移座（310）；滑移驱动机构安装在U形支架（301）的水平板上，用于驱动滑移板（311）纵向滑移，且滑移驱动机构由控制器驱动控制；电动升降杆（312）的下端安装在滑移板（311）上，座板（315）安装在电动升降杆（312）的上端上，且电动升降杆（312）与控制器电连接；两个支撑臂（316）分别安装在座板（315）的左右两侧边缘上；在两个支撑臂（316）上均安装有剪叉升降结构；在每个支撑臂（316）上均设置有驱动剪叉升降结构做剪叉运动的电动推杆，且两个电动推杆均与控制器电连接；两个臂部托板（317）分别安装在两个剪叉升降结构上，由剪叉升降结构带动臂部托板（317）进行升降；控制面板（5）安装在其中一个臂部托板（317）的上侧面上，且控制面板（5）与控制器电连接。

4.根据权利要求1所述的垄作草莓人机协作采摘系统，其特征在于：穿戴式采摘装置（1）包括腕部接板（131）、握柄（132）、上侧对接杆（134）、上撑杆（121）、下撑杆（122）、采摘头以及两个锁紧带（133）；

腕部接板（131）旋转式安装在上侧对接杆（134）的上端上，上侧对接杆（134）的下端对接在上撑杆（121）的上端上；两个锁紧带（133）的一端固定在腕部接板（131）的一侧长边上；在腕部接板（131）的另一侧长边上设置有锁扣孔；两个锁紧带（133）的另一端用于锁扣在锁扣孔上；握柄（132）安装在上侧对接杆（134）上；在握柄（132）上安装有与控制器电连接的按钮开关；下撑杆（122）的上端插装在上撑杆（121）的下端上，在上撑杆（121）的下端上安装有一个用于锁紧下撑杆（122）的锁紧螺母（123）；采摘头安装在下撑杆（122）的下端上，用于采摘草莓；摆臂式悬挂机构（2）的下端活动安装在下撑杆（122）上。

5.根据权利要求4所述的垄作草莓人机协作采摘系统，其特征在于：采摘头包括定剪体、V形动剪体（1121）以及剪切驱动机构；

定剪体由V形上壁板（1111）以及V形下壁板（1112）构成；V形上壁板（1111）的两个上边缘分别固在V形下壁板（1112）的两个上边缘上，且V形上壁板（1111）与V形下壁板（1112）之间存在V型槽腔；在V形上壁板（1111）的两个上边缘上以及V形下壁板（1112）的两个上边缘上均排布有多个位置相对应的定剪体槽口（1115）；V形上壁板（1111）短于V形下壁板（1112）；在V形下壁板（1112）的一侧V形边缘上固定有固定端盖（1114）；下撑杆（122）的下端固定在固定端盖（1114）上；在V形上壁板（1111）与固定端盖（1114）相邻的V形边缘上固定有隔板（1113）；V形动剪体（1121）贯穿式插装在V型槽腔上；在V形动剪体（1121）的两个上边缘上均排布有与各个定剪体槽口（1115）位置相对应的多个动剪体槽口（1123）；在V形动剪体（1121）的两个V形边缘上均固定有挡板（1122）；剪切驱动机构安装在固定端盖（1114）与挡板（1122）之间，用于驱动V形动剪体（1121）沿V型槽腔来回移动；剪切驱动机构由控制器驱动控制。

6.根据权利要求5所述的垄作草莓人机协作采摘系统，其特征在于：剪切驱动机构包括电磁吸盘（1131）、衔铁柱（1132）以及复位弹簧（1133）；

在固定端盖（1114）上固定有套筒（1135）；电磁吸盘（1131）安装在套筒（1135）内，且电磁吸盘（1131）与控制器电连接；衔铁柱（1132）的一端固定在与固定端盖（1114）相邻的挡板（1122）上，另一端插装在套筒（1135）上；复位弹簧（1133）套设在衔铁柱（1132）上，且复位弹簧（1133）弹性支撑在挡板（1122）与套筒（1135）之间。

7.根据权利要求1所述的垄作草莓人机协作采摘系统，其特征在于：收放机构包括收放驱动电机（208）、绕线辊（207）以及锁定机构；锁定机构包括锁定轮（241）、外套管（231）、内套管（234）、锁定套管（235）以及推拉式电磁铁（230）；

绕线辊（207）旋转式安装在摆臂（201）的中部，柔绳（212）的一端绕设在绕线辊（207）上；收放驱动电机（208）用于驱动绕线辊（207）旋转；锁定轮（241）同轴式安装在绕线辊（207）上；外套管（231）的一端安装在摆臂（201）上，且锁定轮（241）位于外套管（231）内；外套管（231）的另一端封闭；内套管（234）的一端封闭，且内套管（234）滑动式安装在外套管（231）内；推拉式电磁铁（230）安装在外套管（231）的封闭端上，且推拉式电磁铁（230）与控制器电连接；在得电状态下，推拉式电磁铁（230）的伸缩铁芯回缩；推拉式电磁铁（230）的伸缩铁芯端部伸入外套管（231）后固定在内套管（234）封闭端上；在推拉式电磁铁（230）的伸缩铁芯上套设有一个弹性支撑在外套管（231）的封闭端与内套管（234）的封闭端之间的锁定弹簧（233）；在锁定套管（235）的圆周侧面上设置有限位块（239）；在内套管（234）的圆周内壁上设置有与限位块（239）相配合的弧形槽（238），使锁定套管（235）在内套管（234）内小幅度旋转；在锁定轮（241）的圆周侧面上设置有多个锁定柱（242）；在锁定套管（235）的内壁上设置有两个夹紧轮（240），用于对其中一个锁定柱（242）进行旋转限位；

在控制盒（4）内设置有与控制器电连接的收放驱动电路；收放驱动电路与收放驱动电机（208）电连接，控制器通过收放驱动电路驱动收放驱动电机（208）旋转。

8.根据权利要求1所述的垄作草莓人机协作采摘系统的作业方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：采摘前，果农根据需求调节坐姿调节椅；

步骤二：果农根据手臂使用习惯或采摘需求将穿戴式采摘装置（1）穿戴在一侧手臂上，通过摆臂式悬挂机构（2）将穿戴式采摘装置（1）调至舒适的采摘位置；

步骤三：果农驾驶自动驾驶平台（3），使自主行走底盘横跨一个草莓垄，并停在采摘初始端；

步骤四：采摘时，果农驾驶自动驾驶平台（3）前进，同时控制穿戴式采摘装置（1）对垄上草莓设施精准采摘；将采摘的草莓放置在两个前置收集箱（306）内；

当对一个草莓垄上的草莓完成采摘后，若需要继续采摘，则返回步骤二。

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