CN114451223A - 一种低损仿生双孢菇采摘机械手和采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低损仿生双孢菇采摘机械手，属于农业工程技术领域，解决现有技术对种植密度大的双孢菇采摘困难以及采摘成功率低的问题。本发明包括：驱动步进电机、安装座、驱动外齿轮、弧形轨道、限位平垫、盖板、拉压传感器、L形连接板、负压发生器和吸盘；所述安装座后侧固定安装有所述驱动步进电机，所述驱动步进电机输出轴轴端安装有所述驱动外齿轮，所述弧形轨道安装在所述安装座的限位平面上，所述弧形轨道下端固定安装有所述拉压传感器，所述拉压传感器下端与所述L形连接板固定连接，所述L形连接板后方安装有所述负压发生器，所述负压发生器下端安装有吸盘。本发明适用于对丛生、密度较高的蘑菇进行采摘。

Description

一种低损仿生双孢菇采摘机械手和采摘方法

技术领域

本申请涉及农业工程技术领域，尤其涉及一种低损仿生双孢菇采摘机械手和采摘方法。

背景技术

双孢蘑菇营养丰富、肉质细嫩，是一种高蛋白、低热量的健康食品，是我国目前出口量最大、创汇量最高的食用菌。九十年代以来，我国通过引进国外先进的成套设备，建立了多家双孢蘑菇工厂化生产研发基地，中国双孢菇产量已位列世界第一。目前，用于鲜菇市场的双孢菇仍100％依靠人工采摘，然而双孢菇的收获的工作环境恶劣且收获期短，造成采摘劳动强度较大；同时，人工采摘方式效率低、成本高，伴随着近年来人力短缺及人力成本的上升，人工采摘已无法适应双孢菇的生产需求。

为解决上述问题，公开号为CN205546557U的中国专利一种蘑菇采摘装置，公开日为2016年9月7日，该装置采用负压发生器与吸盘吸附蘑菇菌盖，并配合竖直向上的提升动作实现采摘，该装置仅可适用于种植密度较低且蘑菇根系与培养土连接力较小的情况，当蘑菇种植密度高、根系与培养土连接力大时，采摘成功率较低。公开号为CN110073904A的中国专利一种适用于多层菇床作业的蘑菇采摘机器人，公开日为2019年8月2日，，该机器人包括移动升降平台、伸缩导轨伸展平台、采摘机械手臂，能够根据采摘需求自主进行升降，但是其采摘终端采用SRT柔性夹爪，虽然该方式可降低采摘过程中对蘑菇的损伤，但无法应用于工厂生产中蘑菇种植密度大的情况。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术对种植密度大的双孢菇采摘困难以及采摘成功率低的问题，提供了一种低损仿生双孢菇采摘机械手和采摘方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明一方面，提供一种低损仿生双孢菇采摘机械手，包括：驱动步进电机、安装座、驱动外齿轮、弧形轨道、限位平垫、盖板、拉压传感器、L形连接板、负压发生器和吸盘；

所述安装座后侧固定安装有所述驱动步进电机，所述驱动步进电机输出轴轴端安装有所述驱动外齿轮，所述弧形轨道安装在所述安装座的限位平面上，所述弧形轨道后侧设有弧形内齿轮条，所述弧形内齿轮条与所述驱动外齿轮啮合传动，所述盖板通过紧固件安装在所述安装座前端、用于限制所述弧形轨道顶部的位置，所述弧形轨道下端固定安装有所述拉压传感器，所述拉压传感器下端与所述L形连接板固定连接，所述L形连接板后方安装有所述负压发生器，所述负压发生器下端安装有吸盘；

所述弧形内齿轮条分度圆半径等于所述弧形内齿轮条分度圆至吸盘长度与双孢菇平均高度之和，所述吸盘的轴线与所述弧形内齿轮条分度圆的任一半径重合；

所述弧形轨道开有至少一个弧形槽，所述弧形槽的圆心角为α；

所述拉压传感器用于判断所述吸盘是否与待采蘑菇相接触；

所述负压发生器用于在蘑菇菌盖表面形成真空，用于抓取所述待采蘑菇；

所述安装座前端设有多根立柱，所述立柱嵌入所述弧形轨道的弧形槽内、且与所述弧形槽内壁之间留有间隙，所述立柱用于限制所述弧形轨道的运行轨迹。

进一步地，所述立柱有两根，所述两根立柱对称设置在盖板的两侧。

进一步地，所述弧形轨道开有两个弧形槽，所述两个弧形槽相互平行设置；所述立柱有四根，所述四根立柱分为两组，所述两组立柱对称设置在盖板的两侧，每组立柱中的两根立柱分别嵌入两个弧形槽内。

进一步地，所述两组立柱所在直线的夹角为γ。

进一步地，每根立柱上设置有限位凹槽，使得所述弧形轨道嵌入在所述凹槽。

进一步地，每根立柱上设置一个限位平垫，所述限位平垫与所述立柱的末端连接、且位于所述弧形轨道的外侧，所述限位平垫的直径大于所述弧形轨道上的弧形凹槽的宽度。

进一步地，所述吸盘为双层吸盘。

进一步地，所述L形连接板前侧开有腰型槽，可用于上下调整负压发生器在L形连接板上的安装位置。

本发明还提供了基于如上述所述的一种低损仿生双孢菇采摘机械手的双孢菇采摘方法，所述方法包括：

步骤1、确定待采目标后及折弯方向后，将所述低损仿生双孢菇采摘机械手移动至待采蘑菇正上方；

步骤2、将所述低损仿生双孢菇采摘机械手竖直向下移动，当所述拉压传感器接触到所述待采蘑菇时，所述拉压传感器的压力值达到预设值后，启动所述负压发生器，将所述待采蘑菇吸附在所述吸盘上；

步骤3、启动所述驱动步进电机，当双层吸盘轴线相对竖直位置夹角的变化量β达到(α-γ)/2时，停止所述驱动步进电机；

步骤4、将所述低损仿生双孢菇采摘机械手向上提升，同时反转所述驱动步进电机使所述弧形轨道回到初始位置；

步骤5、将所述低损仿生双孢菇采摘机械手和吸附在所述吸盘上的待采蘑菇移动至收集蘑菇的区域，关闭所述负压发生器，完成双孢菇的采摘。

本发明的有益效果：

1、本发明采用的弧形轨道圆心位于蘑菇根部与培养土连接处，当弧形轨道被驱动旋转时，可以实现人工蘑菇采摘中的折弯动作，成功率高；现有发命大多采用向上拔起的方式收获蘑菇，其采摘成功率低，且容易损伤蘑菇。在该机械手的前期实验中对比了四种不同类型采摘方式(人工采摘、折弯式、扭转式以及提拉式)的成功率，其中折弯式、扭转式、提拉式均先使用吸盘吸附蘑菇菌盖表面后进行折弯、扭转、提拉动作，其采摘方式简图如图9所示，实验现场如图10所示。实验结果显示，人工采摘成功率为100％，折弯采摘率均可达到96.1％，而旋转式、提拉式仅分别为80.0％、73.9％，该实验充分证明了本发明的可信性与有效性。

2、本发明可实现对丛生、高密度蘑菇的采摘(如图11所示)，由于采用单个吸盘进行扭转或提拉的成功率较低，现有发明一般采用SRT柔性抓夹进行采摘，但是对于高密度的蘑菇，SRT抓夹无法探入蘑菇丛中抓取菌盖，因此无法顺利进行采摘。在现实人工采摘作业中，一般采取从蘑菇丛外围开始采摘的方法，本发明亦是如此，可以通过外围设备实现本发明的旋转，在选定适宜的折弯方向后对待采蘑菇进行折弯，使用本发明进行循环作业，可以实现蘑菇丛生、高密度蘑菇的采摘。

3、在选择适宜采摘方向后，需要将采摘机械手的折弯方向调整至与采摘方向相同，由于本发明采用的弧形轨道为对称式，因此，相对于单侧轨道，本发明可以至多减少一般的采摘机械手折弯方向调整时间。

4、本发明采用双层吸盘吸附蘑菇菌盖表面，相对于采用单层吸盘，其对菌盖的损伤更小。

5、本发明配备拉压传感器，可通过检测压力信号控制动作开启或结束，另外拉压传感器还可以实现蘑菇的在线称重，实现蘑菇的在线分级，可为蘑菇全自动化采摘提供基础。

本发明适用于对丛生、密度较高的蘑菇进行采摘。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是工厂化种植中密集生长的双孢菇；

图2是本发明的轴测图；

图3是本发明的安装座主视图；

图4是本发明的安装座左视图；

图5是本发明的弧形轨道主视图；

图6是本发明的弧形轨道左视图；

图7是本发明的作业效果图(蘑菇菌盖已被双层吸盘吸附，且机械手处于初始位置)；

图8是本发明的作业效果图(蘑菇菌盖在被双层吸盘吸附的状态下被折弯至β角)；

图9是本发明前期验证实验简图；

图10是本发明的一种实施例；

图11是丛生蘑菇及折弯方向选择示意图；

图12是本发明的L形连接板。

图中：1.驱动步进电机；2.安装座；3.驱动外齿轮；4.弧形轨道；5.限位平垫；6.盖板；7.拉压传感器；8.L形连接板；9.负压发生器；10.双层吸盘。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

双孢菇有多次采摘期如图1所示，前1-3次采摘期出菇密度较高，蘑菇之间依靠较为紧密，且由于蘑菇成熟度不一致，在采收时需要特别注意不损伤周围未成熟的蘑菇；通过观察人工采摘过程，可以发现人手采摘蘑菇时的主要方式为对蘑菇的折弯动作。

实施例一、参见图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种低损仿生双孢菇采摘机械手，包括：驱动步进电机1、安装座2、驱动外齿轮3、弧形轨道4、限位平垫5、盖板6、拉压传感器7、L形连接板8、负压发生器9和吸盘10；

所述安装座2后侧固定安装有所述驱动步进电机1，所述驱动步进电机1输出轴轴端安装有所述驱动外齿轮3，所述弧形轨道4安装在所述安装座2的限位平面上，所述弧形轨道4后侧设有弧形内齿轮条，所述弧形内齿轮条与所述驱动外齿轮3啮合传动，所述盖板6通过紧固件安装在所述安装座2前端、用于限制所述弧形轨道4顶部的位置，所述弧形轨道4下端固定安装有所述拉压传感器7，所述拉压传感器7下端与所述L形连接板8固定连接，所述L形连接板8后方安装有所述负压发生器9，所述负压发生器9下端安装有吸盘10；

参见图5和图7，所述弧形内齿轮条分度圆半径等于所述弧形内齿轮条分度圆至吸盘长度与双孢菇平均高度之和，所述吸盘的轴线与所述弧形内齿轮条分度圆的任一半径重合；

需要说明的是，如图7所示，所述弧形槽具有一定的圆心角α，所述弧形轨道可通过弧形槽、限位平垫、盖板及紧固件对称安装在安装座限位平面上，所述弧形轨道后侧设有弧形内齿轮条，所述弧形内齿轮条分度圆半径等于分度圆至双层吸盘长度与蘑菇平均高度之和，其表达式如下式所示：

Rpe＝Lpe+Hm

式中，Rpe为弧形内齿轮条分度圆半径，Lpe为弧形内齿轮条至双层吸盘的长度，Hm为蘑菇的平均高度。

所述弧形轨道的弧形内齿轮条与驱动外齿轮啮合传动，所述驱动步进电机通电后，可通过所述驱动外齿轮带动弧形轨道在限位平面内绕分度圆中点O做旋转运动并实现对蘑菇的折弯动作。

所述弧形轨道4开有至少一个弧形槽，所述弧形槽的圆心角为α；

所述拉压传感器7用于判断所述吸盘10是否与待采蘑菇相接触；

所述负压发生器9用于在蘑菇菌盖表面形成真空，用于抓取所述待采蘑菇；

该设置方式用于调整弧形内齿轮条至双层吸盘的长度Lpe，针对具有不同平均高度的蘑菇Hm，可以保证弧形内齿轮条分度圆圆心位于蘑菇根部。

所述安装座2前端设有多根立柱，所述立柱末端设有螺纹孔，所述立柱嵌入所述弧形轨道4的弧形槽内、且与所述弧形槽内壁之间留有间隙，所述立柱用于限制所述弧形轨道4的运行轨迹。

进一步地，如图10所示，在选择适宜采摘方向后，需要将采摘机械手的折弯方向调整至与采摘方向相同，由于本实施例可以采用的弧形轨道为对称式，因此，相对于单侧轨道，可以至多减少一般的采摘机械手折弯方向调整时间。

进一步地，所述立柱有四根，所述四根立柱对称设置在盖板6的两侧。

进一步地，参见图3，所述弧形轨道4开有两个弧形槽，所述两个弧形槽的圆心重合；所述立柱有四根，所述四根立柱分为两组，所述两组立柱对称设置在盖板6的两侧，每组立柱中的两根立柱分别嵌入两个弧形槽内。

该设置方式可以保证弧形轨道绕其圆心的旋转，并使其转动过程更为稳定。

进一步地，参见图3，所述两组立柱所在直线的夹角为γ。

参见图3，所述安装座2前端设有多组对称布置的立柱，所述对称立柱中心线夹角为γ。

需要说明的是，所述两组立柱是根据弧形槽的形状去设计相应的位置，从而会产生一定的夹角，根据该夹角设计立柱，便于对所述弧形轨道4的运行轨迹的限制。

进一步地，参见图4，每根立柱上设置有限位凹槽，使得所述弧形轨道4嵌入在所述凹槽。

如图4所示，可以设置所有的立柱均带设有台阶并共同形成限位平面，即所述立柱在同一限位高度上均设有台阶，全部所述台阶共同形成所述限位平面，与所述限位平垫5及紧固件配合，将所述弧形轨道4限制在所述限位平面上。

进一步地，每根立柱上设置一个限位平垫5，所述限位平垫5通过螺母与所述立柱的末端的内螺纹孔连接、且位于所述弧形轨道4的外侧，所述限位平垫5的直径大于所述弧形轨道4上的弧形凹槽的宽度。

如图4和图6所示，所述立柱限位高度H1略大于弧形轨道厚度B1，可保证弧形轨道在限位平面内的运动。

进一步地，所述吸盘10为双层吸盘，相对于采用单层吸盘，其对菌盖的损伤更小。

进一步地，如图12所示，所述L形连接板8前侧开有腰型槽，可用于上下调整负压发生器9在L形连接板8上的安装位置。

所述拉压传感器可用于检测该传感器下端的受力变化，因此，该传感器所发出的模拟信号可用于开关双层吸盘，或用于蘑菇采摘后的在线称重，实现蘑菇在线分级。

所述低损仿生双孢菇采摘机械手工作步骤如下：

(S1)由于双孢菇一般为丛生且密度较高，单独生长个体较少，因此需要首先从丛生双孢菇的外围开始采摘。确定待采目标后及折弯方向后(如图11所示)，将低损仿生双孢菇采摘机械手通过外围设备移动至待采蘑菇正上方。

(S2)通过外围设备将低损仿生双孢菇采摘机械手竖直向下移动，待双层吸盘接触蘑菇菌盖后，拉压传感器的压力信号发生变化，当压力值达到预设值后，负压发生器启动，并使双层吸盘在蘑菇菌盖表面形成真空，实现蘑菇抓取。

(S3)启动驱动步进电机，驱动步进电机通过驱动外齿轮带动弧形轨道绕O点旋转，实现对蘑菇的折弯采摘动作。

(S4)持续对驱动步进电机通电，直至双层吸盘轴线相对竖直位置夹角的变化量β达到(α-γ)/2，变化量β如图8所示，此时默认蘑菇已被采下。

(S5)通过外围设备将低损仿生双孢菇采摘机械手及已采获蘑菇向上提升，同时反转驱动步进电机使弧形轨道返回初始位置。

(S6)通过外围设备将低损仿生双孢菇采摘机械手及已采获蘑菇移动至后续工作部件，待后续工序结束后，将机械手移动至蘑菇收集盒正上方并关闭负压发生器，待采蘑菇在重力作用下落入蘑菇收集箱中。

本发明提供了一种低损仿生双孢菇采摘机械手，该机械手的双层吸盘接触蘑菇菌盖后，通过检测压力传感器信号开启负压发生器，并实现双层吸盘对蘑菇菌盖的吸附作用，采用双层吸盘可以有效降低采摘过程中对蘑菇的损伤，在菌盖被双层吸盘吸附的状态下，通过电机驱动外齿轮带动具有弧形内齿轮的弧形轨道绕蘑菇根部旋转，实现模仿人手的蘑菇采摘折弯动作。

Claims (9)

1.一种低损仿生双孢菇采摘机械手，其特征在于，包括：驱动步进电机(1)、安装座(2)、驱动外齿轮(3)、弧形轨道(4)、限位平垫(5)、盖板(6)、拉压传感器(7)、L形连接板(8)、负压发生器(9)和吸盘(10)；

所述安装座(2)后侧固定安装有所述驱动步进电机(1)，所述驱动步进电机(1)输出轴轴端安装有所述驱动外齿轮(3)，所述弧形轨道(4)安装在所述安装座(2)的限位平面上，所述弧形轨道(4)后侧设有弧形内齿轮条，所述弧形内齿轮条与所述驱动外齿轮(3)啮合传动，所述盖板(6)通过紧固件安装在所述安装座(2)前端、用于限制所述弧形轨道(4)顶部的位置，所述弧形轨道(4)下端固定安装有所述拉压传感器(7)，所述拉压传感器(7)下端与所述L形连接板(8)固定连接，所述L形连接板(8)后方安装有所述负压发生器(9)，所述负压发生器(9)下端安装有吸盘(10)；

所述弧形内齿轮条分度圆半径等于所述弧形内齿轮条分度圆至吸盘长度与双孢菇平均高度之和，所述吸盘的轴线与所述弧形内齿轮条分度圆的任一半径重合；

所述弧形轨道(4)开有至少一个弧形槽，所述弧形槽的圆心角为α；

所述拉压传感器(7)用于判断所述吸盘(10)是否与待采蘑菇相接触；

所述负压发生器(9)用于在蘑菇菌盖表面形成真空，用于抓取所述待采蘑菇；

所述安装座(2)前端设有多根立柱，所述立柱嵌入所述弧形轨道(4)的弧形槽内、且与所述弧形槽内壁之间留有间隙，所述立柱用于限制所述弧形轨道(4)的运行轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种低损仿生双孢菇采摘机械手，其特征在于，所述立柱有两根，所述两根立柱对称设置在盖板(6)的两侧。

3.根据权利要求1所述的一种低损仿生双孢菇采摘机械手，其特征在于，所述弧形轨道(4)开有两个弧形槽，所述两个弧形槽相互平行设置；所述立柱有四根，所述四根立柱分为两组，所述两组立柱对称设置在盖板(6)的两侧，每组立柱中的两根立柱分别嵌入两个弧形槽内。

4.根据权利要求3所述的一种低损仿生双孢菇采摘机械手，其特征在于，所述两组立柱所在直线的夹角为γ。

5.根据权利要求1所述的一种低损仿生双孢菇采摘机械手，其特征在于，每根立柱上设置有限位凹槽，使得所述弧形轨道(4)嵌入在所述凹槽。

6.根据权利要求5所述的一种低损仿生双孢菇采摘机械手，其特征在于，每根立柱上设置一个限位平垫(5)，所述限位平垫(5)与所述立柱的末端连接、且位于所述弧形轨道(4)的外侧，所述限位平垫(5)的直径大于所述弧形轨道(4)上的弧形凹槽的宽度。

7.根据权利要求1所述的一种低损仿生双孢菇采摘机械手，其特征在于，所述吸盘(10)为双层吸盘。

8.根据权利要求1所述的一种低损仿生双孢菇采摘机械手，其特征在于，所述L形连接板(8)前侧开有腰型槽，可用于上下调整负压发生器(9)在L形连接板(8)上的安装位置。

9.一种基于权利要求1-8中任一项所述的一种低损仿生双孢菇采摘机械手的双孢菇采摘方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、确定待采目标后及折弯方向后，将所述低损仿生双孢菇采摘机械手移动至待采蘑菇正上方；

步骤2、将所述低损仿生双孢菇采摘机械手竖直向下移动，当所述拉压传感器(7)接触到所述待采蘑菇时，所述拉压传感器(7)的压力值达到预设值后，启动所述负压发生器(9)，将所述待采蘑菇吸附在所述吸盘(10)上；

步骤3、启动所述驱动步进电机(1)，当双层吸盘轴线相对竖直位置夹角的变化量β达到(α-γ)/2时，停止所述驱动步进电机(1)；

步骤4、将所述低损仿生双孢菇采摘机械手向上提升，同时反转所述驱动步进电机(1)使所述弧形轨道(4)回到初始位置；

步骤5、将所述低损仿生双孢菇采摘机械手和吸附在所述吸盘(10)上的待采蘑菇移动至收集蘑菇的区域，关闭所述负压发生器(9)，完成双孢菇的采摘。

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