CN114568128A - 一种牵引式苹果采摘系统及采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种牵引式苹果采摘系统及采摘方法，包括机架，以及安装在机架上的输送装置、滚轮传动装置、换箱装置和落箱装置，所述输送装置包括横向的汇集输送带以及竖向的垂直输送带，垂直输送带竖向滑接在汇集输送带的末端且通过步进电机驱动升降，垂直输送带下端装有平摊装置，所述滚轮传动装置位于垂直输送带下方用于横向输送果箱，所述落箱装置位于滚轮传动装置的末端用于将满载果箱引导至地面，所述换箱装置位于滚轮传动装置上方用于将空载果箱放置到滚轮传动装置上，本发明可以实现标准果园中苹果经采摘机械手采摘后，完成输送和装箱的一体化作业；满足了采摘过程中降低损果率的要求，同时提高了机械化水平，节省人力，提高了采摘效率。

Description

一种牵引式苹果采摘系统及采摘方法

技术领域

本发明涉及果园智能管理机械领域，具体是指一种牵引式苹果采摘系统及采摘方法。

背景技术

随着林果业经济不断发展，苹果已经成为我国第一大水果支柱，也是我国优势水果品种之一。近几年农业结构的转型升级和人民的消费水平不断提高，苹果产业也逐渐规模化和经济化，从而有效促进了区域经济的发展。现阶段，我国苹果产业的栽培面积和产量不断提高的同时，很多苹果产业发展过程中的问题也日渐凸显，管理方式落后及机械化程度低等因素严重制约果业经济的发展。目前，国内果园采摘主要还是以人工采摘为主，但多数种类的苹果采摘季节性强，劳动量大，人工采摘效率低，如果采摘不够及时还会提高存储成本。另外，安全性上人工采摘工人人身安全也难以保障，使得果园产业的生产成本不断提高，大大限制了苹果产业的持久良性发展。目前已有的果园采摘机械多为机械臂采摘式，适应性强，损果率低，但是采摘后输送装箱的速度也大大影响了采摘效率，且输送过程中对果实损伤率会影响果实的储存和出售。所以高效稳定的苹果采摘系统可以大大提高果园的采摘效率，提高行业竞争力，增加果园种植收益。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种牵引式苹果采摘系统，实现了苹果采摘后输送、装箱、换箱、落箱的一体化作业，降低了损果率，提高了采摘效率。

本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种牵引式苹果采摘系统，包括机架，以及安装在机架上的输送装置、滚轮传动装置、换箱装置和落箱装置，所述输送装置包括横向的汇集输送带以及竖向的垂直输送带，所述垂直输送带竖向滑接在汇集输送带的末端且通过步进电机驱动升降，所述垂直输送带下端装有平摊装置，所述滚轮传动装置位于垂直输送带下方用于横向输送果箱，所述落箱装置位于滚轮传动装置的末端用于将满载果箱引导至地面，所述换箱装置位于滚轮传动装置上方用于将空载果箱放置到滚轮传动装置上。

本方案中汇集输送带将采摘的苹果汇集后传送到垂直输送带，苹果经垂直输送带输送到下方的果箱内，平摊装置对箱内苹果进行平摊作业，滚轮传动装置实现果箱精准双向传动，通过落箱装置，实现果箱均匀稳定落箱，通过换箱装置，实现机械化自动换箱，垂直输送带竖向滑接在汇集输送带的末端且通过步进电机驱动升降，从而可以随着果箱内苹果的增多，垂直输送带在步进电机的驱动下向上移动，同时还可以带动平摊装置一同升降。

作为优化，所述垂直输送带的竖向输送皮带上固接有多排锥形果托，汇集输送带的横向输送皮带上固接有拱形果托。本方案中设置的锥形果托和拱形果托，可以减少采摘后的苹果经过输送带输送过程中的碰撞损伤，降低苹果采摘作业的损果率。

作为优化，所述换箱装置包括位于滚轮传动装置两侧的换箱皮带以及驱动两个换箱皮带同步运动的换箱驱动机构，所述换箱皮带竖向循环移动，所述换箱皮带上固接有多个支撑链板，果箱的两端支撑在两个换箱皮带的支撑链板上。本方案中通过换箱驱动机构带动两个换箱皮带同步运动，果箱支撑在支撑链板上，通过换箱皮带内侧同步向下移动将最下方的果箱下落到滚轮传动装置上。

作为优化，所述换箱皮带的上下两端均装有主传动轴，所述主传动轴上装有位于换箱皮带端部的滚轮，所述换箱驱动机构包括换箱装置电机、主动轮、一级从动轮和二级从动轮，所述换箱装置电机和主动轮与一侧上端的主传动轴连接，二级从动轮与另一侧上端的主传动轴连接，所述主动轮通过链条与一级从动轮连接，一级从动轮通过长链条与二级从动轮连接。本方案中的换箱装置电机带动一个主传动轴转动，从而带动一侧的换箱皮带运动，并通过主动轮带动一级从动轮转动，通过一级从动轮带动二级从动轮转动，从而带动另一侧的主传动轴转动，从而实现两侧换箱皮带的同步反向转动。

作为优化，所述换箱装置的两侧安装有保护罩壳。通过保护罩壳保护两侧链轮防止链轮被果树树枝堵塞，同时提高设备作业安全性。

作为优化，所述垂直输送带下端装有两组平摊装置，所述平摊装置包括竖向的平摊转轴、固接在平摊转轴下端的两个平摊扇片以及驱动平摊转轴旋转的平摊驱动机构。通过平摊转轴的转动带动两个平摊扇片转动，对苹果进行平摊作业。

作为优化，所述垂直输送带的竖向输送皮带通过三相异步变频电机驱动，所述平摊驱动机构包括固接在平摊转轴上的被动锥齿轮以及轴接在垂直输送带上的主动锥齿轮，所述主动锥齿轮通过链条与三相异步变频电机传动连接。本方案中的平摊转轴通过垂直输送带的三相异步变频电机驱动，从而实现旋转。

作为优化，所述滚轮传动装置的下方装有举升果箱的四个液压升降装置，所述液压升降装置位于垂直输送带下方。本方案通过液压升降装置对果箱的位置进行固定，从而适应不同地形果园的采摘要求，使采摘过程中果箱位置保持稳定，提高采摘作业的稳定性。

作为优化，所述滚轮传动装置通过电机和谐波减速器驱动，谐波减速器的输出轴与滚轮传动装置的多个滚轮传动连接。本方案通过设置谐波减速器，便于精准控制滚轮传动装置的传动作业参数，实现滚轮传动装置精准双向传动作业。

一种使用苹果采摘系统进行的采摘方法，包括如下步骤：

a. 根据果园果树实际生长状况和生长环境，通过预实验确定垂直输送带和汇集输送带的输送速度，通过牵引头牵引苹果采摘系统行走并设定一个速度范围；

b. 系统启动后，换箱装置将空载果箱放置到滚轮传动装置上，通过滚轮传动装置将空载果箱输送到垂直输送带下方，通过定位测量仪对平摊装置的平摊扇片进行实时定位，通过液压升降装置对果箱固定并抬升一定高度；

c. 将果箱固定抬升后，开始进行苹果装箱作业，采摘机械臂将采摘的苹果放到汇集输送带前端位置上，由汇集输送带将采摘的苹果汇集到垂直输送带上，苹果经垂直输送带输送到下方的果箱内，通过平摊装置中平摊扇片的转动对箱内苹果进行平摊作业，随着果箱内苹果的增多，垂直输送带在步进电机的驱动下向上移动，并带动平摊装置一同向上移动；

d. 传感器检测到果箱满载后，将信号传送到控制系统，控制系统控制液压升降装置将果箱下落到滚轮传动装置上，滚轮传动装置将满载果箱向后传送到落箱装置处完成落箱；

e. 落箱完成后进行换箱作业，通过滚轮传动装置两侧的换箱皮带竖向循环移动，使支撑在支撑链板上的果箱一同下移，最下方的果箱下落到滚轮传动装置上完成果箱的下落换箱作业，并进行新一轮循环采摘作业，实现果园采摘自动化。

本发明的有益效果为：本发明的一种牵引式苹果采摘系统及采摘方法，通过在输送带上设置锥形果托和拱形果托，减少采摘后的苹果经过输送带输送过程中的碰撞损伤，降低苹果采摘作业的损果率；通过在垂直输送带下方安装平摊装置，使经过垂直输送带输送到果箱的苹果均匀滑落到果箱中，提高采摘作业效率；通过液压升降装置对果箱进行抬升固定，满足不同采摘环境下保持果箱稳定性的采摘要求，提高采摘作业稳定性；通过换箱装置，实现机械化自动换箱，通过滚轮传动装置，实现果箱精准双向传动，通过落箱装置，实现果箱均匀稳定落箱；牵引式苹果采摘系统实现了输送、装箱、换箱、落箱的一体化机械作业，提高了采摘作业效率，在苹果果园中有良好的适应性和通过性，适用范围广泛。

附图说明

图1为牵引式苹果采摘系统整体结构示意图；

图2为牵引式苹果采摘系统结构左视图；

图3为牵引式苹果采摘系统结构主视图；

图4为牵引式苹果采摘系统结构俯视图；

图5为苹果采摘系统换箱装置结构示意图；

图6为苹果采摘系统输送装置结构示意图；

图中所示：

1、机架，2、汇集输送电机，3、挡板，4、拱形果托，5、汇集输送带，6、垂直输送带，7、导轨， 8、滑块，9、步进电机，10、换箱装置电机，11、换箱皮带，12、滚轮传动装置，13、液压升降装置，14、滑槽，15、锥形果托，16、三相异步变频电机，17、平摊装置，18、果箱，19、支撑链板，20、保护罩壳，21、落箱装置，22、谐波减速器，23、二级从动轮，24、长链条，25、主动轮，26、一级从动轮，27、三级从动轮，28、横向输送皮带，29、垂直输送带链条，30、平摊扇片，31、平摊转轴。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

如图1~6所示，本发明的一种牵引式苹果采摘系统，包括机架1，以及安装在机架1上的输送装置、滚轮传动装置12、换箱装置和落箱装置21，采摘系统的机架1固定在车辆底盘上，由前车牵引头提供牵引力，在输送装置前端两侧车架1位置预留出采摘机械臂的安装位置。

所述输送装置包括横向的汇集输送带5以及竖向的垂直输送带6，汇集输送带5的横向输送皮带28通过汇集输送电机2驱动。所述汇集输送带5斜向上输送，汇集输送带5的横向输送皮带28上固接有拱形果托4，防止苹果滚落，汇集输送带5的两侧设置有固定的挡板3，防止苹果向两侧滚落。

垂直输送带6设置在汇集输送带5的出料端，且垂直输送带6向下移动的一侧朝向汇集输送带5，所述垂直输送带6的竖向输送皮带上固接有多排锥形果托15，锥形果托15与竖向输送皮带垂直，汇集输送带5中的苹果落到锥形果托15上实现支撑，并跟随锥形果托15向下移动从而下落至果箱18内。

所述垂直输送带6的竖向输送皮带通过三相异步变频电机16驱动，垂直输送带6的上下两端均装有辊筒，竖向输送皮带绕在辊筒上，三相异步变频电机16通过垂直输送带链条29驱动上端的辊筒转动，从而带动竖向输送皮带移动。

所述垂直输送带6竖向滑接在汇集输送带5的末端且通过步进电机9驱动升降，汇集输送带5的末端的滑槽14内固接有滑块8，垂直输送带6的两侧固接有竖向的导轨7，垂直输送带6在两侧导轨7和滑块8配合下，由步进电机9驱动沿导轨7方向竖向滑动，步进电机9驱动垂直输送带6升降的结构为现有技术，可以采用齿轮齿条结构，也可以采用丝杠结构等；随着采摘输送到果箱内的苹果达到平摊扇片中部位置，垂直输送带6带动平摊装置沿导轨7上移，完成平摊作业的循环操作。

所述垂直输送带6下端装有平摊装置17，本实施例中垂直输送带6下端装有两组平摊装置17，分别位于垂直输送带6的两侧，所述平摊装置17包括竖向的平摊转轴、固接在平摊转轴下端的两个平摊扇片30以及驱动平摊转轴旋转的平摊驱动机构，所述平摊转轴31轴接在垂直输送带6的机体上，两个平摊扇片30固接在平摊转轴31下端的两侧，所述平摊扇片30为PVC扇片，具有一定的韧性和柔软性，可以轻柔的拨动苹果，两组平摊装置的平摊扇片30相差90°安装，提高平摊作业效率，也提高苹果采摘作业效率。

所述平摊驱动机构包括固接在平摊转轴31上的被动锥齿轮以及轴接在垂直输送带6上的主动锥齿轮，所述主动锥齿轮通过链条与三相异步变频电机16传动连接，从而通过三相异步变频电机16带动平摊装置转动。

所述滚轮传动装置12位于垂直输送带6下方用于横向输送果箱，滚轮传动装置上设有多个滚轮，所述滚轮传动装置12通过电机和谐波减速器驱动，谐波减速器的输出轴与滚轮传动装置的多个滚轮传动连接，从而带动滚轮同步转动，输送果箱往复运动。

滚轮传动装置12由电机和谐波减速器来驱动完成精准双向传动作业，谐波减速器采用波发生器主动，刚轮固定、柔轮输出的形式，当电机带动波发生器转动时，刚轮固定，柔轮作为从动轮，输出转动，带动滚轮传动装置轴承及滚轮传动。因为谐波减速器齿轮传动中同时啮合的齿数多，多齿啮合对误差有相互补偿作用，相比于普通减速器误差平均化，所以使滚轮传动装置传动精度高。通过安装谐波减速器使传动精度高，可以在复杂的采摘作业环境下更加稳定的完成工作。

所述落箱装置21位于滚轮传动装置12的末端用于将满载果箱引导至地面，落箱装置21自滚轮传动装置12的末端向下倾斜延伸，落箱装置两侧分别设有滑轮，给果箱提供导向和支撑，增加了果箱落箱时的稳定性，降低了果箱落箱过程中对苹果的碰撞损伤。

所述换箱装置位于滚轮传动装置12上方用于将空载果箱放置到滚轮传动装置12上。如图5所示，所述换箱装置包括位于滚轮传动装置12两侧的换箱皮带11以及驱动两个换箱皮带11同步运动的换箱驱动机构，果箱可以从两个换箱皮带11之间穿过。

所述换箱皮带11竖向循环移动，所述换箱皮带11上固接有多个支撑链板19，果箱18的两端支撑在两个换箱皮带11的支撑链板19上。空果箱18位于两个换箱皮带11之间，通过支撑链板19支撑，当支撑链板19下移到底部后向外侧折返，从而将空果箱留在滚轮传动装置12上。

如图5所示，所述换箱皮带11的上下两端均装有主传动轴，所述主传动轴上装有位于换箱皮带11端部的滚轮，换箱皮带11在上下主传动轴上的滚轮之间实现循环移动。两侧换箱皮带11靠近的一侧均向下移动。

所述换箱驱动机构包括换箱装置电机10、主动轮25、一级从动轮26和二级从动轮23，所述换箱装置电机10和主动轮25与一侧上端的主传动轴连接，通过换箱装置电机10带动该主传动轴转动。

二级从动轮23与另一侧上端的主传动轴连接，所述主动轮25通过链条与一级从动轮26连接，一级从动轮26通过长链条24与二级从动轮23连接。

下端的主传动轴上装有三级从动轮27，通过链条和三级从动轮27实现上下主传动轴之间的动力传递。一侧下端的主传动轴上的三级从动轮27与上端的主动轮25连接，另一侧下端的主传动轴上的三级从动轮27与上端的二级从动轮23连接。

所述换箱装置的两侧安装有保护罩壳20。通过保护罩壳20保护两侧链轮防止链轮被果树树枝堵塞，同时提高设备作业安全性。

所述滚轮传动装置12的下方装有举升果箱的四个液压升降装置13，所述液压升降装置13位于垂直输送带6下方。液压升降装置13包括竖向的液压缸，液压缸的上端穿过滚轮传动装置12后举升果箱。

还包括控制系统，所述控制系统与换箱装置、滚轮传动装置、液压升降装置电性连接，实现对换箱和果箱精准双向传动的控制，实现自动化、智能化换箱作业。控制系统集成在换箱装置的控制台上，控制台上设有控制面板，实现工作作业参数输入。

还包括定位测量仪，在垂直输送带6将采摘的苹果输送到果箱作业过程中，定位测量仪实时对果箱内苹果高度与平摊装置的平摊扇片位置进行定位，当定位到苹果越过平摊扇片标定位置时，单片机将信号传送到控制系统，控制系统控制垂直输送带沿导轨向上移动一个工作单位，继续进行苹果平摊作业。当传感器检测到果箱满载后，液压升降装置13下降，满载果箱经过传动装置传动在落箱装置处平稳落箱。

一种使用苹果采摘系统进行的采摘方法，包括如下步骤：

使用牵引式苹果采摘系统时，将系统机架固定在车辆底盘上，由前车牵引头提供牵引力，在汇集输送带前端两侧车架位置预留出采摘机械臂的安装位置，苹果采摘系统进行采摘作业之前操作者在换箱装置的两侧链板间手动填补空果箱。根据实际需要进行苹果采摘的果园地形与环境，给牵引头设定合理牵引速度，进而带动后方车及采摘系统以合理速度前移进行苹果采摘作业。

根据果园果树实际生长状况和生长环境，通过预实验确定垂直输送带6和汇集输送带5的输送速度，通过牵引头牵引苹果采摘系统行走并设定一个速度范围。

系统启动后，换箱装置将空载果箱放置到滚轮传动装置12上，通过滚轮传动装置12将空载果箱输送到垂直输送带6下方，通过定位测量仪对平摊装置17的平摊扇片进行实时定位，通过液压升降装置对果箱固定并抬升一定高度；

将果箱固定抬升后，开始进行苹果装箱作业，采摘机械臂将采摘的苹果放到汇集输送带5前端位置上，由汇集输送带5将采摘的苹果汇集到垂直输送带6上，苹果经垂直输送带6输送到下方的果箱内，通过平摊装置17中平摊扇片的转动对箱内苹果进行平摊作业，随着果箱内苹果的增多，垂直输送带6在步进电机9的驱动下向上移动，并带动平摊装置17一同向上移动；

d. 传感器检测到果箱满载后，将信号传送到控制系统，控制系统控制液压升降装置将果箱下落到滚轮传动装置12上，滚轮传动装置12将满载果箱向后传送到落箱装置21处完成落箱；

落箱完成后进行换箱作业，通过滚轮传动装置12两侧的换箱皮带竖向循环移动，使支撑在支撑链板上的果箱一同下移，最下方的果箱下落到滚轮传动装置12上完成果箱的下落换箱作业，并进行新一轮循环采摘作业，实现果园采摘自动化。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (10)

1.一种牵引式苹果采摘系统，其特征在于：包括机架（1），以及安装在机架（1）上的输送装置、滚轮传动装置（12）、换箱装置和落箱装置（21），所述输送装置包括横向的汇集输送带（5）以及竖向的垂直输送带（6），所述垂直输送带（6）竖向滑接在汇集输送带（5）的末端且通过步进电机（9）驱动升降，所述垂直输送带（6）下端装有平摊装置（17），所述滚轮传动装置（12）位于垂直输送带（6）下方用于横向输送果箱，所述落箱装置（21）位于滚轮传动装置（12）的末端用于将满载果箱引导至地面，所述换箱装置位于滚轮传动装置（12）上方用于将空载果箱放置到滚轮传动装置（12）上。

2.根据权利要求1所述的一种牵引式苹果采摘系统，其特征在于：所述垂直输送带（6）的竖向输送皮带上固接有多排锥形果托（15），汇集输送带（5）的横向输送皮带（28）上固接有拱形果托（4）。

3.根据权利要求1所述的一种牵引式苹果采摘系统，其特征在于：所述换箱装置包括位于滚轮传动装置（12）两侧的换箱皮带（11）以及驱动两个换箱皮带（11）同步运动的换箱驱动机构，所述换箱皮带（11）竖向循环移动，所述换箱皮带（11）上固接有多个支撑链板（19），果箱（18）的两端支撑在两个换箱皮带（11）的支撑链板（19）上。

4.根据权利要求3所述的一种牵引式苹果采摘系统，其特征在于：所述换箱皮带（11）的上下两端均装有主传动轴，所述主传动轴上装有位于换箱皮带（11）端部的滚轮，所述换箱驱动机构包括换箱装置电机（10）、主动轮（25）、一级从动轮（26）和二级从动轮（23），所述换箱装置电机（10）和主动轮（25）与一侧上端的主传动轴连接，二级从动轮（23）与另一侧上端的主传动轴连接，所述主动轮（25）通过链条与一级从动轮（26）连接，一级从动轮（26）通过长链条（24）与二级从动轮（23）连接。

5.根据权利要求3所述的一种牵引式苹果采摘系统，其特征在于：所述换箱装置的两侧安装有保护罩壳（20）。

6.根据权利要求1所述的一种牵引式苹果采摘系统，其特征在于：所述垂直输送带（6）下端装有两组平摊装置（17），所述平摊装置（17）包括竖向的平摊转轴、固接在平摊转轴下端的两个平摊扇片（30）以及驱动平摊转轴旋转的平摊驱动机构。

7.根据权利要求6所述的一种牵引式苹果采摘系统，其特征在于：所述垂直输送带（6）的竖向输送皮带通过三相异步变频电机（16）驱动，所述平摊驱动机构包括固接在平摊转轴（31）上的被动锥齿轮以及轴接在垂直输送带（6）上的主动锥齿轮，所述主动锥齿轮通过链条与三相异步变频电机（16）传动连接。

8.根据权利要求1所述的一种牵引式苹果采摘系统，其特征在于：所述滚轮传动装置（12）的下方装有举升果箱的四个液压升降装置（13），所述液压升降装置（13）位于垂直输送带（6）下方。

9.根据权利要求1所述的一种牵引式苹果采摘系统，其特征在于：所述滚轮传动装置（12）通过电机和谐波减速器驱动，谐波减速器的输出轴与滚轮传动装置的多个滚轮传动连接。

10.一种使用权利要求1~9任一项苹果采摘系统进行的采摘方法，其特征在于，包括如下步骤：

a. 根据果园果树实际生长状况和生长环境，通过预实验确定垂直输送带（6）和汇集输送带（5）的输送速度，通过牵引头牵引苹果采摘系统行走并设定一个速度范围；

b. 系统启动后，换箱装置将空载果箱放置到滚轮传动装置（12）上，通过滚轮传动装置（12）将空载果箱输送到垂直输送带（6）下方，通过定位测量仪对平摊装置（17）的平摊扇片进行实时定位，通过液压升降装置对果箱固定并抬升一定高度；

c. 将果箱固定抬升后，开始进行苹果装箱作业，采摘机械臂将采摘的苹果放到汇集输送带（5）前端位置上，由汇集输送带（5）将采摘的苹果汇集到垂直输送带（6）上，苹果经垂直输送带（6）输送到下方的果箱内，通过平摊装置（17）中平摊扇片的转动对箱内苹果进行平摊作业，随着果箱内苹果的增多，垂直输送带（6）在步进电机（9）的驱动下向上移动，并带动平摊装置（17）一同向上移动；

d. 传感器检测到果箱满载后，将信号传送到控制系统，控制系统控制液压升降装置将果箱下落到滚轮传动装置（12）上，滚轮传动装置（12）将满载果箱向后传送到落箱装置（21）处完成落箱；

e. 落箱完成后进行换箱作业，通过滚轮传动装置（12）两侧的换箱皮带竖向循环移动，使支撑在支撑链板上的果箱一同下移，最下方的果箱下落到滚轮传动装置（12）上完成果箱的下落换箱作业，并进行新一轮循环采摘作业，实现果园采摘自动化。

Images