CN116034753A - 一种果蔬整枝打叶机器人及打叶方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种果蔬整枝打叶机器人及打叶方法，其中一种果蔬整枝打叶机器人包括行走装置、机械臂装置、伸缩装置和剪切装置；剪切装置包括固定于伸缩装置伸出端的旋转底座、与旋转底座固接的剪切框架，剪切框架上沿左右方向滑接有两刀柄滑块，刀柄滑块上固接有剪切刀头，两刀柄滑块相对的侧面分别为第一斜面，两第一斜面之间设有剪切推块，剪切推块的两侧面分别为与两第一斜面适配的第二斜面，旋转底座上安装驱动剪切推块前后移动的推动机构。本发明实现了剪切装置三个自由度的移动，可以灵活调整剪切位置和剪切角度，大大提高了整个剪切过程的准确性；通过将剪切刀头的前端设置为向上弯曲，改善了对叶柄垂直剪切的操作难度，减小了切口面积。

Description

一种果蔬整枝打叶机器人及打叶方法

技术领域

本发明涉及设施农业装备技术领域，尤其涉及到果蔬整枝打叶装备，具体是指一种果蔬整枝打叶机器人及打叶方法。

背景技术

整枝打叶是对番茄、黄瓜、辣椒等果蔬进行栽培管理的一个必要环节，且贯穿于果蔬的整个生产周期。通过合理地整枝打叶，可以调节植物营养和生殖生长的平衡，改善植株间的通风透光条件，并降低病虫害发生的风险，对于提高果蔬产量和品质具有重要的意义。

由于每周需要对植株进行2-3次的整枝打叶操作，仅仅依靠人工通过剪切工具进行整枝操作，不仅劳动强度大、作业效率低下，而且还消耗了大量的种植管理成本。建立基于机器人作业的整枝打叶无人化生产体系，已成为当前大型设施生产的迫切要求。

目前已经出现的果蔬整枝打叶执行器及整枝机器人（专利申请号CN202010859048.3），在整枝打叶过程中，使用限位件阻止主茎移动，然后通过夹持装置的旋转运动，将叶柄从主茎上拉扯下来，另一种果蔬整枝器（专利申请号CN202111501654.9），在其整枝打叶过程中，使用螺旋凹槽引导果蔬叶柄向刀口运动。上述两种机器人在打叶时均会因拉扯动作而导致果蔬秧苗损伤。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种果蔬整枝打叶机器人及打叶方法，减少了打叶后枝条的断口面积，避免了果蔬秧苗被过分破坏。

本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种果蔬整枝打叶机器人，包括行走装置、机械臂装置、安装在机械臂装置执行部上的伸缩装置，以及安装在伸缩装置伸出端的剪切装置；所述剪切装置包括固定于伸缩装置伸出端的旋转底座、位于所述旋转底座前方且与旋转底座固接的剪切框架，所述剪切框架上沿左右方向滑接有两刀柄滑块，刀柄滑块上固接有延伸至剪切框架前方的剪切刀头，两刀柄滑块通过弹簧连接，两刀柄滑块相对的侧面分别为第一斜面，且两第一斜面前端的间距小于后端的间距，两第一斜面之间设有剪切推块，剪切推块的两侧面分别为与两第一斜面适配的第二斜面，所述旋转底座上安装有驱动剪切推块前后移动的推动机构。

本方案的机器人在作业时，先通过行走装置移动到合适位置，再通过机械臂装置带动剪切装置及伸缩装置整体移动，以使剪切装置的位置与秧苗适配，通过伸缩装置带动剪切装置前后移动，以使剪切刀头移至待打枝条并在剪切动作完成后退回，待打枝条位于两剪切刀头之间时，推动机构带动剪切推块向后移动，两刀柄滑块在弹簧的作用下相靠近移动，实现剪切刀头的闭合，完成剪切动作，推动机构推动剪切推块向前移动时，通过第二斜面与第一斜面的作用，使两刀柄滑块相远离移动，实现剪切刀头的打开。

作为优化，所述推动机构包括安装在旋转底座上的第一电机、与第一电机的输出轴固接的丝杆，以及与所述丝杆通过螺纹连接的套筒，所述套筒的前端与剪切推块固接；剪切推块的第二斜面上设有滑槽，第一斜面上设有与滑槽适配的滑轨。本优化方案的滑轨延伸至滑槽中，以避免套筒旋转，使得丝杆转动时，套筒沿轴向移动，实现对剪切推块的前后驱动，并且保证了剪切推块移动的连续性。

作为优化，机械臂装置的执行部为上下转动的支撑臂，所述伸缩装置包括安装在支撑臂上的第二电机、固设在第二电机机体前端的导向柜，以及与第二电机的输出轴传动连接的丝杠，所述丝杠上通过螺纹连接有丝套，丝套的前端与旋转底座固接，导向柜上设有平行于丝套轴向的导向槽，丝套侧壁上固设有滑接于导向槽中的导向块。本优化方案的机械臂装置执行部采用支撑臂的结构形式，结构简单，通过支撑臂的上下转动便于调整剪切装置的高度；通过第二电机带动丝杠转动，利用螺纹的作用实现丝套的前后移动，以达到伸缩目的，实现剪切装置的前后移动；通过设置导向槽和导向块，避免丝套转动，以保证伸缩的可靠性。

作为优化，机械臂装置包括机械臂底座、执行部和驱动执行部绕横轴转动的第三电机，所述机械臂底座上安装有旋转支撑机构和驱动旋转支撑机构绕竖轴转动的第四电机，执行部通过横轴与旋转支撑机构转动连接。本优化方案通过执行部绕横轴的转动，实现剪切装置高度位置的调整，通过旋转支撑机构绕竖轴的转动，实现剪切装置横向位置的调整，从而便于保证剪切装置的位置准确。

作为优化，行走装置包括行走主体、两第一连接板和分别位于两第一连接板后方的两第二连接板，第一连接板的后端通过横向设置的第一铰轴与行走主体铰接，第一连接板上安装有位于第一铰轴前方的第一行走轮，第一连接板还通过第一减震装置与行走主体连接，且第一减震装置位于第一铰轴与第一行走轮轮轴连线的上方；第二连接板的前端通过横向设置的第二铰轴与行走主体铰接，第二连接板上安装有位于第二铰轴后方的第二行走轮，第二连接板还通过第二减震装置与行走主体连接，且第二减震装置位于第二铰轴与第二行走轮轮轴连线的上方。本优化方案通过设置连接板，当行走装置遇到坑洼路面时，由于连接板水平末端固连，车轮受到的冲击力大都被斜面末端的减震装置吸收，从而大幅减少机器人的晃动。

作为优化，两第一连接板和两第二连接板呈矩形分布在行走主体左右两侧，行走主体的左右两侧分别固设有保险横杠，保险横杠上固设有向上延伸的固定板，固定板与同侧的第一减震装置、第二减震装置铰接，保险横杠与同侧的第一连接板、第二连接板铰接。本优化方案通过设置，同一个固定板同时连接两个减震装置，同一个保险横杠同时连接两连接板，结构更加紧凑。

作为优化，剪切刀头的前端设有向上延伸的弯曲刀头，两弯曲刀头相对的侧边设有刀刃。本优化方案通过设置弯曲刀头，在剪切时，剪切刀头与枝条只需保持相对平行就可以完成剪切，改善了垂直剪切的操作难度，避免不规则剪切对果蔬秧的破坏。

本方案还提供一种使用上述果蔬整枝打叶机器人进行的打叶方法，包括如下步骤：

1、机器人通过行走装置移动至目标位置，然后通过第四电机驱动旋转支撑机构旋转，使剪切装置到达需要修整的部分，通过第三电机驱动执行部旋转，调整剪切装置的高度，使剪切刀头与待剪枝条相对；

2、第一电机动作，带动丝杆转动，利用螺纹的作用使套筒和剪切推块向前移动，通过第二斜面与第一斜面的作用，使两刀柄滑块相远离移动，将剪切刀头张开；

3、第二电机动作，带动丝杠转动，利用螺纹的作用使丝套和剪切装置向前移动，当剪切装置与枝条之间的距离达到合适长度时，第二电机停止运行；

4、枝条进入剪切装置的剪切范围后，第一电机反向转动，套筒拉动剪切推块向后运动，两刀柄滑块在弹簧作用下相靠近运动，剪切刀头闭合，剪切动作完成。

本发明的有益效果为：

1、通过设置的支撑臂、旋转支撑机构和伸缩装置，实现了剪切装置三个自由度的移动，可以灵活调整剪切位置和剪切角度，大大提高了整个剪切过程的准确性；

2、通过将剪切刀头的前端设置为向上弯曲，剪切时，刀头与枝条更易于平行，改善了对叶柄垂直剪切的操作难度，减小了切开面积；

3、通过剪切推块与弹簧的配合，实现了剪切刀头的张开和闭合，从而保证了剪切动作的可靠性。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为剪切装置结构示意图；

图3为剪切装置剪切状态示意图；

图4为伸缩装置结构示意图；

图5行走装置减震结构示意图；

图中所示：

1、剪切刀头，2、剪切框架，3、套筒，4、第一电机，5、丝套，6、齿轮，7、机械臂底座，8、第四电机， 9、旋转支撑机构，10、支撑臂，11、第二电机，12、旋转底座，13、剪切推块，14、刀柄滑块，15、丝杆，16、行走主体，17、第一行走轮，18、第一连接板，19、减震装置，20、固定板，21、保险横杠。

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所示一种果蔬整枝打叶机器人，包括行走装置、机械臂装置、安装在机械臂装置执行部上的伸缩装置，以及安装在伸缩装置伸出端的剪切装置，机械臂装置安装在行走装置上，通过行走装置实现机器人的整机移动。通过机械臂装置完成剪切装置的位置和角度调整，使剪切装置处于合适的剪切角度，支撑臂用来控制剪切装置的升降，使剪切装置处于合适的剪切高度。

行走装置包括行走主体16、两第一连接板18和分别位于两第一连接板后方的两第二连接板，第一连接板的后端通过横向设置的第一铰轴与行走主体铰接，第一连接板上安装有位于第一铰轴前方的第一行走轮17，第一连接板还通过第一减震装置19与行走主体连接，且第一减震装置位于第一铰轴与第一行走轮轮轴连线的上方；第二连接板的前端通过横向设置的第二铰轴与行走主体铰接，第二连接板上安装有位于第二铰轴后方的第二行走轮，第二连接板还通过第二减震装置与行走主体连接，且第二减震装置位于第二铰轴与第二行走轮轮轴连线的上方。两第一连接板和两第二连接板呈矩形分布在行走主体左右两侧，行走主体的左侧和右侧分别设有一个第一连接板和一个第二连接板。行走主体的左右两侧分别固设有保险横杠21，保险横杠21上固设有向上延伸的固定板20，固定板20与同侧的第一减震装置、第二减震装置铰接，保险横杠21与同侧的第一连接板、第二连接板铰接。第一减震装置和第二减震装置均采用现有技术，包括弹簧和液压杆，通过弹簧和液压杆的共同作用实现减震，在此不再赘述其具体结构。由于行走轮安装在连接板上，地面不平时，连接板绕对应的铰轴转动，减震装置变形，车轮受到的冲击力被连接板上端的减震装置吸收，从而大幅减少机器人的晃动。

机械臂装置包括机械臂底座7、执行部和驱动执行部绕横轴转动的第三电机，所述机械臂底座上安装有旋转支撑机构9和驱动旋转支撑机构绕竖轴转动的第四电机8，执行部通过横轴与旋转支撑机构转动连接，旋转支撑机构通过竖轴与机械臂底座转动连接。本实施例机械臂装置的执行部为上下转动的支撑臂10，支撑臂10包括两左右相对的安装板。第四电机8采用直驱式旋转电机，将第四电机直接连接到旋转支撑机构上，实现对其直接驱动。采用此种结构，省去了如减速器等连接机构，消除了由机械传动带来的反向间隙、柔度以及与之相关的其它问题。

剪切装置包括固定于伸缩装置伸出端的旋转底座12、位于所述旋转底座前方且与旋转底座固接的剪切框架2，所述剪切框架2上沿左右方向滑接有两刀柄滑块14，且在剪切框架上设有与刀柄滑块适配的滑动凹槽，以便实现刀柄滑块在滑轨上的水平运动。刀柄滑块14上通过螺栓固接有延伸至剪切框架前方的剪切刀头1，剪切刀头呈细长形，方便刀头进入果蔬秧内进行剪切，避免了刀头开闭和定位对果蔬秧的破坏。剪切刀头的前端设有向上延伸的弯曲刀头，方便对枝叶进行剪切，两弯曲刀头相对的侧边以及两剪切刀头相对的侧边均设有刀刃，增大了剪切部位长度。两刀柄滑块通过弹簧连接，两刀柄滑块相对的侧面分别为第一斜面，且两第一斜面前端的间距小于后端的间距，两第一斜面之间设有剪切推块13，剪切推块的两侧面分别为与两第一斜面适配的第二斜面，所述旋转底座上安装有驱动剪切推块前后移动的推动机构。

作为优化方案，本实施例的第一斜面与前后方向轴线的夹角为30°。剪切推块与两刀柄滑块滑动连接，剪切推块向前移动时，通过第二斜面与第一斜面的作用，使两刀柄滑块相远离移动，实现剪切刀头的打开，剪切推块向后移动时，两刀柄滑块在弹簧的作用下相靠近移动，实现剪切刀头的闭合，完成剪切动作。

推动机构包括安装在旋转底座12上的第一电机4、与第一电机的输出轴同轴固接的丝杆15，以及与所述丝杆通过螺纹连接的套筒3，套筒穿设在剪切框架上，套筒的前端与剪切推块固接，利用两刀柄滑块限制剪切推块转动，从而防止套筒随丝杆转动，套筒沿前后方向移动。旋转底座12为圆筒形，第一电机4安装在旋转底座内，防止枝叶卷入第一电机，结构更加紧凑，提高了稳定性。旋转底座和第一电机输出轴的轴线同轴，且均沿前后方向延伸，旋转底座和剪切框架之间设有若干连接杆，连接杆的前后两端分别与旋转底座、剪切框架固接。

剪切推块的第二斜面上设有沿斜面长度方向延伸的滑槽，第一斜面上设有与滑槽适配的滑轨，滑轨延伸至滑槽中，且与滑槽滑动连接。通过设置的滑轨和滑槽，一方面进一步避免套筒发生旋转，保证套筒前后移动的可靠性，另一方面，保证了剪切推块和刀柄滑块之间的相对位置。

伸缩装置包括安装在支撑臂上的第二电机11，以及与第二电机的输出轴传动连接的丝杠，第二电机安装在支撑臂的两安装板之间，在两安装板之间向前延伸的位置安装有导向柜，导向柜固设在第二电机机体的前端，与第二电机壳体固定连接，丝杠位于导向柜中。丝杠上通过螺纹连接有丝套5，丝套5的前端与旋转底座12固接，且丝套5与旋转底座12同轴，导向柜上设有平行于丝套轴向的导向槽，丝套侧壁上固设有滑接于导向槽中的导向块。伸缩装置运作时，第二电机正转，输出轴安装的齿轮带动丝杠上安装的齿轮运动，利用丝杠传动原理，丝杠转动会带动丝套向前传动，丝套侧壁上的导向块引导其沿着导向槽完成伸长运动，伸长完成后，第二电机反转，带动丝杠沿原方向的反向转动，丝套侧壁上的导向块引导其沿着导向槽完成缩短运动。本实施例的第二电机与丝杠之间通过齿轮6传动连接，丝套与丝杠之间的连接螺纹为梯形螺纹，梯形螺纹可以自锁，适用于纵向运动，伸缩长度可以自由控制，另外梯形螺纹也具有更好的机械性能，大幅度提高耐用度。丝杠上安装的齿轮与第二电机输出轴安装的齿轮相啮合，构成减速齿轮组，可以降低转速，增大输出扭矩，降低负载的惯量，从而提高使用寿命。

本实施例的机器人在打叶时，采用斜向上伸缩，达到合适位置后再进行剪切动作，这样的剪切方式避免了传统打叶方式对果蔬秧的碰撞和破坏，同时从下向上的剪切方式，可以避免叶子的遮挡问题，从而使机器能够快速找到叶柄位置。具体的，一种使用本实施例果蔬整枝打叶机器人进行的打叶方法，包括如下步骤：

1、机器人通过行走装置移动至目标位置，然后通过第四电机驱动旋转支撑机构旋转，使剪切装置到达需要修整的部分，通过第三电机驱动执行部旋转，调整剪切装置的高度，使剪切刀头与待剪枝条相对；

2、第一电机4动作，带动丝杆转动，利用螺纹的作用使套筒和剪切推块向前移动，通过第二斜面与第一斜面的作用，使两刀柄滑块相远离移动，将剪切刀头张开；

3、第二电机11动作，带动丝杠转动，利用螺纹的作用使丝套和剪切装置向前移动，当剪切装置与枝条之间的距离达到合适长度时，第二电机停止运行；

4、枝条进入剪切装置的剪切范围后，第一电机反向转动，套筒拉动剪切推块向后运动，两刀柄滑块在弹簧作用下相靠近运动，剪切刀头闭合，剪切动作完成，剪切时，剪切装置与枝条平行，用弯曲的刀头进行剪切，改善了对叶柄垂直剪切的操作难度，易于从叶柄根部进行修剪。

本发明实现了对茄果类果蔬的剪切式整枝打叶，不仅解决了现有的人工整枝操作存在劳动强度大、效率低下及人力成本高的问题，而且避免了对果蔬枝条的拉扯破坏，进而减少了病虫害传播。

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 (8)

1.一种果蔬整枝打叶机器人，其特征在于：包括行走装置、机械臂装置、安装在机械臂装置执行部上的伸缩装置，以及安装在伸缩装置伸出端的剪切装置；所述剪切装置包括固定于伸缩装置伸出端的旋转底座（12）、位于所述旋转底座前方且与旋转底座固接的剪切框架（2），所述剪切框架（2）上沿左右方向滑接有两刀柄滑块（14），刀柄滑块（14）上固接有延伸至剪切框架前方的剪切刀头（1），两刀柄滑块通过弹簧连接，两刀柄滑块相对的侧面分别为第一斜面，且两第一斜面前端的间距小于后端的间距，两第一斜面之间设有剪切推块（13），剪切推块的两侧面分别为与两第一斜面适配的第二斜面，所述旋转底座上安装有驱动剪切推块前后移动的推动机构。

2.根据权利要求1所述的一种果蔬整枝打叶机器人，其特征在于：所述推动机构包括安装在旋转底座（12）上的第一电机（4）、与第一电机的输出轴固接的丝杆，以及与所述丝杆通过螺纹连接的套筒（3），所述套筒的前端与剪切推块固接。

3.根据权利要求1所述的一种果蔬整枝打叶机器人，其特征在于：机械臂装置的执行部为上下转动的支撑臂（10），所述伸缩装置包括安装在支撑臂上的第二电机（11）、固设在第二电机机体前端的导向柜，以及与第二电机的输出轴传动连接的丝杠，所述丝杠上通过螺纹连接有丝套（5），丝套（5）的前端与旋转底座（12）固接，导向柜上设有平行于丝套轴向的导向槽，丝套侧壁上固设有滑接于导向槽中的导向块。

4.根据权利要求1所述的一种果蔬整枝打叶机器人，其特征在于：机械臂装置包括机械臂底座（7）、执行部和驱动执行部绕横轴转动的第三电机，所述机械臂底座上安装有旋转支撑机构（9）和驱动旋转支撑机构绕竖轴转动的第四电机（8），执行部通过横轴与旋转支撑机构转动连接。

5.根据权利要求1所述的一种果蔬整枝打叶机器人，其特征在于：行走装置包括行走主体（16）、两第一连接板和分别位于两第一连接板后方的两第二连接板，第一连接板的后端通过横向设置的第一铰轴与行走主体铰接，第一连接板上安装有位于第一铰轴前方的第一行走轮，第一连接板还通过第一减震装置与行走主体连接，且第一减震装置位于第一铰轴与第一行走轮轮轴连线的上方；第二连接板的前端通过横向设置的第二铰轴与行走主体铰接，第二连接板上安装有位于第二铰轴后方的第二行走轮，第二连接板还通过第二减震装置与行走主体连接，且第二减震装置位于第二铰轴与第二行走轮轮轴连线的上方。

6.根据权利要求5所述的一种果蔬整枝打叶机器人，其特征在于：两第一连接板和两第二连接板呈矩形分布在行走主体左右两侧，行走主体的左右两侧分别固设有保险横杠，保险横杠上固设有向上延伸的固定板，固定板与同侧的第一减震装置、第二减震装置铰接，保险横杠与同侧的第一连接板、第二连接板铰接。

7.根据权利要求1所述的一种果蔬整枝打叶机器人，其特征在于：剪切刀头的前端设有向上延伸的弯曲刀头，两弯曲刀头相对的侧边设有刀刃。

8.一种使用权利要求1~7任一项果蔬整枝打叶机器人进行的打叶方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）机器人通过行走装置移动至目标位置后，通过第四电机驱动旋转支撑机构旋转，使剪切装置到达需要修整的部分，通过第三电机驱动执行部旋转，调整剪切装置的高度，使剪切刀头与待剪枝条相对；

（2）第一电机动作，带动丝杆转动，利用螺纹的作用使套筒和剪切推块向前移动，通过第二斜面与第一斜面的作用，使两刀柄滑块相远离移动，将剪切刀头张开；

（3）第二电机动作，带动丝杠转动，利用螺纹的作用使丝套和剪切装置向前移动，当剪切装置与枝条之间的距离达到合适长度时，第二电机停止运行；

（4）枝条进入剪切装置的剪切范围后，第一电机反向转动，套筒拉动剪切推块向后运动，两刀柄滑块在弹簧作用下相靠近运动，剪切刀头闭合，剪切动作完成。

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