CN108419521A - 一种新型的苹果采摘及分拣装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种新型的苹果采摘及分拣装置和方法，包括行走苹果筐、伸缩杆组、可转动采摘头、分拣收集机构，行走苹果筐可以在地面上行走，伸缩杆组和行走苹果筐铰接，伸缩杆组末端装有可转动采摘头，行走苹果筐和分拣收集机构固定连接。工作时，将行走苹果筐推到苹果树下，转动伸缩杆组并调节其长度，使其靠近树上的苹果，通过调节可转动采摘头的空间角度来抓取苹果，将其摘下，并送入分拣收集机构，实现对大小苹果的分类收集。该装置利用3UPS并联机构、柔性碗套和气动吸附的机构设计模拟了人手腕和手指协同作用摘取苹果的方式，实现了高效率、无损伤的苹果采摘，适用于对高处生长的且表皮脆弱的水果，如桃子、苹果、梨子等的果园采摘。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的苹果采摘及分拣装置和方法，尤其适合于对高处生长的且表皮脆弱的水果，如桃子、苹果、梨子等的果园采摘。
背景技术
2014年我国苹果种植面积和总产量分别达到222万公顷和3849万吨，均占当年世界总产量的50％，并呈逐年增长趋势，2016年苹果总产量达4380万吨。随着苹果产量的逐年上升，采收时的工作量也将不断上升。
由于采摘机器人的工作环境多变，以非结构环境为主，因此对智能化的要求程度远高于其他领域机器，而高端的采摘机器人虽然好用，但依然存在很多问题，例如，机械手苹果采摘机器抓取会造成苹果表皮以及内部组织损伤。转盘式扫苹果机器，简单粗暴，效率高，但是对于苹果的损伤比较大。美国的Abundant Robotics公司研制出了一种“吸尘器”式采摘机器，体积大，且容易吸入枝叶。这些采摘机器都存在结构复杂、价格昂贵、机体庞大不便携带等缺陷，因此，目前我国苹果采摘大多采用手工采摘的方式进行。但苹果树通常生长旺盛，树冠高大，树高可达15米，栽培条件下一般高3～5米左右，在采摘过程中存在攀爬采摘危险、效率低、采摘范围小、劳动强度大等问题，其采摘费用约占成本的50％～70％，劳动强度和劳动成本较高。而且，由于一般苹果、梨等水果表皮脆弱、柔软，不恰当的采摘极易造成果实表面或内部的损坏，导致新鲜水果在随后的贮运过程中发生腐烂。
因此，市场上急需一款经济实惠、便于操作和携带的小型苹果辅助人工采摘机械装置，以达到减轻果农人体负担、提高工作效率、节能环保以及减小苹果损伤的目的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种新型的苹果采摘及分拣装置和方法。
一种新型的苹果采摘及分拣装置，其特征在于包括行走苹果筐、伸缩杆组、可转动采摘头、分拣收集机构，
伸缩杆组一端和行走苹果筐铰接，伸缩杆组另一端装有可转动采摘头，行走苹果筐和分拣收集机构固定连接；伸缩杆组包括铰接件连接杆；可转动采摘头包括虎克铰、移动副、球铰、动平台、驱动电机、定平台、气阀、气管、柔碗套、吸盘，连接杆通过铰接件和行走苹果筐铰接，连接杆具有伸缩功能，可转动采摘头位于连接杆顶端；若干杆状移动副的一端和定平台侧面以虎克铰连接，若干杆状移动副的另一端以球铰和动平台连接，驱动电机和移动副可驱动连接，柔碗套和动平台固连，气阀连出若干条气管，气管末端与吸盘套接，吸盘均匀固接在柔碗套的壁面上，
优选的，所述的收集分拣机构包括连接架、落苹果管道、管道托架、果叶分离管、风扇、风扇电机、筛板、筛板轴、筛板电机；
连接架的一端和行走收集筐固连，另一端和管道托架固连，管道托架固定支撑落苹果管道，落苹果管道末端接果叶分离管，果叶分离管两端均设有开口，且一端开口大于另一端，风扇和风扇电机安装在筐体上，且风扇正对果叶分离管大口，筛板轴的两端通过轴承固定在筐体上，且一端与筛板电机连接，筛板和筛板轴固连；筛板上开设有圆孔。
优选的，所述的伸缩杆组还包括调节柄、绕线轮、调节绳、收线轮；所述的连接杆由多段杆体组成，调节柄与收线轮相连，收线轮位于连接杆底端，调节绳绕于收线轮和绕线轮之间，绕线轮位于连接杆上，绕线轮转动带动连接杆的多段杆体伸缩。
优选的，行走苹果筐底部有若干轮子，可以在地面上行走。
优选的，所述的柔碗套外壁上设有激光熔断器，当遇到苹果柄较粗，或者有其他大枝叶干扰摘取时，可以配合视觉***采用激光熔断器对果柄进行熔断，辅助摘取。
优选的，所述筛板上的圆孔直径小于大苹果直径但大于小苹果直径。可以通过设置不同圆孔直径的筛选机构筛选出各种大小的苹果，从而起到分拣的功能。
优选的，所述的杆状移动副的数量为3个；所述气管有三条；吸盘个数与气管相同。
本发明还公开了一种所述新型的苹果采摘及分拣装置的采摘及分拣方法，其步骤如下：
1)将行走苹果筐推到苹果树下，控制连接杆伸长或者收缩，使连接在伸缩杆组末端的可转动采摘头到达苹果附近；
2)驱动电机驱动各自的移动副伸缩运动，由于定平台固定在伸缩杆组末端，动平台实现类似人体手腕的灵活转动，固连在动平台上的柔碗套贴合任意形状的苹果；
4)当柔碗套贴合苹果时，气阀打开，吸盘吸气，提供负压，将苹果吸住，然后将伸缩杆组下拉，实现苹果的摘取，
5)可转动采摘头采摘到苹果后，将苹果放入落苹果管道，当苹果到达果叶分离管时，风扇吹出的风可以将苹果中夹杂的散乱枝叶通过小口吹出，而苹果则可以继续从大口落下，风力也可以起到降低苹果落下速度的作用，防止苹果由于速度过大而造成跌落损伤；
6)当苹果落入框内的筛板时，筛板电机通过筛板轴带动筛板上下小幅度摆动，实现筛选运动，筛板上开有直径小于大苹果直径但大于小苹果直径的密集圆孔，大苹果可以停留在筛板上，而小苹果则可以通过筛选落到行走苹果筐内部，从而起到分拣的功能。
本发明的苹果采摘及分拣装置可以实现高效率、无损伤的苹果采摘，本装置利用3UPS并联机构、柔性碗套和气动吸附的机构设计模拟了人手腕和手指协同作用摘取苹果的方式，并采用辅助激光熔断果柄，管道落苹果，风力减速防苹果跌落受损，风力分离苹果和枝叶，筛板筛分不同大小苹果等机械结构，通过声、光、气、电的的结合设计，实现了苹果的摘取、收集、分拣一体化操作，尤其适用于对高处生长的且表皮脆弱的水果，如桃子、苹果、梨子等的果园采摘。
附图说明
图1为本发明苹果采摘及分拣装置的总体示意图；
图2为本发明苹果采摘及分拣装置伸缩杆组的示意图；
图3为本发明苹果采摘及分拣装置可转动采摘头的示意图；
图4为本发明苹果采摘及分拣装置分拣收集机构的上部示意图；
图5为本发明苹果采摘及分拣装置分拣收集机构的下部示意图；
图6为本发明苹果采摘及分拣装置大小苹果筛选的示意图；
图中，行走苹果筐1、伸缩杆组2、可转动采摘头3、分拣收集机构4、铰接件21、调节柄22、绕线轮23、调节绳24、收线轮25、连接杆26、虎克铰31、移动副32、球铰33、动平台34、驱动电机35、定平台36、气阀37、气管38、柔碗套39、激光熔断器310、吸盘311、连接架41、落苹果管道42、管道托架43、果叶分离管44、风扇45、风扇电机46、筛板47、筛板轴48、筛板电机49。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，在本发明的一个具体实施例中，苹果采摘及分拣装置包括行走苹果筐1、伸缩杆组2、可转动采摘头3、分拣收集机构4，行走苹果筐1底部有四个轮子，可以在地面上行走，伸缩杆组2和行走苹果筐1铰接，杆组2末端装有可转动采摘头3，行走苹果筐1和分拣收集机构4固定连接。工作时，将行走苹果筐1推到苹果树下，转动伸缩杆组2并调节其长度，使其靠近树上的苹果，通过调节可转动采摘头3的空间角度来抓取苹果，将其摘下，并送入分拣收集机构4，实现对大小苹果的分类收集。
如图2所示，在本发明的另一个具体实施例中，伸缩杆组2包括铰接件21、调节柄22、绕线轮23、调节绳24、收线轮25、连接杆26，连接杆26通过铰接件21和行走苹果筐1铰接，调节柄22和收线轮25固连，如图2的右侧所示，连接杆26分为数段，调节绳24缠绕在绕线轮23和收线轮25上，并且顺序通过每段连接杆26，工作时，通过调节柄22和收线轮25的顺逆时针旋转实现对调节绳的收放操作，从而带动不同节数的连接杆26实现相应的伸长或者收缩运动，使连接在杆组末端的可转动采摘头3到达苹果附近。
如图3所示，在本发明的另一个具体实施例中，可转动采摘头3包括虎克铰31、移动副32、球铰33、动平台34、驱动电机35、定平台36、气阀37、气管38、柔碗套39、激光熔断器310、吸盘311，三个侧边的杆状移动副32和定平台36侧面以虎克铰31连接，移动副32的另一侧以球铰33和动平台34连接，驱动电机35和移动副32可驱动连接，柔碗套39和动平台34固连，气阀37连出三条气管38，气管末端与三个吸盘311套接，吸盘均匀固接在柔碗套39的壁面上。工作时，驱动电机35驱动各自的移动副32伸缩运动，由于定平台36固定在伸缩杆组2末端，通过三条虎克铰———移动副——球铰的支链复合运动以及合理调整杆长，动平台36可以实现类似人体手腕的灵活转动，因而固连在动平台36上的柔碗套39可以贴合任意形状的苹果，当柔碗套39贴合苹果时，气阀37打开，三个吸盘311吸气，提供极大的负压，将苹果吸住，从而达到类似人类的手指握住苹果的效果，然后将伸缩杆组2下拉，实现苹果的摘取，当遇到苹果柄较粗，或者有其他大枝叶干扰摘取时，可以配合视觉***采用激光熔断器310对果柄进行熔断，辅助摘取。
如图4、5所示，在本发明的一个具体实施例中，收集分拣机构4包括连接架41、落苹果管道42、管道托架43、果叶分离管44、风扇45、风扇电机46、筛板47、筛板轴48、筛板电机49，连接架41的一端和行走收集筐1固连，另一端和管道托架43固连，管道托架43固定支撑落苹果管道42、落苹果管道42末端接果叶分离管44、风扇45和风扇电机46安装在筐体上，且对准果叶分离管44管口，筛板轴48的两端通过轴承固定在筐体上，且一端与筛板电机49连接，筛板47的末端和筛板轴48固连。落苹果管道42和果叶分离管均采用工程树脂制造，质量轻，强度高，工作时，可转动采摘头3采摘到苹果后，旋转平台将苹果放入落苹果管道42，果叶分离管两端都开口，且落苹果一端的开口大于落枝叶的开口，当苹果落入到果叶分离管44时，风扇45转动，由于苹果质量比枝叶大，惯性更大，所以，风扇45吹出的风可以将苹果中夹杂的散乱枝叶通过小口吹出，而苹果则可以继续从大口落下，另外，风力也可以起到降低苹果落下速度的作用，防止苹果由于速度过大而造成跌落损伤，当苹果落入框内的筛板47时，筛板电机49通过筛板轴48带动筛板上下小幅度摆动，实现筛选运动，筛板部分的形状及连接细节如图6所示，筛板47上开有直径小于大苹果直径但大于小苹果直径的密集圆孔，大苹果可以停留在筛板47上，而小苹果则可以通过不断的筛选运动落到第二层筐内，可以通过设置不同圆孔直径的筛选机构筛选出各种大小的苹果，从而起到分拣的功能。
Claims (7)
1.一种新型的苹果采摘及分拣装置，其特征在于包括行走苹果筐(1)、伸缩杆组(2)、可转动采摘头(3)、分拣收集机构(4)，
伸缩杆组(2)一端和行走苹果筐(1)铰接，伸缩杆组(2)另一端装有可转动采摘头(3)，行走苹果筐(1)和分拣收集机构(4)固定连接；
伸缩杆组(2)包括铰接件(21)连接杆(26)；
可转动采摘头(3)包括虎克铰(31)、移动副(32)、球铰(33)、动平台(34)、驱动电机(35)、定平台(36)、气阀(37)、气管(38)、柔碗套(39)、吸盘(311)，
连接杆(26)通过铰接件(21)和行走苹果筐(1)铰接，连接杆(26)具有伸缩功能，可转动采摘头(3)位于连接杆(26)顶端；
若干杆状移动副(32)的一端和定平台(36)侧面以虎克铰(31)连接，若干杆状移动副(32)的另一端以球铰(33)和动平台(34)连接，驱动电机(35)和移动副(32)可驱动连接，柔碗套(39)和动平台(34)固连，气阀(37)连出若干条气管(38)，气管末端与吸盘(311)套接，吸盘均匀固接在柔碗套(39)的壁面上。
2.根据权利要求1所述的新型的苹果采摘及分拣装置，其特征在于所述的收集分拣机构(4)包括连接架(41)、落苹果管道(42)、管道托架(43)、果叶分离管(44)、风扇(45)、风扇电机(46)、筛板(47)、筛板轴(48)、筛板电机(49)；
连接架(41)的一端和行走收集筐(1)固连，另一端和管道托架(43)固连，管道托架(43)固定支撑落苹果管道(42)，落苹果管道(42)末端接果叶分离管(44)，果叶分离管(44)两端均设有开口，且一端开口大于另一端，风扇(45)和风扇电机(46)安装在筐体上，且风扇(45)正对果叶分离管(44)大口，筛板轴(48)的两端通过轴承固定在筐体上，且一端与筛板电机(49)连接，筛板(47)和筛板轴(48)固连；筛板(47)上开设有圆孔。
3.根据权利要求1所述的新型的苹果采摘及分拣装置，其特征在于所述的伸缩杆组(2)还包括调节柄(22)、绕线轮(23)、调节绳(24)、收线轮(25)；所述的连接杆(26)由多段杆体组成，调节柄(22)与收线轮(25)相连，收线轮(25)位于连接杆(26)底端，调节绳(24)绕于收线轮(25)和绕线轮(23)之间，绕线轮(23)位于连接杆(26)上，绕线轮(23)转动带动连接杆(26)的多段杆体伸缩。
4.根据权利要求1所述的新型的苹果采摘及分拣装置，其特征在于所述的柔碗套(39)外壁上设有激光熔断器(310)。
5.根据权利要求1所述的新型的苹果采摘及分拣装置，其特征在于所述筛板(47)上的圆孔直径小于大苹果直径但大于小苹果直径。
6.根据权利要求1所述的新型的苹果采摘及分拣装置，其特征在于所述的杆状移动副(32)的数量为3个；所述气管(38)有三条；吸盘(311)个数与气管相同。
7.一种权利要求1所述新型的苹果采摘及分拣装置的采摘及分拣方法，其特征在于步骤如下：
1)将行走苹果筐(1)推到苹果树下，控制连接杆(26)伸长或者收缩，使连接在伸缩杆组末端的可转动采摘头(3)到达苹果附近；
2)驱动电机(35)驱动各自的移动副(32)伸缩运动，由于定平台(36)固定在伸缩杆组(2)末端，动平台(36)实现类似人体手腕的灵活转动，固连在动平台(36)上的柔碗套(39)贴合任意形状的苹果；
4)当柔碗套(39)贴合苹果时，气阀(37)打开，吸盘(311)吸气，提供负压，将苹果吸住，然后将伸缩杆组(2)下拉，实现苹果的摘取，
5)可转动采摘头(3)采摘到苹果后，将苹果放入落苹果管道(42)，当苹果到达果叶分离管(44)时，风扇(45)吹出的风可以将苹果中夹杂的散乱枝叶通过小口吹出，而苹果则可以继续从大口落下，风力也可以起到降低苹果落下速度的作用，防止苹果由于速度过大而造成跌落损伤；
6)当苹果落入框内的筛板(47)时，筛板电机(49)通过筛板轴(48)带动筛板上下小幅度摆动，实现筛选运动，筛板(47)上开有直径小于大苹果直径但大于小苹果直径的密集圆孔，大苹果可以停留在筛板(47)上，而小苹果则可以通过筛选落到行走苹果筐(1)内部，从而起到分拣的功能。
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