CN110603976B - 番茄枝叶修剪装置及其修剪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于番茄枝叶修剪装置及其修剪方法，属于农用机器人领域。本发明所述装置包括圆盘、夹取机构、剪切机构和外壳。本装置通过直流电机同时带动夹取和修剪机构完成工作；夹取机构通过电机带动两个反向转动齿轮转动，从而带动夹爪反向转动实现对枝叶夹取，同时，刀刃沿安装固定圆盘上的两圆弧型轨道旋转实现剪切。本发明克服了传统剪裁的末端执行器在剪裁枝叶时，枝叶容易晃动的问题，且该装置可靠性高，控制操作简单，效率高，通用性高，不仅适合于番茄的枝叶修剪，也同样适合其他类似农作物的职业修剪，且人工劳动强度小。

Description

番茄枝叶修剪装置及其修剪方法

技术领域

本发明属于农用机器人领域，具体涉及一种番茄枝叶修剪装置，适用于解决番茄枝叶自动化修剪的问题。

背景技术

无论是农作物还是园林植物，都需要定期的修整，而现如今国内的番茄枝叶修剪装置的自动化程度较低，许多自动裁剪番茄枝叶的机械臂结构也比较复杂，且修剪时，目标番茄枝叶容易晃动，进而导致修剪不完全甚至修剪失败，而且修剪之后，无论是草地还是农作物或者树木，都会有许多修剪下来的枝叶，而这些修剪下来的枝叶还必须由人工或者另外的设备进行收集并清理。这使得原本传统的番茄枝叶修剪装置已经不能完全满足现在农业上对于番茄枝叶修剪的需求了。因此，亟需设计一种新的番茄枝叶修剪装置，使其能够同步夹取和修剪两个步骤。

发明内容

本发明的目的在于解决普通的番茄枝叶修剪机在修剪番茄枝叶时无法完成枝叶稳定可靠地修剪的问题，并提供了一种番茄枝叶夹取的装置。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种番茄枝叶修剪装置，其包括圆盘、夹取机构、剪切机构和外壳，所述圆盘边缘沿圆周镂空有两条同心的圆弧形轨道，分别为圆弧形内轨道和圆弧形外轨道，外壳与圆盘底部固定连接；

所述夹取机构包括主动夹爪、从动夹爪、主动齿轮、从动齿轮、主动轴、从动轴和直流电机；所述直流电机的输出轴通过联轴器与主动轴的一端固定连接，主动轴另一端依次穿过主动齿轮端面中心和圆盘偏心处并与圆盘形成转动副，且主动轴另一端与主动夹爪固定连接；所述从动轴一端安装在外壳上并与外壳构成转动副，另一端依次穿过从动齿轮端面中心和圆盘偏心处并与圆盘形成转动副，且从动轴另一端与从动夹爪固定连接；所述主动齿轮与从动齿轮啮合传动连接，主动齿轮和从动齿轮分别通过键与主动轴和从动轴固定连接；所述主动夹爪和从动夹爪在直流电机驱动下切换夹取状态和分开状态；

所述剪切机构包括主动刀片、从动刀片、主动滑杆、从动滑杆、主动套杆、从动套杆，所述主动套杆的一端与主动轴固定连接，另一端与主动滑杆滑动连接，主动滑杆末端与主动刀片的安装部固定连接；所述从动套杆的一端与从动轴固定连接，另一端与从动滑杆滑动连接，从动滑杆末端与从动刀片的安装部固定连接；所述主动刀片和从动刀片分别位于圆盘的两条弧形轨道中并与轨道构成滑动副连接，刀片的刃部伸出圆盘上盘面；所述主动刀片和从动刀片在直流电机驱动下沿两条圆弧形轨道开合，且在所述主动夹爪和从动夹爪处于分开状态下，主动刀片和从动刀片也处于分开位置，在所述主动夹爪和从动夹爪处于夹取状态下，主动刀片和从动刀片的刃部错位重叠，形成剪切状态。

作为优选，所述圆弧形内轨道和圆弧形外轨道所在圆的半径不同，使主动刀片和从动刀片在沿轨道旋转过程中仅错位重叠但互不干涉。

作为优选，所述主动套杆和从动套杆的形式相同，套杆一端开设有用于与轴连接固定的圆柱形连接孔，另一端为矩形空心结构，矩形空心结构的一面开设两条平行滑槽，主动滑杆、从动滑杆分别安装于主动套杆和从动套杆的矩形空心结构中，并通过限位件与所述平行滑槽构成限制脱落的滑动副。

作为优选，所述主动刀片和从动刀片形式相同，均为弧形结构，其刃部设置侧边。

作为优选，所述主动夹爪、从动夹爪形式相同，均为半圆柱体，且在两个半圆柱体处于分开状态时，各自的平面状侧壁相对设置。

作为优选，所述直流电机固定于外壳中部支架上。

作为优选，所述主动刀片与主动夹爪、以及从动刀片与从动夹爪的中心径向夹角均为15°。

本发明的另一目的在于提供一种如上任一所述番茄枝叶修剪装置的修剪方法，步骤如下：

1)***复位：使主动夹爪和从动夹爪、以及主动刀片和从动刀片均处于分开状态；

2)通过机械手臂将修剪装置移动至待剪枝叶处，使主动夹爪和从动夹爪、以及主动刀片和从动刀片分别位于枝叶两侧；

3)控制直流电机工作旋转，通过联轴器和主动轴的作用带动主动齿轮转动，从动齿轮通过与主动齿轮的啮合传动连接随之转动，从而驱动主动夹爪和从动夹爪同步反向转动，两者的间距缩小对待剪枝叶进行夹取；同时，与主动齿轮和从动齿轮连接安装的主动刀片和从动刀片也同步反向旋转，并在待剪枝叶被夹住后使两刀刃错位重叠，实现枝叶剪切；

4)保持主动夹爪和从动夹爪处于夹取状态，通过机械手臂将修剪装置夹取的已剪切枝叶移动到指定位置；

5)控制直流电机反向旋转，从而使主动夹爪和从动夹爪、以及主动刀片和从动刀片随着旋转逐渐分开，将夹取的已剪切枝叶放在指定位置；

6)针对下一处待修剪枝叶，重复上述步骤1)～5)。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

本发明克服了传统剪裁的末端执行器在剪裁枝叶时，枝叶容易晃动的问题，且该装置可靠性高，控制操作简单，效率高，通用性高，不仅适合于番茄的枝叶修剪，也同样适合其他类似农作物的职业修剪，且人工劳动强度小。该装置用于番茄枝叶自动夹取修剪，可以通过固定圆刀片和夹爪的径向夹角为15°，使装置能实现同步夹取和修剪两个步骤的进行。

附图说明

图1为本发明内部结构示意图；

图2为本发明夹爪、刀片结构示意图；

图3为本发明伸缩连杆示意图；

图4为本发明圆盘示意图；

图5为本发明总体示意图；

其中：圆盘1、从动轴2、从动齿轮3、主动齿轮4、主动滑杆51、从动滑杆52、主动套杆61、从动套杆62、主动轴7、联轴器8、直流电机9、从动刀片10、主动夹爪111、从动夹爪112、主动刀片12、圆弧形外轨道13、圆弧形内轨道14、螺孔15、外壳16。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1～图5所示，一种番茄枝叶修剪装置，其包括圆盘1、夹取机构、剪切机构和外壳16，圆盘1边缘沿圆周镂空有两条同心的圆弧形轨道，分别为圆弧形内轨道14和圆弧形外轨道13。圆弧形内轨道14和圆弧形外轨道13所在圆的半径不同，使主动刀片12和从动刀片10在沿轨道旋转过程中仅错位重叠但互不干涉。但两轨道的半径差距不宜过大，以免后续刀片无法贴近。圆盘1上设有若干螺孔15，外壳16与圆盘1底部通过螺钉固定连接。外壳16的作用是包裹夹取机构、剪切机构的部分传动装置。下面对夹取机构、剪切机构的具体结构形式进行详细说明。

其中，夹取机构包括夹爪11(分为主动夹爪111、从动夹爪112)、主动齿轮4、从动齿轮3、主动轴7、从动轴2和直流电机9。直流电机9固定于外壳16中部支架上。直流电机9的输出轴通过联轴器8与主动轴7的一端固定连接，主动轴7另一端依次穿过主动齿轮4端面中心和圆盘1偏心处并与圆盘1形成转动副，且主动轴7另一端穿过圆盘1后与主动夹爪111固定连接，带动主动夹爪111转动。同理，从动轴2一端安装在外壳16上并与外壳16构成转动副，另一端依次穿过从动齿轮3端面中心和圆盘1偏心处并与圆盘1形成转动副，且从动轴2另一端穿过圆盘1后与从动夹爪112固定连接，带动主动夹爪111转动。主动齿轮4与从动齿轮3啮合传动连接，主动齿轮4和从动齿轮3分别通过键与主动轴7和从动轴2固定连接，随轴同步转动。另外，主动轴7、从动轴2上还需要分别固定后续剪切机构中的两个由滑杆5和套杆6组成的伸缩连杆。主动夹爪111和从动夹爪112主要起到对待修剪的枝叶进行夹持的作用，因此其形式需要保证在直流电机9驱动下可以切换夹取状态和分开状态。在本实施例中，如图2所示，主动夹爪111、从动夹爪112形式相同，均为半圆柱体，半圆柱体的底面与轴相连，而侧面分为弧形圆柱面和平面状侧壁两部分。为了保证其能够实现夹取状态和分开状态，在安装时应当保证在两个半圆柱体处于分开状态时，各自的平面状侧壁相对设置，此时两者之间存在一定间距，可以供待修剪枝叶进入；当两个半圆柱体被同步反向旋转时，其弧形圆柱面逐渐靠近，使得两者之间的间距缩小，对待修剪的枝叶进行夹持。因此两个半圆柱体的间距以及柱体半径需要进行合理设计，以满足使用要求。

另外，剪切机构包括主动刀片12、从动刀片10、主动滑杆51、从动滑杆52、主动套杆61、从动套杆62，主动套杆61的一端与主动轴7固定连接，另一端与主动滑杆51滑动连接，主动滑杆51末端与主动刀片12的安装部固定连接。同样的，从动套杆62的一端与从动轴2固定连接，另一端与从动滑杆52滑动连接，从动滑杆52末端与从动刀片10的安装部固定连接。在本实施例中，如图3所示，主动套杆61和从动套杆62的形式相同，套杆一端开设有用于与轴连接固定的圆柱形连接孔，另一端为矩形空心结构，矩形空心结构的一面开设两条平行滑槽，主动滑杆51、从动滑杆52呈矩形块状，分别安装于主动套杆61和从动套杆62的矩形空心结构中，可以在套杆内滑动，进而形成伸缩连杆，伸缩连杆能足够调节刀片与轴之间的长度，保证主动刀片12、从动刀片10即使是偏心安装的也可以被顺利驱动。另外，在伸缩连杆结构中，还需要设计限位件，使得滑杆在滑动过程中不会从套杆上的平行滑槽中脱落。

主动刀片12和从动刀片10分别位于圆盘1的两条弧形轨道中并与轨道构成滑动副连接，刀片的刃部伸出圆盘1上盘面。在本实施例中，主动刀片12和从动刀片10形式相同，均为弧形结构，其刃部设置侧边，两者在靠近时刃部同步贴合形成类似剪刀的剪切状态。

本发明中，主动刀片12和从动刀片10是在直流电机9驱动下沿两条圆弧形轨道开合，因此其开合与主动夹爪111、从动夹爪112的动作是同步的。为了保证该修剪装置能够对待修剪枝叶进行夹持和修剪，圆盘1上各部件的设置位置需要进行合理配置。在主动夹爪111和从动夹爪112处于分开状态下，主动刀片12和从动刀片10也应当处于分开位置，保持一定间距，供待修剪枝叶进入其间。而在主动夹爪111和从动夹爪112被直流电机9驱动逐渐靠近，然后对待修剪枝叶完成夹取的状态下，此时主动刀片12和从动刀片10的刃部也错位重叠，形成剪切状态，对待修剪枝叶进行剪切。但是需要注意的是，夹持和修剪两者并不是完全同步的，最好的方式是先夹持固定，然后再进行修剪。因此，主动刀片12与主动夹爪111、以及从动刀片10与从动夹爪112的中心径向夹角可以都设置为15°，也就是说当主动夹爪111、从动夹爪112已经处于夹持状态时，主动刀片12和从动刀片10的刃部距离重叠位置还有15°的圆心角，两者尚未完全重叠，此时继续驱动两片刀片旋转，即可在保证枝叶被固定的情况下完成修剪，避免出现因晃动导致的修剪失败。

基于上述番茄枝叶修剪装置，本发明还可以提供一种番茄枝叶的修剪方法，其步骤如下：

1)***复位：使主动夹爪111和从动夹爪112、以及主动刀片12和从动刀片10均处于分开状态，提供枝叶进入其间的通道。

2)通过机械手臂将修剪装置移动至待剪枝叶处，使主动夹爪111和从动夹爪112、以及主动刀片12和从动刀片10分别位于枝叶两侧。

3)控制直流电机9工作旋转，通过联轴器8和主动轴7的作用带动主动齿轮4转动，从动齿轮3通过与主动齿轮4的啮合传动连接随之转动，从而驱动主动夹爪111和从动夹爪112同步反向转动，两者的间距缩小对待剪枝叶进行夹取；同时，与主动齿轮4和从动齿轮3连接安装的主动刀片12和从动刀片10也同步反向旋转，并在待剪枝叶被夹住后使两刀刃错位重叠，实现枝叶剪切。此步骤中，优选设置前述的15°的圆心角，保证先夹持固定，然后再进行修剪。

4)保持主动夹爪111和从动夹爪112处于夹取状态，通过机械手臂将修剪装置夹取的已剪切枝叶移动到指定位置。

5)控制直流电机9反向旋转，从而使主动夹爪111和从动夹爪112、以及主动刀片12和从动刀片10随着旋转逐渐分开，将夹取的已剪切枝叶放在指定位置。

6)针对下一处待修剪枝叶，重复上述步骤1)～5)。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种番茄枝叶修剪装置，其特征在于，包括圆盘（1）、夹取机构、剪切机构和外壳（16），所述圆盘（1）边缘沿圆周镂空有两条同心的圆弧形轨道，分别为圆弧形内轨道（14）和圆弧形外轨道（13），外壳（16）与圆盘（1）底部固定连接；

所述夹取机构包括主动夹爪（111）、从动夹爪（112）、主动齿轮（4）、从动齿轮（3）、主动轴（7）、从动轴（2）和直流电机（9）；所述直流电机（9）的输出轴通过联轴器（8）与主动轴（7）的一端固定连接，主动轴（7）另一端依次穿过主动齿轮（4）端面中心和圆盘（1）偏心处并与圆盘（1）形成转动副，且主动轴（7）另一端与主动夹爪（111）固定连接；所述从动轴（2）一端安装在外壳（16）上并与外壳（16）构成转动副，另一端依次穿过从动齿轮（3）端面中心和圆盘（1）偏心处并与圆盘（1）形成转动副，且从动轴（2）另一端与从动夹爪（112）固定连接；所述主动齿轮（4）与从动齿轮（3）啮合传动连接，主动齿轮（4）和从动齿轮（3）分别通过键与主动轴（7）和从动轴（2）固定连接；所述主动夹爪（111）和从动夹爪（112）在直流电机（9）驱动下切换夹取状态和分开状态；

所述剪切机构包括主动刀片（12）、从动刀片（10）、主动滑杆（51）、从动滑杆（52）、主动套杆（61）、从动套杆（62），所述主动套杆（61）的一端与主动轴（7）固定连接，另一端与主动滑杆（51）滑动连接，主动滑杆（51）末端与主动刀片（12）的安装部固定连接；所述从动套杆（62）的一端与从动轴（2）固定连接，另一端与从动滑杆（52）滑动连接，从动滑杆（52）末端与从动刀片（10）的安装部固定连接；所述主动刀片（12）和从动刀片（10）分别位于圆盘（1）的两条弧形轨道中并与轨道构成滑动副连接，刀片的刃部伸出圆盘（1）上盘面；所述主动刀片（12）和从动刀片（10）在直流电机（9）驱动下沿两条圆弧形轨道开合，且在所述主动夹爪（111）和从动夹爪（112）处于分开状态下，主动刀片（12）和从动刀片（10）也处于分开位置，在所述主动夹爪（111）和从动夹爪（112）处于夹取状态下，主动刀片（12）和从动刀片（10）的刃部错位重叠，形成剪切状态；

所述主动刀片（12）和从动刀片（10）形式相同，均为弧形结构，其刃部设置侧边；所述主动夹爪（111）、从动夹爪（112）形式相同，均为半圆柱体，且在两个半圆柱体处于分开状态时，各自的平面状侧壁相对设置。

2.根据权利要求1所述的番茄枝叶修剪装置，其特征在于，所述圆弧形内轨道（14）和圆弧形外轨道（13）所在圆的半径不同，使主动刀片（12）和从动刀片（10）在沿轨道旋转过程中仅错位重叠但互不干涉。

3.根据权利要求1所述的番茄枝叶修剪装置，其特征在于，所述主动套杆（61）和从动套杆（62）的形式相同，套杆一端开设有用于与轴连接固定的圆柱形连接孔，另一端为矩形空心结构，矩形空心结构的一面开设两条平行滑槽，主动滑杆（51）、从动滑杆（52）分别安装于主动套杆（61）和从动套杆（62）的矩形空心结构中，并通过限位件与所述平行滑槽构成限制脱落的滑动副。

4.根据权利要求1所述的番茄枝叶修剪装置，其特征在于，所述直流电机（9）固定于外壳（16）中部支架上。

5.根据权利要求1所述的番茄枝叶修剪装置，其特征在于，所述主动刀片（12）与主动夹爪（111）、以及从动刀片（10）与从动夹爪（112）的中心径向夹角均为15°。

6.一种根据权利要求1~5任一所述番茄枝叶修剪装置的修剪方法，其特征在于，步骤如下：

1）***复位：使主动夹爪（111）和从动夹爪（112）、以及主动刀片（12）和从动刀片（10）均处于分开状态；

2）通过机械手臂将修剪装置移动至待剪枝叶处，使主动夹爪（111）和从动夹爪（112）、以及主动刀片（12）和从动刀片（10）分别位于枝叶两侧；

3）控制直流电机（9）工作旋转，通过联轴器（8）和主动轴（7）的作用带动主动齿轮（4）转动，从动齿轮（3）通过与主动齿轮（4）的啮合传动连接随之转动，从而驱动主动夹爪（111）和从动夹爪（112）同步反向转动，两者的间距缩小对待剪枝叶进行夹取；同时，与主动齿轮（4）和从动齿轮（3）连接安装的主动刀片（12）和从动刀片（10）也同步反向旋转，并在待剪枝叶被夹住后使两刀刃错位重叠，实现枝叶剪切；

4）保持主动夹爪（111）和从动夹爪（112）处于夹取状态，通过机械手臂将修剪装置夹取的已剪切枝叶移动到指定位置；

5）控制直流电机（9）反向旋转，从而使主动夹爪（111）和从动夹爪（112）、以及主动刀片（12）和从动刀片（10）随着旋转逐渐分开，将夹取的已剪切枝叶放在指定位置；

6）针对下一处待修剪枝叶，重复上述步骤1）~5）。