一种无损伤式果蔬采摘装置制造方法
【专利摘要】本实用新型是一种无损伤式果蔬采摘装置，包括驱动装置、保护装置、抓取装置和切割装置，抓取装置安装在保护装置内部，切割装置固定在保护装置外端，驱动装置安装在保护装置末端，抓取装置能够自由的伸出保护装置外部或收缩回保护装置内部；抓取装置包括四根两指节的机械手指，可以实现包络抓取，四根腱绳驱动四根手指运动，最后和成为一根，实现手指的均匀受力。切割制造简单小巧，由一根腱绳带动，轻便不占空间，可以实现安全的切割，不会对周围果蔬或枝叶造成损坏。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种载有保护装置的果蔬采摘机械装置，属于农业收获设备领 域。 一种无损伤式果蔬采摘装置
【背景技术】
[0002] 随着农业领域的发展，农作物的年产量日益增多，由于收货时间受到限制，致使 很多果蔬得不到安全的采摘，收货方面所面临的压力越来越大，为了提高农作物的收货效 率，减少农民的工作量，进入21世纪我国加快研究智能收货机械的步伐，到目前为止，农作 物的收货方式越来越多样化，各种各样的农业机器人应运而生，很多产品已经应用于实际 工作中，不过，同样也存在着许多难以解决的问题，农业收货并没有实现真正的机械化，首 先就是采摘的单一性，由于果蔬的差异很大，造成采摘机械的使用受到限制，末端执行器的 成本通常都比较高，农民朋友承担不了如此高昂的成本，因此不便于推广，其次，现在的采 摘机械手在采摘过程中容易损伤果实，造成了大量的浪费，降低了农民的收入，因此，设计 一种采摘多样性果蔬且采摘过程中保护果蔬的末端执行器具有很大的发展前景。
【发明内容】
[0003] 发明目的
[0004] 本实用新型提供一种无损伤式果蔬采摘装置，其目的是解决农业采摘过程对果蔬 造成的大量损伤问题。
[0005] 技术方案
[0006] -种无损伤式果蔬采摘装置，主要由驱动装置、保护装置、抓取装置、切割装置构 成，其特征在于：抓取装置安装在保护装置内部，切割装置固定在保护装置外端，驱动装置 安装在保护装置末端，抓取装置能够自由的伸出保护装置外部或收缩回保护装置内部。
[0007] 驱动装置包括一个大电机和小电机，大电机固定在外端盖上，大电机的输出轴固 定在外螺纹小套筒的小套筒连接轴中，外螺纹小套筒外面套有内螺纹大套筒，内螺纹大套 筒底端固定在机械手掌底部，内螺纹大套筒外侧面设有四个大套筒滑块，保护装置的外套 筒内侧面设有四个与大套筒滑块相适应的滑槽，大套筒滑块能够在滑槽中滑动，大套筒滑 块与抓取装置固定在一起，大电机转动带动大套筒滑块滑动，使抓取装置伸出保护装置外 面。
[0008] 切割装置包括刀片、刀架、第一滑动槽和第二滑动槽，刀架通过第一沉头孔固定在 外套筒的端面，刀片通过连接孔固定在刀架的外侧，使刀片能够绕连接孔旋转，滑柱同时穿 过第一滑动槽和第二滑动槽，滑柱的一侧连接腱绳，腱绳的运动带动滑柱沿着第一滑动槽 和第二滑动槽移动，滑柱带动刀片旋转。
[0009] 抓取装置包括机械手掌、减速器、编码器、四根手指、捏合齿轮、以及传动系统；减 速器和编码器固定于机械手掌底部，减速器与编码器通过捏合齿轮连接在一起，四根手指 位于机械手掌上方；传动系统位于机械手掌内部并将手指与减速器连接，传动系统包括腱 绳、定滑轮架、大锥齿轮和横轴，大锥齿轮套在横轴上，腱绳绕过定滑轮架上的定滑轮缠绕 在横轴的凹槽内。
[0010] 手指由小电机驱动，每根手指上有两个指节：下指节与上指节，上指节与下指节之 间通过螺杆连接，并通过扭簧控制相对角度，机械手掌与果蔬接触的端面设置为内凹的椭 球形。
[0011] 保护装置最外面是外套筒，外套筒的一端由外端盖封闭，大电机固定在外端盖上， 切割装置固定在外套筒的另一端。
[0012] 优点及效果
[0013] 本实用新型提出了一种无损伤式果蔬采摘装置，具有如下优点及有益效果：
[0014] 本实用新型带有的保护装置可以避免采摘过程中果蔬的损坏，可以采摘不同种 类、不同尺寸的果蔬，解决了机械采摘果蔬成功率低的缺陷。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是本实用新型整体外观示意图；
[0016] 图2是本实用新型整体示意图；
[0017] 图3是本实用新型抓取装置内部示意图；
[0018] 图4是本实用新型抓取装置内部示意图；
[0019] 图5是本实用新型抓取装置整体示意图；
[0020] 图6是本实用新型抓取装置整体示意图；
[0021] 图7是本实用新型单根手指示意图；
[0022] 图8是本实用新型单根手指示意图；
[0023] 图9是本实用新型切割装置示意图；
[0024] 图10是本实用新型切割装置示意图；
[0025] 图11是本实用新型整体示意图；
[0026] 图12是本实用新型整体剖视图；
[0027] 图13是本实用新型保护装置内部端面图；
[0028] 图14是本实用新型保护装置内部端面图；
[0029] 图15是本实用新型外螺纹大套筒内部图；
[0030] 图16是本实用新型外螺纹大套筒内部图；
[0031] 图17是本实用新型外套筒内部图；
[0032] 图18是本实用新型外套筒内部图。
[0033] 附图标记说明：
[0034] 1.大电机，2.外端盖，3.外套筒，4.腱绳，5.外螺纹小套筒，6.刀架，7.内螺纹大 套筒，8.小电机，9.减速器，10.电机盖11.捏合齿轮，12.大锥齿轮，13.定滑轮架，14.下 指节，15.上指节，16.刀片，17.第二刀片，18.滑柱，19.第一滑动槽，20.连接孔，21.第二 滑动槽，22.第一沉头孔，23.扭簧卡槽，24.腱绳孔，25.扭簧插孔，26.编码器，27.定位螺 钉，28.机械手掌，29.侧盖，30.第二沉头孔，31.手指，35.横轴，36.螺纹孔，37.大螺纹孔， 38.定位螺孔，39.小锥齿轮，40.轴承，41.定位凸块，42.大套筒滑块，43.小套筒连接轴， 44.滑槽，45.大扭簧，46.小扭簧。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图和具体的实施例对本实用新型做进一步的说明：
[0036] 如图1-图18中所示，本实用新型涉及一种无损伤式果蔬采摘装置，是一种带有保 护装置的抓剪一体式果蔬采摘机械手，主要由驱动装置、保护装置、抓取装置、切割装置构 成；驱动装置安装在保护装置的外套筒3的末端，固定在外端盖2上，抓取装置安装在保护 装置的外套筒3内部，能够自由伸缩(抓取装置能够自由的伸出保护装置外部，也能够自由 收缩到保护装置内部)，切割装置安装在保护装置外套筒3的外端，通过螺钉固定住刀架6， 这样设置的好处是切割装置不会占用额外的工作空间。
[0037] 驱动装置包括一个大电机1和小电机8,大电机1固定在外端盖2上，大电机1的 输出轴固定在外螺纹小套筒5的小套筒连接轴43中，外螺纹小套筒5外面套有内螺纹大套 筒7,内螺纹大套筒7底端固定在机械手掌28底部，内螺纹大套筒7外侧面设有四个大套筒 滑块42,保护装置的外套筒3内侧面设有四个与大套筒滑块42相适应的滑槽44,大套筒滑 块42能够在滑槽中滑动，大套筒滑块42与抓取装置固定在一起，大电机1转动带动大套筒 滑块42滑动，从而实现抓取装置伸出保护装置外面。
[0038] 切割装置包括刀片16、刀架6、第一滑动槽19和第二滑动槽21，刀架6通过第一沉 头孔22固定在外套筒3的端面，刀片16通过连接孔20固定在刀架6的外侧，使刀片能够 绕连接孔旋转，滑柱18同时穿过第一滑动槽19和第二滑动槽21，滑柱18的一侧连接腱绳 4,腱绳4的运动带动滑柱18沿着第一滑动槽19和第二滑动槽21移动，滑柱18带动刀片 16旋转，切断果枝。
[0039] 抓取装置包括机械手掌28、减速器9、编码器26、四根手指31、捏合齿轮11、以及传 动系统；减速器9和编码器26固定于机械手掌28底部，减速器9与编码器26通过捏合齿 轮11连接在一起，四根手指31位于机械手掌上方；传动系统位于机械手掌内部并将手指与 减速器连接，传动系统包括腱绳4、定滑轮架13、大锥齿轮12和横轴35,大锥齿轮12套在横 轴35上，腱绳4绕过定滑轮架13上的定滑轮缠绕在横轴35的凹槽内。
[0040] 手指31由小电机8驱动，每根手指上有两个指节：下指节14与上指节15,上指节 15与下指节14之间通过螺杆连接，并通过扭簧控制相对角度，腱绳拉动四根手指使手指弯 曲，机械手掌28与果蔬接触的端面设置为内凹的椭球形。初始状态时，手指31与机械手掌 28呈垂直状态，手指的最大张角为90度，每根手指由一根腱绳驱动，四根腱绳在机械手掌 内部绕过定滑轮架13连接为一根腱绳，然后绕在横轴35的绕线轮上面，小电机8与减速器 9配合拉动腱绳，捏合齿轮11将减速器9与编码器26连接在一起，编码器实时监测小电机 8所转过的角度。
[0041] 保护装置最外面是外套筒3,属于小臂末端的一部分，外套筒3的一端由外端盖2 封闭，大电机1固定在外端盖2上，外套筒的内径略大于四根手指伸直时抓取装置的最大直 径，切割装置固定在外套筒3的另一端。
[0042] 在果蔬采摘过程中，本实用新型这种无损伤式果蔬采摘装置主要完成四个步骤， 在采摘的初始时刻，抓取装置是伸出在保护装置的外面，在摄像头检测到果蔬后，该装置移 动到果蔬旁边，第一步，由抓取装置接近果蔬，实现对果蔬的包络抓取，待四根手指弯曲实 现稳定抓取后，第一步完成，接着进行第二步，保护装置通过电机的转动带动抓取装置向保 护装置内移动，待抓取装置完全移动到保护装置内以后，第二步完成，紧接着第三步将果蔬 带到果篮中，驱动装置控制电机转动使抓取装置伸出保护装置，第三步完成，最后第四步， 抓取装置通过控制小电机的转动，实现手指的张开。到此，完成了果蔬的完全采摘。
[0043] 具体采摘过程如下：
[0044] 第一步，实现手指对果蔬的包络抓取。如图3-图8所示，在采摘的初始位置，四根 手指31是相互平行的，与机械手掌28成90度角，首先整个机械手掌向着果实的方向移动， 当果实碰到机械手掌28时，机械手掌28内侧的力传感器就会检测到压力，通过反馈系统控 制整个抓取装置停止移动，然后，小电机8带动减速器9转动，减速器输出轴与横轴之间通 过一对啮合锥齿轮(大锥齿轮12和小锥齿轮39)传递动力，通过小锥齿轮39的转动带动横 轴35转动。
[0045] 横轴35绕有一根腱绳，该腱绳另一端连接四根同样的腱绳，这四根腱绳分别向着 机械手掌28上侧方向绕过定滑轮架13上的滑轮，穿过机械手掌28的侧面到达四根手指 31，然后穿过下指节14上的腱绳孔24,最后固定在上指节15的内侧。上指节15与下指节 14之间安装大扭簧45,大扭簧的一端插在扭簧插孔25中，另一端卡在扭簧卡槽23中，下指 节14与机械手掌28之间安装一个小扭簧46,大扭簧45的扭力大于小扭簧46的扭力，这样 做的目的是在手指弯曲时首先弯曲的是下指节14。
[0046] 当小电机8带动横轴35转动时，横轴35拉动腱绳向下移动，手指31受到腱绳的 拉动，由下指节14开始向内弯曲，下指节接触到果实并受到果实的反向阻力，当小扭簧46 弯曲后扭力大于大扭簧45的扭力时，上指节15开始弯曲，当上指节接触到果实后，通过手 指末端的力传感装置检测力的大小，达到所设定的压力范围后，控制电机停止转动，到此， 实现了手指的包络抓取。
[0047] 第二步，手指向保护装置内移动。如图11-图18所示，当确认手指抓取完成后，大 电机1开始转动，大电机1的输出轴与外螺纹小套筒连接轴43固定在一起，外螺纹小套筒 5与内螺纹大套筒7通过螺纹啮合在一起，内螺纹大套筒7的底端通过螺钉固定在手掌28 的下表面，内螺纹大套筒7的外圆柱面设有四个大套筒滑块42,同样的在外套筒3的内圆柱 面开有四个滑槽44,滑槽44与大套筒滑块42配合，实现大套筒滑块42在滑槽44内滑动。
[0048] 当大电机1带动外螺纹小套筒5转动，外螺纹小套筒不能移动，而内螺纹大套筒7 由于大套筒滑块42的原因不能转动，因此，外螺纹小套筒5的转动带动了内螺纹大套筒7 的移动，内螺纹大套筒7与抓取装置固定在一起，从而带动了抓取装置沿着外套筒3的轴线 方向移动，最终使抓取装置缩进了外套筒3里面。
[0049] 弟二步，将果蔬移动到保护装直内后开始对果柄进彳丁切割。如图1、图2、图9、图 10所示，切割装置主要由刀片16、滑柱18、第一滑动槽19、第二滑动槽21、连接孔20、第一 沉头孔22、刀架6构成，刀架6通过第一沉头孔22固定在外套筒3的一端，腱绳4的一端连 接一个独立的电机，另一端固定在滑柱18上，滑柱18两端分别插在第一滑动槽19与第二 滑动槽21中，第一滑动槽19位于刀片上，第二滑动槽21位于刀架6上，连接孔20将刀架 6与刀片16连接在一起，刀片16设置在刀架6的两端，两刀片平行放置。
[0050] 在切割开始阶段，电机拉动腱绳4运动，腱绳4拉动滑柱18沿着第一滑动槽19与 第二滑动槽21共有的空间移动，刀片16以连接孔20为圆心转动，两把刀片相互旋转实现 对整个圆筒的切割。
[0051 ] 第四步放置果实，切断果柄之后，抓取装置将果实放到指定位置。首先移动采摘装 置到指定位置，大电机1逆时针转动带动外螺纹小套筒5转动，进而带动内螺纹大套筒7沿 着外套筒3的轴线方向向外移动，继而带动抓取装置向外移动，当整个抓取装置移动出去 后，大电机1停止转动，驱动装置开始运动，小电机8逆时针转动，带动减速器转动，减速器 9输出轴与编码器26输出轴上均设有捏合齿轮11，通过一对捏合齿轮11将减速器9与编 码器26连接在一起，在抓取过程中，编码器26已经记录了电机8所转过的角度，所以在放 下的过程中，通过编码器26转过相同的角度，四根手指最终转成相互平行状态，实现果实 的放置。
【权利要求】
1. 一种无损伤式果蔬采摘装置，主要由驱动装置、保护装置、抓取装置、切割装置构成， 其特征在于：抓取装置安装在保护装置内部，切割装置固定在保护装置外端，驱动装置安装 在保护装置末端，抓取装置能够自由的伸出保护装置外部或收缩回保护装置内部。
2. 根据权利要求1所述的无损伤式果蔬采摘装置，其特征在于：驱动装置包括一个大 电机（1)和小电机（8)，大电机（1)固定在外端盖（2)上，大电机（1)的输出轴固定在外螺纹 小套筒（5)的小套筒连接轴（43)中，外螺纹小套筒（5)外面套有内螺纹大套筒（7)，内螺纹 大套筒（7 )底端固定在机械手掌（28 )底部，内螺纹大套筒（7 )外侧面设有四个大套筒滑块 (42)，保护装置的外套筒（3)内侧面设有四个与大套筒滑块（42)相适应的滑槽（44)，大套 筒滑块（42)能够在滑槽中滑动，大套筒滑块（42)与抓取装置固定在一起，大电机（1)转动 带动大套筒滑块（42 )滑动，使抓取装置伸出保护装置外面。
3. 根据权利要求1所述的无损伤式果蔬采摘装置，其特征在于：切割装置包括刀片 (16)、刀架（6)、第一滑动槽（19)和第二滑动槽（21)，刀架（6)通过第一沉头孔（22)固定在 外套筒（3)的端面，刀片（16)通过连接孔（20)固定在刀架（6)的外侧，使刀片能够绕连接 孔旋转，滑柱（18)同时穿过第一滑动槽（19)和第二滑动槽（21)，滑柱（18)的一侧连接腱 绳（4)，腱绳（4)的运动带动滑柱（18)沿着第一滑动槽（19)和第二滑动槽（21)移动，滑柱 (18)带动刀片（16)旋转。
4. 根据权利要求1所述的无损伤式果蔬采摘装置，其特征在于：抓取装置包括机械 手掌（28)、减速器（9)、编码器（26)、四根手指（31)、捏合齿轮（11)、以及传动系统；减速器 (9 )和编码器（26 )固定于机械手掌（28 )底部，减速器（9 )与编码器（26 )通过捏合齿轮（11) 连接在一起，四根手指（31)位于机械手掌上方；传动系统位于机械手掌内部并将手指与 减速器连接，传动系统包括腱绳（4)、定滑轮架（13)、大锥齿轮（12)和横轴（35)，大锥齿轮 (12 )套在横轴（35 )上，腱绳（4)绕过定滑轮架（13 )上的定滑轮缠绕在横轴（35 )的凹槽内。
5. 根据权利要求4所述的无损伤式果蔬采摘装置，其特征在于：手指（31)由小电机 (8)驱动，每根手指上有两个指节：下指节（14)与上指节（15)，上指节（15)与下指节（14) 之间通过螺杆连接，并通过扭簧控制相对角度，机械手掌（28)与果蔬接触的端面设置为内 凹的椭球形。
6. 根据权利要求1所述的无损伤式果蔬采摘装置，其特征在于：保护装置最外面是外 套筒（3)，外套筒（3)的一端由外端盖（2)封闭，大电机（1)固定在外端盖（2)上，切割装置 固定在外套筒（3)的另一端。
【文档编号】A01D46/30GK203896767SQ201420331169
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】李欢, 张禹, 刘慧芳 申请人:沈阳工业大学