自动化无刀旋转式水果采摘机及其控制方法与流程

本发明涉及水果采摘技术领域，特别是涉及自动化无刀旋转式水果采摘机及其控制方法。

背景技术：

当今时代，人们对水果的需求量越来越大。日常生活中常吃到的中小型水果，如：苹果、梨等，中国每年的产量就达到2.7亿吨。如果还是用人工采摘，那是绝对供不应求的，因此，人工辅助采摘机器的产生是必要的。若使用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实的损伤，如果人手不够不能及时采摘还会导致经济上的损失。而人工辅助采摘机器能提高劳动生产率，并且还应能长时间续航，对果实果树损伤小，并能适应诸多的环境，除此外，它还易于操作，并使使用者感到舒适，安全性也有了保证。

现有的一些人工辅助采摘上述水果的装置，大多数都是用刀类的工具切割果茎来采摘水果，有极大的可能会损伤果实本身，既减小了工作效率，又造成了果实的浪费。还有很多的人工辅助采摘装置工作性质单一，只能采摘一种或几种同类型的水果，整体用处不是很大。还有就是水果的收集，平常一些辅助装置只能用网兜收集，到一定数量后，整个装置的重量会非常大，造成了接下来操作的不便。如果用大型的机械化水果采摘设备，很容易采摘到不熟的果实且易损坏，占地面积也比较大，成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的是针对以上现有技术中存在的技术缺陷，而提供自动化无刀旋转式水果采摘机及其控制方法，可实现无刀采摘，最大程度上的保护了水果。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

自动化无刀旋转式水果采摘机，包括夹紧机构、旋转伸缩机构、用于锁紧所述夹紧机构的锁紧机构和用于收集水果的收集机构；

所述夹紧机构包括同轴心设置的内筒和外筒、设置在所述内筒内的一受驱动上下移动的u形架和对称设置在所述u形架的两立臂顶端的用于夹取水果的两个夹取片，每一夹取片的底部通过四连杆结构旋转设置在相对应的立臂上，所述u形架底部固定设置一驱动杆，所述驱动杆的底端从所述内筒和外筒的底部穿出，所述内筒和外筒周向侧壁相对应的位置上分别设有供水果穿出的内开孔和外开孔，所述外开孔的外侧连接有供水果滑落的下滑管道；

所述旋转伸缩机构包括旋转杆、固体棒、螺旋杆、轴承、手握杆和用于定位的支杆；所述旋转杆的顶端固定在内筒的底面上以驱动所述内筒旋转，所述驱动杆的底部伸入所述旋转杆内上部，所述固体棒固定设置在所述旋转杆内中上部，所述螺旋杆同轴心设置在所述旋转杆内并且顶端固定在所述固体棒的下表面上、底端与固定设置在所述支杆内部顶端的棘轮啮合连接，所述旋转杆的底部套接在所述支杆的外部，所述手握杆通过轴承与所述旋转杆的下部转动连接，所述外筒通过固定架固定在手握杆上。

所述锁紧机构包括一拉绳和固定在所述固体棒的顶端的弹簧，所述弹簧的底端固定在所述固体棒的上表面上，顶端用于驱动驱动杆上下移动，所述拉绳的一端固定在所述u形架上，另一端穿过所述旋转杆内腔并从形成在所述旋转杆侧壁上的穿孔穿出，所述穿孔设置在所述固体棒的上部；

所述收集机构包括小车和收集箱，所述支杆的底端放置在所述小车的承载面上，所述下滑管道的一端与所述外开孔相连接，另一端延伸至所述收集箱的顶端，所述收集箱通过所述链传动组件设置在小车的承载面上，所述承载面上形成有四个形状相同的轨道，四个所述的轨道呈两排两列对称分布，所述承载面的顶端设有步进电机驱动的链轮，所述链轮位于四个所述轨道的中心位置，所述链传动组件包括传动木板，所述传动木板的中心形成有一环形空腔，所述环形空腔的内壁上固定有弯板链条，所述弯板链条与所述的链轮啮合连接，所述传动木板的上表面用于固定所述收集箱，下表面上固定有四个转动机构，四个转动机构分别适配的在四个所述轨道移动。

在上述技术方案中，所述步进电机受stcc型号的单片机控制，所述滑道的中部装配一与所述单片机通讯连接的光感传感器。

具体的，所述步进电机的步进电机控制器pul-引脚接所述单片机的p2.0口，所述步进电机控制器pul+引脚接单片机的p2.1口，所述步进电机控制器dir+引脚接单片机的p2.3口，所述步进电机控制器dir-引脚接单片机的p2.4口，所述步进电机控制器使能端ena+接单片机的p2.5口，所述步进电机控制器使能端ena-接单片机的p2.6口，所述步进电机控制器的b-b+a-a+端分别和步进电机对应磁极连接，12mhz晶振与电容搭建时钟电路连接所述单片机的xtal1和xtal2口提供时钟信号，电阻、电容和按钮开关组成复位电路与所述单片机的rst端相连接，所述光感传感器的do数字信号传输口连接所述单片机的p3.2口。

在上述技术方案中，所述小车上设有固定所述下滑管道下部的固定架。

在上述技术方案中，所述转动机构为牛眼轴承。

在上述技术方案中，所述下滑管道采用螺纹管，所述螺纹管内壁上贴合有管道棉。

在上述技术方案中，所述支杆的底端通过三脚架放置在所述小车的承载面上，三脚架本身质量轻便，方便移动位置，大大增加了整个装置的灵活性。

在上述技术方案中，夹取片的底部通过第一转轴与所述u形架的顶端转动连接，所述u形架的中上部通过第二转轴与下连杆的一端转动连接，所述下连杆的另一端通过第三转轴与上连杆的一端转动连接，所述上连杆的另一端通过第四转轴与所述夹取片的外侧壁的中部转动连接，所述内筒的顶端边缘位置形成有用于支撑所述下连杆的缺口。

在上述技术方案中，所述内筒内还固定设有用于将水果输送至所述内开孔的导向轨道，所述导向轨道为固定装配在所述内筒内的两平行设置的导向杆，所述导向杆的两端对应固定在所述内筒的周向内壁上。

在上述技术方案中，所述夹取片的内侧粘有海绵保护垫。

在上述技术方案中，所述拉绳的末端固定有一铁钩，所述手握杆的不同高度上开设有多个用于固定所述铁钩的孔。

本发明的另一方面，还包括所述自动化无刀旋转式水果采摘机的控制方法，包括以下步骤，启动步进电机控制器，启动光感传感器，检测是否有苹果经过，如果未检测到有苹果经过的信号，则确认光感传感器状态，如果确认有苹果经过，则启动步进电机，然后确认步进电机是否转过固定角度，如果没有，再次启动电机，如果确认转过固定角度，则电机停止。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明可实现无刀采摘，最大程度上的保护了水果，不会造成浪费。

2.结合了可伸缩的特性，增加了采摘的高度，不会漏摘果树上部的果实(果农通过拉枝的方式，调整果树上果实的高度相差不大，尤其对苹果来说，本装置的可伸缩特性可满足需求)。

3.采摘装置容量大，可容纳大部分的中小体型的水果，采摘多种多样的果实，增加了工作的可兼容性。

4.可进行大面积作业，在山区也可操作，适应多种地形。

5.大部分的人工辅助采摘装置都漏掉了收集时对果实的损伤，当水果从高处落下时，极有可能直接砸到地上，对果实造成损害。而本装置的收集装置内设有缓冲减震装置，既保留了操作者的体力，又实现了对果实的保护。

6.操作过程非常简单，不用工作人员进行操作学习即可运作。

7.价格低廉，安全可靠，便于维护保养，不用大成本的去请专业人员维护，真正实现了人工辅助的高效率、低成本采摘。

8.自动化控制，可实现自动装箱，省时省力。

9.夹紧旋转过程手拉控制实现，降低成本，降低装置重量，使其移动操作更加灵活。

附图说明

图1所示为本发明的结构示意图。

图2是夹紧机构的结构示意图。

图3是四连杆结构的结构示意图。

图4内筒的结构示意图。

图5是旋转伸缩机构的结构示意图(省略拉绳)。

图6是小车承载面的结构示意图。

图7是传动木板的机构示意图(省略弯板链条)。

图8是控制系统的电路图。

图9是本发明的控制方法。

图中：

1-u形架，2-夹取片，3-第一转轴，4-第二转轴，5-下连杆，6-第三转轴，7-上连杆，8-第四转轴，9-内筒，10-外筒，11-内开孔，12-外开孔，13-驱动杆，14-旋转杆，15-固体棒，16-螺旋杆，17-轴承，18-手握杆，19-支杆，20-弹簧，21-固定架，22-小车，23-传动木板，24-收集箱，25-下滑管道，26-环形空腔，27-轨道，28-链轮，29-导向杆，30-三脚架。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种自动化无刀旋转式水果采摘机，包括夹紧机构、旋转伸缩机构、用于锁紧所述夹紧机构的锁紧机构和收集机构；

所述夹紧机构包括同轴心设置的内筒9和外筒10、设置在所述内筒9内的一受驱动上下移动的u形架1和对称设置在所述u形架1的两立臂顶端的用于夹取水果的两个夹取片2，每一夹取片2的底部通过四连杆结构旋转设置在相对应的立臂上，所述u形架1底部固定设置一驱动杆13，所述驱动杆13的底端从所述内筒9和外筒10的底部穿出，所述内筒9和外筒10周向侧壁相对应的位置上分别设有供水果穿出的内开孔11和外开孔12，所述外开孔12的外侧连接有供水果滑落的下滑管道25；

所述旋转伸缩机构包括旋转杆14、固体棒15、螺旋杆16、轴承17、手握杆18和用于定位的支杆19；所述旋转杆14的顶端固定在内筒9的底面上以驱动所述内筒9旋转，所述驱动杆13的底部伸入所述旋转杆14内上部，所述固体棒15固定设置在所述旋转杆14内中上部，所述螺旋杆16同轴心设置在所述旋转杆14内并且顶端固定在所述固体棒15的下表面上、底端与固定设置在所述支杆19内部顶端的棘轮啮合连接，所述旋转杆14的底部套接在所述支杆19的外部，所述手握杆18通过轴承与所述旋转杆14的下部转动连接，所述外筒10通过固定架21固定在手握杆18上。

所述锁紧机构包括一拉绳和固定在所述固体棒15的顶端的弹簧20，所述弹簧20的底端固定在所述固体棒15的上表面上，顶端用于驱动驱动杆13上下移动，所述拉绳的一端固定在所述u形架1上，另一端穿过所述旋转杆14内腔并从形成在所述旋转杆14侧壁上的穿孔穿出，所述穿孔设置在所述固体棒15的上部；

所述收集机构包括小车22和收集箱24，所述支杆19的底端放置在所述小车22的承载面上，所述下滑管道25的一端与所述外开孔12相连接，另一端延伸至所述收集箱24的顶端，所述收集箱24通过所述链传动组件设置在小车22的承载面上，所述承载面上形成有四个形状相同的轨道27，四个所述的轨道27呈两排两列对称分布，所述承载面的顶端设有步进电机驱动的链轮28，所述链轮28位于四个所述轨道27的中心位置，所述链传动组件包括传动木板23，所述传动木板23的中心形成有一环形空腔26，所述环形空腔26的内壁上固定有弯板链条，所述弯板链条与所述的链轮28啮合连接，所述传动木板23的上表面用于固定所述收集箱24，下表面上固定有四个转动机构，四个转动机构分别适配的在四个所述轨道27移动。

作为优选方式，所述步进电机通过步进电机控制器与stc89c52型号的单片机电连接，所述步进电机采用24v直流开关电源，所述滑道的中部装配一与所述单片机通讯连接的光感传感器。

具体的，步进电机的步进电机控制器pul-引脚接所述单片机的p2.0口，所述步进电机控制器pul+引脚接单片机的p2.1口，所述步进电机控制器dir+引脚接单片机的p2.3口，所述步进电机控制器dir-引脚接单片机的p2.4口，所述步进电机控制器使能端ena+接单片机的p2.5口，所述步进电机控制器使能端ena-接单片机的p2.6口，所述步进电机控制器的b-b+a-a+端分别和步进电机对应磁极连接，12mhz晶振与电容搭建时钟电路连接所述单片机的xtal1和xtal2口提供时钟信号，电阻、电容和按钮开关组成复位电路与所述单片机的rst端相连接，所述光感传感器的do数字信号传输口连接所述单片机的p3.2口。所述步进电机控制器的型号为士纳s624。

作为优选方式，所述小车22上设有固定所述下滑管道25下部的固定架。

工作方式：

夹紧机构用来夹紧果实，下拉拉绳，u形架1随之向下运动，带动四连杆结构转动，夹紧片的底部旋转，实现夹紧机构的张开与闭合，夹紧片最大摆角为38°，即夹紧装置最大可张开38×2＝76°。

锁紧机构用来锁紧夹紧机构，起到固定作用。锁紧时，向下拉拉绳，拉绳带动所述u形架1向下运动，在四连杆结构的作用下，两个夹取片2相互靠近，将水果抓紧。下拉拉绳时，夹紧机构锁紧，将果实夹紧(同时弹簧20压缩)，当把果实扭下来时，松开拉绳，弹簧20回弹，驱动驱动杆13向上运动，带动u形架1向上运动，夹紧机构的张开张开，准备固定下一次工作。

旋转伸缩机构主要实现对果实扭的动作。由上部分的夹紧机构固定住果实后，再通过螺旋传动将果实扭下来，这样的操作比直接将果实拽下树枝省很多力，且不容易损坏果实的茎。旋转伸缩装置主要由棘轮机构、锁紧机构和螺旋传动控制，棘轮机构和螺旋传动控制旋转伸缩，为能循环往复快速采摘水果，故需手握杆18来回移动，以达到内筒9连续快速旋转。此过程采用棘轮结构原理。为保证棘轮机构能快速啮合并工作，定棘轮齿数为z＝6，齿厚为h＝23mm。具体的，旋转杆和手握杆18通过轴承转动连接，手握杆18上下移动带动旋转杆14上下移动，旋转杆14上下移动带动螺旋杆16上下移动，在棘轮的作用下，螺旋杆16同时发生转动，螺旋杆16转动通过固体棒15带动旋转杆转动，由此实现旋转杆14上下移动并转动(向下移动时，支杆19插入到旋转杆14的长度变长)，从而实现内筒的上下移动和转动，调节所述夹紧机构的高度以适应不同高度的水果。手握杆18向下移动时，内筒转动且向下移动。内筒转动带动夹紧机构转动，扭下来的果实依次通过内开孔11和外开孔12再经由下滑管道25下滑。

当光感传感器感应水果落下时，将信号传递给单片机，通过单片机控制步进电机，使步进电机转动来使得水果被分装，当感应到水果的时候会启动收集装置，完成自动收集过程。具体的，步进电机工作，带动链轮28转动，链轮28带动弯板链条转动，弯板链条通过螺钉固定在所述传动木板23上，传动木板23转动，带动收集箱24转动。光感传感器感应到一水果落下时，驱动步进电机动作一次，步进电机驱动收集箱24转动一个工位，从而实现水果依次落入收集箱24的九个格子内，九个格子为三排三列矩阵分布。

自动化控制过程如下：启动步进电机控制器，启动光感传感器，检测是否有苹果经过，如果未检测到有苹果经过的信号，则确认光感传感器状态，如果确认有苹果经过，则启动步进电机，然后确认步进电机是否转过固定角度，如果没有，再次启动电机，如果确认转过固定角度，则电机停止。

作为优选方式，所述转动机构为牛眼轴承。承重箱子的传动木板23的规格为：330mm×220mm，中部掏空放置链轮链条，因此牛眼轴承体积不宜过大，否则将无法固定在木板上。同时也不宜过小，否则其承载能力会大大下降，造成轴承的损坏。本产品承重能力为30kg，所以最终牛眼轴承的选型为cy—12a。

此型号的牛眼轴承承重能力为10kg，本体重量仅70g，完全符合本装置的承重条件。其高度为15.2mm,最长为47mm，若装置过高则会影响装置运动的轨迹，因此大小体积符合选择要求。工作时运动平面可能会有土和草屑等杂物，此型号的牛眼轴承也可最大程度的容纳这些问题。

收集装置利用弯板链条和链轮的配合实现环形运动，并在上面放收集纸箱随其做环形运动，每次果实下落后旋转一定的角度，使下一个果实可以落到相邻的空格内，此装置可实现果实的整齐摆放装箱过程，更适合在市场中推广应用。

步进电机提供动力，型号为57bygh301，静扭矩为1.2n·m，额定电流为3a,额定电压为24v,电阻/相为1.2欧姆，电感/相为5mh,转子惯量360g·cm²，链传动控制收集箱按固定轨迹移动，牛眼轴承用来减小收集小车与下方轨道的摩擦，使小车行驶顺畅。

外筒高h＝167mm，圆直径φ为154mm，内外筒之间相差2mm，外开孔12半径r为60mm，内筒最高上升50mm即可，u形架1的行程为50mm。

作为优选方式，所述下滑管道25采用螺纹管，所述螺纹管内壁上贴合有管道棉。所述下滑管道25呈螺旋状布置，最大程度的提供给下落水果一个缓冲，降低下落速度，减小伤害。下滑管道25根据果实大小选择内径为120mm的管道棉，根据整体装置最大高度为1.6m，选择长度为1.8m的管道棉。

作为优选方式，所述支杆19的底端通过三脚架30放置在所述小车22的承载面上，三脚架本身质量轻便，行程约为50cm～139cm，方便移动位置，大大增加了整个装置的灵活性。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，对夹紧机构进行进一步的优化。

作为优选方式，夹取片2的底部通过第一转轴3与所述u形架1的顶端转动连接，所述u形架1的中上部通过第二转轴4与下连杆5的一端转动连接，所述下连杆5的另一端通过第三转轴6与上连杆7的一端转动连接，所述上连杆7的另一端通过第四转轴8与所述夹取片2的外侧壁的中部转动连接，所述内筒9的顶端边缘位置形成有用于支撑所述下连杆5的缺口13。

u形架1的中上部、下连杆5、上连杆7和夹取片2的中部至底部的一段，结合第一转轴4-第四转轴8形成四连杆结构。

作为优选方式，所述内筒9内还固定设有用于将水果输送至所述内开孔11的导向轨道。可以让通过旋转拧下来的果实在掉落后可沿着导向轨道按照预定轨迹滚向内开孔11和外开孔12处，从而沿着外部滑道掉落到指定位置。

作为优选方式，所述导向轨道为固定装配在所述内筒9内的两平行设置的导向杆29，所述导向杆的两端对应固定在所述内筒9的周向内壁上。所述导向杆与水平面的夹角为30°。

作为优选方式，所述夹取片2的内侧粘有海绵保护垫，接触果实处粘有海绵，避免对果实的损伤。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上，对锁紧机构进行优化。

所述拉绳的末端固定有一铁钩，所述手握杆18的不同高度上开设有多个用于固定所述铁钩的孔。夹取水果时人手下拉铁钩，当夹紧装置固定好水果之后把铁钩固定在小孔中，即可实现夹紧装置的锁死。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。