一种智能花椒采摘机及其工作流程

本发明属于机械及人工智能，尤其是涉及一种智能花椒采摘机及其工作流程。

背景技术：

1、目前我国花椒栽培的主产区在甘肃、陕西、四川、河南、河北、山西和山东等省，在甘肃花椒种植地区，花椒是大部分农户的主要经济来源，同时，随着火锅及众多川菜品牌的流行，花椒作为主要调料，其市场需求与种植产业不断增大。花椒采摘方式以手工为主，采摘工作效率低，花椒生有皮刺，采摘速度慢、难度大、用工多，且因花椒树高度而放弃采摘高处花椒，导致花椒产量大大降低，人工采摘已成为制约花椒产业发展的一个限制因素。且今年来花椒采摘的工价不断攀升，用工费用几乎占了花椒产值的1/3，花椒产业出现了“丰产不丰收”的现象，严重影响了花椒产业的发展。虽然市面上也出现了许多花椒采摘的工具，例如一些手持式的采摘器，但容易伤害枝叶，且自动化程度不高，采摘的效率并未得到大的提升。因此，选择自动化程度高且成本低的工具方法去实施花椒采摘是需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是克服上述技术存在的人力成本投入大、采摘效率低且自动化程度低的缺陷，从而提供一种全自动化、结构新颖实用、使用成本低、控制简便的基于计算机视觉的智能花椒采摘机及其工作流程。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明一方面提供了一种智能花椒采摘机，包括：

4、沿花椒处理方向依次连接并设置于可移动的车体内的花椒采摘系统、一次脱粒系统、花椒输送系统、以及二次脱粒系统；

5、以及位于花椒输送系统与二次脱粒系统之间用于支撑智能花椒采摘机的支撑系统；

6、所述花椒采摘系统包括机械爪上壳体、安装于机械爪上壳体内的机械爪上切刀、与机械爪上壳体一端连接的机械爪连接转轴、通过机械爪连接转轴与机械爪上壳体连接的机械爪下壳体、以及安装于机械爪下壳体内的机械爪下切刀，所述机械爪上切刀与机械爪下切刀构成可开合机械爪，用于采摘花椒；

7、所述一次脱粒系统包括分别位于机械爪上壳体、机械爪下壳体内部的两排机械爪滚刷刀具，在两排机械爪滚刷刀具之间形成位于机械爪上切刀和机械爪下切刀下方并用于处理采摘花椒的一次脱粒通道；

8、所述花椒输送系统包括位于机械爪下壳体下方的机械爪出料口、与机械爪出料口连接机械爪出料口连接管、以及与机械爪出料口连接管连接且用于输送花椒的柔性输运管道，该柔性输运管道可伸缩；

9、所述支撑系统包括与柔性输运管道连接的安装工作台、以及与安装工作台连接且可旋转的万向回转工作台、以及用于支撑万向回转工作台的安装支撑架，所述万向回转工作台可带动性管道及机械臂安装工作台旋转；

10、所述二次脱粒系统包括与安装支撑架连接的二次脱粒外壳体、以及位于二次脱粒外壳体内的若干可滚动地的二次清选滚刷刀具，在若干个二次清选滚刷刀具之间形成处理一次脱粒系统后的二次脱粒通道；

11、工作时，机械爪上切刀与机械爪下切刀配合采摘花椒后，经机械爪滚刷刀具进行一次脱粒，接着由柔性输运管道输送至二次脱粒外壳体，接着再由二次清选滚刷刀具进行二次清选脱粒，即完成。

12、考虑到进行花椒采摘时，机械爪上切刀及机械爪下切刀应该灵活应对各种高度的花椒，采取如下设置将开合机械爪进一步地灵活精准化。

13、进一步地，所述机械爪上壳体包括远离机械爪连接转轴且安装于机械爪上壳体一端的机械爪上切刀安装座、安装在机械爪上切刀安装座上部的机械爪上切刀安装座导向槽、以及安装在机械爪上切刀安装座下部的机械爪上切刀安装槽，所述机械爪上切刀安装在所述机械爪上切刀安装槽内，可沿所述机械爪上切刀安装座导向槽上下滑动；

14、所述机械爪下壳体包括远离机械爪连接转轴且安装于机械爪下壳体一端的机械爪下切刀安装座、以及位于机械爪下切刀安装座下部且用于将机械爪下切刀安装在机械爪下切刀安装座上的机械爪下切刀安装座导向槽，所述机械爪下切刀通过机械爪下切刀安装座导向槽可上下调节；

15、所述机械爪上切刀与机械爪下切刀的相对位置可调节。

16、考虑到如何将采摘的花椒进行处理，在可开合机械爪内部设置若干机械滚刷刀具对花椒进行一次脱粒处理，以及由于不用品种或者可开合机械爪切割的大小不同，将机械爪滚刷刀具可调节设置在机械爪上壳体与机械爪下壳体内，具体采取如下设置：

17、进一步地，所述机械爪上壳体的两侧垂直于机械爪上切刀方向的内壁上还设有滚刷刀具安装支架、用于连接机械爪滚刷刀具的滚刷刀具连接轴、以及位于滚刷刀具连接轴两端的滚刷刀具连接滑块，所述滚刷刀具安装支架垂直于机械爪上切刀方向上设有滚刷刀具滑动凹槽，所述滚刷刀具连接轴通过滚刷刀具连接滑块带动机械爪滚刷刀具在滚刷刀具滑动凹槽上滑动；

18、所述机械爪下壳体内的机械爪滚刷刀具与机械爪上壳体内的设置相同。

19、本发明中，刀具类型可选择更换与实际采摘更为符合的刀具。

20、考虑搭配花椒的大小和成熟度不同，可进行调节柔性管道及机械臂连接卡环，从而调整柔性管道的粗细，以保证采摘的效果和质量。

21、进一步地，所述柔性输运管道上还设有用于固定柔性输运管道的柔性输运管道限位卡环、以及还设有用于控制柔性输运管道的伸缩的机械臂；

22、所述机械臂通过控制柔性输运管道的伸缩带动花椒采摘系统上下移动。

23、为了适应不同高度的花椒树，以及为了适应不同地理环境和气候条件，以满足不同采摘需求，可调节机械臂的伸展长度，及多个机械臂之间的旋转角度，具体采取如下设置。

24、更进一步地，所述机械臂包括用于柔性输运管道连接的若干柔性管道及机械臂连接卡环、位于万向回转工作台上的机械臂支撑底座、位于机械臂支撑底座上的若干机械臂连接调节臂、位于相邻机械臂连接调节臂之间的机械臂连接转轴、以及用于限制机械臂连接调节臂位置的机械臂限位轴套；

25、所述柔性管道及机械臂连接卡环上设有用于锁紧柔性管道及机械臂连接卡环的柔性管道及机械臂连接卡环卡口；

26、所述机械臂连接调节臂内部设有机械臂调节伸缩机构，其用于机械臂支撑的抬升或收缩运动；

27、所述机械臂连接转轴控制机械臂连接调节臂旋转。

28、为了支撑起花椒采摘系统、一次脱粒系统、花椒输送系统，对支撑系统进行进一步设置，将其更好地安装在支撑系统上。

29、进一步地，所述安装支撑架上方还设有用于安装安装工作台的工作台连接输运转轴，所述安装支撑架的底部还设有用于将花椒采摘机安装在车体上的若干花椒采摘机安装支撑固定板。

30、为了提高采摘效率，设置若干花椒采摘系统、一次脱粒系统、花椒输送系统、二次脱粒系统，将其统放置在支撑系统上，具体设置如下。

31、更进一步地，安装支撑架还包括机械爪安装模块外壳、位于机械爪安装模块外壳上表面的若干机械爪安装模块上连接管道、以及若干机械爪安装模块上连接管道对应连接的机械爪安装模块下导引管道；

32、所述机械爪安装模块外壳上还设有用于与若干二次脱粒系统连接的机械爪安装模块安装板，所述机械爪安装模块上连接管道与工作台连接输运转轴连接用于连接若干花椒输送系统，所述机械爪安装模块外壳通过若干机械爪安装模块上连接管道、机械爪安装模块下导引管道连接若干花椒采摘系统、一次脱粒系统、花椒输送系统、二次脱粒系统；

33、所述机械爪安装模块上连接管道上还可加盖机械爪安装模块上连接管道盖进行密封。

34、为了将二次脱粒系统更好地安装在支撑系统下方，采取如下设置。

35、进一步地，所述二次脱粒外壳体内壁平行于二次清选滚刷刀具的一侧分别设有二次脱粒系统侧向导板，其与二次脱粒外壳体内壁呈一定角度用于导入花椒；

36、所述二次脱粒外壳体内垂直于二次脱粒系统侧向导板的两侧还设有用于连接支撑系统的二次脱粒系统安装板。

37、考虑到如何自动采集花椒图像并进行分析和处理、以及根据花椒位置信息控制机械臂移动，实现对花椒的自动化采摘，提高采摘效率，采取如下设置。

38、进一步地，所述花椒采摘系统顶部还设有视觉传感器，所述车体内有与视觉传感器实现通讯的控制器，该控制器具备神经网络模型，用于实现视觉传感器与所反馈的图像内载花椒树的高度与花椒的识别。

39、与本发明相关的驱动定位机构包括：

40、第一驱动定位机构：安装在机械爪连接转轴上，用于控制机械爪连接转轴的转向以及转速，进一步控制机械爪上壳体与机械爪下壳体之前的相对夹角，如工业机器人的关节控制，如abb、fanuc和kuka等品牌的机器人。

41、第二驱动定位机构：安装在滚刷刀具连接轴上，用于控制机械爪滚刷刀具的转向以及转速，如cnc机床的旋转工具头或机械手臂末端的旋转工具。

42、第三驱动定位机构：安装在滚刷刀具连接滑块上，用于控制滚刷刀具连接滑块在滚刷刀具安装支架滚刷刀具滑动凹槽上滑动，以调节机械爪滚刷刀具之间的位置，如3d打印机的移动平台或激光切割机的工作台。

43、第四驱动定位机构：安装在机械臂支撑底座上，用于控制机械臂连接调节臂的位置，联动控制柔性输运管道的相对位置，如医疗机器人，如外科手术机器人的机械臂位置控制。

44、第五驱动定位机构：安装在机械臂连接调节臂上，用于控机械臂连接调节臂的位置及相对的伸缩量，如建筑工地上的伸缩臂式起重机。

45、第六驱动定位机构：安装在机械臂连接转轴上，用于控制机械臂连接调节臂之间的相对转动角度，机器人手臂的多关节旋转控制或天文望远镜的旋转平台。

46、第七驱动定位机构：安装在机械爪上切刀安装座上，用于控制机械爪上切刀在机械爪上切刀安装座导向槽中的伸缩量，如工具或元件的线性移动控制，如自动化生产线上的零件夹持器或切割工具的伸缩，如在数控机床中，刀具夹头的微调位置或在某些机器人末端执行器中用于控制工具的微移。

47、第八驱动定位机构：安装在机械爪下切刀安装座上，用于控制机械爪下切刀在机械爪下切刀安装座导向槽中的伸缩量，调节机械爪上切刀及机械爪下切刀之间的相对位置，工具或元件的线性移动控制，如自动化生产线上的零件夹持器或切割工具的伸缩，如在数控机床中，刀具夹头的微调位置或在某些机器人末端执行器中用于控制工具的微移。

48、第九驱动定位机构：安装在机械爪上切刀安装座上，用于控制机械爪上切刀安装座在机械爪下壳体内部卡槽中的伸缩量，如高精度的注塑机中，用于控制模具内部部分的伸缩或在高精度测试设备中用于控制探头的深度。

49、第十驱动定位机构：安装在万向回转工作台上，用于控制万向回转工作台的转动角度以及伸缩长度，如多轴数控机床的工作台，它可以控制工件在多个方向上的旋转和移动。

50、第十一驱动定位机构：安装在二次清选滚刷刀具的连接轴上，用于控制二次清选滚刷刀具的转向以及转速，如农业设备中的清选滚筒，用于清除杂质或在食品加工中的旋转刷子，用于清洁食品。

51、本发明还提供了一种智能花椒采摘机的工作流程，包括以下流程：

52、s1：视觉传感器捕捉花椒位置，机械臂控制柔性输运管道并以此带动机械爪上切刀与机械爪下切刀采摘花椒，花椒进入机械爪上壳体与机械爪下壳体内部；

53、s2：机械爪滚刷刀具统一方向转动对进入花椒进行一次脱粒；

54、s3：花椒经柔性输运管道进入到二次脱粒外壳体内，二次清选滚刷刀具按不同方向转动对进入花椒进行二次脱粒；

55、s4：收集二次脱粒外壳体底部输出的花椒，即完成。

56、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

57、(1)本发明的花椒采摘机的机械爪采用了双排滚刷式刀具内有两排滚刷，单组排滚刷式刀具的单个刀具之间的间距可调节，刀具类型可选择更换，且上下成组刀具之间刀具的整体相对间距也可以根据实际采摘要求进行调节搭配，可以实现花椒的快速采摘且不会对花椒枝叶造成损伤。

58、(2)本发明的花椒采摘机的机械爪采用了上下切刀可调节的切断设计结构，可根据不同植株的生长情况进行调节。

59、(3)本发明的花椒采摘机可根据花椒的大小和成熟度进行调节柔性管道及机械臂连接卡环，从而调整柔性管道的粗细；以保证采摘的效果和质量。

60、(4)本发明的花椒采摘机可调节机械臂的伸展长度，及多个机械臂之间的旋转角度，该采摘机还可以根据不同地理环境和气候条件进行适当调整，以满足不同采摘需求。

61、(5)本发明的花椒采摘机设计了二次清选系统，二次清选系统结构可进行二次设计，可根据不同的采摘效果进行二次清选，以保证采摘的质量。

62、(6)本发明采用了计算机视觉技术，可以自动采集花椒图像并进行分析和处理，根据花椒位置信息控制机械臂移动，实现对花椒的自动化采摘，大大提高采摘效率。

63、(7)本发明采用了计算机视觉技术，可以对花椒进行识别和分析，精确确定采摘位置和采摘时间，从而避免了采摘不全、破损或者落地等不良影响，改善了传统花椒采摘方式存在着采摘精度不高的问题，很容易造成花椒落地、破损或者采摘不全等情况。

64、(8)本发明降低了采摘成本。传统的花椒采摘方式需要雇佣大量的人力进行采摘，这不仅劳动强度大而且成本高。而本发明采用了计算机视觉技术和自动化控制技术，可以实现对花椒的自动化采摘，减少了人力资源的使用，降低了采摘成本；

65、(9)本发明的应用范围广泛。本发明提供的基于计算机视觉的智能花椒采摘机，可以应用于花椒种植业中，也可以应用于其他农作物的自动化采摘领域。随着农业的现代化进程不断加快，自动化采摘技术将会得到广泛应用。