番茄果實串採摘末端執行器及其採摘方法與流程
2023-05-01 09:28:42
本發明屬於農用機械領域，具體涉及一種果實串採摘機械手的專用末端執行器。
背景技術：
番茄是日常生活中常見的蔬菜水果，也是世界範圍內番茄是栽培最廣、消費量最大的蔬菜作物，實現番茄全程機械化作業具有重要意義。當前，雖然番茄的種植有一定程度的機械化，但鮮食的成番茄收穫環節機械化收穫程度極低，主要人工純手工作業完成，勞動強度高、效率低，採摘成本高，也影響番茄的種植效益。目前已開展番茄採摘機械手的研究，多數研究集中在機械手臂的結構與運動路徑優化，在末端執行器也有一些研究，主要由氣吸式、機械夾取式的果實夾持部件和剪刀等組成，氣吸式、機械夾取式果實夾持部件將單個番茄果實夾住，然後通過執行機構驅動剪刀將果梗切斷，實現單個果實採摘，這類末端執行器一次只能收一個果實，採摘效率低，且直接夾持果實部，易使果實表面損傷，影響後期貯藏。因此，研發一種高效的番茄果實串採摘機械手的專用末端執行器，以提高收穫效率，降低收穫成果並實現番茄及時收穫。
技術實現要素：
為了克服人工採摘番茄果實效率低、成本高等生產問題，以及現有研發階段的氣吸式、機械夾取式果實末端執行器單個收穫生產率低、易損傷果表皮等缺點，本發明提供一種番茄果實串採摘末端執行器，通過由固定夾持臂和活動夾持臂組成的夾持機構夾持整個番茄果實串的主梗，夾持力大小根據主梗直徑與夾持壓力的關係由上位機給定，避免了直接夾持果實造成傷害；完成夾持後，由設於固定夾持臂夾持部的微型凸輪鋸齒刀將主梗切斷，也避免了現在果實採摘末端執行器複雜的執行機構對果實、植株造成的損害，一次可以完成一串番茄的收穫，效果高，整個裝置結構緊湊，提高了操控便捷性和安全可靠性。
本發明解決其技術問題所採取的技術方案是：番茄果實串採摘末端執行器包括包括支架、夾持步進電機、支座、右滑塊、固定夾持臂、超聲波測距傳感器、凸輪鋸齒刀、切割步進電機、彈性墊片、滑軌、活動夾持臂、齒條、齒輪、左滑塊、控制器；夾持步進電機固定在支架後座上表面，夾持步進電機的動力輸出軸穿過機架與齒輪同軸固定連接；兩個支座分別固定在支架前側的兩端,滑軌兩端分別固定安裝在支架上的兩個支座上，左滑塊、右滑塊安裝在滑軌上，左滑塊、右滑塊均與滑軌構成移動副；左滑塊、右滑塊上表面分別與齒條下面固定連接，齒條上表面的齒與齒輪嚙合構成齒輪齒條傳動；活動夾持臂固定於左滑塊前側，固定夾持臂固定於支架前右側，活動夾持臂與固定夾持臂的夾持端在同一水平面上；活動夾持臂與固定夾持臂的夾持端內側均設有彈性墊片，超聲波測距傳感器固定在固定夾持臂內側；切割步進電機豎直固定於固定夾持臂夾持端外側的凹槽內，凸輪鋸齒刀基圓中心與切割步進電機輸出軸固定連接；夾持步進電機、切割步進電機由控制器控制；所述凸輪鋸齒刀基圓半徑與固定夾持臂上切割步進電機輸出穿過的孔中心至固定夾持臂內表面的距離相等，且凸輪鋸齒刀基圓部分無鋸齒、凸出部分設有鋸齒，凸輪鋸齒刀的升程略大於番茄果實串主莖的最大直徑；所述固定夾持臂為「z」字形結構，夾持端外側設有凹槽。
所述番茄果實串採摘末端執行器的採摘方法是：在上位機指令下，當番茄果實串採摘的末端執行機構被移動番茄果實串處，使番茄果實串的主莖位於固定夾持臂、活動夾持臂之間，控制器控制夾持步進電機正向轉動並帶動齒輪轉動，齒輪使齒條向右移動，從而齒條使帶動活動夾持臂向右運動並向固定夾持臂，同時超聲波測距傳感器連續測定固定夾持臂、活動夾持臂之間距離並將距離信號傳輸至控制器，控制器根據上位機獲得的番茄果實串的主莖直徑及穩定夾持所需的變形量判斷超聲波測距傳感器所測距離值達到要求時，夾持步進電機停止轉動，固定夾持臂、活動夾持臂將番茄果實串主莖穩定夾持；然後控制器使切割步進電機轉動，從而帶動凸輪鋸齒刀轉動，當凸輪鋸齒刀的鋸齒與番茄果實串主莖接觸後，番茄果實串主莖被凸輪鋸齒刀的鋸齒切斷，從而實現了番茄果實串與植株的穩定分離；當番茄果實串採摘的末端執行機構被移動至果實收集處，控制器控制夾持步進電機反轉，活動夾持臂反向橫移，果實串落入收集箱；然後控制器控制夾持步進電機使活動夾持臂復位並與固定夾持臂保持設定的距離，控制器控制切割步進電機使凸輪鋸齒刀的基圓部分轉至固定夾持臂內側。
本發明具有的有益效果是：固定夾持臂與活動夾持臂組成夾持機構共同夾持番茄果實串的主果梗，夾持部件不夾持果實，可以防止對果實的損傷；通過旋轉凸輪鋸齒刀切斷主果梗，簡化了剪切裝置複雜的傳動系統，從而避免了對果實和植株的損傷；一次採摘整串果實，極大地提高了採摘效率，整個裝置結構緊湊，工作可靠。
附圖說明
圖1是果實串採摘末端執行器的三維結構圖；
圖2是本發明的俯視圖；
圖3是本發明固定夾持臂的三維結構圖；
圖4是本發明的控制電路圖；
圖中：支架1、夾持步進電機2、支座3、右滑塊4、固定夾持臂5、超聲波測距傳感器6、凸輪鋸齒刀7、切割步進電機8、彈性墊片9、滑軌10、活動夾持臂11、齒條12、齒輪13、左滑塊14。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。本發明中各個實施方式的技術特徵在沒有相互衝突的前提下，均可進行相應組合。
如圖1、圖2、圖3所示，本發明包括支架1、夾持步進電機2、支座3、右滑塊4、固定夾持臂5、超聲波測距傳感器6、凸輪鋸齒刀7、切割步進電機8、彈性墊片9、滑軌10、活動夾持臂11、齒條12、齒輪13、左滑塊14、控制器；夾持步進電機2固定在支架1後座上表面，夾持步進電機2的動力輸出軸穿過機架1與齒輪13同軸固定連接；兩個支座3分別固定在支架1前側的兩端,滑軌10兩端分別固定安裝在支架1上的兩個支座3上，左滑塊14、右滑塊4安裝在滑軌10上，左滑塊14、右滑塊4均與滑軌10構成移動副；左滑塊14、右滑塊4上表面分別與齒條12下面固定連接，齒條12上表面的齒與齒輪13嚙合構成齒輪齒條傳動；活動夾持臂11固定於左滑塊14前側，固定夾持臂5固定於支架1前右側，活動夾持臂11與固定夾持臂5的夾持端在同一水平面上；活動夾持臂11與固定夾持臂5的夾持端內側均設有彈性墊片9，超聲波測距傳感器6固定在固定夾持臂5內側；切割步進電機8豎直固定於固定夾持臂5夾持端外側的凹槽內，凸輪鋸齒刀7基圓中心與切割步進電機8輸出軸固定連接；夾持步進電機2、切割步進電機8由控制器控制。所述凸輪鋸齒刀7基圓半徑與固定夾持臂5上切割步進電機8輸出穿過的孔中心至固定夾持臂內表面的距離相等，且凸輪鋸齒刀7基圓部分無鋸齒、凸出部分設有鋸齒，凸輪鋸齒刀7的升程略大於番茄果實串主莖的最大直徑；所述固定夾持臂5為「z」字形結構，夾持端外側設有凹槽。上位機、超聲波測距傳感器6及各步進電機連接控制器，控制器接收上位機和超聲波測距傳感器6傳輸的數據後，控制步進電機動作。
番茄果實串採摘末端執行器的採摘方法是：在上位機指令下，當番茄果實串採摘的末端執行機構被移動番茄果實串處，使番茄果實串的主莖位於固定夾持臂5、活動夾持臂11之間，控制器控制夾持步進電機2正向轉動並帶動齒輪13轉動，齒輪13使齒條12向右移動，從而齒條12使帶動活動夾持臂11向右運動並向固定夾持臂5，同時超聲波測距傳感器6連續測定固定夾持臂5、活動夾持臂11之間距離並將距離信號傳輸至控制器，控制器根據上位機獲得的番茄果實串的主莖直徑及穩定夾持所需的變形量判斷超聲波測距傳感器6所測距離值達到要求時，夾持步進電機2停止轉動，固定夾持臂5、活動夾持臂11將番茄果實串主莖穩定夾持；然後控制器使切割步進電機8轉動，從而帶動凸輪鋸齒刀7轉動，當凸輪鋸齒刀7的鋸齒與番茄果實串主莖接觸後，番茄果實串主莖被凸輪鋸齒刀7的鋸齒切斷，從而實現了番茄果實串與植株的穩定分離；當番茄果實串採摘的末端執行機構被移動至果實收集處，控制器控制夾持步進電機2反轉，活動夾持臂11反向橫移，果實串落入收集箱；然後控制器控制夾持步進電機2使活動夾持臂11復位並與固定夾持臂5保持設定的距離，控制器控制切割步進電機8使凸輪鋸齒刀7的基圓部分轉至固定夾持臂5內側。
以上所述的實施例只是本發明的一種較佳的方案，然其並非用以限制本發明。有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。因此凡採取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護範圍內。