一种仿生菠萝采摘机的制作方法

本实用新型属于农作机械领域，涉及一种菠萝采摘设备，具体涉及一种仿生菠萝采摘机。

背景技术：

果蔬采摘机器人的研究始于20世纪60年代的美国，采用的收获方式主要是机械振动式以及气动振动式，其缺点是果实易损，效率不高，现有的果蔬采摘机器人依靠计算机图像处理技术以及人工智能技术进行工作，价格昂贵，维护困难，对劳动力的素质要求极高。这并不适于个体农户生产的需要。相应的人机协作机械装置虽然成本低廉，易操作，易维护，但是对于菠萝这种质量相对较大的水果来说，并不能显着降低农民的劳动量，反而会大大增加果实在采摘过程中受到损害的概率。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了提高菠萝采摘效率，提供了一种仿生菠萝采摘机，可以实现半自动化采摘，大大降低菠萝采摘过程中的人工劳动量，提高采摘效率，减少菠萝采摘过程中的损失。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种仿生菠萝采摘机，包括机架、行走模块、采摘模块和储物模块，所述行走模块用于提供行走功能，机架安装在行走模块上，所述采摘模块安装在机架上，所述储物模块用于存储被采摘模块所采摘的菠萝，其特征在于：

所述采摘模块包括机械爪调整装置和采摘机械爪，所述机械爪调整装置包括升降平台、升降装置、水平移动平台、平移装置和旋转装置，所述升降平台通过升降装置安装在机架上，通过升降装置驱动升降平台在竖直方向升降移动，所述水平移动平台通过平移装置安装在升降平台上，通过平移装置驱动水平移动平台在升降平台上进行前后方向的水平移动，所述采摘机械爪通过旋转装置安装在水平移动平台上，所述旋转装置使得采摘机械爪在夹紧菠萝后进行旋转运动折断。

作为改进，所述升降装置包括定滑轮、动滑轮、绕线轮盘、吊绳、升降电机、锁定舵机以及相互配合的棘轮和棘爪，所述升降平台四周通过直线导轨结构安装在机架的竖直支撑杆上，所述定滑轮安装在机架顶部，动滑轮安装在升降平台上，所述升降电机和锁定舵机均固定安装在机架顶部，所述棘轮和绕线轮盘同轴固定并固定安装在升降电机的输出轴上，吊绳一端与机架顶部相连，另一端绕过定滑轮和动滑轮后固定在绕线轮盘上，所述棘爪固定安装在锁定舵机的输出轴上，通过锁定舵机旋转运动使得棘爪啮合在棘轮上，防止升降平台下滑，或者棘爪与棘轮分开，使得升降平台能自由下滑。

作为改进，所述平移装置为手臂屈伸机构，其包括屈伸连杆一、屈伸连杆二、齿轮三、齿轮四和屈伸电机，所述水平移动平台通过水平方向的导轨滑块结构安装在升降平台上，所述屈伸连杆一的一端铰接在水平移动平台上，另一端固定连接有齿轮三，所述屈伸连杆二的一端设有固定相连的转轴，另一端固定连接有齿轮四，所述转轴通过转动副安装在升降平台上，所述齿轮三和齿轮四啮合安装并且两者的轴通过屈伸连杆三相连，所述屈伸电机固定安装在升降平台上，屈伸电机的输出轴通过齿轮啮合与转轴动力传动相连。

作为改进，所述旋转装置包括齿条、旋转连杆一、旋转驱动齿轮、旋转连杆二和旋转电机，所述齿条通过水平方向的导轨滑块机构安装在水平移动平台上，所述旋转电机固定安装在齿条侧方的水平移动平台上，旋转电机的输出轴与旋转驱动齿轮固定相连，旋转驱动齿轮啮合安装在齿条上，所述旋转连杆二底部通过销轴铰接在水平移动平台上，旋转连杆一的一端与齿条铰接相连，另一端与旋转连杆二中部通过销轴铰接相连，所述采摘机械爪固定安装在旋转连杆二的顶部，通过旋转电机驱动齿条在导轨滑块结构上滑动，齿条滑动通过连杆一带动连杆二绕其铰接点转动，从而带动采摘机械爪做旋转运动。

作为改进，所述采摘机械爪包括弧形爪、盒型外壳、凸轮、齿型锁片、采摘滑块、滑动环、滑动圆管、手爪支座、电动推杆和采摘电机，所述手爪支座通过滑动圆管固定在盒型外壳上，两个弧形爪后端铰接在手爪支座的两端，所述滑动环套装在滑动圆管上，所述采摘滑块设于圆管内且延伸到盒型外壳内，滑动圆管上设有滑槽，所述滑动环通过连接件穿过滑槽与采摘滑块固定相连，滑动环两侧分别通过连杆采摘连杆与弧形爪中部铰接相连，所述凸轮安装在盒型外壳内的采摘滑块端部处，凸轮固定在采摘电机的输出轴上，所述采摘电机和电动推杆分别固定在盒型外壳两侧，所述齿型锁片固定在电动推杆的自由运动端，采摘滑块上设有能与齿型锁片上齿条啮合接触的齿条，所述滑动环与盒型外壳之间还设有复位弹簧，通过采摘电机带动凸轮运动，使得与凸轮接触的采摘滑块在复位弹簧配合作用下做往复运动，从而通过采摘连杆带动两个弧形爪开合运动，所述齿型锁片能在电动推杆推动下，接触采摘滑块上的齿条，锁定采摘滑块的相对位置，从而锁定弧形爪的开度。

作为改进，所述手爪支座前端中部设有触杆，所述触杆上设有接触开关，当接触开关检测到信号后，通过控制器启动采摘电机运动合拢弧形爪，并驱动电动推杆伸出锁定弧形爪。

作为改进，所述行走模块包括车架、驱动装置和转向装置，所述转向装置包括两个转向轮、旋转盘、转向杆和转向电机，两个转向轮分别通过车轮固定架安装在车架前端两侧，车轮固定架通过转轴安装在车架上，车轮固定架上设有与其固定相连的转向连杆，所述转向杆设于车架前方，转向杆两端分别与两个车轮固定架上的转向连杆铰接相连，所述转向杆中部与旋转盘的偏心处铰接相连，旋转盘固定安装在转向电机的输出轴上，转向电机固定在车架上。

作为改进，所述驱动装置由两组行星轮系组成，两组行星轮系通过连接轴对称布置于车架两侧，每组组行星轮系包括两个驱动车轮、行走电机、主动同步带轮和车轮保持架，两个驱动车轮安装在车轮保持架两端底部，每个驱动车轮的轮轴上均设有与之固定相连的从动同步带轮，所述行走电机固定安装在车轮保持架中间顶部，主动同步带轮固定安装在行走电机的输出轴上，主动同步带轮和两个从动同步带轮之间通过同步带相连。

作为改进，所述储物模块包括溜槽和储物篮，所述溜槽安装在升降平台上，随着升降平台运动而运动，所述溜槽末端设有通过转轴铰接相连的橡胶缓冲垫。

作为改进，所述机架由铝型材和角连接件固定安装组成的立体框架。

本实用新型产生的有益效果是：本实用新型仿生菠萝采摘机能有效实现菠萝完美摘取的效果，能有效减少采摘菠萝时所需的劳动力，并在一定程度上降低采摘成本，一定程度上提高采摘的工作效率。

附图说明

图1是本实用新型实施例仿生菠萝采摘机整体结构示意图；

图2是本实用新型实施例中行走模块的转向装置俯视图；

图3是本实用新型实施例中行走模块的转向装置仰视图；

图4是本实用新型实施例中行走模块的驱动装置整体结构示意图；

图5是图4中单边驱动装置行星轮系结构示意图；

图6是本实用新型实施例中升降装置和机架结构示意图；

图7是本实用新型实施例中升降装置和机架俯视图；

图8是图7中升降装置局部示意图；

图9是本实用新型实施例中平移装置结构示意图；

图10是本实用新型实施例中旋转装置结构示意图；

图11是本实用新型实施例中采摘机械爪整体结构示意图；

图12是本实用新型实施例中采摘机械爪内部结构示意图；

图13是本实用新型实施例中储物模块结构示意图。

Ⅰ-机架，Ⅱ-行走模块，Ⅲ-采摘模块，Ⅳ-储物模块，1-八寸脚轮，2-直流电机，3-车轮固定架，4-转向杆，5-转向连杆，6-加固连杆，7-旋转盘，8-6寸车轮，9-850mm皮带，10-XL15同步带轮，11-XL30同步带轮，12-直流电机，13-电机安装平台，14-轮保持架，15-滑轮，16-直流电机，17-升降平台，18-机架顶部平台，19-MGN15C导轨，20-MGN15C滑块，21-舵机，22-棘轮，23-棘爪，24-绕线轮盘，25-齿轮一，26-齿轮二，27-齿轮三，28-SK8光轴支座，29-直流电机，30-屈伸连杆一，31-屈伸连杆二，32-屈伸连杆三，33-水平移动平台，34-MGN12C导轨，35-MGN12C滑块，36-MGN7C导轨，37-MGN7C滑块，38-齿条，39-旋转驱动齿轮，40-直流电机，41-SK8光轴支座，42-旋转连杆一，43-旋转连杆二，44-弧形爪，45-左半弧形管，46-右半弧形管，47-左半方盒，48-右半方盒，49-方盒上盖，50-方盒下盖，51-凸轮，52-齿型锁片，53-采摘滑块，54-电动推杆，55-采摘电机，56-滑动环，57-手爪支座，58-触杆，59-采摘连杆，60-复位弹簧，61-接触开关，62-溜槽，63-储物篮，64-橡胶缓冲垫，65-齿轮四，66-车架，67-电源模块，68-采摘机械爪。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的构造原理、技术手段、工作过程和结构功能便于了解，下面结合附图进一步说明其具体的实施方式。

本实用新型实例中提供一种仿生菠萝采摘机，如图1所示为仿生菠萝采摘机的整机3D模型图。仿生菠萝采摘机包括机架Ⅰ、行走模块Ⅱ、采摘模块Ⅲ和储物模块Ⅳ，所述行走模块Ⅱ用于提供行走功能，机架Ⅰ安装在行走模块Ⅱ上，所述采摘模块Ⅲ安装在机架Ⅰ上，所述储物模块Ⅳ用于存储被采摘模块Ⅲ所采摘的菠萝，行走模块Ⅱ由车架66、驱动装置和转向装置组成，采摘模块Ⅲ包括机械爪调整装置和采摘机械爪68，所述机械爪调整装置包括升降平台17、升降装置、水平移动平台33、平移装置和旋转装置，所述升降平台17通过升降装置安装在机架Ⅰ上，通过升降装置驱动升降平台17在竖直方向升降移动，所述水平移动平台33通过平移装置安装在升降平台17上，通过平移装置驱动水平移动平台33在升降平台17上进行前后方向的水平移动，所述采摘机械爪68通过旋转装置安装在水平移动平台33上，所述旋转装置使得采摘机械爪68在夹紧菠萝后进行旋转运动折断。

如图1和图7所示，所述机架Ⅰ由3030铝型材和角连接件固定安装组成的立体框架，并使用钢板与铝板进行平台的搭建整台机器高960mm，宽500mm，长1200mm。

如图1和图13所示，所述储物模块Ⅳ包括溜槽62和储物篮63，所述溜槽62安装在升降平台17上，随着升降平台17运动而运动，所述溜槽62末端设有通过转轴铰接相连的橡胶缓冲垫64，溜槽62随着升降平台17升降而运动，由于橡胶缓冲垫64是铰接的，因此其能在自身重力作用下始终保持搁置在储物篮63的边框上，可以保证采摘刀溜槽62内的菠萝滑落至储物篮63中。

图2和图3所示，分别是行走模块Ⅱ的转向装置的俯视图和仰视图。转向装置主要由以下构件组成：两个八寸脚轮1，一个直流电机2，两个车轮固定架3，转向杆4，转向连杆5，加固连杆6，旋转盘7。如图所示，整个转向装置左右两部分对称布置在车架66上，故接下来只对其中一边进行详细的概述。八寸脚轮1固定在车轮固定架3上，车轮固定架3通过转轴安装在车架66上，转向连杆5一端与车轮固定通过螺栓固结，另一端与转向杆4铰接相连构成转动副，转向杆4中部设有与之垂直的连接杆，连接杆铰接在旋转盘7的偏心处，旋转盘7中心与直流电机2的输出轴固结。在直流电机2的驱动下，旋转盘7转动通过转向杆4和转向连杆5将最终使两个八寸脚轮1转动，起到转向的作用。

如图4和图5所示，所述行走模块Ⅱ的驱动装置由两组行星轮系组成，两组行星轮系通过连接轴关于车架66左右对称布置，每组行星轮系包括两个6寸车轮8，一根850mm皮带9，一个XL15同步带轮10，两个XL30同步带轮11，一个直流电机12，电机安装平台13，两车轮保持架14。两个驱动车轮安装在车轮保持架14两端底部，每个驱动车轮的轮轴上均设有与之固定相连的XL30同步带轮11，所述电机安装平台13固定安装在车轮保持架14中间顶部，直流电机12固定在电机安装平台13上，XL15同步带轮10固定安装在直流电机12的输出轴上，XL15同步带轮10和两个XL30同步带轮11之间通过850mm皮带9相连。

如图6至图8所示，机械爪调整装置的升降装置由滑轮组机构和棘轮棘爪机构组成，并由以下构件拼接而成：四个滑轮15，一个直流电机16，升降平台17，机架顶部平台18，四根MGN15C导轨19，四个MGN15C滑块20，一个舵机21，一个棘轮22，一个棘爪23，一个绕线轮盘24。四根MGN15C导轨19通过螺栓安装固定在四根竖直的打有孔洞的铝型材上，每一根MGN15C导轨19上都配备有一个MGN15C滑块20，每一个MGN15C滑块20都与升降平台17固定在一起，所以升降平台17可以在竖直方向上自由移动。在升降平台17两侧安装有由两个滑轮15作为动滑轮。另外有两个滑轮15安装在机架顶部平台18底部，作为定滑轮，并且在机架顶部平台18的末端安装有一个直流电机16，绕线轮盘24与棘轮22同轴固定并且通过联轴器固定在该直流电机16上，吊绳一端与机架Ⅰ顶部相连，另一端绕过两个定滑轮和两个动滑轮后固定在绕线轮盘24上，因此在直流电机16带动绕线轮盘24转动时，通过由定滑轮和动滑轮组成的滑轮组的作用，升降平台17可以实现在竖直方向上的移动。在机架顶部平台18上，直流电机16的一侧安装有一个舵机21，在舵机21的输出轴固结一个棘爪23，当升降平台17在绕线轮盘24的作用下到达指定位置时，舵机21控制棘爪23与棘轮22啮合单向锁死，从而有效地防止了升降平台17在重力的作用下下滑的这一问题的出现，当需要升降平台17下降时，通过舵机21带动棘爪23转动与棘轮22分离，升降平台17即可在滑轮组的作用下自由下降。

如图9所示，机械爪调整装置的平移装置主要由手臂屈伸机构来实现。该部分由以下零件和构件组成：齿轮一25(参数为：模数2，齿数18，压力角20度)，齿轮二26(参数为：模数2，齿数26，压力角20度)，齿轮三27(参数为：模数3，齿数12，压力角20度)，齿轮四65(参数为：模数3，齿数12，压力角20度)，四个SK8光轴支座28，直流电机29，屈伸连杆一30，屈伸连杆二31，屈伸连杆三32，水平移动平台33，两根MGN12C导轨34，四个MGN12C滑块35。两根MGN12C导轨34对称水平的安装在升降平台17上，每一根MGN12C导轨34上都安装有两个MGN12C滑块35，四个MGN12C滑块35固定在水平移动平台33的四个角上，所以水平移动平台33可以在沿着MGN12C导轨34的方向在水平面内自由移动。在水平移动平台33的中部末端安装有两个SK8光轴支座28(可固定内径为8mm的光轴)，两个SK8光轴支座28固定住了一个外径为8mm的光轴，该光轴穿过屈伸连杆一30的一端，使屈伸连杆一30与水平移动平台33形成一个转动副。在屈伸连杆一30的另一端安装有一个相对固定的齿轮三27，在升降平台17的末端，即在水平移动平台33的后方安装有两个SK8光轴支座28，同样的这两个SK8光轴支座28固定一根外径为8mm的光轴，该光轴与屈伸连杆二31固定相连，屈伸连杆二31底部设有与该光轴同轴固定相连的齿轮二26，屈伸连杆二31顶部设有与之固定相连的齿轮四65，所述齿轮三27和齿轮四65啮合安装并且两者的轴通过通过转动副安装在屈伸连杆三32的两端，通过屈伸连杆二31来确保这齿轮三27和齿轮四65的中心距始终不变。在安装在升降平台17的SK8光轴支座28的后方安装有一个直流电机29，直流电机29上固定有齿轮一25，齿轮一25与齿轮二26啮合安装。

如图10所示，整个旋转装置安装在水平移动平台33上。旋转装置由以下零部件构成：一根MGN7C导轨36，两个MGN7C滑块37，齿条38(参数为：模数2，长度100mm，压力角20度)，旋转驱动齿轮39(参数为：模数2，齿数12，压力角20度)，一个直流电机40，四个SK8光轴支座41，旋转连杆一42，旋转连杆二43。MGN7C导轨36固定安装在水平移动平台33的左半部分，在MGN7C导轨36上安装有两个MGN7C滑块37，齿条38固定安装在两个MGN7C滑块37上。齿条38与旋转驱动齿轮39按如图10所示的位置啮合安装，旋转驱动齿轮39固定在直流电机40的输出轴上。直流电机40固定安装在MGN7C导轨36侧方的水平移动平台33上，旋转驱动齿轮39在直流电机40的驱动下转动，带动齿条38沿着MGN7C导轨36所在的方向做直线运动。齿条38的右端与旋转连杆一42的一端通过光轴链接构成一个转动副。旋转连杆二43底部通过光轴铰接在SK8光轴支座41上构成转动副，SK8光轴支座41固定水平移动平台33上，旋转连杆一42右端与旋转连杆二43的中部通过光轴构成了转动副，旋转连杆二43上粗下细，采摘机械爪68固定安装在旋转连杆二43顶部，当直流电机40带动旋转驱动齿轮39旋转时，旋转驱动齿轮39带动与其啮合的齿条38在MGN7C导轨36上来回滑动，齿条38来回滑动通过旋转连杆一42带动旋转连杆二43绕其底部的光轴转动，从而带动采摘机械爪68随着旋转连杆二43转动而扭转，掰断夹紧的菠萝。

如图11和图12所示为采摘机械爪68。该采摘机械爪68由以下零部件组成：弧形爪44(本实施例为3D打制作的爪子)，左半弧形管45，右半弧形管46，左半方盒47，右半方盒48，方盒上盖49，方盒下盖50，凸轮51，齿型锁片52，采摘滑块53，电动推杆54，采摘电机55，滑动环56，手爪支座57，触杆58，采摘连杆59，复位弹簧60，接触开关61，采摘电机55。如图11所示，左半方盒47，右半方盒48，方盒上盖49和方盒下盖50可以按照如图11所示的方式通过角件拼接成一个盒型外壳。舵机21安装在左半方盒47的外部，电动推杆54安装在右半方盒48的外部。在采摘电机55上的输出轴上固定安装有凸轮51，在电动推杆54上固结齿型锁片52，采摘滑块53上设有能与齿型锁片52上条形齿啮合接触的齿条38，所述齿型锁片52能在电动推杆54推动下，接触采摘滑块53上的齿条38，锁定采摘滑块53的相对位置，从而锁定弧形爪44的开度。凸轮51和齿型锁片52均在方盒内部。在方盒上盖49和方盒下盖50上均有一个位于中心位置且同轴心的圆孔。将左半弧形管45和右半弧形管46的内弧面贴合着方盒上下盖的圆孔进行焊接，最终便能够得到如图12所示的一个带有滑槽的圆管。将采摘滑块53通过连接件穿过滑槽与滑动环56固结，再将滑动环56安装在带有滑槽的圆管上，从而可以使得滑动环56沿着圆管轴向上下滑动。在滑动环56上方的圆管端部固定安装手爪支座57，使得滑动环56只能在方盒上方和手爪支座57之间的圆管上滑动，而不会脱离。滑动环56的两侧均安装由复位弹簧60与方盒上盖49连接在一起，使得滑动环56始终受到一个朝着方盒上盖49方向的拉力，从而使得安装在滑动环56上的采摘滑块53端部与凸轮51接触，构成一个凸轮顶杆机构。这样当凸轮51转动时，滑动环56就会沿着圆管壁上下滑动。两个弧形爪44通过连接轴安装在手爪支座57的两端构成转动副。采摘连杆59一端通过连接轴铰接安装在滑动环56上与滑动环56构成转动副，另一端与弧形爪44中部(远离与手爪支座57铰接点处即可)通过连接轴铰接构成转动副。这样，滑动环56沿着圆管的上下移动就可以实现机械爪的张开闭合。在手爪支座57的中心位置有一个内径为8mm的圆孔，触杆58外径为8mm安装在这个圆孔里。初始状态时，凸轮51将滑动环56顶向远离盒型外壳的方向，此时两个弧形爪44处于打开的状态。当触杆58触碰到菠萝时，触发触杆58上的接触开关61，接触开关61将发出信号，由控制模块控制采摘电机55启动带动凸轮51转动，滑动环56向靠近方盒上盖49的方向滑动，机械爪闭合。在凸轮51完成转动后，电动推杆54将齿型锁片52推出与采摘滑块53啮合，使得滑动环56不会再外力的作用下滑动，达到机械爪锁合的目的。

本实用新型还设有控制模块和电源模块67，所述控制模块接收接触开关61的发出的接触信号，并控制上述所有直流电机、采摘电机55(本实施例中采用舵机)、行走电机以及转向电动的运转，所述电源模块67为上述所有电机供电。

使用时，首先通过行走模块Ⅱ的驱动装置和转向装置带动整个仿生菠萝采摘机到达待采摘菠萝前面，然后通过升降装置调整升降平台17到合适的高度，之后通过平移装置带动采摘机械爪68到达待采摘菠萝处，当采摘机械爪68靠近菠萝过程中，通过采摘电机55带动凸轮51转动，使得两个弧形爪44张开，当菠萝通过触杆58碰触到接触开关61时，启动采摘电机55带动两个弧形爪44合拢，同时启动电动推杆54带动齿型锁片52向前运动，接触到采摘滑块53，通过齿型锁片52和采摘滑块53之间的齿条38啮合，限制采摘滑块53位置，从而将两个弧形爪44开度锁定，此时启动旋转装置的直流电机40，带动齿条38沿着其底部导轨滑动，齿条38通过旋转连杆一42和旋转连杆二43带动采摘机械爪68扭转将菠萝根茎折断，之后启动电动推杆54带动齿型锁片52退回，启动采摘电机55带动凸轮51运动，使得弧形爪44张开，菠萝掉落在溜槽62上，通过溜槽62末端的橡胶缓冲垫64导向流入储物篮63内，如此循环实现菠萝连续采摘，由于橡胶缓冲垫64与溜槽62末端通过销轴铰接，因此在溜槽62随着升降平台17升降过程中，橡胶缓冲垫64始终搁置在储物篮63上，起到导向缓冲作用，当储物篮63装满时，更换储物篮63即可，上述所有电机的启停，既可以手动操作，也可以通过控制模块按照设定顺序操作，所述接触开关61信号既可以通过控制模块控制采摘电机55动作，也可以通过PLC控制器控制采摘电机55动作。