扭转式坚果采摘机械手和坚果采摘方法与流程

本发明涉及一种扭转式坚果采摘机械手和坚果采摘方法，用于实现对坚果的自动采摘。

背景技术：

在我国核桃、板栗、榛子和银杏等特色林果，己形成了一些特色干果产业化生产基地，经济效益可观。采摘收获约占整个作业量的33％～50％。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低，目前国内水果采摘作业基本上都是人工进行。果实采摘作业季节性强，劳动强度大，费用高，因此保证果实适时、快速采收和降低收获作业费用是果农增收急需解决的问题。

坚果采摘执行器作为坚果采摘机与外界环境互相作用的最后执行部件一直受到研究人员的关注。尤其是在农业机器人研究领域，由于机器人操作对象的特殊性，采摘执行器的研究成为了果实采摘机器人的关键技术之一。

当前美国、法国等国采用振摇采摘机械的结构，一般由单一的定冲程推摇机发展到惯性式振摇机、气力振摇机等多种类型的果园采摘机械。但其摇振方式单一，要使果实从果树树枝上震落，需要产生足够的振动力，往往耗能较大，效率不高，其夹持位置在树干底部，靠近果树根部，由于振动的动力较大，易对果树的根部造成损伤。

检索到的相关坚果摘果的现有专利文献有：

1、cn206461993u,公开了一种红枣采收装置，涉及农产品采收技术领域，包括：晃动装置以及收集装置，晃动装置包括动力部件、传动部件以及用于夹紧枝干的夹紧部件，收集装置可拆卸连接于晃动装置两侧，收集装置为设置有用于容纳枣树主干的孔以及出口的连续曲面，收集装置设置有从孔延伸至收集装置边缘的接缝。

2、cn106664970a,树枝振动式核桃采摘机，主要包括树枝钳、树枝支撑框、树枝钳支架、传振操控杆、可调激振器、激振器总成、调速电机、转速控制器、充电电池和移动台车。树枝钳与树枝支撑框配合可将树枝夹紧，树枝钳的钳柄通过树枝钳支架固定在外推拉杆上端，内推拉杆上端与树枝支撑框下端的连接耳铰接，操纵传振操控杆可控制树枝支撑框准确支撑树枝、树枝钳夹紧和放开，并较好的传递振动，传振操控杆下端安装激振器总成，在可调激振器上装配不同数量、质量的偏心质量块，可得到不同的振动力，通过转速控制器调整调速电机转速可使激振器总成得到不同的振动频率。

3、cn105123120a，公开了一种坚果采摘机械，除机架外还包括一个滑移机构和采摘执行机构，采摘执行机构为旋转主轴上装有载指圆盘，载指圆盘上装有放生采摘指，滑移机构中的滑移块在采摘执行机构作业时，采摘执行机构的旋转与树枝交互作用下，当采摘执行机构遇到强阻力时，滑移块带动整个采摘执行机构沿滑轨向后移动，可避免作业时采摘执行机构卡住；滑移机构通过控制液压缸来控制整个执行装置以及滑移机构倾斜的角度，20度和50度之间任意调控。

现有技术中的机械式采摘设备，主要通过振动的方式进行采摘，使果实脱落，但问题在于振动过程中不仅果树根部容易被振松，而且直接与果实连接的二级枝干很容易在振动过程中将被振断，造成对果树的损害。

技术实现要素：

本发明提供的扭转式坚果采摘机械手和坚果采摘方法，通过夹紧与转矩传递的方式将果实与枝干分离，动力耗能小，不会对果树产生多余的振动，对果树的影响小，而且操作简单，摘采效率高，方便实用，保证采摘过程中枝干不因果实的扯断分离而被同步拉扯断裂，对果树枝干形成有效保护。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

扭转式坚果采摘机械手，包括上端可自动开合的y型电动手柄，其特征在于所述的y型电动手柄上端装有可产生转动扭矩的电动果实扭转组件和与电动果实扭转组件同轴相对且不接触的果实夹紧组件，电动果实扭转组件和果实夹紧组件的外周分别装有枝干夹紧组件，且两个枝干夹紧组件同轴相对设置且弹性接触，电动果实扭转组件和果实紧组件随y型电动手柄的开合而分开或靠近，并带动两个枝干夹紧组件分开或靠近，与果实连接的枝干夹紧在两个枝干夹紧组件之间，果实夹紧在电动果实扭转组件和果实夹紧组件之间，并通过电动果实扭转组件的转动扭矩而与枝干分离，y型电动手柄和果实夹紧组件的动作通过控制键统一协调控制。

优选的，所述的枝干夹紧组件包括弧形夹紧板和固定在弧形夹紧板背面且沿轴向设置的定位导向柱一，所述的弧形夹紧板的圆弧角度在度至度之间，定位导向柱一在弧形夹紧板上均匀间隔分布多个，定位导向柱一上套有压缩的调节弹簧一，定位导向柱一的自由端贯穿在电动果实转动组件或果实夹紧组件上并通过开口销限位，与果实连接的枝干夹紧在两个弧形夹紧板之间，弧形夹紧板用于夹紧枝干的表面固定有橡胶垫。

优选的，所述的电动果实扭转组件包括与y型电动手柄上端连接且呈圆筒形状的扭转侧机架、同轴装在扭转侧机架上的扭转电机、用于夹紧果实并向果实传递转动扭矩的扭转夹紧盘，扭转电机的转动输出轴穿过扭转侧机架与扭转夹紧盘同轴固定，所述的转扭夹紧盘的半径小于扭转侧机架的半径，且扭转夹紧盘与果实夹紧组件同轴相对设置。

优选的，所述的果实夹紧组件包括与y型电动手柄上端连接且呈圆筒形状的夹紧侧机架和夹紧盘，所述的夹紧盘与夹紧侧机架同轴可活动连接，且半径小于夹紧侧机架，夹紧盘与扭转夹紧盘同轴相对设置且不接触，果实被夹紧在扭转夹紧盘和夹紧盘之间。

优选的，所述的夹紧盘与夹紧侧机架相对的一面固定有沿轴向设置的定位导向柱二，且定位导向柱二在夹紧盘上均匀分布多个，定位导向柱二上套有压缩的调节弹簧二，定位导向柱二的自由端贯穿在夹紧侧机架上并通过开口销限位，夹紧盘和扭转夹紧盘用于夹紧果实的表面均固定有橡胶垫。

优选的，所述的y型电动手柄包括中空圆筒柱形状的手持筒、固定在手持筒上端的固定分叉和可活动的装在手持筒上端且与固定分叉形成夹角的摆动分叉，果实夹紧组件与摆动分叉上端固定连接，电动果实转动组件与固定分叉上端固定连接，摆动分叉和固定分叉之间连接有用于带动摆动分叉摆动以增大摆动分叉和固定分叉间夹角的电动偏心轮连接组件和用于带动摆动分叉回摆的回摆弹簧，电动偏心轮连接组件带动摆动分叉摆动，从而带动果实夹紧组件与电动果实扭转组件自动分开，回摆弹簧带动摆动分叉回摆，从而带动电动果实紧组件与果实扭转组件自动靠近。

优选的，所述的电动偏心轮连接组件包括固定在固定分叉上的固定板与固定板活动连接的活动板、装在固定板上的偏心轮和用于驱动偏心轮转动的偏心轮电机，活动板与摆动分叉固连，活动板上具有与偏心轮相对应的接触块，偏心轮电机驱动偏心轮转动，与接触块接触，推动活动板运动，从而使摆动分叉摆动增大摆动分叉和固定分叉间的夹角，并伸拉回摆弹簧。

优选的，所述的回摆弹簧的数量为一至两个，且上下平行设置，所述的电动偏心轮连接组件和电动果实扭转组件分别与安装在手持筒上的控制键电连接。

优选的，所述的电动果实扭转组件和果实紧组件的初始轴向间距~厘米，摆动分叉和固定分叉间的初始夹角为度；y型电动手柄完全打开时，电动果实扭转组件和果实紧组件的轴向间距为~厘米，摆动分叉和固定分叉间的最大打开夹角为度，y型电动手柄的高度为~米。

坚果采摘方法，其特征在于采用以上所述的扭转式坚果采摘机械手进行采摘，手持所述的扭转式坚果采摘机械手置于坚果树旁，首先y型电动手柄自动打开，使电动果实扭转组件和果实紧组件分开以及两个枝干夹紧组件分开，然后将电动果实扭转组件和果实紧组件之间对准果实，两个枝干夹紧组件之间对准与果实连接的枝干，之后电动手柄自动闭合，使电动果实扭转组件和果实紧组件夹紧果实，两个枝干夹紧组件夹紧枝干，然后通过电动果实扭转组件动作产生转去扭矩，使果实与枝干断开分离，最后y型电动手柄再次自动打开果实落下，完成果实的采摘。

本发明的有益效果是：

本发明包括y型电动手柄、电动果实扭转组件、果实夹紧组件和枝干夹紧组件，采摘时通过y型电动手柄的自动开合实现电动果实扭转组件和果实夹紧组件的分开或靠近，从而夹紧果实，通过枝干夹紧组件夹紧与果实连接的二级枝干，并通过电动果实扭转组件产生的转动扭矩使果实与枝干断开分离，从而实现果实的采摘，整个采摘过程对枝干进行夹紧固定，保证采摘过程中枝干不因果实的扯断分离而被同步拉扯断裂，对果树枝干形成有效保护。

通过夹紧与转矩传递的方式将果实与枝干分离，动力耗能小，不会对果树产生多余的振动，对果树的影响小，而且操作简单，摘采效率高，方便实用。

两个枝干夹紧组件同轴相对设置且弹性接触，枝干夹紧组件中的弧形夹紧板上套有调节弹簧一，并在弧形夹紧板上固定橡胶垫，在夹紧枝干时通过橡胶垫将枝干进行柔性夹紧，通过调节弹簧一调节两个枝干夹紧组件的夹紧力，保证在采摘时枝干不被夹伤，提高采摘机械手的使用可靠性。

果实夹紧组件中用调节弹簧二调节果实夹紧组件与果实扭转组件间的夹紧力，防止果实被夹伤，且果实夹紧组件中的夹紧盘和果实扭转组件中的扭转夹紧盘上均固定有橡胶垫，通过橡胶垫夹紧果实，对夹紧的果实起到缓冲作用进行柔性夹紧，即能保证果实不被夹伤，又能保证果实与枝干有效分离，采摘的可靠性高。

附图说明

图1为具体实施方式中扭转式坚果采摘机械手的结构示意图。

图2为电动果实扭转组件、果实夹紧组件和技干夹紧组件的组合结构侧视图。

图3为电动果实扭转组件、果实夹紧组件和技干夹紧组件的组合结构的立体示意图。

图4为y型电动手柄的局部放大示意图。

图5为图1的侧视图。

具体实施方式

下面结合图1至图5对本发明的实施例做详细说明。

扭转式坚果采摘机械手，包括上端可自动开合的y型电动手柄1，其特征在于所述的y型电动手柄1上端装有可产生转动扭矩的电动果实扭转组件2和与电动果实扭转组件2同轴相对且不接触的果实夹紧组件3，电动果实扭转组件2和果实夹紧组件3的外周分别装有枝干夹紧组件4，且两个枝干夹紧组件4同轴相对设置且弹性接触，电动果实扭转组件2和果实紧组件3随y型电动手柄1的开合而分开或靠近，并带动两个枝干夹紧组件4分开或靠近，与果实连接的枝干夹紧在两个枝干夹紧组件4之间，果实夹紧在电动果实扭转组件2和果实夹紧组件3之间，并通过电动果实扭转组件2的转动扭矩而与枝干分离，y型电动手柄1和果实夹紧组件3的动作通过控制键5统一协调控制。

如图所示的扭转式坚果采摘机械手包括y型电动手柄1、电动果实扭转组件2、果实夹紧组件3和枝干夹紧组件4，采摘时通过y型电动手柄1的自动开合实现电动果实扭转组件2和果实夹紧组件3的分开或靠近，从而夹紧果实，两个技干夹紧组件4随电动果实扭转组件2和果实夹紧组件3的分开或靠近而分开或靠近，夹紧与果实连接的二级枝干，并通过电动果实扭转组件产生的转动扭矩使果实与枝干断开分离，从而实现果实的采摘，整个采摘过程对枝干进行夹紧固定，保证采摘过程中枝干不因果实的扯断分离而被同步拉扯断裂，对果树枝干形成有效保护。而且通过夹紧与转矩传递的方式将果实与枝干分离，动力耗能小，不会对果树产生多余的振动，对果树的影响小，而且操作简单，摘采效率高，方便实用。

其中，所述的枝干夹紧组件4包括弧形夹紧板41和固定在弧形夹紧板41背面且沿轴向设置的定位导向柱一42，所述的弧形夹紧板41的圆弧角度在270度至360度之间，定位导向柱一42在弧形夹紧板41上均匀间隔分布多个，定位导向柱一42上套有压缩的调节弹簧一43，定位导向柱一42的自由端贯穿在电动果实转动组件2或果实夹紧组件3上并通过开口销限位，与果实连接的枝干夹紧在两个弧形夹紧板41之间，弧形夹紧板41用于夹紧枝干的表面固定有橡胶垫。如图所示，两块弧形夹紧板41相对设置，在y型支电手柄未打开时，两块弧开夹紧板41是贴合接触的，弧形夹紧板41通过定位导向柱一42与电动果实转动组件2或果实夹紧组件3连接，由于定位导向柱一42的自由端贯穿在电动果实转动组件2或果实夹紧组件3上并通过开口销限，因此弧形夹紧板41相对于电动果实转动组件2或果实夹紧组件3可以沿轴向向定位导向柱一42的一侧移动，被压缩的调节弹簧一43套在定位导向柱一42上给定位导向柱一42一个弹性推力，使两块弧形夹紧板41在接触时为弹性接触，在夹紧枝干时可以通过调节弹簧一43的弹性调节来调节弧形夹紧板41对枝干的夹紧力，保证枝干粗细变化时均能被有效弹性夹紧，且不会由于夹紧力过大而被夹伤，在弧形夹紧板41用于夹紧枝干的表面固定橡胶垫，使枝干夹紧在橡胶垫之间，使橡胶垫与枝干柔性接触，进一步保证枝干不被夹伤，提高采摘机械手的使用可靠性。

其中，所述的电动果实扭转组件2包括与y型电动手柄1上端连接且呈圆筒形状的扭转侧机架21、同轴装在扭转侧机架21上的扭转电机22、用于夹紧果实并向果实传递转动扭矩的扭转夹紧盘23，扭转电机22的转动输出轴穿过扭转侧机架21与扭转夹紧盘23同轴固定，所述的转扭夹紧盘23的半径小于扭转侧机架21的半径，且扭转夹紧盘23与果实夹紧组件3同轴相对设置。扭转侧机架21用于安装扭转电机22，扭转电机22与扭转夹紧盘23连接，通过扭转电机22的驱动带动扭转夹紧盘22转动，在夹紧果实时向果实传递转动扭矩，使果实转动与枝干断开分离，以实现果实的采摘。

其中，所述的果实夹紧组件3包括与y型电动手柄1上端连接且呈圆筒形状的夹紧侧机架31和夹紧盘32，所述的夹紧盘32与夹紧侧机架31同轴可活动连接，且半径小于夹紧侧机架31，夹紧盘32与扭转夹紧盘23同轴相对设置且不接触，果实被夹紧在扭转夹紧盘23和夹紧盘32之间。

所述的夹紧盘32与夹紧侧机架31相对的一面固定有沿轴向设置的定位导向柱二33，且定位导向柱二33在夹紧盘32上均匀分布多个，定位导向柱二33上套有压缩的调节弹簧二34，定位导向柱二33的自由端贯穿在夹紧侧机架31上并通过开口销限位，夹紧盘32和扭转夹紧盘23用于夹紧果实的表面均固定有橡胶垫。

夹紧盘32与扭转夹紧盘23配合夹紧果实，夹紧盘32通过定位导向柱二33的自由端贯穿在夹紧侧机架31上并通过开口销限位，使夹紧盘32能沿轴向向定位导向柱二33一侧移动，被压缩的调节弹簧二34套在定位导向柱二33上，对夹紧盘32施加一个轴向的弹性推力使夹紧盘32和扭转夹紧盘23用于夹紧果实的力为弹性夹紧力，有效防止果实被夹伤，并且通过调节弹簧二34来调节此弹性夹紧力，保证果实大小不同时均能被夹紧盘32和扭转夹紧盘23有效夹紧，夹紧盘32和扭转夹紧盘23用于夹紧果实的表面均固定有橡胶垫，对夹紧的果实起到缓冲作用进行柔性夹紧，提高采摘机械手的使用可靠性和采摘有效性。

其中，所述的y型电动手柄1包括中空圆筒柱形状的手持筒11、固定在手持筒11上端的固定分叉12和可活动的装在手持筒11上端且与固定分叉12形成夹角的摆动分叉13，果实夹紧组件3与摆动分叉13上端固定连接，电动果实转动组件2与固定分叉12上端固定连接，摆动分叉13和固定分叉13之间连接有用于带动摆动分叉12摆动以增大摆动分叉13和固定分叉13间夹角的电动偏心轮连接组件14和用于带动摆动分叉12回摆的回摆弹簧15，电动偏心轮连接组件14带动摆动分叉13摆动，从而带动果实夹紧组件3与电动果实扭转组件2自动分开，回摆弹簧15带动摆动分叉12回摆，从而带动电动果实紧组件3与果实扭转组件2自动靠近。手持筒11用于采摘时手持，通过摆动分叉13的摆动实现电动果实扭转组件2和果实夹紧组件3的分开或靠近，其中电动偏心轮连接组件14用于带动摆动分叉13向外摆，增大摆动分叉与固定分叉间的角度，使电动果实扭转组件2和果实夹紧组件3分开，而回摆弹簧15用于使摆动分叉13向内回摆，使电动果实扭转组件2和果实夹紧组件3靠近，电动果实扭转组件2和果实夹紧组件3一开一合将果实夹紧，并带动枝干夹紧组件4将枝干夹紧。

所述的电动偏心轮连接组件14包括固定在固定分叉12上的固定板14.1与固定板14.1活动连接的活动板14.2、装在固定板14.1上的偏心轮14.3和用于驱动偏心轮14.3转动的偏心轮电机14.4，活动板14.2与摆动分叉13固连，活动板14.2上具有与偏心轮14.3相对应的接触块14.21，偏心轮电机14.4驱动偏心轮14.3转动，与接触块14.21接触，推动活动板14.2运动，从而使摆动分叉13摆动增大摆动分叉13和固定分叉13间的夹角，并伸拉回摆弹簧15。如图所示当偏心轮14.3与接触块14.21接触时，推动活动板14.2运动，从而使摆动分叉13向外摆动，同时由于摆动分叉13的向外摆动使回摆弹簧15拉伸，当偏心轮14.3与接触块14.21分离不接触，回摆弹簧15的弹性恢复力拉动摆动分叉12回摆。从而实现电动果实扭转组件2和果实夹紧组件3分开和靠近。

其中，所述的回摆弹簧15的数量为一至两个，且上下平行设置，提高回摆能力，所述的电动偏心轮连接组件14和电动果实扭转组件3分别与安装在手持筒11上的控制键5电连接。通过控制键5对动偏心轮连接组件14和电动果实扭转组件3的动作进行协调控制，采摘机械手操作便利。

其中，所述的电动果实扭转组件2和果实紧组件3的初始轴向间距1~2厘米，使y型电动手柄完全闭合时，可夹紧小颗粒果实，如枣类的夹紧，摆动分叉13和固定分叉13间的初始夹角为30度；y型电动手柄1完全打开时，电动果实扭转组件2和果实紧组件3的轴向间距为9~11厘米，适应直径较大类果实的夹紧，如核桃果实的夹紧也能在电动果实扭转组件2和果实紧组件3间被有效夹紧。摆动分叉13和固定分叉13间的最大打开夹角为90度，y型电动手柄1的高度为0.8~1.2米，方便手持。

坚果采摘方法，其特征在于采用以上所述的扭转式坚果采摘机械手进行采摘，手持所述的扭转式坚果采摘机械手置于坚果树旁，首先y型电动手柄1自动打开，使电动果实扭转组件2和果实紧组件3分开以及两个枝干夹紧组件4分开，然后将电动果实扭转组件2和果实紧组件3之间对准果实，两个枝干夹紧组件4之间对准与果实连接的枝干，之后电动手柄1自动闭合，使电动果实扭转组件2和果实紧组件3夹紧果实，两个枝干夹紧组件4夹紧枝干，然后通过电动果实扭转组件2动作产生转去扭矩，使果实与枝干断开分离，最后y型电动手柄1再次自动打开果实落下，完成果实的采摘。

以上所述的采摘方法，通过y型电动手柄1的自动开合实现电动果实扭转组件2和果实夹紧组件3的分开或靠近，从而夹紧果实，通过枝干夹紧组件4夹紧与果实连接的二级枝干，并通过电动果实扭转组件3产生的转动扭矩使果实与枝干断开分离，从而实现果实的采摘，整个采摘过程对枝干进行夹紧固定，保证采摘过程中枝干不因果实的扯断分离而被同步拉扯断裂，对果树枝干形成有效保护。通过夹紧与转矩传递的方式将果实与枝干分离，动力耗能小，不会对果树产生多余的振动，对果树的影响小，而且操作简单，摘采效率高，方便实用。

以上结合附图对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。