一种适用于高空水果采摘杆的柔性爪的制作方法

本发明属于农林领域，涉及一种水果采摘设备，具体涉及一种适用于高空水果采摘杆的柔性爪，是一种基于连杆滑块平驱机构和棘轮棘爪结构的便捷性水果采摘柔性爪。

背景技术：

近年来，我国人民生活水平日益提升，人们越发追求健康的生活方式，因而各类水果需求量越来越大，由此带来了一系列问题：水果采摘难，特别是不能通过手直接摘到的水果，如苹果、梨等树枝高处的水果。采摘十分不便，耗费大量的人力物力，给各个水果种植户带来许多麻烦。对于国内一些种植苹果的散户来说，国内外全自动化机械采摘机器价格贵、体型大，并不适用。相比较而言，采摘杆操作简单，成本低，便于控制，对国内的水果散户来说更加实用。但目前市场上采摘杆抓取头却存在一些问题：连贯性差、无法进行连续作业；难以适应部分较难掰下来的果实，适应面窄。

技术实现要素：

本发明旨在针对上述现有技术的不足，开发一种适用于高空水果采摘杆的柔性爪。本发明针对于不同类型水果需不同采摘方式的状况，开发一种可更换式的水果采摘柔性爪。传统的水果高空采摘杆采摘水果方式单一，适用面窄；而此柔性爪具有可更换性，可与高空水果采摘杆配合使用，采摘方式灵活性高，更适合应用于中国水果采摘市场。

同时，本发明采用连杆滑块平驱机构，开发一种夹紧平移运动，达到将水果平稳夹紧的目的。因传统采摘头爪子的运动为平面运动，在抓紧苹果时有将水果向外推出的分力，这样就为抓取添加了不确定因素。而此发明爪子的运动为直线平移，能有效平稳地将水果抓紧，优越性更足。

另外，考虑到不同水果的采摘难度不同，本发明采用棘轮棘爪结构，通过发条盒的旋转，带动采摘头旋转。利用旋转的惯性采摘水果，从而适应难掰下来的水果。相比较传统只能靠抓取采摘水果的采摘爪，适应面更广。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于高空水果采摘杆的柔性爪，其特征在于：包括支撑盘、空心轴、支撑限位架、连杆、拉杆、中心移动块和至少两个夹爪，所述支撑盘通过旋转运动副安装在空心轴上，并通过旋转运动驱动装置驱动使得所述支撑盘能绕空心轴旋转，所述支撑限位架固定安装在支撑盘四周，且与夹爪数量向对应，每个支撑限位架上均设有水平滑槽和对应的弧形滑槽，所述夹爪通过轴安装在相应支撑限位架顶部的水平滑槽内，使得所述夹爪可以沿着水平滑槽做相对于支撑盘的向心运动，所述连杆上端与夹爪铰接相连，连杆中部通过轴安装在对应水平滑槽下方的弧形滑槽内，连杆下端与中心移动块铰接相连，所述中心移动块设于支撑盘中心处，并与拉杆顶部固定相连，所述拉杆自由的从空心轴内穿过延伸到空心轴下方，通过拉杆可拉动中心移动块上下运动，进而通过连杆使得每个夹爪向心靠拢或者相背张开，从而实现夹爪开合功能。

作为改进，所述支撑限位架通过支撑杆固定安装在支撑盘上，所述支撑杆上套设有能够自由上下运动的杆套，所述中心移动块通过连接件与杆套固定相连，所述杆套上设有与连杆下端相连的铰接点。

作为改进，所述夹爪有三个，三个夹爪呈正三角形分布在支撑盘上，所述中心移动块为三角形板，其每一个角均与一个对应夹爪下方的杆套相连。

作为改进，每个支撑限位架均包括成对的两个限位块，每个限位块上部设置一个水平滑槽，下部设置一个弧形滑槽，每个限位块均通过一个支撑杆固定在支撑盘上，每个夹爪均通过轴安装在其左右两侧的限位块的水平滑槽内，增加夹爪运动的稳定性。

作为改进，所述旋转运动驱动装置包括棘轮、棘爪、发条盒、定滑轮和拉绳，所述发条盒通过轴承安装在空心轴上，发条盒内的卷簧中心端与空心轴固定相连，卷簧的外端与发条盒的盒壁固定相连，所述棘轮设于发条盒与支撑盘之间的空心轴上，并与发条盒固定相连，所述棘爪安装在支撑盘底部并与棘轮啮合，所述定滑轮安装在发条盒下方的空心轴上，所述拉绳一端在发条盒上缠绕若干圈，另一端绕过定滑轮后延伸到空心轴下方，通过拉动拉绳即可在发条盒与棘轮棘爪的配合下使得支撑盘相对于空心轴持续单向转动。

作为改进，所述支撑盘下方设有圆盘底座，所述圆盘底座通过法兰与空心轴下端相连。

作为改进，所述圆盘底座四周设有一圈锁块，该圈锁块共同组成了限制支撑盘旋转的环形轨道。

作为改进，所述圆盘底座一侧设有弧形缺口，所述圆盘底座在该弧形缺口处设有用于安装网兜的环形支架。

作为改进，所述支撑盘上中心处设有对准弧形缺口的溜槽，当夹爪夹紧果树旋转一周后，通过溜槽将果实导向到网兜内。

作为改进，所述夹爪内表面设有软质防滑橡胶，所述溜槽采用软质缓冲材料制成。

本发明相比现有技术具有以下优点：

高空水果采摘杆更加适合国内大多数果农，本发明可以与高空水果采摘杆配合使用，且可根据水果类型的变化进行更换，实现绝大多数的高空水果采摘；本发明采用的采摘头向心模块实现了夹爪的平移运动能有效平稳地将水果抓紧；本发明采用的棘轮棘爪结构与发条盒连接，实现采摘头的旋转运动，利用旋转惯性采摘水果，顺利采摘难采摘水果，本发明对果树的夹紧和扭转掰断两个动作完全独立，互不干扰，可以大大提高操作效率。

附图说明

图1是本发明柔性爪的整体示意图；

图2是采摘头向心模块示意图；

图3是本发明采摘头向心模块原理示意图；

图4为本发明单个支撑限位架结构示意图；

图5是采摘头旋转模块示意图；

图6是空心轴安装示意图；

图7是棘轮棘爪部分安装示意图；

图8是圆盘底座结构示意图；

图9是限位槽示意图；

图10是本发明限位块结构示意图。

图中：ⅰ-采摘头向心模块，ⅱ-采摘头旋转模块，1-夹爪，2-限位块，3-夹爪铆钉，4-连杆，5-中心移动块，6-中心移动块铆钉，7-拉杆，8-空心轴，9-球头螺母，10-连接槽型套，11-杆套，12-支撑杆，13-连杆上部铆钉，14-连杆中部铆钉，15-连杆下部铆钉，16-固定钩，17-辅助杆，18-果实，19-法兰，20-螺钉，21-锁块墙，22-锁块，23-弹簧螺钉，24-棘爪，25-棘轮，26-支撑盘，27-棘爪小螺钉，28-棘爪弹簧，29-钢丝绳，30-定滑轮支架一，31-螺栓，32-定滑轮支架二，33-螺钉，34-上部定滑轮，35-棘爪母铆钉，36-棘爪小铆钉，37-棘爪子螺钉，38-固定杆，39-盒盖，40-卡扣，41-盒体，42-圆盘底座，43-固定铆钉，44-环形支架，45-溜槽，46-水平滑槽，47-弧形滑槽，48-下部定滑轮，a-圆心。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本实施例以三个夹爪1为例说明。

如图1至图9所示，本发明的柔性爪包括：采摘头向心模块ⅰ、支撑盘26和采摘头旋转模块ⅱ，采摘头向心模块ⅰ安装在支撑盘26上，所述采摘头旋转模块ⅱ用于驱动支撑盘26进行旋转从而达到扭断果实18根本的目的。

如图2所示，本发明的采摘头向心模块ⅰ包括：空心轴8、支撑限位架、连杆4、拉杆7、中心移动块5和三个夹爪1，所述支撑盘26通过旋转运动副安装在空心轴8上，并通过旋转运动驱动装置驱动使得所述支撑盘26能绕空心轴8旋转，所述支撑限位架固定安装在支撑盘26四周，且与夹爪1数量向对应，每个支撑限位架上均设有水平滑槽46，所述水平滑槽46下方设有一个弧形滑槽47，并且弧形滑槽47的圆心与水平滑槽46同高，所述夹爪1通过轴(即夹爪铆钉3)安装在相应支撑限位架顶部的水平滑槽46内，使得所述夹爪1可以沿着水平滑槽46做相对于支撑盘26的向心运动，所述连杆4上端与夹爪1铰接相连，连杆4中部通过轴(即连杆中部铆钉14)安装在弧形滑槽47内，连杆4下端与中心移动块5铰接相连，所述中心移动块5设于支撑盘26中心处，并与拉杆7顶部固定相连，所述拉杆7自由的从空心轴8内穿过延伸到空心轴8下方，通过拉杆7拉动中心移动块5上下运动，进而通过连杆4使得每个夹爪1向心靠拢或者相背张开，从而实现夹爪1开合功能，本发明实施例夹爪1运动原理如图3所示，辅助杆17一端铰接在连杆4中部，另一端铰接在圆心a处，在中心移动块5上下移动过程中，连杆4中部铰接点的运动轨迹即弧形滑槽47限定的轨迹，同时在连杆4中部绕着圆心a移动过程中，夹爪1沿着水平滑槽46向圆心a靠拢或者远离，从而实现夹爪1的夹持或者松开动作，本实施例中，利用弧形滑槽47取代了辅助杆17和圆心a，大大简化了结构，本实施例中，最优的圆心a与水平滑槽46同高，需要指出的是，圆心a的设置越靠近支撑盘26的圆心，那么夹爪1之间能夹紧的果实18直径越小。

本发明实施例中，每个支撑限位架均包括成对的两个限位块2，每个限位块2上部设置一个水平滑槽46，下部设置一个弧形滑槽47，每个限位块2均通过一个支撑杆12固定在支撑盘26上，支撑杆12下端通过球头螺母9固定在支撑盘26上，两个限位块2分布在夹爪1两侧，也即每个夹爪1均通过轴安装在其左右两侧的限位块2的水平滑槽46内，增加夹爪1运动的稳定性，所述支撑杆12上套设有能够自由上下运动的杆套11，所述中心移动块5通过连接槽型套10与杆套11固定相连，所述杆套11上设有与连杆4下端相连的铰接点。

本发明实施例还可以按照功能划分为动力输入部分、向心传递部分以及向心抓取部分。

动力输入部分包括拉杆7，中心移动块5，中心移动块铆钉6，空心轴8。如图2所示，所述拉杆7为一细长轴，下端水平方向开孔，便于传递动力，拉杆7顶部从空心轴8内穿过后通过中心移动块铆钉6与中心移动块5的中心处固定相连，中心移动块5为一三爪形状板，边缘位置为楔形形状，与连接槽型套10配套，空心轴8呈阶梯轴状，其下端设有连接法兰19，中部设有安装定滑轮的缩径，缩径上方设有安装卷簧的固定钩16，顶部用于通过轴承安装支撑盘26。

其中拉杆7为动力传递介质，将动力从下端传至中心移动块5，拉动拉杆7时，中心移动块5即可相对于支撑盘26向下运动，作为一种更好的实施例，可以在支撑盘26与中心移动块5之间的拉杆7上设置复位弹簧，这样在不对拉杆7施加拉力的作用下中心移动块5在复位弹簧的作用下自动上移，从而使得失去动力时，夹爪1保持张开状态。

向心传递部分包括连接槽型套10，杆套11，支撑杆12。如图2所示，所述连接槽型套10水平位置开槽，竖直位置开对称分布的两孔，杆套11竖直和水平位置各开一个孔，一个与支撑杆12进行配合，另一孔与连杆4下端通过铆钉进行连接。

其中中心移动块5通过连接槽型套10与杆套11紧配合，支撑杆12既是限位块2的支撑件，同时与杆套11一起构成中心移动块5上下移动的导向机构。

如图4所示，向心抓取部分包括夹爪1，支撑限位架(由两个限位块23组成)，夹爪铆钉3，连杆4，连杆上部铆钉13，连杆中部铆钉14，连杆下部铆钉15。所述夹爪1为三角形爪，采用柔性材料，内部开槽开孔，以减轻自重，如图10所示，每个限位块23上有两个滑槽，其中一个为水平滑槽46，水平滑槽46下方设有弧形滑槽47，弧形滑槽47的圆心与水平滑槽46高度相同，连杆4上中下各开一个孔。

其中连杆4上部所开的孔通过连杆上部铆钉13与夹爪1进行连接；连杆4下方部所开孔通过连杆下部铆钉15与杆套11进行铰接相连，通过杆套11带动连杆4向下运动，连杆4中部所开孔通过连杆中部铆钉14安装在限位块23的下部弧形滑槽47内，连接实现将运动方向进行转化的作用，连杆4上部所开孔与夹爪1连接实现将力转变为水平夹紧力的作用；夹爪1中部通过夹爪铆钉3安装在限位块23的水平滑槽46内。

当连杆4下方受到下拉力时，连杆4通过连杆中部铆钉14在限位块23的弧形滑槽47内移动，通过弧形滑槽47限位，使得连杆4中部绕圆心a做圆周运动，进而带动连杆4顶部的连杆上部铆钉13向内移动，从而推动夹爪1在水平滑槽46的限位下向内平移，实现抓取运动。

如图2所示，本发明的采摘头旋转模块ⅱ包括滑轮传动部分，发条盒部分，棘轮棘爪部分和固定部分。

如图6，图7所示，滑轮传动部分包括钢丝绳29，定滑轮支架一30，螺栓31，定滑轮支架二32，螺钉33以及两个定滑轮。所述定滑轮支架一30整体呈扁平马鞍形，两端开孔，中部竖直方向上开有与空心轴8同直径的半圆孔，并通过半圆孔固定在空心轴8上，定滑轮支架二32与定滑轮支架一30形状类似，不同的是在定滑轮支架一30的基础上在增加了两个具有同样孔径，且位置一样的通孔，两个定滑轮分别安装在定滑轮支架一30和定滑轮支架二32用于对钢丝绳29进行换向。

本实施例中，所述发条盒、棘轮25和支撑盘26依次通过轴承安装在空心轴8上，发条盒内的卷簧中心端与空心轴8上的固定钩16固定相连，卷簧的外端与发条盒的盒壁固定相连，所述棘轮25设于发条盒与支撑盘26之间的空心轴8上，并与发条盒同轴固定相连，所述棘爪24安装在支撑盘26底部并与棘轮25啮合，两个定滑轮安装在发条盒下方的空心轴8上，所述拉绳一端在发条盒上缠绕若干圈，另一端依次绕过上部定滑轮34和下部定滑轮48后延伸到空心轴8下方，通过拉动拉绳即可在发条盒与棘轮棘爪的配合下使得支撑盘26相对于空心轴8持续单向转动，需要指出的是本实施例采用两个定滑轮，定滑轮仅仅用于将钢丝绳的拉力进行转向，采用的是公知常识中定滑轮的特性，因为对于定滑轮具体位置没有做限定，定滑轮具体位置根据发条盒的尺寸和位置进行调整设置，只需要保证钢丝绳绕在发条盒上后进行转向为空心轴8的轴线平行即可，这样的目的是便于拉动钢丝绳29。

其中钢丝绳29一端缠绕在发条盒上若干圈，另一端绕过两个定滑轮，通过定滑轮换向最终沿着空心轴8向下延伸，将动力方向进行改变；定滑轮支架一30与定滑轮支架二32通过螺栓31、下部定滑轮48和螺钉33在空心轴8上进行固定，实现动力搭载；上部定滑轮34与下部定滑轮48空间位置的不同实现了动力传递方向的改变。

如图7所示，所述发条盒部分包括固定杆38、盒盖39、卡扣40、卷簧和盒体41，所述空心轴8从发条盒内部穿过，位于发条盒内部的空心轴8上设有固定钩16，卷簧套设在空心轴8上，卷簧内端安装在固定钩16上，卷簧外端固定在盒体41的内壁上，盒盖39将卷簧盖合在盒体41内，盒盖39与盒体41之间通过卡扣40固定相连(也可以通过现有技术中任何其他方式固定相连，比如螺钉之类的)，所述盒盖39、盒体41和棘轮25中间各开三个孔，通过三根固定杆38将、盒体41、盒盖39和棘轮25相连，实现发条盒与棘轮25保持同步转动。

棘轮棘爪部分包括弹簧螺钉23，棘爪24，棘轮25，棘爪弹簧28，棘爪母铆钉35，棘爪小铆钉36和棘爪子螺钉37。所述棘爪24在尾部与中部各开一个孔，棘爪24中部孔通过棘爪母铆钉35和棘爪子螺钉37安装在支撑盘26上，棘爪24尾部孔与棘爪弹簧28一端相连，棘爪弹簧28另一端通过弹簧螺钉23安装在支撑盘26上，通过棘爪弹簧28保持棘爪24始终啮合在棘轮25上，而所述弹簧螺钉23、棘爪弹簧28和棘爪小铆钉36则为棘爪24提供了回弹力，使棘轮棘爪机构能够在发条盒停止旋转后迅速卡死，避免惯性引起的采摘爪多余旋转。

如图8，图9所示，固定部分为圆盘底座42，空心轴8下端通过法兰19与圆盘底座42底部固定相连，圆盘底座42作为整个装置的支撑可以安装在机械臂或者长杆上，拉杆7从圆盘底座42内的空心轴8内孔伸出，钢丝绳29从设于圆盘底座42底部的小孔伸出，拉杆7和钢丝绳29既可以通过在机械臂或者长杆上设置动力机构拉动，也可以手动拉动。

所述圆盘底座42四周设有一圈锁块22，该圈锁块22共同组成了限制支撑盘26旋转的环形轨道，所述锁块22通过锁块墙21和固定铆钉43安装在圆盘底座42四周，所述锁块墙21呈现弧形，在一侧水平位置开小孔；锁块22则为一长方形中间开有凹槽，固定铆钉43插入锁块墙21与锁块22构成一个限定支撑盘26位置的限位槽，限位槽分布在圆盘底座42四周，形成限制支撑盘26旋转的环形轨道。

作为一种更优的改进实施例，所述圆盘底座42一侧设有弧形缺口，所述圆盘底座42在该弧形缺口处设有用于安装网兜的环形支架44，所述支撑盘26上中心处设有对准弧形缺口的溜槽45，当夹爪1夹紧果树旋转一周后，通过溜槽45将果实18导向到网兜内，所述夹爪1内表面设有软质防滑橡胶，所述溜槽45采用软质缓冲材料制成。

优选的，中心移动块5采用三爪形状，通过三爪外端的楔形块带动连接槽型套10向下运动，传递动力；此外，中心移动块5上开可连接铆钉的三个孔，方便铆钉将中心移动块5与拉杆7连接，同时减少拉杆7在中心移动块5上的受力，减少应力集中的现象。

优选的，夹爪1采用柔性材料，一方面适合不同形状的水果，使抓取运动更加容易实现；另一方面，不会对水果造成伤害，保证了水果的品质。

优选的，本发明通过棘轮棘爪机构将发条盒与支撑盘26相连，使得拉动钢丝绳29时，发条盒能带动支撑盘26旋转，松开钢丝绳29时，发条盒能自动反转复位，而支撑盘26不会随之反转，保证了采摘头旋转运动的顺利进行。

本发明实施例原理和使用方法如下：

使用时将本发明安装在机械臂上，通过机械臂带动本发明柔性爪到达待采摘水果附近，通过手动或者电动部件上推拉杆7张开夹爪1，或者夹爪1在复位弹簧作用下自动张开，进一步移动机械臂，使得水果被包围在三个夹爪1之内，此时手拉拉杆7或者通过电动部件拉动拉杆7，拉杆7带动中心移动块5相对于支撑盘26下移，中心移动块5通过连杆4和限位块23的限位作用带动夹爪1向内移动将果实18夹紧，之后利用电动部件或手动拉动钢丝绳29，钢丝绳29由于缠绕在发条盒上，因此带动发条盒绕着空心轴8旋转，此时发条盒带动固定相连的棘轮25旋转，棘轮25通过棘爪24作用带动支撑盘26旋转，支撑盘26带动三个夹紧的夹爪1一起旋转，从而将所夹紧的果实18扭转，扭断果实18根部，此时果实18被采摘下来，松开拉杆7或者电动部件上推拉杆7，夹爪1松开，即可将果实18放下来，果实18通过设于支撑盘26上的溜槽45流入设于圆盘底座42上的网兜内。在松掉钢丝绳29后，由于发条盒内卷簧的作用，发条盒相对于空心轴8会反向旋转，同时带动棘轮25反向旋转，但是棘轮25在棘爪24的作用下空转，即并不能带动支撑盘26反向旋转，因此松开钢丝绳29时，支撑盘26不动，而发条盒自动复位，当然由于设置了溜槽45，因此溜槽45具有方向问题，此时可以通过设计拉绳拉动长度和棘轮棘爪的传动比，使得拉动固定长度的钢丝绳29时，支撑盘26刚好旋转一周，因此每次拉动钢丝绳29时，支撑盘26均为旋转一周，那么溜槽45方向在果实18采摘下来后一直对着安装网兜的环形支架44，果实18也可以在溜槽45作用下顺利达到网兜内被收集，从而大大提高了采摘效率。

本发明的一种适用于高空水果采摘杆的柔性爪，其采摘形式不仅适用于易于采摘的水果，同样适用于需旋转力采摘的水果。该柔性爪因具有可替换性，既可以安装在自动机械臂上，也可以安装在长杆上，手动操作。对中国绝大多数果农来说，具有很强的应用性。