适应多种花柄长度要求的西蓝花采摘装置及其采摘方法与流程

本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种适应多种花柄长度要求的西蓝花采摘装置及其采摘方法。

背景技术：

在现代西兰花农业生产活动中，西兰花花球的采摘是整个生产之中最耗时、费力的一个环节，在采摘过程之中需最大限度的保护被采摘的果实不受到机械性的损伤，因此大多数情况下农户多是采用人工采摘的方式。目前国内对于西兰花这类近地面、粗果梗农作物果实的采摘装置比较少，或是已有的一些采摘装置不能满足西兰花的采摘要求，因此需要研制一种能够保证果实完好性、效率高、结构相对简单、适应多种花柄长度要求的采摘装置，以此来逐步替代人工。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种适应多种花柄长度要求的西蓝花采摘装置及其采摘方法，可以对西兰花这类近地面、粗果梗农作物果实进行采摘，解决人工采摘效率低、成本高等问题。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。

本发明适应多种花柄长度要求的西蓝花采摘装置，包括机架、转动装置、横向调节组件、多级连杆组件、末端执行器和控制柜；所述的控制柜固定在机架底部；转动装置设置在机架顶部。

所述的转动装置包括固定座、推力球轴承、圆柱滚子轴承、减速器和步进电机一；所述的固定座通过螺栓固定在机架顶部；推力球轴承和圆柱滚子轴承均位于固定座内；圆柱滚子轴承的外圈与固定座的内部过盈配合，推力球轴承的座圈与固定座内部过盈配合；减速器的壳体与固定座通过螺栓连接；步进电机一的底座与减速器通过螺栓连接，且步进电机一的输出轴与减速器的输入轴固定。

所述的调整组件包括横向调整组件和动平台组件；所述的横向调整组件包括t型板、转动连接件、步进电机二、支架、联轴器、固定块、丝杆、支撑块和导轨；所述转动连接件的顶端与t型板底面通过螺栓连接，底端穿过转动装置的推力球轴承和圆柱滚子轴承，并与减速器的输出轴固定；支架、支撑块和固定块均与t型板通过螺栓连接，步进电机二的底座与支架通过螺栓连接；所述丝杆的两端分别与固定块和支撑块构成转动副；联轴器的一端步进电机二的输出轴通过螺栓固定连接，另一端与丝杆通过螺栓固定连接；两个导轨设置在丝杆两侧，且均与t型板通过螺栓连接。

所述的动平台组件包括组件面板、固定板、上连接板、电动推杆、上铰链座、连接块、直线滑块、螺母座和滚珠螺母；四个上铰链座呈矩阵排布，且均通过螺栓固定在组件面板底面；两个固定板通过螺栓间距固定在组件面板顶面，且两个固定板的顶面通过两个上连接板固定连接；两个电动推杆均置于两个固定板之间，且两个电动推杆的缸体与两个上连接板分别通过螺栓连接；两个电动推杆的活塞杆均穿过组件面板设置；四个连接块呈矩阵排布，且均通过螺栓固定在组件面板底面；每个连接块上固定一个直线滑块；横向调整组件的每根导轨与两个直线滑块构成滑动副；螺母座通过螺栓固定在组件面板底面；滚珠螺母通过螺栓固定在螺母座中，并与横向调整组件的丝杆构成螺旋副。

所述的多级连杆组件包括连杆传动组件、连杆导向组件以及结构完全相同的第一侧链和第二侧链；所述的第一侧链和第二侧链均包括第一级连杆、第二级连杆、第一传动轴、第三级连杆、第二传动轴、第四级连杆组件、第五级连杆组件和执行器导向组件；两个第二级连杆的中部通过第一传动轴铰接，且两个第二级连杆的顶端与两个第一级连杆的一端分别通过一个第一销轴铰接；两个第三级连杆的中部通过第二传动轴铰接，且两个第三级连杆的顶端与两个第二级连杆的底端分别铰接；所述的第四级连杆组件数量为三个，包括第二销轴和两根第四级连杆，两根第四级连杆的中部通过第二销轴铰接；中间位置的第四级连杆组件的两根第四级连杆顶端与最顶端第四级连杆组件的两根第四级连杆底端分别铰接；中间位置的第四级连杆组件的两根第四级连杆底端与最底端第四级连杆组件的两根第四级连杆顶端分别铰接；最顶端第四级连杆组件的两根第四级连杆顶端与两根第三级连杆的底端分别铰接；所述的第五级连杆组件包括下铰链座和两根第五级连杆；两根第五级连杆的顶端与最底端第四级连杆组件的两根第四级连杆底端分别铰接，底端均与下铰链座铰接；所述的执行器导向组件包括t型导向块、开槽滑块、带槽导向杆和移动支座；带槽导向杆两端与两个移动支座分别构成滑动副；开槽滑块固定在带槽导向杆上，并与t型导向块构成滑动副。第一侧链的两根第一级连杆以及第二侧链的两根第一级连杆另一端与动平台组件的四个上铰链座分别通过上销轴铰接；除第一级连杆与第二级连杆的铰接位置外，第一侧链的其余各级连杆端部铰接位置与第二侧链对应位置处连杆的端部铰接位置均通过一根辅助杆固定连接；第一侧链的两个移动支座与两根第五级连杆顶端的两根辅助杆分别固定，第二侧链的两个移动支座与两根第五级连杆顶端的两根辅助杆分别固定；第一连接板的两侧分别与第一侧链和第二侧链的第一传动轴通过螺栓固定连接；两个导向杆座均通过螺栓固定连接在第一连接板的底部；第一连接板和两个导向杆座构成连杆传动组件；第二连接板的两侧分别与第一侧链和第二侧链的第二传动轴通过螺栓固定连接；两个法兰轴承均穿过第二连接板设置，且均通过螺栓固定在第二连接板上；两个侧链导向杆与两个法兰轴承分别构成滑动副，且两个侧链导向杆顶端与两个导向杆座分别固定；两个侧链导向杆的顶端穿过对应的第一连接板设置，且与动平台组件的两个电动推杆的推杆分别固定；两个法兰轴承和两个侧链导向杆构成连杆导向组件。

所述的末端执行器包括基座、支撑臂板、推出组件、切割组件、固定面板、第一铰链、固定环、电磁换向阀一和电磁换向阀二；所述的推出组件包括导向柱、上安装板、气缸一、活塞杆一、移动板、第二铰链、连接板和第三铰链；上安装板与第一侧链和第二侧链的t型导向块均固定，并与第一侧链和第二侧链的下铰链座均固定；气缸一的缸体与上安装板通过螺栓连接，气缸一的活塞杆一与移动板通过螺栓固定连接；三个导向柱沿周向均布，且顶端均与上安装板固定；移动板与三个导向柱均构成滑动副；三个导向柱的底端均与基座通过螺栓固定连接；移动板设置在上安装板和基座之间；三个支撑臂板沿周向均布，一端均通过螺栓固定在基座上，另一端均与固定环通过一块固定面板固定连接；三块连接板沿周向均布，一端均与移动板通过第二铰链铰接；所述的切割组件包括切割安装板、气缸安装座、气缸二、活塞杆二、切刀安装座、切刀片、直线轴承和导杆；两个气缸安装座通过螺栓固定在切割安装板两端；气缸二的缸体与两个气缸安装座均固定；气缸二的活塞杆二与切刀安装座固定；所述的切刀片通过螺栓固定在切刀安装座上；固定在切刀安装座上的导杆通过直线轴承支承在气缸安装座上；切割组件设有三个，每个切割组件的切割安装板底端与一块固定面板通过第一铰链铰接，每个切割组件的切割安装板中部与一块连接板另一端通过第三铰链铰接；电磁换向阀一和电磁换向阀二均固定在机架上；电磁换向阀一的两个出气口与气缸一的两个气腔分别连通，电磁换向阀二的两个出气口与各气缸二的两个气腔分别连通；电磁换向阀一和电磁换向阀二的进气口均与安全阀的出气口连通，安全阀的进气口与气泵连通；气缸一上设置有磁性接近开关一和磁性接近开关二；气缸二上设置有磁性接近开关三和磁性接近开关四；基座的底面设有压力传感器；磁性接近开关一、磁性接近开关二、磁性接近开关三、磁性接近开关四和压力传感器的信号输出端均连接控制柜内的控制器，步进电机一、步进电机二、电动推杆、电磁换向阀一和电磁换向阀二均由控制器控制。

所述切割组件的摆动角度在0°～60°。

该适应多种花柄长度要求的西蓝花采摘装置的采摘方法，具体如下：

步骤一、控制器控制转动装置的步进电机一转动，从而驱动横向调整组件转动到横向调整组件、西兰花和机架三者在竖直面上对齐时，通过控制器控制步进电机一停转；然后，控制器控制横向调节组件的步进电机二转动，带动丝杆转动，使得动平台组件中的滚珠螺母移动，直线滑块沿着导轨滑动，螺母座、组件面板、多级连杆组件和末端执行器跟随滚珠螺母移动，直到末端执行器位于西兰花正上方时，通过控制器控制步进电机二停转。

步骤二、控制器控制动平台组件中的两个电动推杆开始动作，带动连杆传动组件和两个侧链导向杆向下移动，连杆传动组件带动第一侧链和第二侧链向下同步伸展；第一侧链或第二侧链向下伸展过程中，第一级连杆绕上铰链座转动，第二级连杆和连杆导向组件随第一级连杆向下移动，带动三个依次连接的第四级连杆组件向下移动，继而带动第五级连杆组件向下移动，最终使得末端执行器向下移动；当末端执行器的基座底面的压力传感器接触到西兰花顶端时，压力传感器输出压力信号给控制器，控制器控制电动推杆停止动作，完成末端执行器的定位。

步骤三、控制器通过电磁换向阀一控制末端执行器的气缸一动作，气缸一的活塞杆一伸出，驱动移动板与连接板带动三个切割组件向内摆动合拢，当气缸一的活塞杆一伸出至磁性接近开关二处时，磁性接近开关二发出信号给控制器，控制器停止气缸一的动作完成切割组件抓取西兰花动作；在气缸一停止动作的同时，控制器通过电磁换向阀二控制三个气缸二同步动作，气缸二的活塞杆二伸出，驱动安装座带动切刀移动，切入西兰花的根茎中，当气缸二的活塞杆二伸出至磁性接近开关三处时，磁性接近开关三发出信号给控制器，控制器停止气缸二的动作完成西兰花根茎的切断，至此完成西兰花的采摘。

步骤四、控制器控制电动推杆缩回，从而使多级连杆组件的第一侧链和第二侧链向上同步收缩，完成末端执行器的提升；然后，控制器控制横向调节组件的步进电机二和转动装置的步进电机一复位，将采摘后的西兰花提升至放置平台上方；接着，控制器通过电磁换向阀二控制气缸二动作,气缸二的活塞杆二缩回，当气缸二的活塞杆二移动至磁性接近开关四处时，磁性接近开关四发出信号给控制器，控制器停止气缸二动作使得切刀复位，同时通过电磁换向阀一控制气缸一动作，使得气缸一的活塞杆一缩回，驱动移动板与连接板带动三个切割组件向外摆动，当气缸一的活塞杆一伸出至磁性接近开关一处时，磁性接近开关一发出信号给控制器，控制器停止气缸一动作使得切割组件复位，西兰花落入放置平台上。

本发明具有的有益效果：

本发明的末端执行器采取从上至下的运动方式，有效避开了西蓝花株体对采摘装置的影响，多级连杆组件能够实现快速的响应，使得末端执行器快速移动至西蓝花花球的上方，提高了采摘效率；本发明所设计的末端执行器能够采摘直径在230mm之内的西蓝花，并且由于三个切割组件合拢与切刀片切割动作是单独驱动的，能够保留不同采摘工艺所要求的花柄长度，同时还可以有效降低对花球的机械损伤。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中转动装置的结构示意图；

图3为本发明中横向调整组件的结构示意图；

图4为本发明中动平台组件的结构示意图；

图5为本发明中多级连杆组件的结构示意图；

图6为本发明中末端执行器的结构示意图；

图7为本发明中切割组件的结构示意图；

图8为本发明的气压控制结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明。

如图1所示，适应多种花柄长度要求的西蓝花采摘装置，包括机架1、转动装置2、横向调节组件3、多级连杆组件4、末端执行器5和控制柜6；控制柜6固定在机架1底部；转动装置2设置在机架1顶部；转动装置2驱动横向调节组件3旋转；横向调节组件3驱动多级连杆组件4水平移动和竖直运动；末端执行器5由多级连杆组件4带动升降与开合。

如图1和图2所示，转动装置2包括固定座21、推力球轴承22、圆柱滚子轴承23、减速器24和步进电机一25；固定座21通过螺栓固定在机架1顶部；推力球轴承22和圆柱滚子轴承23均位于固定座21内；圆柱滚子轴承23的外圈与固定座21的内部过盈配合，推力球轴承22的座圈与固定座21内部过盈配合；减速器24的壳体与固定座21通过螺栓连接；步进电机一25的底座与减速器24通过螺栓连接，且步进电机一25的输出轴与减速器24的输入轴固定。

如图1所示，调整组件3包括横向调整组件31和动平台组件32；如图3所示，横向调整组件31包括t型板311、转动连接件312、步进电机二313、支架314、联轴器315、固定块316、丝杆317、支撑块318和导轨319；转动连接件312顶端与t型板311底面通过螺栓连接，底端穿过转动装置2的推力球轴承22和圆柱滚子轴承23，并与减速器24的输出轴固定；支架314、支撑块318和固定块316均与t型板311通过螺栓连接，步进电机二313的底座与支架314通过螺栓连接；丝杆317两端分别与固定块316和支撑块318构成转动副；联轴器315的一端步进电机二313的输出轴通过螺栓固定连接，另一端与丝杆317通过螺栓固定连接；两个导轨319设置在丝杆317两侧，且均与t型板311通过螺栓连接。

如图1和图4所示，动平台组件32包括组件面板321、固定板322、上连接板323、电动推杆324、上铰链座325、连接块326、直线滑块327、螺母座328和滚珠螺母329；四个上铰链座325呈矩阵排布，且均通过螺栓固定在组件面板321底面；两个固定板322通过螺栓间距固定在组件面板321顶面，且两个固定板322的顶面通过两个上连接板323固定连接；两个电动推杆324均置于两个固定板322之间，且两个电动推杆324的缸体与两个上连接板323分别通过螺栓连接；两个电动推杆324的活塞杆均穿过组件面板321设置；四个连接块326呈矩阵排布，且均通过螺栓固定在组件面板321底面；每个连接块326上固定一个直线滑块327；横向调整组件31的每根导轨319与两个直线滑块327构成滑动副；螺母座328通过螺栓固定在组件面板321底面；滚珠螺母329通过螺栓固定在螺母座328中，并与横向调整组件31的丝杆317构成螺旋副。

如图1和图5所示，多级连杆组件4包括连杆传动组件412、连杆导向组件413以及结构完全相同的第一侧链41和第二侧链42；第一侧链41和第二侧链42均包括第一级连杆411、第二级连杆4121、第一传动轴4122、第三级连杆4131、第二传动轴4132、第四级连杆组件414、第五级连杆组件416和执行器导向组件417；两个第二级连杆4121的中部通过第一传动轴4122铰接，且两个第二级连杆4121的顶端与两个第一级连杆411的一端分别通过一个第一销轴4125铰接；两个第三级连杆4131的中部通过第二传动轴4132铰接，且两个第三级连杆4131的顶端与两个第二级连杆4121的底端分别铰接；第四级连杆组件414数量为三个，包括第二销轴4142和两根第四级连杆4141，两根第四级连杆4141的中部通过第二销轴4142铰接；中间位置的第四级连杆组件414的两根第四级连杆4141顶端与最顶端第四级连杆组件414的两根第四级连杆4141底端分别铰接；中间位置的第四级连杆组件414的两根第四级连杆4141底端与最底端第四级连杆组件414的两根第四级连杆4141顶端分别铰接；最顶端第四级连杆组件414的两根第四级连杆4141顶端与两根第三级连杆4131的底端分别铰接；第五级连杆组件416包括下铰链座4162和两根第五级连杆4161；两根第五级连杆4161的顶端与最底端第四级连杆组件414的两根第四级连杆4141底端分别铰接，底端均与下铰链座4162铰接；执行器导向组件417包括t型导向块4171、开槽滑块4172、带槽导向杆4173和移动支座4174；带槽导向杆4173两端与两个移动支座4174分别构成滑动副；开槽滑块4172固定在带槽导向杆4173上，并与t型导向块4171构成滑动副。第一侧链41的两根第一级连杆411以及第二侧链42的两根第一级连杆411另一端与动平台组件32的四个上铰链座325分别通过上销轴3251铰接；除第一级连杆411与第二级连杆4121的铰接位置外，第一侧链41的其余各级连杆端部铰接位置与第二侧链42对应位置处连杆的端部铰接位置均通过一根辅助杆415固定连接；第一侧链41的两个移动支座4174与两根第五级连杆4161顶端的两根辅助杆415分别固定，第二侧链42的两个移动支座4174与两根第五级连杆4161顶端的两根辅助杆415分别固定；第一连接板4123的两侧分别与第一侧链41和第二侧链42的第一传动轴4122通过螺栓固定连接；两个导向杆座4124均通过螺栓固定连接在第一连接板4123的底部；第一连接板4123和两个导向杆座4124构成连杆传动组件412；第二连接板4133的两侧分别与第一侧链41和第二侧链42的第二传动轴4132通过螺栓固定连接；两个法兰轴承4134均穿过第二连接板4133设置，且均通过螺栓固定在第二连接板4133上；两个侧链导向杆4135与两个法兰轴承4134分别构成滑动副，且两个侧链导向杆4135顶端与两个导向杆座4124分别固定；两个侧链导向杆4135的顶端穿过对应的第一连接板4123设置，且与动平台组件32的两个电动推杆324的推杆分别固定；两个法兰轴承4134和两个侧链导向杆4135构成连杆导向组件413。

如图1、图6和图7所示，末端执行器5包括基座51、支撑臂板52、推出组件53、切割组件54、固定面板55、第一铰链56、固定环57、电磁换向阀一58和电磁换向阀二59；推出组件53包括导向柱531、上安装板532、气缸一533、活塞杆一534、移动板535、第二铰链536、连接板537和第三铰链538；上安装板532与第一侧链41和第二侧链42的t型导向块4171均固定，并与第一侧链41和第二侧链42的下铰链座4162均固定；气缸一533的缸体与上安装板532通过螺栓连接，气缸一533的活塞杆一534与移动板535通过螺栓固定连接；三个导向柱531沿周向均布，且顶端均与上安装板532固定；移动板535与三个导向柱531均构成滑动副；三个导向柱531的底端均与基座51通过螺栓固定连接；移动板535设置在上安装板532和基座51之间；三个支撑臂板52沿周向均布，一端均通过螺栓固定在基座51上，另一端均与固定环57通过一块固定面板55固定连接；三块连接板537沿周向均布，一端均与移动板535通过第二铰链536铰接；切割组件54包括切割安装板541、气缸安装座542、气缸二543、活塞杆二544、切刀安装座545、切刀片546、直线轴承547和导杆548；两个气缸安装座542通过螺栓固定在切割安装板541两端；气缸二543的缸体与两个气缸安装座542均固定；气缸二543的活塞杆二544与切刀安装座545固定；切刀片546通过螺栓固定在切刀安装座545上；固定在切刀安装座545上的导杆548通过直线轴承547支承在气缸安装座542上，导杆548对切刀安装座545起导向作用。切割组件54设有三个，每个切割组件54的切割安装板541底端与一块固定面板55通过第一铰链56铰接，每个切割组件54的切割安装板541中部与一块连接板537另一端通过第三铰链538铰接；切割组件54的摆动角度在0°～60°；电磁换向阀一58和电磁换向阀二59均固定在机架1上；如图8所示，电磁换向阀一58的两个出气口与气缸一533的两个气腔分别连通，电磁换向阀二59的两个出气口与各气缸二543的两个气腔分别连通；电磁换向阀一58和电磁换向阀二59的进气口均与安全阀的出气口连通，安全阀的进气口与气泵连通；气缸一533上设置有磁性接近开关一5331和磁性接近开关二5332；气缸二543上设置有磁性接近开关三5431和磁性接近开关四5432；基座51的底面设有压力传感器；磁性接近开关一5331、磁性接近开关二5332、磁性接近开关三5431、磁性接近开关四5432和压力传感器的信号输出端均连接控制柜6内的控制器，步进电机一25、步进电机二313、电动推杆324、电磁换向阀一58和电磁换向阀二59均由控制器控制。

采用外力驱动该适应多种花柄长度要求的西蓝花采摘装置的机架1移动，该适应多种花柄长度要求的西蓝花采摘装置即可进行西蓝花采摘工作；该适应多种花柄长度要求的西蓝花采摘装置的采摘方法，具体如下：

步骤一、控制器控制转动装置2的步进电机一25转动，从而驱动横向调整组件31转动到横向调整组件31、西兰花和机架1三者在竖直面上对齐时，通过控制器控制步进电机一25停转；然后，控制器控制横向调整组件31的步进电机二313转动，带动丝杆317转动，使得动平台组件32中的滚珠螺母329移动，直线滑块327沿着导轨319滑动，螺母座328、组件面板321、多级连杆组件4和末端执行器5跟随滚珠螺母329移动，直到末端执行器5位于西兰花正上方时，通过控制器控制步进电机二313停转。

步骤二、控制器控制动平台组件32中的两个电动推杆324开始动作，带动连杆传动组件412和两个侧链导向杆4135向下移动，连杆传动组件412带动第一侧链41和第二侧链42向下同步伸展；第一侧链41或第二侧链42向下伸展过程中，第一级连杆411绕上铰链座325转动，第二级连杆4121和连杆导向组件413随第一级连杆411向下移动，带动三个依次连接的第四级连杆组件414向下移动，继而带动第五级连杆组件416向下移动，最终使得末端执行器5向下移动；当末端执行器5的基座51底面的压力传感器接触到西兰花顶端时，压力传感器输出压力信号给控制器，控制器控制电动推杆324停止动作，完成末端执行器5的定位。

步骤三、控制器通过电磁换向阀一58控制末端执行器5的气缸一533动作，气缸一533的活塞杆一534伸出，驱动移动板535与连接板537带动三个切割组件54向内摆动合拢，当气缸一533的活塞杆一534伸出至磁性接近开关二5332处时，磁性接近开关二5332发出信号给控制器，控制器停止气缸一533的动作完成切割组件54抓取西兰花动作；在气缸一533停止动作的同时，控制器通过电磁换向阀二59控制三个气缸二543同步动作，气缸二543的活塞杆二544伸出，驱动安装座545带动切刀546移动，切入西兰花的根茎中，当气缸二543的活塞杆二544伸出至磁性接近开关三5431处时，磁性接近开关三5431发出信号给控制器，控制器停止气缸二543的动作完成西兰花根茎的切断，至此完成西兰花的采摘。

步骤四、控制器控制电动推杆324缩回，从而使多级连杆组件4的第一侧链41和第二侧链42向上同步收缩，完成末端执行器5的提升；然后，控制器控制横向调节组件3的步进电机二313和转动装置2的步进电机一25复位，将采摘后的西兰花提升至放置平台上方；接着，控制器通过电磁换向阀二59控制气缸二543动作,气缸二543的活塞杆二544缩回，当气缸二543的活塞杆二544移动至磁性接近开关四5432处时，磁性接近开关四5432发出信号给控制器，控制器停止气缸二543动作使得切刀546复位，同时通过电磁换向阀一58控制气缸一533动作，使得气缸一533的活塞杆一534缩回，驱动移动板535与连接板537带动三个切割组件54向外摆动，当气缸一533的活塞杆一534伸出至磁性接近开关一5331处时，磁性接近开关一5331发出信号给控制器，控制器停止气缸一533动作使得切割组件54复位，西兰花落入放置平台上。