一种水果自动定向上料装置的制作方法

本发明涉及了一种水果上料装置，尤其是涉及了一种水果自动定向上料装置，主要用于实现水果品质在线检测上料过程的自动化，提高水果商品化检测效率。

背景技术：

果品业在农业经济发展中占重要地位，是世界第三大农业种植产业。我国是水果生产及消费大国，其中苹果、梨、桃子的产量均为世界第一，但水果商品化自动化技术相对落后，劳动效率低，许多环节仍需人工完成，这严重制约了我国果品业的发展，产业迫切需求高度自动化的水果采后商品化技术。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供的水果自动定向上料装置可用于水果检测分级产线的上料阶段，尤其适用于苹果、梨、桃等球形水果。

本发明可代替当前水果检测产线人工上料过程，自动实现水果位姿调整及定位上料，显著提高了水果检测效率。

本发明采用的具体技术方案如下：

本发明包括单列化输送模块、位姿调整模块、整机控制模块、机械臂上料模块，单列化输送模块、位姿调整模块和机械臂上料模块沿输送方向依次布置，整机控制模块安装在位姿调整模块顶部。

所述的单列化输送模块主要包括单列化机构、输送引流板、输送带电机、机架a和输送带；输送带安装在机架a上，输送带连接输送带电机且由输送带电机驱动工作；输送带沿输送方向的两侧对称安装有输送引流板，两侧的输送引流板之间的输送带上放置并运输水果，单列化机构横跨安装在输送带上方。

所述的位姿调整模块主要包括位姿调整机构、机架b、引流道、光电开关、安装箱、定量输送带、毛刷辊和缓冲板；引流道安装在机架b上，引流道是由多个通道平行并排组成，引流道的入口端位于单列化输送模块的输送带的输送出口处，引流道中部从入口端到出口端方向以先向下倾斜15°后水平布置，引流道每个通道中部的侧板之间安装有毛刷辊；引流道的出口端设有安装箱，安装箱内安装有定量输送带；每条定量输送带入口端与引流道的一个通道出口端衔接，定量输送带中部从入口端到出口端方向以向上倾斜5°布置，每条定量输送带输出端设有一个位姿调整机构，定量输送带输出端和位姿调整机构之间设有缓冲板，每条定量输送带出口端和缓冲板正上方的机架b上安装有光电开关，光电开关朝下探测对经过缓冲板的水果计数。

所述的位姿调整机构包括底座和安装在底座上的四组电机组件，每个电机组件包括转向驱动电机、旋轮、同步带和底座；转向驱动电机安装在底座底面，底座上安装旋轮，转向驱动电机的输出轴经同步带和旋轮传动连接；旋轮采用麦克娜姆轮，四组电机组件的四个麦克娜姆轮以全向旋转方式布置；通过控制四组电机组件的转向驱动电机，在四个旋轮作用下调整水果位姿使得果梗朝正上方。

所述的机械臂上料模块包括机械臂、末端执行器、机架c、相机和照明光源；机械臂架设在检测分级线上方，机架c顶部安装有机械臂，机械臂下端安装有末端执行器，机械臂带动末端执行器在水平面移动，机械臂末端安装有末端执行器；相机和照明光源安装于机架c上部，相机和照明光源位于位姿调整模块的位姿调整机构正上方，相机朝向位姿调整机构用于实时拍摄水果的图像。

所述的单列化机构包括导轨、横梁、单列化隔板、单列化安装台、电机安装架、单列化驱动电机、连杆、偏置圆凸轮和滑块；单列化安装台横跨安装在输送带上方并连接于两侧的输送引流板，单列化安装台上开有四条平行等间距的条形通槽和导轨，条形通槽和导轨平行；四块单列化隔板上端穿过单列化安装台上各自的条形通槽后与横梁固接；横梁底面还固定安装有滑块，滑块嵌装于导轨上配合；单列化驱动电机通过电机安装架安装在单列化安装台上方，单列化驱动电机输出轴朝下和偏置圆凸轮的旋转轴同轴固接，偏置圆凸轮的偏心部通过连杆和横梁铰接；单列化驱动电机工作经偏置圆凸轮和连杆构成的曲柄滑块副带动单列化隔板在条形通槽导向下来回往复移动。

所述的位姿调整机构上方设有限位通道，限位通道在朝向定量输送带的一侧设有u形开口，作为水果从定量输送带运输出进入位姿调整机构的通道。

所述的定量输送带选择驱动电机内置方式的皮带输送，并且在输送带上沿带表面等间隔平行均布横肋，每条横肋垂直于输送方向，相邻横肋之间的间距大小使得仅容纳置有一个水果，使得水果逐个向前输送。

所述的机械臂采用直角坐标机械臂、多关节机械臂或者并联机械臂。

所述的末端执行器包括驱动气缸、末端执行器安装架、剪叉式伸缩机构、导向机架、从动滑块、驱动滑块、气缸和吸盘；末端执行器安装架顶部固定连接到机械臂的下端，末端执行器安装架下端固定安装导向机架，导向机架中安装有水平的光轴，驱动滑块和多个从动滑块均套装在光轴上，其中处于居中位置的一个从动滑块固定安装连接于导向机架，不能在光轴上滑动，其余从动滑块和驱动滑块均能在光轴上滑动；光轴上方的导向机架中安装有剪叉式伸缩机构，各个从动滑块和驱动滑块与剪叉式伸缩机构中的x交叉铰接处相连，每个从动滑块下端安装气缸，气缸的输出杆朝下和吸盘固接；驱动滑块与安装于导向机架上的驱动气缸相连，驱动气缸提供变间距动力；驱动气缸推动驱动滑块在光轴上滑动，进而经剪叉式伸缩机构带动除了处于居中位置的一个从动滑块以外的其余从动滑块在光轴上滑动，带动其余从动滑块作分离或者靠拢移动。

所述的整机控制模块，主要包括控制箱、控制系统和一体机；控制箱置于位姿调整模块的机架b上，控制箱内装有控制系统和一体机。

所述的机械臂上料模块内下方还安装有检测分级线。

本发明的主要工作流程为：水果由单列化输送模块规整为多列整齐排布的状态，从不同的引流道经毛刷辊缓冲进入位姿调整模块，定量输送带通过光电开关控制每次输送一个水果进入位姿调整机构，经相机拍照，整机控制模块通过识别程序对水果的位姿进行实时识别判断，并根据检测结果控制位姿调整机构完成水果位姿调整，其后伺服控制机械臂进行抓取上料工作。

本发明实现目前水果商品化处理过程中上料环节的“机器换人”以及在内部品质检测中对水果姿态的要求，从而提高生产效率和检测精度，适用于球形水果在线检测分级前的自动上料过程，可大大提高检测分级效率。

本发明具有的有益效果是：

本发明可用于球形水果检测产线的自动上料，可代替传统手工操作，提高检测效率；本发明采用各种柔性结构，尽可能减少水果输送上料过程的损伤；本发明可满足检测对水果位姿的特殊要求，可对水果任意位姿进行调整，提高检测精度。

附图说明

图1是发明装置的等轴侧图；

图2是单列化输送模块的等轴侧图；

图3是单列化机构的装配图；

图4是单列化隔板主视图；

图5是单列化机构的工作示意图；

图6是定量输送及位姿调整机构的等轴侧图；

图7是定量输送及位姿调整机构的俯视图；

图8是定量输送及位姿调整机构的a-a剖视图；

图9是引流道的等轴侧图；

图10是位姿调整机构的安装方式示意图；

图11是整机控制模块；

图12是机械臂上料模块的装配图；

图13是末端执行器的装配图；

图14是末端执行器的工作示意图；

图14(a)是末端执行器最大工作间距示意图；

图14(b)是末端执行器最小工作间距示意图；

图15是装置的工作流程图。

图中，1、单列化输送模块；11、单列化机构；111、导轨；112、横梁；113、单列化隔板；114、单列化安装台；115、电机安装架；116、单列化驱动电机；117、连杆；118、偏置圆凸轮；119、滑块；12、机架a；13、输送带；14、单列化机构端盖；15、输送引流板；16、输送带电机；2、位姿调整模块；20、位姿调整机构；201、转向驱动电机；202、左旋轮；203、右旋轮；204、同步带；205、底座；21、机架b；22、引流道；23、毛刷辊轴承；24、光电开关；25、安装箱；26、限位通道；27、定量输送带；28、毛刷辊；29、缓冲板；3、整机控制模块；31、一体机；32、控制箱；33、控制系统；4、机械臂上料模块；41、机械臂；42、末端执行器；421、气缸；422、吸盘；423、驱动气缸；424、末端执行器安装架；425、剪叉式伸缩机构；426、导向机架；427、从动滑块；428、驱动滑块；429、光轴；43、机架c；44、相机；45、照明光源；5、检测分级线；51、果盘；6、水果。

具体实施方式

下面以苹果的自动定向上料为例，结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明主要由几部分构成，分别为：单列化输送模块1、位姿调整模块2、整机控制模块3、机械臂上料模块4，单列化输送模块1、位姿调整模块2和机械臂上料模块4沿输送方向依次布置，机械臂上料模块4内下方安装有检测分级线5；整机控制模块3安装在位姿调整模块2顶部。采摘后大量混乱分布的苹果由单列化输送模块1规整为多列整齐排布的状态，进而等待位姿调整模块2的处理。

如图1、图2和图3所示，单列化输送模块1主要包括单列化机构11、输送引流板15、输送带电机16、机架a12和输送带13；输送带13安装在机架a12上，输送带13连接输送带电机16且由输送带电机16驱动工作；输送带13沿输送方向的两侧对称安装有输送引流板15，两侧的输送引流板15之间的输送带13上放置并运输水果6，单列化机构11安装在机架a12上靠近输送带电机16的一端，单列化机构11横跨安装在输送带13上方；单列化机构端盖14罩在单列化机构11上，一侧开口为水果进料口，另一侧固定在输送引流板15末端。

单列化机构11主要有两种功能，其一为防止水果在单列化工作区淤积堵塞，其二为将混乱无序的水果规整为多列整齐分布的状态。如图3和图5所示，单列化机构11包括导轨111、横梁112、单列化隔板113、单列化安装台114、电机安装架115、单列化驱动电机116、连杆117、偏置圆凸轮118和滑块119；单列化安装台114横跨安装在输送带13上方并连接于两侧的输送引流板15，单列化安装台114上开有四条平行等间距的条形通槽和导轨111，条形通槽和导轨111平行，具体实施具有两条导轨，导轨在条形通槽之间的单列化安装台114顶面上；单块单列化隔板113如图4所示，四块单列化隔板113上端穿过单列化安装台114上各自的条形通槽后与横梁112固接；横梁112底面还固定安装有滑块119，滑块119嵌装于导轨111上配合沿导轨111移动；单列化驱动电机116通过电机安装架115安装在单列化安装台114上方，单列化驱动电机116输出轴朝下和偏置圆凸轮118的旋转轴同轴固接，偏置圆凸轮118的偏心部通过连杆117和横梁112铰接，连杆117的两端均分别均和偏置圆凸轮118和横梁112铰接；单列化驱动电机116工作经偏置圆凸轮118和连杆117构成的曲柄滑块副带动单列化隔板113在条形通槽导向下来回往复移动，从而实现在单列化驱动电机116驱动下单列化隔板113的前后来回移动。

相邻两块单列化隔板113之间以及边缘两块单列化隔板113分别和两侧的输送引流板15之间形成单列水果输送的通道，具体实施共有五个通道。

如图1、图6、图7、图8所示，位姿调整模块2主要包括位姿调整机构20、机架b21、引流道22、光电开关24、安装箱25、定量输送带27、毛刷辊28和缓冲板29；引流道22安装在机架b21上，如图9所示，引流道22是由多个通道平行并排组成，引流道22的入口端位于单列化输送模块1的输送带13的输送出口处并相衔接，引流道22中部从入口端到出口端方向以先向下倾斜15°后水平布置，引流道22每个通道中部的侧板之间安装有毛刷辊28，毛刷辊28经引流道22通道侧板上的通孔通过引流道22外侧壁上毛刷辊轴承23安装；引流道22的出口端设有安装箱25，安装箱25也安装在机架b21上，安装箱25内安装有定量输送带27，定量输送带27数量和引流道22的通道数量相同；每条定量输送带27入口端与引流道22的一个通道出口端衔接，定量输送带27中部从入口端到出口端方向以向上倾斜5°布置，每条定量输送带27输出端设有一个位姿调整机构20，定量输送带27输出端和位姿调整机构20之间设有缓冲板29，每条定量输送带27出口端和缓冲板29正上方的机架b21上安装有光电开关24，光电开关24朝下探测对经过缓冲板29的水果计数。

如图6、图7和图8所示，定量输送带27选择驱动电机内置方式的皮带输送，并且在输送带上沿带表面等间隔平行均布横肋，每条横肋垂直于输送方向，相邻横肋之间的间距大小使得仅容纳置有一个水果6，使得水果6逐个向前输送。

位姿调整机构20上方设有限位通道26，限位通道26在朝向定量输送带27的一侧设有u形开口，作为水果6从定量输送带27运输出进入位姿调整机构20的通道。

如图10所示，位姿调整机构20包括底座205和安装在底座205上的四组电机组件，每个电机组件包括转向驱动电机201、旋轮202、203、同步带204和底座205；转向驱动电机201安装在底座205底面，底座205上安装旋轮，转向驱动电机201的输出轴经同步带204和旋轮传动连接；旋轮采用麦克娜姆轮，四组电机组件的四个麦克娜姆轮以全向旋转方式布置；即面朝定量输送带27从左到右顺时针方向依次为右旋轮203→左旋轮202→右旋轮203→左旋轮202，相邻安装的两个转向轮之间皆为镜面对称，通过控制四组电机组件的转向驱动电机201，在四个旋轮202、203作用下调整水果6位姿使得果梗朝正上方；

如图12所示，机械臂上料模块4包括机械臂41、末端执行器42、机架c43、相机44和照明光源45；机械臂41架设在检测分级线5上方，使得机械臂上料模块4整体安装于检测分级线5上方；机架c43顶部安装有机械臂41，机械臂41下端安装有末端执行器42，机械臂41带动末端执行器42在水平面移动，机械臂41末端安装有末端执行器42；相机44和照明光源45安装于机架c43上部，相机44和照明光源45位于位姿调整模块2的位姿调整机构20正上方，相机44朝向位姿调整机构20用于实时拍摄水果6的图像，进而获得位姿情况。

具体实施中，机械臂41可采用直角坐标机械臂、多关节机械臂或者并联机械臂等。

如图13所示，末端执行器42包括驱动气缸423、末端执行器安装架424、剪叉式伸缩机构425、导向机架426、从动滑块427、驱动滑块428、气缸421和吸盘422；末端执行器安装架424顶部固定连接到机械臂41的下端，末端执行器安装架424下端固定安装导向机架426，末端执行器安装架424用于连接导向机架426和机械臂41，导向机架426中安装有水平的光轴429，驱动滑块428和多个从动滑块427均套装在光轴429上，驱动滑块428位于多个从动滑块427整体的一侧，其中处于居中位置的一个从动滑块427固定安装连接于导向机架426，不能在光轴429上滑动，其余从动滑块427和驱动滑块428均能在光轴429上滑动；光轴429上方的导向机架426中安装有剪叉式伸缩机构425，各个从动滑块427和驱动滑块428与剪叉式伸缩机构425中各自对应的x交叉铰接处相连，每个从动滑块427下端安装气缸421，气缸421的输出杆朝下和吸盘422固接；驱动滑块428与安装于导向机架426上的驱动气缸423相连，驱动气缸423提供变间距动力；驱动气缸423推动驱动滑块428在光轴429上滑动，进而经剪叉式伸缩机构425带动除了处于居中位置的一个从动滑块427以外的其余从动滑块427在光轴429上滑动，带动其余从动滑块427作分离或者靠拢移动。这样带动由气缸421和吸盘422组成的吸取组件作分离或者靠拢移动，以调整适应检测分级线5上的果盘51间的间距和位姿调整模块2输出侧的位姿调整机构20间的间距，实现检测分级线5和位姿调整模块2之间移动的来回调整。

如图14所示，驱动滑块428随驱动气缸423一起移动，与驱动滑块428相连的剪叉式伸缩机构425进而改变各个交叉点间的间距，各从动滑块及相连的气缸421、吸盘422也随之改变间距，满足不同工位的需求。

如图11所示，整机控制模块3，其安装在位姿调整模块2上方，主要包括控制箱32、控制系统33和一体机31；控制箱32置于位姿调整模块2的机架b21上，控制箱32内装有控制系统33和一体机31。一体机31与相机44和控制系统33直接相连，一体机31内安装有果梗识别软件，对相机44采集的水果照片实时识别判断果梗的位姿，并作为上位机对控制系统33发出动作指令；控制系统33作为下位机与各模块中电机直接相连，并执行上位机33发出的指令。

具体实施中，整机控制模块3协调控制各模块间的动作，控制系统33采用单片机或plc，控制各模块下驱动电机的转向、速度，机械臂的动作位置等。一体机31主要用于运行视觉识别程序，并作为上位机对控制系统33发出指令，完成工作。

如图15所示，本发明的工作过程具体为：

水果6由单列化输送模块1规整为多列整齐排布的状态，从不同的引流道22经毛刷辊23缓冲进入位姿调整模块2，定量输送带27通过光电开关24控制每次输送一个水果6进入位姿调整机构20，经相机44拍照，整机控制模块3通过识别程序对水果6的位姿进行实时识别判断，并根据检测结果控制位姿调整机构20完成水果位姿调整，同时控制系统33结合机械臂41的运行轨迹以及检测分级线5上果盘51的运行速度，获得苹果的抓取、放置位置。待水果位姿满足任务需求后，控制机械臂41及末端执行器42高速完成抓取和放置操作。并在抓取后触发定量输送带电机开始下一次工作循环。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。