一种基于负压吸力的便携式苹果采摘装置的制作方法

本发明属于农业机械技术领域，特别涉及一种基于负压吸力的便携式苹果采摘装置。

背景技术：

在苹果生产作业中，苹果的采摘作业是最费力、耗时的一个环节。采摘作业质量的好坏，直接影响到苹果的储存、加工和销售，最终影响市场价格和经济效益。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度很低，苹果采摘作业基本上还是手工完成。随着全球经济的快速发展和人口老龄化的加剧，苹果收获成本不断提高。因此，发展鲜食苹果的机械化收获技术，研究开发苹果采摘机械，具有重要的意义。

有关苹果机械化采摘的研究始于20世纪60年代的美国，采用的收获方式主要是机械振摇式和气动振摇式，其缺点是果实易损，效率不高，特别是无法进行选择性的收获。从20世纪80年代中期开始，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，世界各国在收获采摘机器人的研究上做了大量的工作，试验成功了多种具有人工智能的收获采摘机器人。但在实际试验中，收获采摘机器人的工作性能并不理想。如苹果采摘机器人采摘时会出现爪形刀具划伤果实表皮，影响果实保鲜效果和销售品相。

目前苹果采摘机器人的研发存在的主要挑战是如何快速准确地识别和定位果实。由于苹果的果柄较短，与果枝形貌接近，不易识别和定位，机器视觉系统的工作量大。利用空气负压吸引前方一定范围内的苹果，用“识别果实”替代“识别果柄”，目标尺寸大，与环境区别明显，降低识别和定位的难度，能有效减少机器视觉系统的工作量，提高效率。将空气负压应用到采摘机器人末端执行器上，用“识别果实”的方式识别和定位果实，将促进果实和果枝的快速分离，提高采摘机器人采摘作业的效率和质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种对苹果的损伤更低、采摘效果更好的基于负压吸力的便携式苹果采摘装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于负压吸力的便携式苹果采摘装置，其包括圆环刀盘1、弧形刀片2、环形转盘3、壳体4、控制开关9、伸缩杆10、直流电机11和小齿轮12；

其中，壳体4为一中空腔体；

圆环刀盘1固接在壳体4前端；

直流电机11固定在壳体4内，直流电机11的输出轴上套有小齿轮12；

所述环形转盘3的外缘设有槽体，所述槽体底部设有轮齿，该轮齿与小齿轮12啮合；

环形转盘3和圆环刀盘1之间设置有弧形刀片组；

该弧形刀片组包括三个弧形刀片2，弧形刀片2的刀刃设置在弧形内缘，弧形刀片2两端设有销轴；

圆环刀盘1沿其圆周上开有三个孔，相邻孔之间夹角为120°；环形转盘3的内侧沿径向设有三个径向槽，相邻径向槽之间夹角为120°；三个弧形刀片2的一端的销轴与圆环刀盘1上的一个孔转动连接，另一端的销轴位于环形转盘3的一个径向槽内；使得三个弧形刀片2的刀刃相对，三个弧形刀片2形成一个大小随其运动变化的开口；

壳体4下方开有与苹果收集袋8开口大小相等、且不小于三个弧形刀片2形成最大开口的内切圆面积的开口，该开口处设置苹果收集袋8；

伸缩杆10与壳体4连接，伸缩杆10上设有控制开关9；

离心风机7通过大口径空气管6与壳体4后端连通。

弧形刀片2两端设有不同高度的凸台，使得三个弧形刀片2分层布置。

在壳体4后端与大口径空气管6连接处设置有防护片5，防护片5上开有均匀分布的小孔。

伸缩杆10轴线与壳体4的轴线垂直，与壳体4下方的开口同侧且在同一平面上。

环形转盘3的外缘上设置的槽体的长度为环形转盘3圆周长度的20％～25％。

弧形刀片2的半径大于环形转盘3的半径，弧形刀片2的弧度为92°～98°。

所述弧形刀片2的弧度为94°。

本发明的有益效果在于：

(1)与人工采摘相比，该采摘装置的采摘高度更高，采摘范围更大；

(2)该装置利用空气负压吸引苹果，降低了苹果的定位难度，能显著降低自动化采摘苹果过程中机器视觉系统的工作量；

(3)该装置可以根据不同的苹果种类，选用不同尺寸的刀盘，能够更好地适应不同环境下的苹果采摘，便于产品的推广；

(4)跟爪形采摘刀具相比，该采摘装置对苹果的损伤更低，采摘效果更好。

附图说明

图1为本发明的基于负压吸力的便携式苹果采摘装置结构示意图；

图2为本发明的基于负压吸力的便携式苹果采摘装置结构分解图；

图3为本发明的基于负压吸力的便携式苹果采摘装置主要部件(省略离心风机7、苹果收集袋8和大口径空气管6)示意图；

图4为本发明的基于负压吸力的便携式苹果采摘装置主要部件(省略离心风机7、苹果收集袋8和大口径空气管6)分解图；

图5a为本发明的基于负压吸力的便携式苹果采摘装置中的弧形刀片的结构示意图；

图5b为本发明的基于负压吸力的便携式苹果采摘装置中的弧形刀片的侧视图(各弧形刀片具有不同高度凸台的示意图)；

图6a为本发明的弧形刀片组处于第一极限位置，即三个弧形刀片2形成的开口为最大时，圆环刀盘1、弧形刀片2和环形转盘3安装关系的正视图；

图6b为本发明的弧形刀片组处于第一极限位置，即三个弧形刀片2形成的开口为最大时，圆环刀盘1、弧形刀片2和环形转盘3安装关系的后视图；

图7a为本发明的设有凸台的弧形刀片2布置结构示意图；

图7b为本发明的未设置凸台的弧形刀片2布置结构示意图；

图8a为本发明的弧形刀片组旋合到第二极限位置，即三个弧形刀片2形成的开口缩至最小时的正视图；

图8b为本发明的弧形刀片组旋合到第二极限位置，即三个弧形刀片2形成的开口缩至最小时的后视图。

附图标记：

1圆环刀盘 2弧形刀片 3环形转盘

4壳体 5防护片 6大口径空气管

7离心风机 8苹果收集袋 9控制开关

10伸缩杆 11直流电机 12小齿轮

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1～图4、图5a所示，基于负压吸力的便携式苹果采摘装置，包括圆环刀盘1、弧形刀片2、环形转盘3、壳体4、防护片5、控制开关9、伸缩杆10、直流电机11和小齿轮12。

其中，壳体4为一中空腔体。

圆环刀盘1固接在壳体4前端。

直流电机11固定在壳体4内，直流电机11的输出轴固接有小齿轮12。

所述环形转盘3的外缘设有槽体，所述槽体底部设有轮齿，该轮齿与小齿轮12啮合。优选地，该槽体的长度为环形转盘3圆周长度的20％～25％。

环形转盘3和圆环刀盘1之间设置有弧形刀片组。

优选地，该弧形刀片组包括三个弧形刀片2，弧形刀片2的半径大于环形转盘3的半径，弧形刀片2的弧度为92°～98°，本实施例中，优选地，弧形刀片2的弧度为94°，弧形刀片2的刀刃设置在弧形内缘，弧形刀片2两端设有销轴。

如图6a～图6b所示，圆环刀盘1沿其圆周上设有三个孔，相邻孔之间夹角为120°，环形转盘3的内侧沿径向设有三个径向槽，相邻径向槽之间夹角为120°。三个弧形刀片2的一端的销轴与圆环刀盘1上的一个孔转动连接，另一端的销轴位于环形转盘3的一个径向槽内，使得三个弧形刀片2的刀刃相对，由于弧形刀片2一端的销轴可绕圆环刀盘1上的孔转动，另一端的销轴可随环形转盘3的往复转动而往复转动，并可在环形转盘3的径向槽中进行往复直线运动，使得三个弧形刀片2形成一个大小随其运动变化的开口。如图8a～图8b所示，为本发明的弧形刀片组旋合到第二极限位置，即三个弧形刀片2形成的开口缩至最小时的状态。

如图7b所示，为本发明未设置凸台的弧形刀片2布置结构示意图。为了克服无凸台的弧形刀片2在运动时易上下蹿动的问题，本发明实施例中的弧形刀片2两端设有不同高度的凸台，如图5b及图7a所示，使得三个弧形刀片2分层布置，三片刀片分层排布，通过设置不同高度的凸台，消除弧形刀片2两端的销轴与圆环刀盘1的孔或者环形转盘3上的径向槽转动连接时的间隙，避免运动时弧形刀片2的蹿动。

壳体4下方开有与苹果收集袋8开口大小相等、且不小于三个弧形刀片2形成最大开口的内切圆面积的开口，该开口处设置苹果收集袋8，用于收集采摘下的苹果。苹果下落过程中，苹果收集袋8对苹果产生阻力，降低苹果下落速度，减小苹果碰撞损伤。

伸缩杆10与壳体4连接。伸缩杆10长度能够调节，用于采摘高处的苹果，增大采摘范围。优选地，伸缩杆10的轴线与壳体4的轴线垂直，与壳体4下方的开口同侧且在同一平面上，增大采摘范围，使操作便捷。

伸缩杆10上设有控制开关9。控制开关9上优选设有闭合、张开和停止三个按键，用于控制直流电机11的运转，其中，闭合、张开按键控制直流电机11的正转、反转，带动弧形刀片2开口的缩小、扩大，实现对果柄的切割和弧形刀片2的复位功能；按下停止按键，直流电机11立即停止，用于紧急情况下的制动。

离心风机7通过大口径空气管6与壳体4后端连通，用于将壳体4内的空气抽离，使壳体4内与外界环境形成气压差，对苹果产生吸力。

在壳体4后端与大口径空气管6连接处设置有防护片5，防护片5上开有均匀分布的小孔，在保证空气流通顺畅情况下，防止苹果的叶片受负压进入离心风机7，影响离心风机7的正常工作。

本发明作业时，基于负压吸力的便携式苹果采摘放置，通过伸缩杆10调节采摘高度。开启离心风机7，使壳体4内部产生负压。壳体4前端朝向目标苹果，由于负压吸引苹果进入壳体4。按下控制开关9中的闭合按键，直流电机11正转，通过小齿轮12带动环形转盘3旋转，三个弧形刀片2形成的开口不断缩小，完全闭合后切断果柄；按下控制开关9中的张开按钮，直流电机11反转，通过小齿轮12带动环形转盘3旋转，三个弧形刀片2形成的开口不断扩大直至复位。收获的苹果通过壳体4下方开口落入苹果收集袋8，完成对苹果的采摘和收集。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排出在本发明的保护范围之外。