一种重力自稳型采摘机的制作方法

本发明涉及一种水果采摘机械，尤其涉及一种重力自稳型采摘机。

背景技术：

随着我国农业发展的不断壮大，对相关技术要求也越来越高，农业开始逐渐实现机械化及智能化，因此农机事业必然迅速发展。随着工业化社会的发展，大量农村劳动力流失，同时我国人口老龄化的问题越来越严重，农业的人工成本开始变高，所以机器代替人工作业已成为一种必然的趋势，研发减轻劳动量、提高效率的农机有着巨大的潜力。

我国的苹果栽培有着悠久的历史，有着适宜于苹果树生长发育的得天独厚的地理、土壤和气候条件，是非常理想的苹果的产业发展地区。自20世纪80年代以来，我国的水果产业在质量和数量上均取得了快速迅猛的发展，但在农业生产的过程中，依旧依靠人工进行采摘作业，采摘成为生产中最费时费力的一个环节，在收获期间投入的劳动力占整个过程中的50％—70％，而采摘机器人可以提高生产效率，确保适时采收，解决劳动力不足的问题。在采摘作业的时候，主要难点是：苹果的生长高度不一，苹果的外皮脆弱易损伤；现有的辅助采摘的机械，大多结构过于复杂，安装了各种传感器，使得维护成本过高，简单的机构却容易损伤苹果果肉，鉴于以上的各种问题、情况，故研究一种新型苹果采摘器有着重大的意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种重力自稳型采摘机，其设置有重力自稳式底座，当未采摘到采摘对象时，三爪机械臂重心偏下；当采摘到采摘对象后，采摘对象与果树分离，此时三爪机械臂重心向上移动，导致三爪机械臂翻转，采摘对象可以直接下落至收纳袋；采摘对象掉落后，三爪机械臂重心重新移动回原来位置，再次翻转，恢复原状态，准备下次作业，设置配重机构，包括调节杆和配重块，通过增减配重块的重量和调节调节杆的长度来达到调节三爪机械臂的重心的目的，可以使该采摘机可以适用于多种重量和规格的采摘对象。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种重力自稳型采摘机，其特征在于：包括三爪机械臂、支撑杆和移动小车，所述支撑杆安装在所述移动小车上，所述三爪机械臂安装在所述支撑杆的顶端；所述三爪机械臂包括重力自稳式底座和固定在所述重力自稳式底座上的三爪夹持装置，所述重力自稳式底座包括u形基座、设置在所述u形基座封闭端外侧的调节杆和设置在所述调节杆上远离u形基座一端的配重块，所述支撑杆的顶端固定有u形杆，所述u形基座的开口端两端转动安装在所述u形杆的开口端两端；所述三爪夹持装置包括三爪夹持机构和用于带动所述三爪夹持机构转动的转动电机，所述转动电机固定在所述u形基座的外侧，所述三爪夹持机构包括机架、三爪机械手、传动组件和驱动器，所述驱动器固定在所述机架上，所述机架与所述转动电机的输出轴转动连接。

上述的一种重力自稳型采摘机，其特征在于：所述机架包括与所述转动电机转动连接的夹持底座和安装在所述夹持底座上的导向柱，所述导向柱的数量有三个，所述三爪机械手安装在三个所述导向柱上。

上述的一种重力自稳型采摘机，其特征在于：所述传动组件包括由所述驱动器带动的丝杆、安装在所述丝杆上的推盘和铰接在所述推盘上的推杆，所述推杆的数量有三个，所述推杆的另一端均与所述三爪机械手传动连接，所述推盘中心开设有与所述丝杆配合的螺纹孔，所述推盘通过移动副与所述机架连接。

上述的一种重力自稳型采摘机，其特征在于：所述三爪机械手包括手掌基座和设置在所述手掌基座上的三根机械指，所述手掌基座固定在所述机架上，所述机械指包括铰接在所述手掌基座上的指根节杆、铰接在所述指根节杆上的指中节杆和铰接在所述指中节杆上的指尖节杆，所述指根节杆与手掌基座铰接的位置处铰接有指根三角板，所述指根三角板与所述传动组件连接，所述指中节杆与指根节杆铰接的位置处铰接有指中三角板，所述指根三角板与指中三角板之间铰接有指根连杆，所述指中三角板与所述指尖节杆之间铰接有指中连杆。

上述的一种重力自稳型采摘机，其特征在于：所述指尖节杆为楔形结构，所述指中节杆、指根节杆和指中连杆均为长方体结构。

上述的一种重力自稳型采摘机，其特征在于：所述指根连杆为减震杆，所述减震杆包括铰接在指中三角板上的细杆、套设在所述细杆上的压簧和铰接在所述指根三角板上的粗杆，所述粗杆上设置有滑动安装所述细杆的孔。

上述的一种重力自稳型采摘机，其特征在于：所述支撑杆包括安装所述三爪机械臂的斜杆、固定在斜杆下端的滑轨和支撑所述斜杆与滑轨的立杆，所述滑轨上设置有用于固定滑轨位置的夹紧机构，所述夹紧机构通过杆基座固定在所述立杆上，所述杆基座上安装有滑轮，所述滑轨安装在所述杆滑轮上，所述立杆转动安装在移动小车上。

上述的一种重力自稳型采摘机，其特征在于：所述滑轨为空心杆状导轨，所述空心杆状导轨上沿长度方向开设有滑槽，所述滑轮通过穿过所述滑槽的竖杆固定在杆基座上。

上述的一种重力自稳型采摘机，其特征在于：所述夹紧机构包括两个分别位于所述滑轨两侧的夹板和用于带动夹板夹紧滑轨的快速夹具，所述快速夹具包括两个分别铰接在两个夹板上的夹杆和铰接在两根夹杆之间的二连杆，所述二连杆由限位杆和l形杆铰接而成，限位杆上设置有用于限定l形杆极限位置的限位块，所述夹板铰接在所述夹杆的下端，所述二连杆铰接在所述夹杆的上端，所述夹杆的中部铰接在杆基座上。

上述的一种重力自稳型采摘机，其特征在于：所述支撑杆上安装有收纳袋，所述收纳袋位于所述三爪机械臂的正下方，所述收纳袋底部与移动小车连通。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明设置有重力自稳式底座，当未采摘到采摘对象时，三爪机械臂重心偏下，维持稳态；当采摘到采摘对象后，采摘对象与果树分离，此时三爪机械臂重心偏上，导致三爪机械臂翻转，采摘对象可以竖直下落至收纳袋；采摘对象掉落后，三爪机械臂再次翻转，恢复原状态，准备下次作业。

2、本发明设置配重机构，包括调节杆和配重块，通过增减配重块的重量和调节调节杆的长度来达到调节三爪机械臂的重心的目的，可以使该采摘机可以适用于多种重量和规格的采摘对象。

3、本发明设置支撑杆，操作者通过操纵支撑杆实现三爪机械臂在一定范围内移动，从而使采摘对象位于所述三爪机械臂的夹持范围之内。

4、本发明设置有移动小车，方便在果园中，采摘机进行移动，避免在采摘过程中，需要操作人员长时间握举采摘机。

5、本发明设置有夹紧机构，使滑轨暂时固定，操作人员可以暂时松开操作手柄，所述三爪机械臂不会摔到地上，避免损坏机械部件。

综上所述，本发明设置有重力自稳式底座，当未采摘到采摘对象时，三爪机械臂重心偏下，维持稳态；当采摘到采摘对象后，采摘对象与果树分离，此时三爪机械臂重心偏上，导致三爪机械臂翻转，采摘对象可以竖直下落至收纳袋；采摘对象掉落后，三爪机械臂再次翻转，恢复原状态，准备下次作业，设置配重机构，包括调节杆和配重块，通过增减配重块的重量和调节调节杆的长度来达到调节三爪机械臂的重心的目的，可以使该采摘机可以适用于多种重量和规格的采摘对象。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明三爪机械臂的安装结构示意图。

图3为本发明三爪夹持装置的结构示意图。

图4为本发明三爪机械手(缺少一根欠驱动机械指)的结构示意图。

图5为本发明支撑杆的结构示意图。

图6为本发明滑轨的结构示意图。

图7为本发明夹紧机构的安装结构示意图。

图8为本发明夹紧机构的结构示意图。

附图标记说明:

1—移动小车；2—基座；3—配重块；

4—调节杆；5—指尖节杆；6—指中节杆；

7—指根节杆；8—手掌基座；9-1—指中三角板；

9-2—指根三角板；10-1—指中连杆；10-2—指根连杆；

11-1—转动电机；11-2—驱动器；12—丝杆；

13—推盘；14—推杆；15—夹持底座；

16—导向柱；17—斜杆；18—滑轨；

19—立杆；20—夹板；21—夹杆；

22—杆基座；23—限位杆；24—l形杆；

25—收纳袋；26—滑轮；27—竖杆；

28—扭簧；29—细杆；30—压簧；

31—粗杆。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明包括三爪机械臂、支撑杆和移动小车1，所述支撑杆安装在所述移动小车1上，所述三爪机械臂安装在所述支撑杆的顶端；所述三爪机械臂包括重力自稳式底座和固定在所述重力自稳式底座上的三爪夹持装置，所述重力自稳式底座包括u形基座2、设置在所述u形基座2封闭端外侧的调节杆4和设置在所述调节杆4上远离u形基座2一端的配重块3，所述支撑杆的顶端固定有u形杆，所述u形基座2的开口端两端转动安装在所述u形杆的开口端两端；所述三爪夹持装置包括三爪夹持机构和用于带动所述三爪夹持机构转动的转动电机11-1，所述转动电机11-1固定在所述u形基座2的外侧，所述三爪夹持机构包括机架、三爪机械手、传动组件和驱动器11-2，所述驱动器11-2固定在所述机架上，所述机架固定在所述转动电机11-1的输出轴上。

所述三爪机械臂是按照仿生原理根据人手采摘动作进行设计的，作用在于代替人手对采摘对象进行采摘动作，根据对人手采集动作的分析，要完成一次采摘至少需要两个动作，首先对采摘对象进行夹紧，然后夹紧采摘对象进行转动，使采摘对象从树上分离，完成采摘动作，本实施例中，三爪机械臂需要满足至少完成两种不同的动作，包括夹取动作和转动动作，本实施例采用三爪机械臂，可以形象的重现人手的采摘动作，使用合理可靠，所述支撑杆的作用在于将所述三爪机械臂移动使采摘对象位于所述三爪机械臂的工作范围内，所述移动小车方便带动所述三爪机械臂在地面上进行移动，避免在采摘过程中，需要操作人员长时间握举采摘机。所述三爪机械臂在夹持住所述采摘对象后，若直接将所述采摘对象松开使采摘对象落下，会导致所述采摘对象在下落过程中与所述三爪机械臂发生碰撞，使所述采摘对象受到损伤，本实施例中所述三爪机械臂包括重力自稳式底座和固定在所述重力自稳式底座上的三爪夹持装置，所述重力自稳式底座的工作原理是：当所述三爪机械臂处于空置状态时，所述三爪机械臂的重心偏下，三爪机械臂朝上，方便进行夹持采集动作；当所述三爪机械臂将采摘对象采摘下来时，由于三爪机械臂夹持有采摘对象，导致整体的重心偏上，使三爪机械臂带动采摘对象翻转朝下，方便所述采摘对象落下，避免所述采摘对象在下落过程中与所述三爪机械臂发生碰撞；待所述三爪机械臂松开放下采摘对象后，重心重新回到原来的位置，使所述三爪机械臂再次翻转回原来的位置。由于不同的采摘对象有不同的密度和质量，同类的采摘对象也往往大小不尽相同，因此所述重力自稳式底座包括u形基座2、设置在所述u形基座2封闭端外侧的调节杆4和设置在所述调节杆4上远离u形基座2一端的配重块3，可以在进行采摘工作进行之前，用较小的采摘对象和较大的采摘对象分别对所述三爪机械臂进行测试，调节所述配重块3的重量和所述调节杆4的长度综合调节所述三爪机械臂的重心，保证所述三爪机械臂可以在所述较小的采摘对象和较大的采摘对象的质量范围之内都能实现重力自稳，所述支撑杆的顶端固定有u形杆，所述u形基座2的开口端两端转动安装在所述u形杆的开口端两端，本实施例中，只需要将所述u形基座2转动安装在所述支撑杆的顶端使所述u形基座2可以上下翻转即可，可以通过多种结构和形式实现，可以将u形基座2的一端铰接在所述支撑杆顶端，还可以将u形基座2的两端分别铰接在所述支撑杆上，但是以上两种固定方法存在结构强度差，运动稳定性低的问题，本实施例中，在所述支撑杆的顶端固定有u形杆，将所述u形基座2的开口端两端转动安装在所述u形杆的开口端两端，结构强度较高，运动稳定。所述三爪夹持装置用来实现所述三爪机械臂的采摘动作，所述采摘动作包括夹持和旋转两个独立的动作，可以采用一个电机驱动，通过传动机构将运动分开传动，还可以采用两个驱动电机分别驱动，本实施例采用双电机驱动，省去了传动机构中分运动的部分，结构更加简单，所述三爪夹持装置包括三爪夹持机构和用于带动所述三爪夹持机构转动的转动电机11-1，所述转动电机11-1来夹持采摘对象后实现转动动作，所述三爪夹持机构包括机架、三爪机械手、传动组件和驱动器11-2，所述三爪夹持机构用来实现夹持采摘对象的动作，所述驱动器11-2固定在所述机架上，所述机架固定在所述转动电机11-1的输出轴上，所述转动电机11-1固定在所述u形基座2的外侧，需要说明的是，所述转动电机11-1和驱动器11-2可以均位于所述u形基座2的外侧，也可以均位于所述u形基座2的内侧，还可以分别位于所述u形基座2的外侧和内侧，本实施例中采用所述驱动器11-2位于所述u形基座2的内侧，所述转动电机11-1位于所述u形基座2的外侧，方便两个电机散热，而且可以使两个电机均位于一条直线上，方便调整重心。

本实施例中，所述机架包括与所述转动电机11-1转动连接的夹持底座15和安装在所述夹持底座15上的导向柱16，所述导向柱16的数量有三个，所述三爪机械手安装在三个所述导向柱16上。

所述夹持底座15用于安装所述驱动器11-2并支撑整个所述三爪夹持机构，所述夹持底座15与所述转动电机11-1转动连接，在具体实施时，所述夹持底座15可以通过减速机构与所述转动电机11-1的输出轴相连。所述转动电机11-1通过带动所述夹持底座15转动使整个三爪夹持机构转动，实现转动动作，所述导向柱16用于固定所述三爪机械手的掌基座8，在本实施例中，所述导向柱16用于辅助传动组件为三爪机械手传动，所述导向柱16有三个，结构更稳定。

本实施例中，所述传动组件包括与所述驱动器11-2转动连接的丝杆12、安装在所述丝杆12上的推盘13和铰接在所述推盘13上的推杆14，所述推杆14的数量有三个且均与所述三爪机械手传动连接，所述推盘13中心设置有与所述丝杆12配合的螺纹孔，所述推盘13通过移动副与所述机架连接。

所述驱动器11-2的输出轴与所述丝杆12固定连接，开启所述驱动器11-2带动丝杆12旋转，带动所述推盘13的上下移动，所述推盘13向上移动时，带动推杆14推动所述三爪机械手闭合，对采摘对象进行夹持，所述推盘13向下移动时，带动推杆14拉动所述三爪机械手张开，将采摘对象放松，所述推杆14的数量为三个，分别推动三爪机械手的三根手指，三个所述推杆14均铰接在所述推盘13上，可以同时同步推动所述欠驱动机械指进行夹持动作，有效的将推盘13的推力传递给三爪机械手的三根手指。所述推盘13通过移动副与三根导向柱16连接，所述导向柱16可以保证推盘13的各个部分均沿着运动方向产生相同的位移，防止推盘13产生倾斜，各个部分的位移不同导致三爪机械手的三根机械指闭合程度不一，造成夹持松动的情况。

如图2、图3和图4所示，本实施例中，所述三爪机械手包括手掌基座8和设置在所述手掌基座8上的三根机械指，所述手掌基座8固定在所述机架上，所述机械指包括铰接在所述手掌基座8上的指根节杆7、铰接在所述指根节杆7上的指中节杆6和铰接在所述指中节杆6上的指尖节杆5，所述指根节杆7与手掌基座8铰接的位置处铰接有指根三角板9-2，所述指根三角板9-2与所述传动组件连接，所述指中节杆6与指根节杆7铰接的位置处铰接有指中三角板9-1，所述指根三角板9-2与指中三角板9-1之间铰接有指根连杆10-2，所述指中三角板9-1与所述指尖节杆5之间铰接有指中连杆10-1。

所述三爪机械手的手掌基座8固定在所述三根导向柱16的顶端，模仿人手的结构，所述三爪机械手包括手掌基座8和设置在所述手掌基座8上的三根机械指，所述机械指包括铰接在所述手掌基座8上的指根节杆7、铰接在所述指根节杆7上的指中节杆6和铰接在所述指中节杆6上的指尖节杆5，本实施例中，所述指尖节杆5与指中节杆6铰接的位置处设置有扭簧28，所述指中节杆6与指根节杆7铰接的位置处设置有扭簧28，所述扭簧28可以对所述指根节杆5和指中节杆6形成反力，方便所述指根节杆5和指中节杆6在三爪机械手放松时，可以尽力张开，避免与采摘对象发生碰撞，使采摘对象受到损伤。本实施例的机械指为欠驱动机械指，所述指尖节杆5、指中节杆6、指中三角板9-1和指中连杆10-1均通过销钉以转动副连接组成一个四连杆机构，所述指中三角板9-1、指根节杆7、指根三角板9-2和指根连杆10-2均通过销钉以转动副连接组成一个四连杆机构，两个所述四连杆机构相互联动构成一个欠驱动机械指，该机械指拥有3个的自由度和一个驱动，即推杆14为每根欠驱动机械指的唯一驱动力，该欠驱动机械指可以避免由于机械传动使机械指在夹持采摘对象过程中，用力过猛造成采摘对象受损。所述指中三角板9-1和指根三角板9-2可以使欠驱动机械指的指根部分和指中部分始终成一定角度，避免所述欠驱动机械指在未受驱动时，欠驱动机械指的状态不受控制，这样容易在驱动时，造成欠驱动机械指的形状错误，难以进行夹持动作。

本实施例中，所述指尖节杆5为楔形结构，所述指中节杆6、指根节杆7和指中连杆10-1均为长方体状杆。

所述楔形结构的指尖节杆5的大头一端分别连接有所述指中连杆10-1和指中节杆6，所述楔形结构的指尖节杆5的另一端质量轻，易受控制，而且形状类似人手手指端部，具有一定的仿生原理，所述指中节杆6、指根节杆7和指中连杆10-1均为长方体状杆，易于加工制造，也方便对采摘对象进行夹持。所述长方体结构的指中节杆6、指根节杆7和指中连杆10-1便于加工和制造，而且方便安装，方便对采摘对象进行夹持。

本实施例中，所述指根连杆10-2为减震杆，所述减震杆包括铰接在指中三角板9-1上的细杆29、套设在所述细杆29上的压簧30和铰接在所述指根三角板9-2上的粗杆31，所述粗杆31上设置有滑动安装所述细杆29的孔。

本实施例中，所述减震杆的设置为所述欠驱动机械指增加了一个自由度，可以进一步缓冲指根节杆7受驱动之后对采摘对象的力，由于指根节杆7距离所述推杆14较近，在传动时，受到的力也较大，因此将所述指根连杆10-2设置为减震杆，可以有效避免指根节杆7在夹持过程中对所述采摘对象产生损伤。所述减震杆包括铰接在指中三角板9-1上的细杆29、套设在所述细杆29上的压簧30和铰接在所述指根三角板9-2上的粗杆31，所述粗杆31上设置有滑动安装所述细杆29的孔。所述减震杆结构简单，利用弹簧对机械力进行缓冲。

如图5、图7和图8所示，本实施例中，所述支撑杆包括安装所述三爪机械臂的斜杆17、固定在斜杆17下端的滑轨18和支撑所述斜杆17与滑轨18的立杆19，所述滑轨18上设置有用于固定滑轨18位置的夹紧机构，所述夹紧机构通过杆基座22固定在所述立杆19上，所述杆基座22上安装有滑轮26，所述滑轨18安装在所述杆滑轮26上，所述立杆19转动安装在移动小车1上。

所述三爪机械臂安装在所述斜杆17的顶端，所述三爪机械臂由斜杆17带动，所述斜杆17的下端固定有滑轨18，所述滑轨18安装在所述杆滑轮26上，滑轨18通过在滑轮26的运动带动所述斜杆17运动，包括向上前进，向下后退和在竖直面内旋转，所述滑轨18通过夹紧机构将所述滑轨18与滑轮26的相对位置固定，然后便可以操作所述三爪机械臂进行夹持动作，所述滑轮26通过杆基座22安装在立杆19上，所述立杆19转动安装在所述移动小车2上，所述立杆19转动可以带动所述杆基座22、滑轮26、滑轨18、斜杆17和所述三爪机械臂，在具体使用时，先将移动小车2移动至采摘对象附近的地面，然后转动立杆19并调节滑轨18的位置使所述三爪机械臂靠近所述采摘对象，将滑轨18通过夹持机构固定，再进行采摘工作。

如图6所示，本实施例中，所述滑轨18为空心杆状导轨，所述空心杆状导轨上沿长度方向开设有滑槽18-1，所述滑轮26通过穿过所述滑槽18-1的竖杆27固定在杆基座22上。

所述空心杆状导轨为方形，是为了配合所述滑轮26，使所述滑轮26能够在所述滑轨18内部随滑轨18的移动而转动，本实施例中，所述滑槽18的端部两侧面开设有用于固定的安装孔18-2，可以采用销钉或螺钉进行固定。所述滑轨18所述滑轮26安装在竖杆27上，可以提升滑轮26的高度，使滑轨18的转动角度更大，防止滑轨18与杆基座22碰撞限制滑轨18的转动角度。

本实施例中，所述夹紧机构包括两个分别设置在所述滑轨18两侧的夹板20和用于带动夹板20夹紧滑轨18的快速夹具，所述快速夹具包括两个分别铰接在两个夹板20上的夹杆21和铰接在两根夹杆21之间的二连杆，所述二连杆由限位杆23和l形杆24铰接而成，限位杆23上设置有用于限定l形杆24极限位置的限位块，所述夹板20铰接在所述夹杆21的下端，所述二连杆铰接在所述夹杆21的上端，所述夹杆21的中部铰接在杆基座22上。

本实施例中，所述夹板20设置在所述滑轨18两侧可以对滑轨18直接进行夹持，可以使操作人员腾出一只手进行夹持动作，本实施例中，所述夹板20上设置有多个半球形橡胶突起，可以有效增加滑轨18与夹板20的摩擦力，所述夹板20通过快速夹具将滑轨18夹紧固定，所述快速夹具包括两个分别铰接在两个夹板20上的夹杆21和铰接在两根夹杆21之间的二连杆，所述快速夹具结构简单，使用方便快速，所述快速夹具在使用时，将所述l形杆24向下压直至所述l形杆24与所述限位杆23上的限位块相接触，将两个所述夹杆21的上端向外撑开，由于所述夹杆21的中部铰接在所述杆基座22上，当两根所述夹杆21的上端向外张开时，两根所述夹杆21的下端向内合拢，带动所述夹板20夹紧所述滑轨18，使滑轨18暂时固定。

本实施例中，所述滑轨18的下端固定有手柄。

所述滑轨18的形状为方形，不利于操作人员握持，因此本实施例中通过安装孔18-2在所述滑轨18的下端固定有手柄，使操作更加舒适和方便，设计更加人性化。

如图1所示，本实施例中，所述支撑杆上安装有收纳袋25，所述收纳袋25位于所述三爪机械臂的正下方，所述收纳袋25底部与移动小车1连通。

所述收纳袋25可以将被三爪夹持臂放下的采摘对象进行收集，防止三爪机械臂高度过高，使采摘对象在下落过程中收到损伤，所述收纳袋25的底端与所述移动小车2相连通，可以使掉进所述收纳袋25的采摘对象可以落入移动小车2中进行存储和搬运。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。