本发明属于农用设备领域，具体为一种剪叉式升高水果采摘成套设备和该设备的采摘方法。
背景技术：
据农业部统计，2017年全国果树总面积943.67公顷，总产量7551.5万吨，皆居世界第一，苹果柑橘梨年产量都在千万吨以上。我国山区丘陵地区面积广阔且大部分种植果树，仅西部地区果园面积就达286万公顷，占全国31%，果品总产量为1837万吨。苹果产业作为水果产业的支柱产业，得到了各级政府的重视，近年来，部分市县大力实施“以果兴农、以果兴市”战略，强力推进“一县一业”建设，例如，盖州市苹果栽培面积、产量居全国县级之首，被誉为“苹果之乡”。苹果质量在世界消费市场上有着良好的声誉。盖州市苹果产量达到30万吨，产值达15亿元，出口5.87万吨，创汇5873万美元。在隆鑫公司等龙头企业和230个水果专业合作社的带动下，盖州市还发展苹果订单农业12万亩，连结农户7万户，无公害生产面积达35万亩（图2-1），果品优质率达90%以上。
资料检索表明：目前采摘设备市场缺乏相关采摘技术，大部分果园仍采用人工采摘，在采摘过程中存在以下问题：（1）劳动强度大，效率低，采摘地形复杂；（2）苹果收获季节在每年的9月份，气温较高，若不及时采摘，将会影响果品，效益下降；（3）苹果采摘属于劳动密集型作业，劳动力紧缺，给果农造成很大的工作压力；（4）难以适应大规模机械化生产，成为制约苹果生产能力的瓶颈。因此推出一种高效的水果采摘设备迫在眉睫！保证苹果高品质，提高附属价值，增加果农效益，缩短采摘周期，环节劳动力紧缺，提高苹果采摘设备效率。剪叉式水果采摘成套设备主要面向苹果龙头企业和水果专业合作社，相比于人工采摘，效率提高200%，适合大规模产业化生产，完全可以解决企业的发展瓶颈。
技术实现要素：
发明目的：本发明的目的在于提供一种可穿戴--剪叉式水果采摘成套装置及采摘方法。
技术方案：
一种可穿戴--剪叉式水果采摘成套装置，包括安装在伸缩杆顶端的剪切机构；剪切机构下方安装有水果网袋；
还包括装于升降机构的正上部的升降鞋；所述升降机构的下部装有平衡调节机构；所述平衡调节机构与平衡支撑板控制系统通过线路连接成控制回路；
所述剪切机构为剪刀状，左右两刀片架通过转动副连接刀片连接件，弹簧位于剪刀架与刀架连接件之间；所述刀片连接件通过闸线连接伸缩杆尾端的手闸；
所述升降机构为剪叉式升降机，通过可控氮气弹簧控制其升高和降低；
所述平衡调节机构包括下层支撑板和中层支撑板，之间通过万向节连接并通过多个气弹簧支撑；设置有两个舵机，两个舵机分别通过转动机构连接万向节的两个互相垂直的轴；
还包括平衡控制系统，具体为安装在中层支撑板上的陀螺仪及与之相连的单片机和电池；所述陀螺仪与两个舵机相连接。
所述可穿戴--剪叉式水果采摘成套装置，优选地：所述的平衡调节机构包括：下层支撑板，中层支撑板，气弹簧，类万向节式支架i，类万向节式支架ii，舵机底座，舵机i，舵机ii，滚动轴承，伞齿轮i，伞齿轮ii，伞齿轮iii，伞齿轮iv，四孔连接件，传动轴i,传动轴ii,连接轴及短轴；气弹簧与中层支撑板，下层支撑板采用螺栓连接的方式固定于两板之间；类万向节式支架i装于下层支撑板上端中部，类万向节式支架ii装于上层支撑板下端中部；舵机i装于舵机底座上，并固定于下层支撑板上部；舵机ii装于舵机底座上，并固定在中层支撑板上部；传动轴i通过滚动轴承装于类万向节式支架ii上部的安装孔中，并与四孔连接件的侧孔相接；伞齿轮i装于传动轴i的端部；伞齿轮ii装于传动轴ii的端部，并于伞齿轮i啮合；伞齿轮iii装于舵机ii的传动轴端部；伞齿轮iv装于传动轴ii另一端部，并与伞齿轮iii啮合；传动轴ii通过滚动轴承穿过中层支撑板的安装孔；连接轴通过滚动轴承装于类万向节支架i上部安装孔中，并与四孔连接件相接，另一端与舵机i的传动轴相连接；短轴通过滚动轴承装于类万向节支架i，类万向节支架ii上部安装孔中，并与四孔连接件相接。
所述可穿戴--剪叉式水果采摘成套装置，优选地：所述的升降机构包括：左侧剪叉式举升臂，右侧剪叉式举升臂，轮子支架，轮子，限制轨道，可控氮气弹簧，氮气弹簧控制钮，可控氮气弹簧连接轴i，可控氮气弹簧连接轴ii，剪叉式举升臂支架，上层支撑板；轮子装于轮子支架上，并位于中层支撑板与上层支撑板的滑槽中；轮子支架与左侧剪叉式举升臂用螺栓连接；剪叉式举升臂支架位于中层支撑板上部与上层支撑板下部；可控气弹簧连接轴i可控气弹簧连接轴ii装于左侧剪叉式举升臂与右侧剪叉式举升臂上的安装孔中；可控气弹簧一端装于可控氮气弹簧连接轴i上，另一端装于可控氮气弹簧连接轴ii上；升降鞋装于上层支撑板上部；限制轨道采用螺栓连接方式装于中层支撑板上部。
所述可穿戴--剪叉式水果采摘成套装置，优选地：所述的升降鞋采用螺栓连接方式装于上层支撑板上端。
所述可穿戴--剪叉式水果采摘成套装置，优选地：所述的平衡支撑板控制系统包括：单片机，陀螺仪，航模电池，降压稳压模块，舵机i，舵机ii及导线。陀螺仪装于中层支撑板上端中心处；航模电池，单片机，降压稳压模块装于中层支撑板上端。
所述可穿戴--剪叉式水果采摘成套装置，优选地：升降按钮，控制线；控制线装于可控氮气弹簧端部；升降按钮装于控制线端部。
所述可穿戴--剪叉式水果采摘成套装置，优选地：所述的剪切机构包括：刀片，刀片架i，刀片架ii，剪刀左臂，剪刀右臂，剪刀架，刀片连接件，弹簧，刀片装于刀片架i，刀片架ii；刀片架i与剪刀左臂采用螺栓连接；刀片架ii与剪刀右臂采用螺栓连接；刀架连接件与刀片架i刀片架ii采用螺栓连接；剪刀架与剪刀左臂剪刀右臂采用螺栓连接；弹簧位于剪刀架与刀架连接件之间。
所述可穿戴--剪叉式水果采摘成套装置，优选地：所述的伸缩杆包括：外管，内管，内螺纹紧固件；内管装于外管内部；内螺纹紧固件采用螺纹连接装于外端；内管装于剪刀架端部。
所述可穿戴--剪叉式水果采摘成套装置，优选地：所述的剪切剪控制系统包括：手闸，闸线；手闸装于外管端部；闸线装于外管内部，并与刀架连接件相连。
上述任一项所述可穿戴--剪叉式水果采摘成套装置的采摘方法，采摘方法包括以下步骤：
步骤1.穿戴升高鞋；
步骤2.在水平地面时，当检测到舵机处于135度的位置时，单片机动调整为装置的平衡状态。在凹凸不平的山地时，陀螺仪自动检测相关地理位置数据，传递给单片机，单片机接受由陀螺仪发来的信号，给舵机发出角度信号输出量，自动调整整个装置为平衡状态。
步骤3.当调节装置稳定后，摁下氮气弹簧控制钮，可控氮气弹簧在氮气压力作用下伸长，推动可控氮气弹簧连接轴i，进而推动左侧剪叉式举升臂，右侧剪叉式举升臂作向上运动，左侧剪叉式举升臂，右侧剪叉式举升臂推举上层支撑板，升高鞋向上运动，达到升高目的；
步骤4.在升高机构稳定后，调整伸缩杆的外管，内管，在长度可以够到目标果实时，转动内螺纹紧固件，固定外管，内管；
步骤5.对准果实树枝后，启动手闸，手闸使闸线收紧，闸线带动刀片连接件向后运动，剪刀左臂和剪刀右臂向内转动，刀片架i和刀片架ii带动刀片闭合达到剪切效果，水果将落入正下方的水果网袋中；
步骤6.剪切动作完成后，启动氮气弹簧控制钮，将身体重心分别交替移至每只升高鞋上，由于受到两倍的举升力，可控氮气弹簧将缩短。随之压缩可控氮气弹簧连接轴i，进而压缩左侧剪叉式举升臂和右侧剪叉式举升臂向下运动，左侧剪叉式举升臂和右侧剪叉式举升臂带动上层支撑板和升高鞋，达到下降目的，完成整个采摘过程；
步骤7.待降至初始状态时，连续启动两次调平开关，中层支撑板将会恢复至绝对水平位置，并保持锁死状态，此时可以穿戴升高鞋自由移动。由于限制了轨道的作用，轮子与中层支撑板、上层支撑板并不会脱离，同时平衡调节机构并不会时刻调整位置而导致采摘员重心不稳。当到达另一个采摘位置时，重复上述步骤即可。
优点及效果：
将升降机构和鞋子两种不同构件相结合，利用鞋子的包裹性实现采摘员始终保持稳定状态，利用升降机构将采摘员快速送至指定高度，避免采摘员反复爬梯降低效率以及搬运爬梯造成的体力浪费；
智能调节平衡功能，在国内率先实现了全地形适应功能，避免了采摘员在丘陵地区寻找放置爬梯位置的时间，大大提高采摘效率；
采摘杆的应用，某些品种果树树冠较大，部分果实长在树冠中间，给采摘员带来采摘难题，伸缩采摘杆可以避免无法摘取到水果；
单手采摘容易出现脱蒂，抽心果，高枝水果容易掉在地上造成内外伤，影响果品的外管，不利于保险储藏，降低经济收入，本发明可以直接剪断枝梗，网兜可以接住掉落的水果，避免摔落；
本发明采用气动升降，耗电量低，不需经常性充电，使用方法简，单操作便捷，对采摘环境要求低，大大提高果农的采摘效率。
本设备也可以采摘梨树，樱桃等高枝果树，为以后其他果品采摘提供参考。
附图说明：
图1为本发明整体各部件示意图；
图2为平衡调节机构示意图；
图3为升降机构示意图；
图4为平衡控制系统；
图5为剪切机构示意图；
图6为伸缩杆结构；
图7为剪切控制机构；
图8为本设备采摘方法流程图。
图中标注：
1剪切机构；2伸缩杆；3剪切剪控制系统；4网袋；5升降鞋；6升降机构；7平衡支撑板控制系统；8平衡调节机构；9下层支撑板；10气弹簧；11滚动轴承；12类万向节式支架i；13传动轴i；14伞齿轮i；15伞齿轮ii；16传动轴ii；17舵机i；18伞齿轮iv；19舵机底座；20伞齿轮iii；21类万向节式支架ii；22四孔连接件；23连接轴；24中层支撑板；25舵机ii；26上层支撑板；27左侧剪叉式举升臂；28可控气弹簧连接轴i；29轮子支架；30轮子；31限制轨道；32剪叉式举升臂支架；33可控气弹簧连接轴ii；34可控气弹簧；35右侧剪叉式举升臂；36控制线；37升降按钮；38陀螺仪；39航模电池；40单片机；41降压稳压模块；42剪刀架；43弹簧；44刀片连接件；45剪刀右臂；46刀片架ii；47刀片；48刀片架i；49剪刀左臂；50外管；51内螺纹紧固件；52内管；53手闸；54闸线。
具体实施方式：
本发明是一种可穿戴--剪叉式水果采摘成套装置，如图1所示，包括安装在伸缩杆2顶端的剪切机构1；剪切机构1下方安装有水果网袋4；
还包括装于升降机构6的正上部的升降鞋5；所述升降机构6的下部装有平衡调节机构8；所述平衡调节机构8与平衡支撑板控制系统7通过线路连接成控制回路；
所述剪切机构1为剪刀状，左右两刀片架通过转动副连接刀片连接件44，弹簧43位于剪刀架42与刀架连接件44之间；所述刀片连接件44通过闸线54连接伸缩杆2尾端的手闸53；
所述升降机构6为剪叉式升降机，通过可控氮气弹簧控制其升高和降低；
所述平衡调节机构8包括下层支撑板9和中层支撑板24，之间通过万向节连接并通过多个气弹簧支撑；设置有两个舵机，两个舵机分别通过转动机构连接万向节的两个互相垂直的轴；
还包括平衡控制系统7，具体为安装在中层支撑板24上的陀螺仪38及与之相连的单片机和电池；所述陀螺仪38与两个舵机相连接。
如图2，所述的平衡调节机构8包括：下层支撑板9，中层支撑板24，气弹簧10，类万向节式支架i12，类万向节式支架ii21，舵机底座19，舵机i17，舵机ii25，滚动轴承11，伞齿轮i15，伞齿轮ii14，伞齿轮iii20，伞齿轮iv18，四孔连接件22，传动轴i13,传动轴ii16,连接轴23及短轴；气弹簧10与中层支撑板24，下层支撑板9采用螺栓连接的方式固定于两板之间；类万向节式支架i12装于下层支撑板9上端中部，类万向节式支架ii21装于上层支撑板24下端中部；舵机i17装于舵机底座19上，并固定于下层支撑板9上部；舵机ii25装于舵机底座19上，并固定在中层支撑板24上部；传动轴i13通过滚动轴承装11于类万向节式支架ii21上部的安装孔中，并与四孔连接件22的侧孔相接；伞齿轮i14装于传动轴i13的端部；伞齿轮ii15装于传动轴ii16的端部，并于伞齿轮i14啮合；伞齿轮iii20装于舵机ii25的传动轴端部；伞齿轮iv18装于传动轴ii16另一端部，并与伞齿轮iii20啮合；传动轴ii16通过滚动轴承穿过中层支撑板24的安装孔；连接轴23通过滚动轴承11装于类万向节支架i12上部安装孔中，并与四孔连接件22相接，另一端与舵机i17的传动轴相连接；短轴通过滚动轴承11装于类万向节支架i12，类万向节支架ii21上部安装孔中，并与四孔连接件22相接。
如图3，所述的升降机构6包括：左侧剪叉式举升臂27，右侧剪叉式举升臂35，轮子支架29，轮子30，限制轨道31，可控氮气弹簧34，氮气弹簧控制钮37，可控氮气弹簧连接轴i28，可控氮气弹簧连接轴ii33，剪叉式举升臂支架32，上层支撑板26；轮子30装于轮子支架29上，并位于中层支撑板24与上层支撑板26的滑槽中；轮子支架29与左侧剪叉式举升臂27用螺栓连接；剪叉式举升臂支架32位于中层支撑板24上部与上层支撑板26下部；可控气弹簧连接轴i28可控气弹簧连接轴ii33装于左侧剪叉式举升臂27与右侧剪叉式举升臂35上的安装孔中；可控气弹簧34一端装于可控氮气弹簧连接轴i28上，另一端装于可控氮气弹簧连接轴ii33上；升降鞋5装于上层支撑板26上部；限制轨道31采用螺栓连接方式装于中层支撑板24上部。
所述的升降鞋5采用螺栓连接方式装于上层支撑板26上端。
如图4，所述的平衡支撑板控制系统7包括：单片机40，陀螺仪38，航模电池39，降压稳压模块41，舵机i17，舵机ii25及导线。陀螺仪38装于中层支撑板24上端中心处；航模电池39，单片机40，降压稳压模块41装于中层支撑板24上端。
升降按钮37，控制线36；控制线36装于可控氮气弹簧端部34；升降按钮37装于控制线36端部。
如图7所示，所述的剪切机构1包括：刀片47，刀片架i48，刀片架ii46，剪刀左臂49，剪刀右臂45，剪刀架42，刀片连接件44，弹簧43，刀片47装于刀片架i48，刀片架ii46；刀片架i48与剪刀左臂49采用螺栓连接；刀片架ii46与剪刀右臂45采用螺栓连接；刀架连接件44与刀片架i48刀片架ii46采用螺栓连接；剪刀架42与剪刀左臂49剪刀右臂45采用螺栓连接；弹簧43位于剪刀架42与刀架连接件44之间。
所述的伸缩杆2包括：外管50，内管52，内螺纹紧固件51；内管52装于外管50内部；内螺纹紧固件51采用螺纹连接装于外端；内管52装于剪刀架42端部。
所述的剪切剪控制系统3包括：手闸53，闸线54；手闸53装于外管50端部；闸线54装于外管50内部，并与刀架连接件44相连。
如图8所示，采摘方法包括以下步骤：
步骤1.穿戴升高鞋5；
步骤2.在水平地面时，当检测到舵机处于135度的位置时，单片机动调整为装置的平衡状态。在凹凸不平的山地时，陀螺仪自动检测相关地理位置数据，传递给单片机，单片机接受由陀螺仪发来的信号，给舵机发出角度信号输出量，自动调整整个装置为平衡状态。
具体的工作原理：陀螺仪模块mpu6050的载体坐标系尽量与世界坐标系重合，利用mpu6050的三轴加速度和三轴陀螺仪反馈的数据产生相应位置的四元数矩阵，通过dmp库进行姿态结算，得到相应位置的自身欧拉角，即：俯仰角、横滚角和航向角。根据需要本专利选择了欧拉角的两个部分：俯仰角和横滚角。其次，在mpu6050采集数据pitch后，对角度进行闭环控制。mpu6050将采集的角度信号传递给单片机stm32f103zet6，输出与角度所对应的脉冲宽度调制pwm，通过改变pwm来实现舵机角度angle的改变，从而实现装置的平衡状态，具体转换过程如公式和所示。舵机的主要控制模块ds9180是一种角度伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统，内部实现了电路硬件闭环。舵机的控制是在20ms周期下，其0.5ms到2.5ms下不同信号的值产生不同的角度
angle=135+pitch
pwm=0.7389*angle+50
步骤3.在调节结构稳定后，启动氮气弹簧控制钮37，左右脚两只可控氮气弹簧34在氮气压力作用下伸长，推动可控氮气弹簧连接轴i28，进而推动左侧剪叉式举升臂27，右侧剪叉式举升臂35作向上运动，左侧剪叉式举升臂27，右侧剪叉式举升臂35推举上层支撑板26，升高鞋5向上运动，达到升高目的；
步骤4.在升高机构6稳定后，调整伸缩杆2的外管50，内管52，在长度满足需求时，转动内螺纹紧固件51，固定外管50，内管52；
步骤5.对准果实树枝后，启动手闸53，手闸53使闸线54收紧，闸线54带动刀片连接件44向后运动，剪刀左臂49，剪刀右臂45向内转动，刀片架i48，刀片架ii46带动刀片47闭合达到剪切效果，水果落入正下方的水果网袋4中；
步骤6.剪切动作完成后，启动氮气弹簧控制钮37，将身体重心分别移至每只升降鞋。由于受到两倍的举升力，可控氮气弹簧34将缩短，压缩可控氮气弹簧连接轴i28，进而压缩左侧剪叉式举升臂27，右侧剪叉式举升臂35作向下的运动，左侧剪叉式举升臂27和右侧剪叉式举升臂35下拉上层支撑板26和升高鞋5，达到下降目的，完成整个采摘过程；
步骤7.待降至初始状态时，连续摁两次调平开关，中层支撑板24将会恢复至绝对水平位置，并保持锁死状态，此时采摘员可以自由移动，此时由于限制轨道31的作用，轮子30与中层支撑板24、上层支撑板26并不会脱离，同时平衡调节机构8并不会时刻调整位置而导致采摘员重心不稳。当到达另一个采摘位置时，重复上述步骤即可。