一种单侧夹持菠萝采摘装置及其使用方法与流程

本发明属于农业工程机械领域，具体地说，本发明涉及一种单侧夹持菠萝采摘装置及其使用方法。

背景技术

我国是一个农业大国，水果业是农民的主要经济来源之一。水果的采摘既费时又费力，一直是困扰果农的重大难题。虽然果农们在采摘水果时采取了各种办法，但还是没有能很好地解决水果采摘困难的难题，目前公知的水果采摘办法主要是人站在地上直接摘取水果；因此保证果实适时采收、降低收获作业费用成为了增加农业收入的重要途径。

菠萝果实具有很高的营养价值，菠萝叶片中的纤维可作为优良天然杀菌性能的纺织材料，菠萝叶具有广泛的药理活性，药用价值极高，由于菠萝为多年生水果，具有特殊的结构，在采摘过程中，需保证果实不受损伤，植株不被破坏，不能影响第二年的结果情况，这些条件决定了菠萝采摘不能实现大规模机械化。目前，我国菠萝种植地区主要包括广东、广西、云南和海南等省区，采摘方式多采用人工采摘形式，由于菠萝叶片上锋利的锐齿和果皮上的芒刺很容易对采摘人员造成伤害，严重影响采摘效率。农民朋友迫切需要一种采摘装置来代替人工直接采摘。因此，如何高效地采摘菠萝果实，同时减少机械对植株的破坏，是菠萝果实采摘的研究重点。

现有的，菠萝采摘机械通常使用扭转式采摘方式，如cn201210431101.5中所记录的技术方案。在实际使用中，采用扭转式采摘时，在将菠萝扭掉的同时，容易造成菠萝植株叶片及根系的损伤。

另一种是菠萝自动采摘机，它是根据菠萝果实生长的地方都在菠萝树的中心上部，颈部较长，可利用剪刀将果实摘下。采摘机安装在手扶拖拉机车厢的前端，拖拉机向前行走时，采摘机的椭圆式切刀在动力的驱动下进行菠萝采摘，采摘机装四把收割刀，一次收割四排果品，拖拉机向前行走时，采摘机的圆盘式切刀在动力的驱动下进行菠萝采摘，采摘后的波萝落在输送带上，通过皮带传动输送到拖拉机的车箱内。此机械具有机械化程度高、省时省力、采摘效率高、使用寿命长、节省大量劳动力等优点。

同样，虽然此装置机械化程度高，但是这种一刀切的采摘容易损伤果实，降低菠萝的经济价值；更有可能对菠萝植株上的裔芽造成一定的损伤，影响其下一年的结果情况；也会破坏菠萝叶子，影响其中的叶脉纤维质量，而且还会严重影响植株的生长，甚至造成植株的枯萎，进而影响菠萝园下一年的收获量。

技术实现要素：

针对现有技术中菠萝采摘机械不够灵活，容易损伤菠萝植株的问题，本发明提供一种单侧夹持菠萝采摘装置及其使用方法，其结构简单，可以快速采摘菠萝而不伤害菠萝的植株。

为实现上述的目的，本发明所采用的技术方案是：所述的一种单侧夹持菠萝采摘装置，包括承载臂、在承载臂上通过驱动组件驱动的用于径向夹持菠萝果体并将其茎秆割断的夹持切割组件以及设置在承载臂和夹持切割组件上的传感器组件、用于采集传感器组件信息并控制夹持切割组件在承载臂上滑动的控制组件；其特征在于：

夹持切割组件包括水平设置的框体、设置在框体内的连接座、设置在连接座上的固定板、设置在固定板相对侧的活动板机构；其中，固定板用于人为控制径向接近待采摘菠萝果体；活动板机构用于在固定板不动的情况下径向夹紧菠萝果实。

所述的活动板机构包括设置在框体上的夹紧滑块、与夹紧滑块对应的夹紧丝杠、横梁、固定座、活动板以及夹紧电机；其中，滑块的内部设置有与丝杠对应的螺孔；夹紧电机通过电机座连接至框体上且该夹紧电机电连接至控制组件；活动板通过固定座设置在横梁上；

其中，丝杠的一端通过联轴器连接夹紧电机另一端通过轴承连接至框体的端部；

其中，活动板与固定板均为弧形板且开口端相对设置。

所述的活动板与固定座之间设置有第一弹簧组；该第一弹簧用于夹紧菠萝果实时，根据菠萝果实的形状调整活动板与固定座之间竖直方向的夹角；固定板与框体之间也设置有第二弹簧；该第二弹簧用于夹紧菠萝果实时，根据菠萝果实的形状调整固定板与连接座之间竖直方向的夹角。

所述的驱动组件包括用于驱动框体移动的设置在承载臂上的靠近电机、靠近电机输出端连接的靠近螺杆、设置在框体上的用于与靠近螺杆配合使用的靠近滑块、设置在承载臂端部的用于配合框体在承载臂上滑动的导轨；其中，靠近电机电连接至控制组件；其中，靠近滑块内部设置有与靠近螺杆对应的螺孔。

所述的承载臂为h型且该承载臂的两竖直段的相对侧内部设置有方形的框体；该承载臂中同时与两竖直段连接的水平段上设置有靠近电机；框体靠近承载臂中水平段的边上对应设置有靠近滑块；该承载臂与框体接触的两竖直段的端部设置有导轨且该导轨为开口相对的c型导轨。

所述的框体与承载臂之间还设置有用于导向的导向组件；其中，该导向组件包括设置在框体上的第一凸起、第二凸起以及导杆；其中，第一凸起和第二凸起分列c型导轨的两侧并通过导杆依次将第一凸起、c型导轨以及第二凸起连接至一起；其中，该c型导轨上设置有通过导杆的孔。

所述的传感器组件包括压力传感器、数量为三个的光电传感器以及霍尔传感器；

其中，压力传感器设置在固定板的中心位置；数量为三个的光电传感器成品字形设置，其中，数量为一个的光电传感器设置在压力传感器的下方，用于检测是否将菠萝果实放置在活动板与固定板之间；其他数量为两个的光电传感器水平设置在连接座上，用于检测菠萝果实的茎秆是否到位；霍尔传感器设置在承载臂上用于检测承载臂与框体的距离。

所述的夹持切割组件还包括用于切割菠萝果体茎秆的切割机构；

其中，该切割机构包括方框型的切割支架、滑动机构、驱动机构以及使驱动机构驱动滑动机构的啮合机构；

滑动机构包括水平设置在切割支架上的滑杆、可滑动的设置在滑杆外侧的刀具套筒；

驱动机构包括刀具套筒上固定连接的传动箱、传动箱输出端连接的齿轮和圆盘形的切割刀以及传动箱输入端设置的切割电机；

啮合机构包括与齿轮对应的齿条和用于设置齿条的安装杆；

其中，安装杆水平设置在切割支架上；

其中，切割支架设置在承载臂下方用于切断带采摘菠萝的茎秆。

一种单侧夹持菠萝采摘装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

s1.手持或机载承载臂从上向下将菠萝放置在活动板与固定板之间，驱动靠近电机将固定板与待采收的菠萝果实靠近并接触固定板与菠萝果体接触产生接触压力值，该接触压力值被压力传感器采集，并被控制组件采集，当该接触压力值超过第一阈值时，认为固定板与待采收的菠萝果实接触完毕；

s2.此时，用于检测菠萝果实是否放置在活动板与固定板之间的光电传感器发送到位数据至控制组件；

s3.在承载臂从上向下放置的过程中，s2步骤所述的用于确定菠萝果体是否在固定板与活动板之间的光电传感器持续被遮挡；控制组件采集用于检测菠萝果实的茎秆是否到位的数量为两个的水平布置的光电传感器的信号；当用于检测菠萝果实的茎秆是否到位的数量为两个的光电传感器均被遮挡，说明此时不到位，需要向下调整承载臂，使用于检测菠萝果实的茎秆是否到位的数量为两个的光电传感器中的一个不发生遮挡，此时说明承载臂到位；

s4.在承载臂到位的情况下，控制组件控制夹紧电机工作，使活动板向固定板方向移动，形成夹持状态；

s5.控制组件采集固定板上的压力传感器的数据，达到预设的第二阈值时，夹紧电机停止工作，完成夹持步骤；

s6.控制组件发送信号至切割电机，使切割刀旋转的同时齿轮与齿条啮合，带动切割刀沿滑轨将菠萝果实的茎秆切断；

s7.切割刀茎秆切断菠萝果实后，控制组件发送信号使夹紧电机复位，取下菠萝；

s8.控制组件靠近电机反转，使活动板与固定板之间的距离进一步增加，直至霍尔传感器发送位置极限信号至控制组件，靠近电机停转，等待进行下一个菠萝果实的采摘。

本发明的有益效果是：本发明采用固定板靠近菠萝果体、活动板机构夹紧菠萝果体的单侧夹紧方式对待采摘菠萝进行夹紧，然后再利用切割机构将菠萝果体的茎秆切断，完成对菠萝果体的采摘。在采摘的过程中，单侧夹紧的方式使菠萝果体在采收的过程中都与其生长状态一致，避免采摘时发生果体与茎秆部的扭转，从而因为扭转而造成的植株损害。同时，在切割机构中，设置有检测菠萝果实的茎秆是否到位的传感器组件，可以保证切割的是菠萝茎秆而不是菠萝果体，保证切割成品率。

附图说明

图1为本发明立体示意图。

图2为图1主视图。

图3为图2的a-a向视图。

图4为图1中切割机构立体示意图。

图5为本发明控制框图。

图6为本发明使用示意图。

图7为现有的双侧夹紧使用示意图。

需要明确的是：图2因为长度问题进行了反转，而图3并未反转。图4中的刀具套筒2043大部分被遮挡，但是在图2中较为明显的体现。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

如图1~5，所述的一种单侧夹持菠萝采摘装置，包括承载臂1、在承载臂1上通过驱动组件3驱动的用于径向夹持菠萝果体并将其茎秆割断的夹持切割组件2以及设置在承载臂1和夹持切割组件2上的传感器组件4、用于采集传感器组件4信息并控制夹持切割组件2在承载臂1上滑动的控制组件5；其特征在于：

夹持切割组件2包括水平设置的框体201、设置在框体201内的连接座205、设置在连接座205上的固定板202、设置在固定板202相对侧的活动板机构203；其中，固定板202用于人为控制径向接近待采摘菠萝果体；活动板机构203用于在固定板202不动的情况下径向夹紧菠萝果实。

需要明确的是：夹持切割组件2中的固定板202用于人为控制径向接近待采摘菠萝果体，再通过活动板机构203将菠萝果体夹紧，可以防止在采摘过程中，导致茎叶损害。

所述的活动板机构203包括设置在框体201上的夹紧滑块2031、与夹紧滑块2031对应的夹紧丝杠2032、横梁2033、固定座2034、活动板2035以及夹紧电机2036；其中，滑块2031的内部设置有与丝杠2032对应的螺孔；夹紧电机2036通过电机座连接至框体201上且该夹紧电机2036电连接至控制组件5；活动板2035通过固定座2034设置在横梁2033上；

其中，丝杠2032的一端通过联轴器连接夹紧电机2036另一端通过轴承连接至框体201的端部；

其中，活动板2035与固定板202均为弧形板且开口端相对设置。

需要明确的是：为了增加摩擦力，所述的活动板2035与固定板202的相对侧均设置有凹坑。夹紧电机2036的电机座可以是焊接或采用螺栓连接。

优选的，活动板2035与固定板202的材质为硬质pvc，一方面延长使用寿命，另一方面不会损害果实。

所述的活动板2035与固定座2034之间设置有第一弹簧组203a；该第一弹簧203a用于夹紧菠萝果实时，根据菠萝果实的形状调整活动板2035与固定座2034之间竖直方向的夹角；固定板202与框体201之间也设置有第二弹簧203b；该第二弹簧203b用于夹紧菠萝果实时，根据菠萝果实的形状调整固定板202与连接座205之间竖直方向的夹角。

需要明确的是：第一弹簧组203a与第二弹簧203b的引入可以使活动板2035与固定板202在夹持菠萝果体时，形成类似捧着的形态，一方面固定菠萝果实，另一方面可以尽量保证菠萝果体在采摘时与其生长状态一致。

所述的驱动组件3包括用于驱动框体201移动的设置在承载臂1上的靠近电机301、靠近电机301输出端连接的靠近螺杆302、设置在框体201上的用于与靠近螺杆302配合使用的靠近滑块303、设置在承载臂1端部的用于配合框体201在承载臂1上滑动的导轨304；其中，靠近电机301电连接至控制组件5；其中，靠近滑块303内部设置有与靠近螺杆302对应的螺孔。

所述的承载臂1为h型且该承载臂1的两竖直段的相对侧内部设置有方形的框体201；该承载臂1中同时与两竖直段连接的水平段上设置有靠近电机301；框体201靠近承载臂1中水平段的边上对应设置有靠近滑块303；该承载臂1与框体201接触的两竖直段的端部设置有导轨304且该导轨304为开口相对的c型导轨。

所述的框体201与承载臂1之间还设置有用于导向的导向组件6；其中，该导向组件6包括设置在框体201上的第一凸起601、第二凸起602以及导杆603；其中，第一凸起601和第二凸起602分列c型导轨的两侧并通过导杆603依次将第一凸起601、c型导轨以及第二凸起602连接至一起；其中，该c型导轨上设置有通过导杆603的孔。

所述的传感器组件4包括压力传感器401、数量为三个的光电传感器402以及霍尔传感器403；

其中，压力传感器401设置在固定板202的中心位置；数量为三个的光电传感器402成品字形设置，其中，数量为一个的光电传感器402设置在压力传感器401的下方，用于检测是否将菠萝果实放置在活动板2035与固定板202之间；其他数量为两个的光电传感器402水平设置在连接座205上，用于检测菠萝果实的茎秆是否到位；霍尔传感器403设置在承载臂1上用于检测承载臂1与框体201的距离。

为了防止夹紧电机2036、靠近电机301超程，分别在承载臂1侧边、框体201前端和传动箱2044正对侧设置三对霍尔传感器403，选自迈得豪实业有限公司，型号为njk-5002c。

压力传感器401为深圳力感科技生产的rp-c电阻式压敏传感器，设置在固定板202的中心位置，采用adc0808ccn8位模数转换器dip-28ic芯片将信号传递给控制组件5。采用静力加载标定法对电压和加载量进行标定。夹紧力、接触力的控制方式为阈值电压比较法，分别对应第二阈值和对应第一阈值。根据标定结果和阈值，设定第二阈值电压为4.4v，对应夹紧力为30n。第一阈值可以根据实际情况设定，优选为该压力传感器401检测的压力最小值。

光电传感器402为欣阳电气公司生产的e3f-20c/20l型对射传感器，响应频率为50~60hz。检测原理为：数量为一个的光电传感器402检测到信号，认为本发明执行器进入果实区域，数量为两个的光电传感器402检测不到信号，认为到达果柄位置。数量为两个的光电传感器402的距离是影响检测果柄重要因素，当间距超过果柄直径时，距离越大果柄位置检测越不准确，当间距小于果柄直径时，可能出现找不到果柄的情况。根据试验得出，间距为10~20mm时能够有效判别果柄位置。

所述的夹持切割组件2还包括用于切割菠萝果体茎秆的切割机构204；

其中，该切割机构204包括方框型的切割支架2041、滑动机构、驱动机构以及使驱动机构驱动滑动机构的啮合机构；

滑动机构包括水平设置在切割支架2041上的滑杆2042、可滑动的设置在滑杆2042外侧的刀具套筒2043；

驱动机构包括刀具套筒2043上固定连接的传动箱2044、传动箱2044输出端连接的齿轮2045和圆盘形的切割刀2047以及传动箱2044输入端设置的切割电机2048；

啮合机构包括与齿轮2045对应的齿条2046和用于设置齿条2046的安装杆2049；

其中，安装杆2049水平设置在切割支架2041上；

其中，切割支架2041设置在承载臂1下方用于切断带采摘菠萝的茎秆。

一种单侧夹持菠萝采摘装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

s1.手持或机载承载臂1从上向下将菠萝放置在活动板2035与固定板202之间，驱动靠近电机301将固定板202与待采收的菠萝果实靠近并接触固定板202与菠萝果体接触产生接触压力值，该接触压力值被压力传感器401采集，并被控制组件5采集，当该接触压力值超过第一阈值时，认为固定板202与待采收的菠萝果实接触完毕；

s2.此时，用于检测菠萝果实是否放置在活动板2035与固定板202之间的光电传感器402发送到位数据至控制组件5；

s3.在承载臂1从上向下放置的过程中，s2步骤所述的用于确定菠萝果体是否在固定板202与活动板2035之间的光电传感器402持续被遮挡；控制组件5采集用于检测菠萝果实的茎秆是否到位的数量为两个的水平布置的光电传感器402的信号；当用于检测菠萝果实的茎秆是否到位的数量为两个的光电传感器402均被遮挡，说明此时不到位，需要向下调整承载臂1，使用于检测菠萝果实的茎秆是否到位的数量为两个的光电传感器402中的一个不发生遮挡，此时说明承载臂1到位；

s4.在承载臂1到位的情况下，控制组件5控制夹紧电机2036工作，使活动板2035向固定板202方向移动，形成夹持状态；

s5.控制组件5采集固定板202上的压力传感器401的数据，达到预设的第二阈值时，夹紧电机2036停止工作，完成夹持步骤；

s6.控制组件5发送信号至切割电机2048，使切割刀2047旋转的同时齿轮2045与齿条2046啮合，带动切割刀2047沿滑轨2042将菠萝果实的茎秆切断；

s7.切割刀2047茎秆切断菠萝果实后，控制组件5发送信号使夹紧电机2036复位，取下菠萝；

s8.控制组件5靠近电机301反转，使活动板2035与固定板202之间的距离进一步增加，直至霍尔传感器403发送位置极限信号至控制组件5，靠近电机301停转，等待进行下一个菠萝果实的采摘。

需要明确的是：切割刀2047的行进举例可以通过控制切割电机2048的通电时间或转动圈数进行控制，一般的，设定齿轮2045在齿条2046的一端行进至另一端，切割刀2047切割菠萝茎杆的动作完成。

需要明确的是：可以采用的，通过人工对采摘菠萝的过程进行视觉监控，也可以通过机器视觉系统找到菠萝果体的中心，再对承载臂1的位置进行调整，实现自动采摘。机器视觉系统为利用摄像头等成像设备进行数据采集并继续进行分析的系统，现有技术中存在记载，本文不再赘述。

如图6~7，与现有的扭转式采摘方式和双侧同时移动的采摘方式相比，本发明所述的单侧夹紧的方式可以有效保护植株的茎叶甚至是根系，对植株有良好的保护。

以上所述仅为发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。