履带式菠萝采摘机的制作方法

本发明涉及一种水果采摘机，尤其是涉及一种履带式菠萝采摘机。

背景技术：

现代农业的发展趋势是朝着自动化、机械化、智能化的方向发展，而水果种植业作为现代农业的主要组成部分，也必将要迎来发展，其突破点就在于实现采摘方式的转换，从人工走向机械，实现无人操作。

针对于菠萝采摘机械最早是由美国开始研制的，2000年美国k.j.jackson研制了一种菠萝收获机，其采取手工摘取方式，采摘完成后放置于通过拖拉机驱动的传送带实现辅助运输。这种菠萝收获机只是单纯的实现辅助运输功能，加快了菠萝采摘的效率，但从本质上仍然没有解决的菠萝采摘问题。而由于菠萝植株和果实表面均有较多锐刺，并且植株相互之间间距很小，所以解决菠萝采摘问题是亟待解决的问题。

目前，我国的菠萝采摘机械化进程仍然很低。采摘作业依然是手工作业居多，虽然也有少数采用半机械化的采摘，利用机械工具辅助采摘，但是并没有彻底的解放劳动力，对人工的需求量仍然很大，采摘的效率、质量等，都受到人工的影响。

近年来，菠萝产业在我国尤其受到重视，伴随着我国菠萝种植的面积越来越多，菠萝产量也日趋增多，采摘问题也日益严重。但采摘方式还是主要以人工采摘为主，以机械化为主的采摘方式基本不存在，这就导致采摘效率大大跟不上产量的提升，出现了很多问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种履带式菠萝采摘机，其采用智能化、机械化的采摘方式，提高了采摘效率，降低了采摘成本，保证了经济效益。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种履带式菠萝采摘机，其特征在于：包括车体、履带行走机构、机械臂采摘装置、菠萝传送机构、菠萝收集箱、供电锂电池和控制箱，所述履带行走机构安装在车体的底部，所述机械臂采摘装置安装在车体的顶部右侧，所述菠萝传送机构安装在车体的顶部左侧，所述菠萝收集箱和控制箱均安装在车体的顶部后侧，所述机械臂采摘装置、菠萝传送机构和控制箱均位于菠萝收集箱的前方，所述控制箱位于所述机械臂采摘装置与所述菠萝传送机构之间且靠近菠萝收集箱处，所述供电锂电池安装在车体的前侧底部且为菠萝采摘机供电；所述机械臂采摘装置包括机械臂和安装在机械臂外端的切割采摘机构，所述切割采摘机构包括机械采摘爪和菠萝果柄切割机构，所述菠萝果柄切割机构安装在采摘爪的底部，所述采摘爪安装在机械臂的外端，所述机械采摘爪内安装有用于识别定位菠萝位置的识别传感器，所述车体的前侧中部、前部两侧均安装有用于检测障碍物的避障传感器，所述控制箱内设置有控制器，所述控制箱的顶部安装有用于拍摄采摘机工作状态的无线摄像头和用于将所拍摄图像远程传输出去以实现远程监控的图像传输模块，所述避障传感器、识别传感器和无线摄像头均与控制器的输入端相接，所述图像传输模块与控制器的输出端相接。

上述的履带式菠萝采摘机，其特征在于：所述机械臂包括基座、底座、腰部关节、大臂、小臂、肋板、轴套、伸缩臂和腕部关节，所述底座固定在基座的顶部，所述腰部关节转动安装在底座上，所述底座上固定安装有第一驱动电机，所述第一驱动电机的输出轴上固定安装有蜗杆，所述腰部关节的下端固定有安装轴，所述安装轴上固定安装有蜗轮，所述蜗轮与所述蜗杆相配合，所述安装轴、蜗杆和蜗轮均位于底座内，所述腰部关节上固定安装有第二驱动电机，所述第二驱动电机的输出轴与大臂的一端固定连接，所述小臂的一端固定安装有第三驱动电机，所述第三驱动电机的输出轴与大臂的另一端固定连接，所述肋板上固定安装有第四驱动电机，所述第四驱动电机的输出轴与小臂的另一端固定连接；所述轴套固定肋板上，所述伸缩臂的一端与轴套的一侧固定连接，所述轴套的另一侧固定安装有第五驱动电机，所述第五驱动电机的输出轴上固定安装有丝杠，所述丝杠与伸缩臂的另一端内侧螺纹连接，所述丝杠位于伸缩臂内，所述伸缩臂的一端端部固定安装有第六驱动电机，所述第六驱动电机的输出轴与腕部关节固定连接；所述第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机、第四驱动电机、第五驱动电机和第六驱动电机均与控制器的输出端相接。

上述的履带式菠萝采摘机，其特征在于：所述采摘爪包括支座、第一机械爪、第二机械爪和舵机，所述第一机械爪的连接端通过第一固定连杆与支座的一侧转动连接，所述第二机械爪的连接端通过第二固定连杆与支座的另一侧转动连接，所述第一机械爪和第二机械爪的截面均为弧形结构，所述第一机械爪和第二机械爪的固定端上下两侧均设置有半齿轮，所述第一机械爪的上侧半齿轮与第二机械爪的上侧半齿轮相啮合，所述第一机械爪的下侧半齿轮与第二机械爪的下侧半齿轮相啮合，所述舵机安装在第一机械爪与第二机械爪的啮合处前侧，所述舵机的输出端固定安装有全齿轮，所述全齿轮与第一机械爪上的一个半齿轮或第二机械爪上的一个半齿轮相啮合，所述支座与腕部关节固定连接，所述舵机与控制器的输出端相接，所述识别传感器安装在舵机上。

上述的履带式菠萝采摘机，其特征在于：所述菠萝果柄切割机构包括电伸缩杆和切割刀片，所述切割刀片安装在电伸缩杆的推杆端部，所述电伸缩杆的底座固定在支座的底部中心处，所述电伸缩杆竖直设置，所述电伸缩杆与控制器的输出端相接。

上述的履带式菠萝采摘机，其特征在于：所述菠萝传送机构包括传送带支撑架、传送带电机、第一传送带轮、第二传送带轮、皮带、第一传送带驱动轮、第二传送带驱动轮和输送带，所述传送带支撑架为侧面是前低后高的梯形结构，所述传送带电机安装在传送带支撑架的下部中部，所述第一传送带轮固定安装在传送带电机的输出轴上，所述第二传送带轮固定安装在第一传送带驱动轮的一端，所述第一传送带轮和第二传送带轮通过皮带接形成皮带传输，所述第一传送带驱动轮转动安装在传送带支撑架的下端顶部，所述第二传送带驱动轮转动安装在传送带支撑架的上端顶部，所述第一传送带驱动轮和第二传送带驱动轮通过输送带相连接形成输送带传输，所述输送带的外侧均匀安装有多个输送带隔板，所述传送带支撑架的高端部与菠萝收集箱的前侧相紧靠，所述传送带电机与控制器的输出端相接。

上述的履带式菠萝采摘机，其特征在于：所述输送带隔板与输送带之间的夹角为70°～80°。

上述的履带式菠萝采摘机，其特征在于：所述第一传送带驱动轮的左侧与第二传送带驱动轮的左侧之间、第一传送带驱动轮的右侧与第二传送带驱动轮的右侧之间均转动连接有传送带侧面挡板，所述传送带侧面挡板为聚丙烯软塑料挡板。

上述的履带式菠萝采摘机，其特征在于：所述履带行走机构包括履带车架，所述履带车架的左右两侧均安装有履带、履带驱动电机、履带驱动轮和支撑轮，位于同侧的所述履带驱动轮固定安装在履带驱动电机的输出轴上，所述履带驱动轮与履带相配合，位于所述履带车架一侧的支撑轮的数量为多个，多个所述支撑轮均匀布设在履带车架的侧部外周，所述履带驱动电机安装在履带车架上，所述履带驱动电机与控制箱的输出轴相接。

上述的履带式菠萝采摘机，其特征在于：所述避障传感器为ks103型避障传感器，所述识别传感器为dfrobotpixycmucam5型图像识别传感器，所述图像传输模块为hsv923型图像传输模块。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用履带行走机构行进，相对于普通车轮式行走，对地附着力更强，对各种地形都有很好的适应能力，可实现在复杂菠萝地工作的情况。

2、本发明采用自动化和机械化的采摘方式，减少了人工作业，由于菠萝植株之间行间距很小，菠萝成熟之后，菠萝叶更是相互交错，人进行采摘作业时难以进入；而履带式菠萝采摘机在采摘过程中没有人工的参与，采摘全过程全面实现了智能化、自动化，因此减少了人工的作业量，有效降低了菠萝采摘过程中对劳动力的大量的需求，解决了劳动力成本增加的问题。

3、本发明增加识别传感器，提高了采摘质量和效率；履带式菠萝采摘机在移动和采摘过程中运用识别技术，使履带式菠萝采摘机在移动过程中更加准确、迅速；颜色识别技术使得在采摘菠萝过程中的位置判断更加的准确，提高了菠萝采摘的质量，减少了因采摘质量而出现的经济问题。

4、本发明履带式菠萝采摘机以供电锂电池作为能源提供，电能是环保能源之一，并且蓄电池可以重复充电、循环使用，环保节能、污染小、成本低。

5、本发明经济性、可靠性高，推广相对容易；可以大大减轻工人的劳动强度，降低了生产与使用成本，提高性价比。

综上所述，本发明履带式菠萝采摘机是基于国内外先进技术的基础，减少了人工的作业量，有效降低了菠萝采摘过程中对劳动力的大量的需求，解决了劳动力成本增加的问题；采摘效率迅速和质量高符合农业自动化、智能化的要求；适用地域广泛，适应菠萝地的需求；且该履带式菠萝采摘机成本相对较低，经济性高，在一般农业用户可以接受的经济承受范围。

下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为本发明的侧视图。

图3为本发明的俯视图。

图4为本发明的立体图。

图5为本发明机械臂的结构示意图。

图6为本发明切割采摘机构的结构示意图。

图7为本发明第一机械爪、第二机械爪的结构示意图。

图8为本发明的电路原理框图。

附图标记说明:

1—履带；2—履带驱动电机；3—传送带支撑架；

4—传送带侧面挡板；5—输送带；6—输送带隔板；

7—第一传送带驱动轮；8—供电锂电池；9—控制箱；

10—无线摄像头；11—机械采摘爪；11-1—第二机械爪；

11-2—第一固定连杆；11-3—支座；11-4—第二固定连杆；

11-5—识别传感器；11-6—舵机；11-7—第一机械爪；

11-8—半齿轮；12—机械臂；12-1—基座；

12-2—底座；12-3—第一驱动电机；12-4—腰部关节；

12-5—腕部关节；12-6—第六驱动电机；12-7—伸缩臂；

12-8—轴套；12-9—第五驱动电机；12-10—肋板；

12-11—小臂；12-12—大臂；12-13—第四驱动电机；

12-14—第二驱动电机；12-15—第三驱动电机；13—皮带；

14—传送带电机；15—菠萝收集箱；16—第二传送带轮；

17—履带驱动轮；18—履带车架；19—第二传送带驱动轮；

20—避障传感器；21—车体；22—菠萝果柄切割机构；

22-1—电伸缩杆；22-2—切割刀片；23—图像传输模块；

24—控制器；25—支撑轮；26—第一传送带轮。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4和图8所示，本发明包括车体21、履带行走机构、机械臂采摘装置、菠萝传送机构、菠萝收集箱15、供电锂电池8和控制箱9，所述履带行走机构安装在车体21的底部，所述机械臂采摘装置安装在车体21的顶部右侧，所述菠萝传送机构安装在车体21的顶部左侧，所述菠萝收集箱15和控制箱9均安装在车体21的顶部后侧，所述机械臂采摘装置、菠萝传送机构和控制箱9均位于菠萝收集箱15的前方，所述控制箱9位于所述机械臂采摘装置与所述菠萝传送机构之间且靠近菠萝收集箱15处，所述供电锂电池8安装在车体21的前侧底部且为菠萝采摘机供电；所述机械臂采摘装置包括机械臂12和安装在机械臂12外端的切割采摘机构，所述切割采摘机构包括机械采摘爪11和菠萝果柄切割机构22，所述菠萝果柄切割机构22安装在采摘爪11的底部，所述采摘爪11安装在机械臂12的外端，所述机械采摘爪11内安装有用于识别定位菠萝位置的识别传感器11-5，所述车体21的前侧中部、前部两侧均安装有用于检测障碍物的避障传感器20，所述控制箱9内设置有控制器24，所述控制箱9的顶部安装有用于拍摄采摘机工作状态的无线摄像头10和用于将所拍摄图像远程传输出去以实现远程监控的图像传输模块23，所述避障传感器20、识别传感器11-5和无线摄像头10均与控制器24的输入端相接，所述图像传输模块23与控制器24的输出端相接。

如图5和图8所示，所述机械臂12包括基座12-1、底座12-2、腰部关节12-4、大臂12-12、小臂12-11、肋板12-10、轴套12-8、伸缩臂12-7和腕部关节12-5，所述底座12-2固定在基座12-1的顶部，所述腰部关节12-4转动安装在底座12-2上，所述底座12-2上固定安装有第一驱动电机12-3，所述第一驱动电机12-3的输出轴上固定安装有蜗杆，所述腰部关节12-4的下端固定有安装轴，所述安装轴上固定安装有蜗轮，所述蜗轮与所述蜗杆相配合，所述安装轴、蜗杆和蜗轮均位于底座12-2内，所述腰部关节12-4上固定安装有第二驱动电机12-14，所述第二驱动电机12-14的输出轴与大臂12-12的一端固定连接，所述小臂12-11的一端固定安装有第三驱动电机12-15，所述第三驱动电机12-15的输出轴与大臂12-12的另一端固定连接，所述肋板12-10上固定安装有第四驱动电机12-13，所述第四驱动电机12-13的输出轴与小臂12-11的另一端固定连接；所述轴套12-8固定肋板12-10上，所述伸缩臂12-7的一端与轴套12-8的一侧固定连接，所述轴套12-8的另一侧固定安装有第五驱动电机12-9，所述第五驱动电机12-9的输出轴上固定安装有丝杠，所述丝杠与伸缩臂12-7的另一端内侧螺纹连接，所述丝杠位于伸缩臂12-7内，所述伸缩臂12-7的一端端部固定安装有第六驱动电机12-6，所述第六驱动电机12-6的输出轴与腕部关节12-5固定连接；所述第一驱动电机12-3、第二驱动电机12-14、第三驱动电机12-15、第四驱动电机12-13、第五驱动电机12-9和第六驱动电机12-6均与控制器24的输出端相接。

机械臂12是履带式菠萝采摘机的重要组成，是实现采摘工作的关键，若其工作结构性能不够好，就会影响采摘机进行采摘作业的稳定性与效率。考虑到菠萝采摘过程中所需的必要自由度，根据机械臂运动副最大的要求，所以本机械臂为六自由度设计，包含了空间三个方向的旋转与移动。

机械臂第一个自由度为回转自由度，带动机械臂围绕底座旋转，中间第二个、第三个、第四个自由度均为俯仰自由度，第五个自由度为伸缩自由度，第六个自由度为腕部的一个旋转自由度，以实现机械臂带动末端切割采摘机构在工作空间中朝向于任意方向。多自由度的关节型机械臂具有拟合空间任意曲线的功能，控制系统通过控制相应关节的运动，使固定在机械臂上的末端切割采摘机构在达到作业目标的位置过程中，有效躲避障碍物。

如图6至图8所示，所述采摘爪11包括支座11-3、第一机械爪11-7、第二机械爪11-1和舵机11-6，所述第一机械爪11-7的连接端通过第一固定连杆11-2与支座11-3的一侧转动连接，所述第二机械爪11-1的连接端通过第二固定连杆11-4与支座11-3的另一侧转动连接，所述第一机械爪11-7和第二机械爪11-1的截面均为弧形结构，所述第一机械爪11-7和第二机械爪11-1的固定端上下两侧均设置有半齿轮11-8，所述第一机械爪11-7的上侧半齿轮与第二机械爪11-1的上侧半齿轮相啮合，所述第一机械爪11-7的下侧半齿轮与第二机械爪11-1的下侧半齿轮相啮合，所述舵机11-6安装在第一机械爪11-7与第二机械爪11-1的啮合处前侧，所述舵机11-6的输出端固定安装有全齿轮，所述全齿轮与第一机械爪11-7上的一个半齿轮11-8或第二机械爪11-1上的一个半齿轮11-8相啮合，所述支座11-3与腕部关节12-5固定连接，所述舵机11-6与控制器24的输出端相接，所述识别传感器11-5安装在舵机11-6上。

如图6和图8所示，所述菠萝果柄切割机构22包括电伸缩杆22-1和切割刀片22-2，所述切割刀片22-2安装在电伸缩杆22-1的推杆端部，所述电伸缩杆22-1的底座固定在支座11-3的底部中心处，所述电伸缩杆22-1竖直设置，所述电伸缩杆22-1与控制器24的输出端相接。

如图1、图2、图3、图4和图8所示，所述菠萝传送机构包括传送带支撑架3、传送带电机14、第一传送带轮26、第二传送带轮16、皮带13、第一传送带驱动轮7、第二传送带驱动轮19和输送带5，所述传送带支撑架3为侧面是前低后高的梯形结构，所述传送带电机14安装在传送带支撑架3的下部中部，所述第一传送带轮26固定安装在传送带电机14的输出轴上，所述第二传送带轮16固定安装在第一传送带驱动轮7的一端，所述第一传送带轮26和第二传送带轮16通过皮带13连接形成皮带传输，所述第一传送带驱动轮7转动安装在传送带支撑架3的下端顶部，所述第二传送带驱动轮19转动安装在传送带支撑架3的上端顶部，所述第一传送带驱动轮7和第二传送带驱动轮19通过输送带5相连接形成输送带传输，所述输送带5的外侧均匀安装有多个输送带隔板6，所述传送带支撑架3的高端部与菠萝收集箱15的前侧相紧靠，所述传送带电机14与控制器24的输出端相接。

本履带式菠萝采摘机采用输送带运送的方式，在基于机械臂采摘机构的前提下，机械臂采摘完果实后，放在旁边的输送带5上，然后由输送带5运送进菠萝收集箱15。采用传送带式运输方式，它避免了由机械臂采摘完成后放入收集箱的时间过程，大大地提升了效率。

如图1至图4所示，所述第一传送带驱动轮7的左侧与第二传送带驱动轮19的左侧之间、第一传送带驱动轮7的右侧与第二传送带驱动轮19的右侧之间均转动连接有传送带侧面挡板4，所述传送带侧面挡板4为聚丙烯软塑料挡板。

本实施例中，所述输送带隔板6与输送带5之间的夹角为70°～80°。优选的，所述输送带隔板6与输送带5之间的夹角为75°。为防止菠萝从输送带5上滑落，在输送带5两边装有传送带侧面挡板4、输送带5上安装有输送带隔板6，，且输送带隔板6与输送带5之间夹角为75°，以防止在输送带5转动时菠萝从输送带5上掉落。

如图1、图2、图3、图4和图8所示，所述履带行走机构包括履带车架18，所述履带车架18的左右两侧均安装有履带1、履带驱动电机2、履带驱动轮17和支撑轮25，位于同侧的所述履带驱动轮17固定安装在履带驱动电机2的输出轴上，所述履带驱动轮17与履带1相配合，位于所述履带车架18一侧的支撑轮25的数量为多个，多个所述支撑轮25均匀布设在履带车架18的侧部外周，所述履带驱动电机2安装在履带车架18上，所述履带驱动电机2与控制箱9的输出轴相接。履带行走机构采用双履带行走机构对地面的适应性强、越障能力强、机动性较强、具有良好的载重能力，能满足菠萝地的采摘需求；同时适应地域广、移动平稳，可以给提供稳定、合适的工作平台。

本实施例中，所述避障传感器20为ks103型避障传感器，所述识别传感器11-5为dfrobotpixycmucam5型图像识别传感器，所述图像传输模块23为hsv923型图像传输模块。

避障传感器20利用超声波探测障碍物的位置，并根据所探测到的数据采取相应的避障措施。识别传感器11-5安装在采摘机构上，为采摘机构增加一副眼睛，可将特定颜色的物体的视觉数据发送给相应的控制器。图像传输模块23可以方便操作者对机器的工作状态进行远程实时监控，保证采摘作业的顺利进行，利用图像传输模块23可实现远程与手机相连接，或者投视到其他的图像显示设备上，方便实时监控。

本发明的工作原理为：履带行走机构实现履带式菠萝采摘机的移动功能，并进行自动、智能的移动式作业方式；机械臂采摘装置将成熟的菠萝采摘下来，实现菠萝的机械采摘功能；菠萝传送机构将采摘好的菠萝传送至菠萝收集箱15中，并暂时存放在菠萝收集箱15中；避障传感器20、识别传感器11-5和无线摄像头10辅助履带式菠萝采摘机实现自动采摘作业。本发明采用单机械臂方式完成采摘作业，在机械爪下方安装电伸缩杆22-1和切割刀片22-2，在机械爪完成菠萝夹持工作后，控制器控制电伸缩杆22-1达到菠萝下端果柄位置，带动切割刀片22-2切断菠萝果柄。采摘机的机械爪为仿生机械爪，模仿人手抓取菠萝的动作而设计机械爪，更能合理的、有效率的进行采摘。

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换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。