一种适用于白芦笋选择性采收机器人的切卷式末端执行器及采收方法与流程

本发明属于农业机械领域，涉及一种适用于白芦笋选择性采收机器人的切卷式末端执行器及采收方法，实现白芦笋的切根、卷持、拔取作业且无需挖土回填。

背景技术：

芦笋是一种深受消费者喜爱的营养保健型高档蔬菜。芦笋又名石刁柏，分为白芦笋和青芦笋，而白芦笋含有更多的微量元素，其质嫩味美，营养丰富，风味独特，素有“蔬菜之王”、“世界十大名菜之一”的美誉。

近年来我国芦笋产业发展迅猛，已成为世界上第一大芦笋生产国和出口国。2011年，全球芦笋收获面积达146万公顷，我国芦笋收获面积达132万公顷，占全球的90％。白芦笋采收工具多为细长的芦笋刀，加之白芦笋的采收时间多在早上太阳出来之前或傍晚太阳下山后，采收时间集中，采收过程费工多、工作量大，因此目前白芦笋的收获效率非常低。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利“一种夹切式白芦笋采收装置及采收方法”专利申请号201610887545.8，采用夹持切割方式采收白芦笋，这种采收方式存在以下几个方面需要改进：①夹持切割动作步骤较多，机械结构设计复杂。②切割刀片需要额外刀板保护。③采收过程中夹板会对白芦笋产生机械性损伤。针对现有白芦笋采收工具落后的状况，发明一种适用于白芦笋选择性采收机器人的切卷式末端执行器及采收方法，利用固定架的移动带动采收装置的移动实现白芦笋的剪切，通过调整装置的动作实现对白芦笋的卷持，使作业步骤更为简单、快捷，提高采收效率。

技术实现要素：

本发明针对白芦笋采收存在的不足，提供了一种适用于白芦笋选择性采收机器人的切卷式末端执行器及采收方法，实现白芦笋根部剪切与茎部卷持分步进行，使作业步骤更为简单、快捷，提高采收效率。

本发明一种适用于白芦笋选择性采收机器人的切卷式末端执行器采用的技术方案包括：固定架、调整装置、采收装置和控制系统。所述的固定架为一个矩形金属板，用于固定其它装置实现采收装置的插入和拔出土壤；所述的调整装置固定在固定架上，用于实现采收部件的调整；所述的采收装置连接在调整装置上，用于实现对芦笋的剪切和卷持。

所述的固定架包括一个矩形金属板，用于固定采收装置、调整装置与控制系统，带动采收装置插入和拔出土壤。

所述的调整装置包括电机、联轴器、轴承座、丝杠滑块、丝杠导轨、步进电机。所述的电机和轴承座固定在固定架上；所述的联轴器两端分别连接电机输出轴与采收装置中的旋转轴；所述的丝杠导轨、步进电机固定在固定架上；所述的丝杠滑块固定在丝杠导轨上，用于带动采收装置中的滑块连接轴运动。

所述的采收装置包括旋转轴、滑块连接轴、卷持线、剪切线。所述的旋转轴为侧壁有开口的空心金属轴，通过联轴器与电机输出轴相连；所述的滑块连接轴为侧壁有开口的空心金属轴，一端固定在丝杠滑块上；所述的卷持线由一定宽度的柔性材料制成，位于采收装置中下部两端分别固定在旋转轴与滑块连接轴的侧壁开口处；所述的剪切线为有一定刚性的金属丝，位于采收装置底部两端分别固定于旋转轴与滑块连接轴轴尖处。

所述的控制系统包括控制箱、控制器、电机驱动器、电源。所述的控制箱包括控制器、电机驱动器，固定在机架上，主要实现电机控制、通讯等功能；所述的控制器可由单片机、微处理器、工控机等其他具备同等处理能力设备和i/o驱动接口电路构成；所述的电机驱动器，根据电机类型选用不同型号的交、直流电机驱动器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器等，接收由控制器发出的控制信号，驱动电机转动；所述的电源可为控制系统的工作提供电能。

所述的采收方法包括固定位采收和原位采收两种技术方案。

所述的一种适用于白芦笋选择性采收机器人的切卷式末端执行器采用技术方案一的采收方法包括以下步骤：

1)固定架水平移动带动采收装置移动使露出表层土壤的白芦笋位于剪切线的正前方，固定架竖直向下运动，使采收装置顺利插入土壤中。

2)固定架水平向前运动，带动剪切线切割白芦笋茎部后到达白芦笋正前方，随后步进电机转动使固定在丝杠滑块上的滑块连接轴向旋转轴靠近，到达指定距离后，电机转动带动旋转轴转动，收紧卷持线，同时检测电机电流，当电机负载电流微分值超过设定值时表示卷持线已经收紧，控制系统控制电机停止转动，完成对白芦笋的卷持。

3)固定架竖直向上运动，拔出采收装置，白芦笋被带出土壤，控制系统控制电机反向转动带动旋转轴反方向转动同时步进电机反方向转动带动滑块连接轴回到初始位置，白芦笋就会落下，完成一次采收工作。

所述的一种适用于白芦笋选择性采收机器人的切卷式末端执行器采用技术方案二的采收方法包括以下步骤：

1)固定架通过滑台与工作车连接，固定架水平移动带动采收装置移动使露出表层土壤的白芦笋位于剪切线的正前方，固定架竖直向下运动，同时滑台带动固定架向工作车运动反方向移动，使固定架与地面保持相对静止，使采收装置顺利插入土壤中。

2)工作车带动固定架水平向前运动，带动剪切线切割白芦笋茎部后到达白芦笋正前方，同时滑台带动固定架向工作车运动反方向移动，使固定架与地面保持相对静止，随后步进电机转动使固定在丝杠滑块上的滑块连接轴向旋转轴靠近，到达指定距离后，电机转动带动旋转轴转动，收紧卷持线，同时检测电机电流，当电机负载电流微分值超过设定值时表示卷持线已经收紧，控制系统控制电机停止转动，完成对白芦笋的卷持。

3)固定架竖直向上运动，拔出采收装置，白芦笋被带出土壤，控制系统控制电机反向转动带动旋转轴反方向转动同时步进电机反方向转动带动滑块连接轴回到初始位置，白芦笋就会落下，完成一次采收工作。

与现在技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用切卷式采收方法，利用两轴底部剪切线切割白芦笋根部，利用滑块连接轴向旋转轴靠近旋转轴转动收紧卷持线实现白芦笋卷持，相比手动收获白芦笋，省去了多个繁琐采收步骤。

2、本发明所采用的采收装置中的卷持线可采用非刚性材料，避免对白芦笋产生机械性损伤。

3、本发明使用方便、成本低廉、维修方便。

附图说明

图1为一种适用于白芦笋选择性采收机器人的切卷式末端执行器主视图

图2为一种适用于白芦笋选择性采收机器人的切卷式末端执行器轴测图

图3为一种适用于白芦笋选择性采收机器人的切卷式末端执行器左视图

图4为一种适用于白芦笋选择性采收机器人的切卷式末端执行器控制系统图

图中：1、固定架2、调整装置3、采收装置4、控制系统5、电机6、联轴器7、轴承座8、丝杠滑块9、丝杠导轨10、步进电机11、卷持线12、旋转轴13、滑块连接轴14、剪切线

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利进行进一步描述。如图1、2、3所示，本发明一种白芦笋选择性采收机器人末端执行器包括固定架、调整装置、采收装置和控制系统。

所述的固定架(1)为一个矩形实心金属板，用于实现采收装置的插入和拔出土壤；所述的调整装置(2)固定在固定架(1)上，用于实现采收部件的调整；所述的采收装置(3)连接在调整装置(2)上，用于实现对芦笋的剪切和卷持。

所述的调整装置(2)包括：电机(5)、联轴器(6)、轴承座(7)、丝杠滑块(8)、丝杠导轨(9)、步进电机(10)。所述的电机(5)和轴承座(7)固定在固定架(1)上；所述的联轴器(6)两端分别连接电机输出轴与旋转轴(12)；所述的丝杠导轨(9)、步进电机(10)固定在固定架(1)上；所述的丝杠滑块(8)固定在丝杠导轨(9)上，用于带动滑块连接轴(13)运动。

所述的采收装置(3)包括：旋转轴(12)、滑块连接轴(13)、卷持线(11)、剪切线(14)。所述的旋转轴(12)为侧壁有开口的空心金属轴，通过联轴器(6)与电机输出轴相连；所述的滑块连接轴(13)为侧壁有开口的空心金属轴，一端固定在丝杠滑块(8)上；所述的卷持线(11)由一定宽度的柔性材料制成，位于采收装置(3)中下部两端分别固定在旋转轴(12)与滑块连接轴(13)的侧壁开口处；所述的剪切线(14)为有一定刚性的金属丝，位于采收装置(3)底部两端分别固定于旋转轴(12)与滑块连接轴(13)轴尖处。

所述的控制系统(4)包括：控制箱、控制器、电机驱动器、电源。所述的控制箱包括控制器、电机驱动器，固定在固定架(1)上，主要实现电机控制、通讯等功能；所述的控制器可由单片机、微处理器、工控机等其他具备同等处理能力设备和i/o驱动接口电路构成；所述的电机驱动器，根据电机类型选用不同型号的交、直流电机驱动器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器等，接收由控制器发出的控制信号，驱动电机转动；所述的电源可为控制系统(4)的工作提供电能。

所述的采收方法包括固定位采收和原位采收两种技术方案。

所述的一种适用于白芦笋选择性采收机器人的切卷式末端执行器采用技术方案一的采收方法包括以下步骤：

1)固定架(1)水平移动带动采收装置(3)移动使露出表层土壤的白芦笋位于剪切线(14)的正前方，固定架(1)竖直向下运动，使采收装置(3)顺利插入土壤中。

2)固定架(1)水平向前运动，带动剪切线(14)切割白芦笋茎部后到达白芦笋正前方，随后步进电机(10)转动使固定在丝杠滑块(8)上的滑块连接轴(13)向旋转轴(12)靠近，到达指定距离后，电机(5)转动带动旋转轴(12)转动，收紧卷持线(11)，同时检测电机(5)电流，当电机(5)负载电流微分值超过设定值时表示卷持线(11)已经收紧，控制系统(4)控制电机(5)停止转动，完成对白芦笋的卷持。

3)固定架(1)竖直向上运动，拔出采收装置(3)，白芦笋被带出土壤，控制系统(4)控制电机(5)反向转动带动旋转轴(12)反方向转动同时步进电机(10)反方向转动带动滑块连接轴(13)回到初始位置，白芦笋就会落下，完成一次采收工作。

所述的一种适用于白芦笋选择性采收机器人的切卷式末端执行器采用技术方案二的采收方法包括以下步骤：

1)固定架(1)通过滑台与工作车连接，固定架(1)水平移动带动采收装置(3)移动使露出表层土壤的白芦笋位于剪切线(14)的正前方，固定架(1)竖直向下运动，同时滑台带动固定架向工作车运动反方向移动，使固定架与地面保持相对静止，使采收装置(3)顺利插入土壤中。

2)固定架(1)水平向前运动，带动剪切线(14)切割白芦笋茎部后到达白芦笋正前方，同时滑台带动固定架(1)向工作车运动反方向移动，使固定架(1)与地面保持相对静止，随后步进电机(10)转动使固定在丝杠滑块(8)上的滑块连接轴(13)向旋转轴(12)靠近，到达指定距离后，电机(5)转动带动旋转轴(12)转动，收紧卷持线(11)，同时检测电机(5)电流，当电机(5)负载电流微分值超过设定值时表示卷持线(11)已经收紧，控制系统(4)控制电机(5)停止转动，完成对白芦笋的卷持。

3)固定架(1)竖直向上运动，拔出采收装置(3)，白芦笋被带出土壤，控制系统(4)控制电机(5)反向转动带动旋转轴(12)反方向转动同时步进电机(10)反方向转动带动滑块连接轴(13)回到初始位置，白芦笋就会落下，完成一次采收工作。