草莓成熟度识别及采摘分捡机的制作方法

本实用新型专利属于采摘装置技术领域，尤其涉及草莓成熟度识别及采摘分捡机。

背景技术：

草莓在世界绝大多数地区都有种植，其独果实色泽鲜艳，液汁丰富，味美可口，极富营养价值和保健价值。在世界水果市场占据着不可代替的席位。全国草莓占地150万余亩，河北省、山东省和很多南方省市都有草莓的种植。

但是，草莓多为二歧聚伞花序，按次序先后开花。为了保证草莓的外观品质和营养价值，必须在收获季节每天早晚时刻挑选并采摘草莓果实，并且人工每摘一处草莓，需要弯腰一次，其劳动强度之大，成本之高，约占草莓种植生产成本的四分之一，严重制约草莓种植的发展。

随着农村劳动力向第二、三产业转移以及农村劳动力的妇女化和老龄化，用于生产草莓的劳动力日趋紧张，由此开发一种能够代替人工来完成该项费时、费力的采摘工作草莓采摘机构势在必行。但由于草莓独特的外形特性以及栽培的条件，给草莓收获实现自动化增添了难度，同时草莓果实的组织结构对于采摘机构也提出了较高的要求。

这种草莓采摘机器一般是在室外工作，作业环境较差，须为其设计机器视觉系统，使其能识别与定位采摘对象、自动检测成熟草莓的位置信息，然后根据这些信息控制机器的执行机构动作，实现草莓采摘的自动化。

国内采摘机器人研究起步较晚,处于起步阶段。2006年出台的“十一五”国家高技术 研究发展计划(863计划),提出了高技术项目《果树采摘机器人关键技术研究》以后,近年来国内许多知名高校及科研院所积极投入各种釆摘机器人的研究,通过跟踪国外先进技术,在机器人采摘领域取得了初步成果且开发了一些样机。

然而，国内尚未出现实现草莓大量自动采摘可以适用于工厂生产线的技术成果，在已有的专利中：

1）西南石油大学发明专利《一种新型草莓采摘工具》，专利号201710314818.4，提供了一种实现草莓采摘的想法：转勾连续旋转，将草莓果柄勾到刀片处切断，草莓掉到传送带上，草莓随着传送带运动到最高点时调入收集框中。在此种装置操作中，转勾无法控制方向与力度，因此会出现转勾坏土地或勾坏草莓主体部位；并且草莓果柄切断，没有有效的保护好植物果体。

2）发明专利《自然环境中成熟草莓自动识别采摘系统》，专利号：201310662877.2，其特征主要包括ARM控制器，驱动模块，CCD，PLC，机械臂旋转电机等，此装置成本太高，无法普及到流水线生产中，无法适用于国民。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提出草莓成熟度识别及采摘分捡机。它集草莓的识别成熟度、采摘、大小分级、成果传送四大功能于一体。具体技术方案如下：

草莓成熟度识别及采摘分捡机，包括筛选机构、切断机构、传送分级和辅助机构。其中，所述筛选机构包括弧形果蔬筛选器、曲柄滑块机构和传感器控制系统，传感器设置在支架上，传感器控制系统先通过传感器识别斜下方的草莓颜色判断其是否成熟，再将反馈信号输入给驱动机构，进而由驱动机构电机为所述曲柄滑块机构提供动力，从而带动弧形果蔬筛选器沿一体机运行方向的垂直方向向上弹出或缩入；所述切断机构主要包括分离器、锯齿状错位切断刀、电机以及传送机构，将筛选后的成熟草莓进行切断，所述锯齿状错位切断刀位于所述分离器的槽内，并作为执行机构与所述传送机构相连，所述传送机构包括连接在电机轴上的齿轮和与所述齿轮相连的连杆机构，通过电机提供动力输入，带动所述锯齿状错位切断刀执行切割动作，所述锯齿状错位切断刀由两片上下叠放的刀片组成，刀片1在上，刀片2在下，通过连杆间的相互配合实现高速切割运动；所述传送分级和辅助机构主要包括斜滑道、传送带、辅助车以及过滤板，将剪断的草莓传送到高处，并通过过滤板进行草莓大小的分级，所述斜滑道通过链轮与辅助车轮相连，通过车前进为其提供动力，所述传送带与所述斜滑道通过带传动相连，所述过滤板位于斜滑道最外侧，用于执行对果实的大小分级工作。

筛选机构位于机器最前侧，通过识别果实颜色判断是否成熟，再将反馈信号输入给驱动机构，进而带动弧形果蔬筛选器弹出或缩入；切断机构位于筛选机构后侧，用于将筛选后的成熟草莓进行切断；传送分级和辅助机构位于机器右端，将剪断的草莓传送到高处，高处的传送带是水平的，传送带上垂直设置有小挡板，草莓被小挡板隔开，随着对传送带的运动，当小挡板水平时，传送带上的草莓在惯性作用下继续向前运动，即运动到过滤板上，过滤板是两层结构，第一层设有孔，大于孔的直径的草莓将留在第一层，而小于孔的直径的草莓将落入第二层，可以在第一层外加装袋子，在第二层下加装桶或者篮子，从而通过过滤板进行草莓大小的分级, 分级后的草莓通过自行车上的人手工拾取到相应的收集盒中。

筛选机构包括弧形果蔬筛选器4、筛选连杆Ⅰ10、筛选连杆Ⅱ11、筛选曲柄12、传动轴Ⅲ29、伺服电机30、传感器52。其中，传感器52固定在机器上方，伺服电机30安装在筛选机构最下端，传动轴Ⅲ29与伺服电机30输出轴相连从而获得动力，筛选曲柄12在传动轴Ⅲ29的带动下作圆周运动，筛选连杆Ⅱ11由筛选曲柄12带动作回转运动，筛选连杆Ⅰ10由筛选连杆Ⅱ11带动作直线运动，弧形果蔬筛选器4与筛选连杆Ⅰ10固连。

切断机构包括锯齿状错位切断刀Ⅰ2,锯齿状错位切断刀Ⅱ3，弧形果蔬筛选器4，剪切连杆Ⅰ5，三角形剪切连杆6，剪切连杆Ⅱ7，剪切曲柄8，小型滚轮9，剪切连杆Ⅲ13，剪切连杆Ⅳ14，电机Ⅰ15，主动轮Ⅰ16，齿轮轴I17，齿轮轴Ⅱ18，齿轮轴Ⅲ19，传动齿轮Ⅰ20，不完全齿轮21，齿轮曲柄固连轴22，连杆Ⅰ23，滑块24，连杆Ⅱ25，连杆Ⅲ26，传动轴Ⅰ27，传动轴Ⅱ28。

其中，不完全齿轮21位于切断机构最下部，传动齿轮Ⅰ20与不完全齿轮21焊接，电机Ⅰ15的电机轴上装有主动轮Ⅰ16，传动齿轮Ⅰ20与主动轮Ⅰ16啮合，通过电机Ⅰ15提供动力，带动主动轮Ⅰ16转动，从而带动不完全齿轮21转动，不完全齿轮21与齿轮曲柄固连轴22啮合时，连杆Ⅰ23在齿轮曲柄固连轴22的推动下作直线运动，推动连杆Ⅱ25和连杆Ⅲ26运动，连杆Ⅱ25和连杆Ⅲ26运动又分别带动传动轴Ⅰ27和传动轴Ⅱ28，进而传动轴Ⅰ27和传动轴Ⅱ28分别带动剪切连杆Ⅲ13和剪切连杆Ⅳ14，进而带动锯齿状错位切断刀Ⅱ3平移完成切断工作。

不完全齿轮21与齿轮轴I17上的齿轮啮合时，带动齿轮轴Ⅱ18转动，进一步的，带动齿轮轴Ⅲ19转动，进一步的，带动剪切曲柄8转动，从而顺次带动剪切连杆Ⅱ7、三角形剪切连杆6、剪切连杆Ⅰ5运动，从而带动锯齿状错位切断刀Ⅰ2完成切断动作。

齿轮轴I17与齿轮曲柄固连轴22的齿数相同，与不完全齿轮21的齿数比为1：2，保证锯齿状错位切断刀Ⅱ3平移出时同时锯齿状错位切断刀Ⅰ2完成切断动作。

传送机构包括斜滑道31,水平传送带32，三角形传送带33,皮带轮Ⅰ34,皮带轮Ⅱ35，皮带轮Ⅲ36，皮带轮Ⅳ37，皮带轮Ⅴ38，脚蹬39，自行车传动链40，链轮传动Ⅰ（21/42）41，传动齿轮Ⅱ42，传动齿轮Ⅲ43，链轮传动Ⅱ（21/21）44，传动轴Ⅳ45，带轮轴Ⅲ46，带轮轴Ⅱ47，带轮轴Ⅰ48，带轮轴Ⅳ49，带轮轴Ⅴ50。

其中，自行车传动链40位于传送机构最右端，链轮传动Ⅰ（21/42）41与脚蹬39为传送机构提供动力，依次排列有传动轴Ⅳ45，带轮轴Ⅲ46，带轮轴Ⅱ47，带轮轴Ⅰ48，带轮轴Ⅳ49，带轮轴Ⅴ50，传动齿轮Ⅱ42固定在传动轴Ⅳ45上，传动齿轮Ⅲ43固定在带轮轴Ⅲ46上，链轮传动Ⅱ（21/21）44连接带轮轴Ⅲ46和带轮轴Ⅱ47，皮带轮Ⅰ34,皮带轮Ⅱ35，皮带轮Ⅲ36，皮带轮Ⅳ37，皮带轮Ⅴ38分别固定在带轮轴Ⅰ48，带轮轴Ⅱ47，带轮轴Ⅲ46，带轮轴Ⅳ49，带轮轴Ⅴ50上，斜滑道31,水平传送带32，三角形传送带33均位于传送机构下侧部分。

半流线型分离器1位于机器最外侧，过滤板51位于传送机构右侧，在采摘草莓时，半流线型分离器1将草莓茎挑起，使其与草莓垄分离，过滤板51用于筛选不同大小的草莓。

采用TCS3200 颜色传感器与Arduino控制中心配合，实现草莓成熟的筛选，TCS3200 颜色传感器近距离颜色判断精准，Arduino控制中心处理快，结果精确；分离器利用前端半流线型，背侧利用小滚轮实现滚动，使分离器能够始终贴近垄壁，能够将草莓与垄壁实现分离，同时配合半流线型分离器，能够将不成熟草莓分离出去，从而进一步实现草莓的采摘；通过筛选机构将成熟的草莓筛选出后，通过传送机构传递动力和重叠交错式机构的运动使上下叠放在一起的两个锯齿状切断刀伸出，从而使成熟擦草莓的茎落在锯齿槽内。通过连杆机构的运动带动下方的锯齿状切断刀左右运动，实现两个锯齿状切断刀的交错、成功切断草莓的茎，完成切断采摘。

本技术方案集识别成熟度、采摘、大小分级、成果传送四大功能于一体，成本低，保护草莓植株，温和采摘，采摘效率高，精度高，使用效果优良。

附图说明

图1：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的结构示意视图；

图2：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的主视图；

图3：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的俯视图；

图4：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的采摘系统主视图；

图5：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的采摘系统仰视图；

图6：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的筛选装置示意图；

图7：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的上刀片切断装置示意图；

图8：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的下刀片切断装置示意图；

图9：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的采摘传动系统示意图；

图10：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的运送系统示意图；

图11：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的运送系统传动示意图；

图12：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的过滤板示意图；

图13：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的半流线型分离器示意图；

图14：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的弧形草莓筛选器示意图；

图15：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的锯齿形下刀片示意图；

图16：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的锯齿形上刀片俯视图；

图17：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的锯齿形上刀片左视图；

图18：本实用新型草莓成熟度识别及采摘分捡机的锯齿形上刀片剖视图。

其中；1.半流线型分离器；2.锯齿状错位切断刀Ⅰ,3.锯齿状错位切断刀Ⅱ；4.弧形果蔬筛选器；5.剪切连杆Ⅰ；6.三角形剪切连杆；7.剪切连杆Ⅱ；8.剪切曲柄；9.小型滚轮；10.筛选连杆Ⅰ；11.筛选连杆Ⅱ；12.筛选曲柄；13.剪切连杆Ⅲ；14.剪切连杆Ⅳ；15.电机Ⅰ；16.主动轮Ⅰ；17.齿轮轴I；18.齿轮轴Ⅱ；19.齿轮轴Ⅲ；20.传动齿轮Ⅰ；21.不完全齿轮；22.齿轮曲柄固连轴；23.连杆Ⅰ；24.滑块；25.连杆Ⅱ；26.连杆Ⅲ；27.传动轴Ⅰ；28.传动轴Ⅱ；29.传动轴Ⅲ；30.伺服电机；31.斜滑道,32.水平传送带；33.三角形传送带,34.皮带轮Ⅰ,35.皮带轮Ⅱ；36.皮带轮Ⅲ；37.皮带轮Ⅳ；38.皮带轮Ⅴ；39.脚蹬；40.自行车传动链；41.链轮传动Ⅰ（21/42）；42.传动齿轮Ⅱ；43.传动齿轮Ⅲ；44.链轮传动Ⅱ（21/21）；45.传动轴Ⅳ；46.带轮轴Ⅲ；47.带轮轴Ⅱ；48.带轮轴Ⅰ；49.带轮轴Ⅳ；50.带轮轴Ⅴ；51.过滤板；52.传感器；53.支架；54.行走轮；55.小挡板；56.限位板；57.竖直凹槽；58.水平凹槽。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。

由图1、图2、图3可知，草莓成熟度识别及采摘分捡机，包括筛选机构、切断机构、传送分级和辅助机构。其中，筛选机构位于机器最前侧，通过识别果实颜色判断是否成熟，再将反馈信号输入给驱动机构，进而带动弧形果蔬筛选器弹出或缩入；切断机构位于筛选机构后侧，用于将筛选后的成熟草莓进行切断；传送分级和辅助机构位于机器右端，将剪断的草莓传送到高处，并通过过滤板进行草莓大小的分级。

由图6、图8、图14可知，筛选机构包括弧形果蔬筛选器4、筛选连杆Ⅰ10、筛选连杆Ⅱ11、筛选曲柄12、传动轴Ⅲ29、伺服电机30、传感器52。其中，传感器52固定在机器上方，伺服电机30安装在筛选机构最下端，传动轴Ⅲ29与伺服电机30输出轴相连从而获得动力，筛选曲柄12在传动轴Ⅲ29的带动下作圆周运动，筛选连杆Ⅱ11由筛选曲柄12带动作回转运动，筛选连杆Ⅰ10由筛选连杆Ⅱ11带动作直线运动，弧形果蔬筛选器4与筛选连杆Ⅰ10固连。

由图4、图5、图7、图8、图9、图15、图16、图17、图18可知，切断机构包括锯齿状错位切断刀Ⅰ2,锯齿状错位切断刀Ⅱ3，弧形果蔬筛选器4，剪切连杆Ⅰ5，三角形剪切连杆6，剪切连杆Ⅱ7，剪切曲柄8，小型滚轮9，剪切连杆Ⅲ13，剪切连杆Ⅳ14，电机Ⅰ15，主动轮Ⅰ16，齿轮轴I17，齿轮轴Ⅱ18，齿轮轴Ⅲ19，传动齿轮Ⅰ20，不完全齿轮21，齿轮曲柄固连轴22，连杆Ⅰ23，滑块24，连杆Ⅱ25，连杆Ⅲ26，传动轴Ⅰ27，传动轴Ⅱ28。

其中，不完全齿轮21位于切断机构最下部，传动齿轮Ⅰ20与不完全齿轮21焊接，电机Ⅰ15的电机轴上装有主动轮Ⅰ16，传动齿轮Ⅰ20与主动轮Ⅰ16啮合，通过电机Ⅰ15提供动力，带动主动轮Ⅰ16转动，从而带动不完全齿轮21转动，不完全齿轮21与齿轮曲柄固连轴22啮合时，连杆Ⅰ23在齿轮曲柄固连轴22的推动下作直线运动，推动连杆Ⅱ25和连杆Ⅲ26运动，连杆Ⅱ25和连杆Ⅲ26运动又分别带动传动轴Ⅰ27和传动轴Ⅱ28，进而传动轴Ⅰ27和传动轴Ⅱ28分别带动剪切连杆Ⅲ13和剪切连杆Ⅳ14，进而带动锯齿状错位切断刀Ⅱ3平移完成切断工作。

不完全齿轮21与齿轮轴I17上的齿轮啮合时，带动齿轮轴Ⅱ18转动，进一步的，带动齿轮轴Ⅲ19转动，进一步的，带动剪切曲柄8转动，从而顺次带动剪切连杆Ⅱ7、三角形剪切连杆6、剪切连杆Ⅰ5运动，从而带动锯齿状错位切断刀Ⅰ2完成切断动作。

齿轮轴I17与齿轮曲柄固连轴22的齿数相同，与不完全齿轮21的齿数比为1：2，保证锯齿状错位切断刀Ⅱ3平移出时同时锯齿状错位切断刀Ⅰ2完成切断动作。

由图2、图3、图10、图11可知，传送机构包括斜滑道31,水平传送带32，三角形传送带33,皮带轮Ⅰ34,皮带轮Ⅱ35，皮带轮Ⅲ36，皮带轮Ⅳ37，皮带轮Ⅴ38，脚蹬39，自行车传动链40，链轮传动Ⅰ（21/42）41，传动齿轮Ⅱ42，传动齿轮Ⅲ43，链轮传动Ⅱ（21/21）44，传动轴Ⅳ45，带轮轴Ⅲ46，带轮轴Ⅱ47，带轮轴Ⅰ48，带轮轴Ⅳ49，带轮轴Ⅴ50。

其中，自行车传动链40位于传送机构最右端，链轮传动Ⅰ（21/42）41与脚蹬39为传送机构提供动力，依次排列有传动轴Ⅳ45，带轮轴Ⅲ46，带轮轴Ⅱ47，带轮轴Ⅰ48，带轮轴Ⅳ49，带轮轴Ⅴ50，传动齿轮Ⅱ42固定在传动轴Ⅳ45上，传动齿轮Ⅲ43固定在带轮轴Ⅲ46上，链轮传动Ⅱ（21/21）44连接带轮轴Ⅲ46和带轮轴Ⅱ47，皮带轮Ⅰ34,皮带轮Ⅱ35，皮带轮Ⅲ36，皮带轮Ⅳ37，皮带轮Ⅴ38分别固定在带轮轴Ⅰ48，带轮轴Ⅱ47，带轮轴Ⅲ46，带轮轴Ⅳ49，带轮轴Ⅴ50上，斜滑道31,水平传送带32，三角形传送带33均位于传送机构下侧部分。

由图2可知，半流线型分离器1位于机器最外侧，过滤板51位于传送机构右侧，在采摘草莓时，半流线型分离器1将草莓茎挑起，使其与草莓垄分离，过滤板51用于筛选不同大小的草莓。传感器固定设置在支架上，支架下安装有行走轮。

在沟垄状草莓种植地的整个草莓采摘过程中，草莓自动辨熟采摘分级一体机沿草莓垄驶入，一体机最前端的半流线型分离器1插入草莓茎与地面之间，半流线型分离器前端呈流线型，上端设有半开口的限位板，前端流线型部位将草莓茎挑起，使草莓茎沿半流线型分离器1的流线型前端缓缓上升到分离器上端，半流线型分离器1在竖直方向和水平方向上均设有水平凹槽58，锯齿状错位切断刀Ⅰ2和锯齿状错位切断刀Ⅱ3就设置在水平方向的水平凹槽58内。固定在支架上的传感器52判断其斜下方的草莓颜色，如果辨识到成熟草莓的红色，传感器控制系统不发生动作，成熟草莓将进入半流线型分离器1的限位板56下方；当检测到草莓为绿色时，传感器控制系统向伺服电机30发出信号，伺服电机30带动弧形果蔬筛选器4从一体机运行方向的垂直方向向上伸出，将绿色草莓推出半流线型分离器1，使绿色草莓位于半流线型分离器1的限位板56的上方，从而使草莓植株与半流线型分离器1分离，使植株重新回到垄上。半流线型分离器1起到了限位成熟草莓的作用，使成熟草莓限位在半流线型分离器1的竖直方向上的竖直凹槽57内。

电机15工作，带动连杆I23运动，进而带动连杆II25和连杆III26一起运动，连杆I23、连杆II25和连杆III26铰接在一起，该铰接处设有滑块24，支架上的固定板上设有限位长孔，滑块可以在该限位长孔内做往复运动，从而带动传动轴I27和传动轴II28沿一体机运行方向的垂直方向做往复伸出运动，进而带动与传动轴I27连接的剪切连杆III13和剪切连杆IV14沿一体机运行方向的垂直方向做往复伸出运动，伸出到半流线型分离器1的竖直凹槽57内，与此同时，电机15带动齿轮轴I17、齿轮轴II18和齿轮轴III19运动，齿轮轴III19与锯齿状错位切断刀Ⅱ3连接，进而拉动锯齿状错位切断刀Ⅱ3与锯齿状错位切断刀I2发生相对运动，从而减掉熟草莓。

被剪离植株的草莓落在斜滑道31上，受重力作用，草莓慢慢滑向水平传送带32，在脚蹬39及自行车传动链40的作用下，草莓被运送到三角传送带33高处的水平位置，传送带上垂直设置有小挡板55，草莓被小挡板55隔开，随着传送带33的运动，当小挡板55水平时，传送带33上的草莓在惯性作用下继续向前运动，即运动到过滤板51上，过滤板51是两层结构，第一层设有孔，大于孔的直径的草莓将留在第一层，而小于孔的直径的草莓将落入第二层，可以在第一层外加装袋子，在第二层下加装桶或者篮子，从而通过过滤板51进行草莓大小的分级, 分级后的草莓通过自行车上的人手工拾取到相应的收集盒中。

实施例仅说明本实用新型的技术方案，而非对其进行任何限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所要求保护的技术方案的精神和范围。