一种两段式升降自适应柔性采摘机构的制作方法

本实用新型涉及一种两段式升降自适应柔性采摘机构，特别是涉及工厂化生产中的双孢蘑菇与褐菇的采摘，属于果蔬采摘领域。

背景技术：

目前，双孢蘑菇的主流生产方式是工厂化生产，在工厂化生产中，双孢蘑菇的培育过程除了采收，其它过程例如上料、覆土、分级、包装等都基本实现了机械化、自动化。然而，一方面，由于双孢蘑菇生长异构性大，例如菌种不同会使得双孢蘑菇的生长高度参差不齐、生长姿态不一，特别地，在不同采摘时期，由于需要不断的往培养土中喷水，并且不断的采摘，会导致培养土面的高度出现不断的下降，经测定变化的范围较大，在30mm-60mm左右；另一方面，双孢蘑菇工厂化种植所用培养架的每层高度狭小，除去培养料和覆土，采收机械可用高度约为300mm；并且，对于面向实际生产的双孢蘑菇采收装置，不但要求能够完成对双孢蘑菇的自动无损采摘，而且要求在采摘后能够把采摘完成的双孢蘑菇进行快速收集。在如此狭小的空间中既要实现对蘑菇表面的无损摘取，又要做到对大行程采摘的适应、还要能将双孢蘑菇高效收集，难度较大。

目前现有的蘑菇采摘末端执行机构，基本上采用一段式结构，由于采摘完成后采摘臂无法收缩，若满足了对高度方向大行程采摘的适应性，则很难做到在狭小空间中的对蘑菇的快速收集，都只适合实验室环境，无法满足工厂化生产的实际采收环境和要求。另外，目前对于蘑菇采摘高度的控制主要采用的是利用视觉系统来识别高度，然后控制系统通过电机驱动位置控制系统到达蘑菇表面，采用这种方式，对视觉识别系统的高度识别精度要求较高，否则容易出现识别高度偏小摘取不到蘑菇或识别高度太高使得摘取机构过度压在蘑菇上而损伤蘑菇。

因此，有必要提供一种新型的采摘机构。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种能够应用于工厂化生产实际环境特别是能应用在狭小培养架空间中的、适应不同菌种、不同采摘时期的不同高度、不同姿态双孢蘑菇的采摘，且采摘后有利于能实现快速收集的自适应柔性采摘机构。本实用新型特别是涉及食用菌工厂化生产中的双孢蘑菇的智能无损采摘。为了适应不同高度的双孢蘑菇并且在采摘结束后尽量减少对高度空间的占据以便于采摘下来蘑菇的高效收集。本实用新型拟采用基于高度控制及重力下滑驱动原理的两段式自适应升降结构，以满足对蘑菇姿态不同、培养土高度变化大的自适应能力。双孢蘑菇的摘取采用柔性真空吸附旋转末端采摘结构实现对双孢蘑菇的无损采摘。

为了解决以上的技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

本实用新型提供了一种两段式升降自适应柔性采摘机构，其包括柔性末端采摘机构3、滑套滑杆升降机构1和直线位置运动升降机构7，其中

滑套滑杆升降机构1包括滑杆101和滑套102，其中滑杆101套在滑套102中，滑套102通过第一连接件2与气缸5缸体固定连接，并且通过第四连接件10与气缸5的活塞杆下端连接构成第二段自适应升降结构；

第二电机4与直线位置运动升降机构7连接构成第一段升降结构；

第二段自适应升降结构通过第二连接件8固定在滑台6上实现与第一段升降结构的连接，从而使得柔性末端采摘机构3可以在第一段升降结构和第二段自适应升降结构的作用下实现两级升降来完成采摘。

进一步，柔性末端采摘机构3包括柔性吸附腔309和旋转控制机构，

其中，旋转控制机构包括第一电机301、第一齿轮303、第二齿轮308、微型位置传感器305和感应片307，

其中，柔性吸附腔309与第二齿轮308连接，第二齿轮308与第一齿轮303啮合，第一齿轮303固定在第一电机301上，第一电机301通过第一电机固定板302与第二齿轮固定板306连接。

进一步，微型位置传感器305固定在第二齿轮固定板306上，用于检测到感应片307信号后，控制电机停止正转并开始反转到原位停止。

进一步，感应片307固定在第二齿轮308上，随着齿轮的转动而转动。

进一步，感应片307是磁铁。

进一步，在滑套102下方及第三连接件9之间的滑杆101上套有弹簧103。

进一步，直线位置运动升降机构7可以是滚珠丝杠结构、带传动机构、螺杆螺母传动机构或直线电机传动机构。

进一步，第二电机4可以是步进电机、伺服电机或其它可实现位置控制的电机。

一种面向工厂化生产的双孢蘑菇两段式自适应柔性采摘机构，由柔性末端采摘机构、气缸连接的滑套滑杆升降机构和电机控制的直线位置运动升降机构组合构成两段式升降自适应柔性采摘机构。

柔性末端采摘机构通过第一连接件与滑套滑杆升降机构中的滑杆下端固定连接，滑套滑杆升降机构通过第二连接件与气缸缸体固定连接、通过第二连接件与气缸的活塞杆下端连接构成第二段自适应升降结构，电机与直线位置运动升降机构连接构成第一段升降结构，第二段自适应升降结构通过第三连接件固定在滑台上实现与第一段自适应升降结构的连接。通过以上结构和连接，柔性末端采摘机构可以在第一段升降结构和第二段升降结构的作用下实现两级升降来完成采摘。

电机根据双孢蘑菇所需采摘高度控制直线位置运动升降机构下降到指定高度，然后释放气缸的缸内气体，此时，柔性末端采摘机构下降直至压紧双孢蘑菇表面，然后，柔性末端采摘机构抽真空形成负压吸附住双孢蘑菇。双孢蘑菇被吸附后，控制微型直流电机使柔性末端采摘机构依次正反旋转将蘑菇根部从土中先松动，然后给气缸充气，驱动滑杆抬升，同时，电机控制直线位置运动升降机构的滑台抬升，最终带动柔性末端采摘机构吸附着蘑菇抬升，实现双孢蘑菇的采摘。

这种两段式升降结构的最大行程是直线位置运动升降机构的行程和气缸的行程之和，行程足够大、可满足蘑菇采摘高度范围大的要求；同时，该两段式结构抬升时，高度空间上两段结构折叠在一起，只占用了约下降行程一半的距离，有效地节约了高度空间，从而在高度方向上为蘑菇的收集，例如移放到传输带上预留了空间，便于实现采摘与收集的高效一体化操作。

所述电机控制的直线位置运动升降机构为第一段升降机构，通过电机驱动直线位置运动升降机构对其移动高度进行控制，实现对不同采摘时期下培养土高度不同的适应。所述电机可以是步进电机、伺服电机或其它可实现位置控制的电机。所述直线位置运动升降机构可以是滚珠丝杠结构、带传动机构、螺杆螺母传动机构、直线电机传动机构等位置可控制的直线传动机构。

所述气缸连接的滑套滑杆升降机构是基于重力自下滑的高度自适应机构，可实现对蘑菇高度不同的自适应。所述滑杆是光轴、套在滑套里，滑杆下降时，释放气缸的缸内气体，由于是滑杆滑套结构，那么固定在滑杆上的柔性末端采摘机构就会在重力的作用下下降，直至压紧双孢蘑菇菇帽。若蘑菇高度不同，那么滑杆下降的高度就不同。所以通过这种结构，可以在不测量蘑菇高度或蘑菇高度测量不是很准的情况下，依靠纯机械结构实现对蘑菇高度不同的自适应。同时，因为是依靠重力的下降，下降结构在压到菇帽的时候就自动停止了，菇帽表面受到的力是柔性末端采摘机构的重力，因重力并不大，能有效地防止执行装置碰伤菇帽表面。所以，气缸连接的滑套滑杆升降机构依靠滑杆滑套纯机械自适应结构，即可以实现对不同高度双孢蘑菇的自适应采摘，又能有效的保护菇帽不受损伤，还可大大降低智能识别系统对双孢蘑菇高度视觉识别精度及高度控制精度的要求，进而有效降低采摘机器人的成本。

所述滑套滑杆升降机构中，滑杆套在具有一定长度的滑套里，用以保证柔性末端采摘机构垂直上下运动，从而确保该段升降机构下降的刚度。

所述滑套滑杆升降机构中，在滑套下方及第三连接件之间的滑杆上套有弹簧，弹簧用于调节滑杆的下降速度和对下方菇盖的压紧力，以提高升降压紧机构的柔性。弹簧的长度和弹性模量可根据行程及压紧力度的需要进行调整。

所述柔性末端采摘机构由柔性吸附腔和旋转控制机构组成。

其中旋转控制机构由微型直流电机、第一齿轮、第二齿轮、微型位置传感器和感应片组成。

其中，微型位置传感器安装在第四连接件上固定不动，磁铁嵌在第二齿轮上，随着齿轮的转动而转动，微型位置传感器用于发送正反转旋转切换信号。

采摘时，当柔性吸附腔与菇盖紧贴时，利用真空泵抽取腔内空气形成真空，使得双孢蘑菇被紧紧吸附在柔性吸附腔表面，然后控制微型直流电机正转，带动第二齿轮正转，直到感应片转到微型位置传感器正下方，微型位置传感器检测到该信号后，控制电机停止正转、开始反转，通过正反旋转将双孢蘑菇根部从土中松动。正、反转的角度大小由转动时间来控制用以增加末端采摘机构的转动柔性，以适应不同采摘时期双孢蘑菇与培养土结合的不同紧实度。

所述旋转控制机构中的的电机采用体积微小的微型直流电机，第一齿轮采用直径不超过微型直流电机的微型齿轮、第二齿轮采用超薄齿轮、微型位置传感器(采用微型传感器)体积很小，使得整个旋转控制结构非常紧凑，更好的适应工厂化生产环境培养架狭小空间。

本实用新型具有以下显著的效果：

本实用新型中通过电机控制的直线模组和气缸连接的组成的多段式升降结构，不仅能够适应双孢蘑菇高度的不同，还能在完成采摘时快速收缩对采摘完的蘑菇进行快速收集。第一段升降结构采用直线位置控制升降结构，以适应不同采摘时期的培养土高度的变化。第二段升降结构基于重力下滑驱动、气缸抬升原理，通过机械自适应方式实现对蘑菇生长高度不一的适应，很好地保护双孢蘑菇表面不受损伤，可大大降低智能识别系统对双孢蘑菇高度视觉识别精度及高度控制精度的要求，进而降低采摘机器人的成本。采摘执行机构上的微型电机加上微型齿轮组合而成的旋转机构，结构紧凑，能够根据双孢蘑菇的不同菌种、不同采摘时期、不同高度、不同姿态在采摘时调节旋转机构的转速以及角度来完成采摘。本实用新型能够适应不同菌种、不同采摘时期、不同高度、不同姿态的双孢蘑菇的采摘，并且在采摘时能够大大减少普通采摘臂带来的断根、拧断菇柄等情况的发生。因此，本实用新型的两段式升降自适应柔性采摘机构大大提高了采摘效率，有利于提高我国的双孢蘑菇种植业的产业化。

附图说明

图1为本实用新型的面向工厂化生产的两段式升降自适应柔性采摘机构的结构示意图；

图2为本实用新型的柔性末端采摘机构的轴侧结构示意图；

图3为本实用新型的滑套滑杆升降机构结构示意图；

图4为本实用新型的两段式升降自适应柔性采摘机构向下运动至最大行程处的结构示意图；

图5为本实用新型的两段式升降自适应柔性采摘机构向上折叠最大处的结构示意图。

图中标记：1、滑套滑杆升降机构；2、第一连接件；3、柔性末端采摘机构；4、第二电机；5、气缸；6、滑台；7、直线位置运动升降机构；8、第二连接件；9、第三连接件；10、第四连接件；101、滑杆；102、滑套；103、弹簧；301、第一电机；302、第一电机固定板；303、第一齿轮；305、微型位置传感器；306、第二齿轮固定板；307、感应片；308、第二齿轮；309、柔性吸附腔。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

参见图1-5，本实用新型的两段式升降自适应柔性采摘机构100包括柔性末端采摘机构3、滑套滑杆升降机构1(与气缸5连接)、直线位置运动升降机构7(由第二电机4控制)。其中，柔性末端采摘机构3包括柔性吸附腔309和旋转控制机构。其中旋转控制机构包括第一电机(体积微小的微型直流电机)301、第一齿轮303、第二齿轮(超薄齿轮)308、微型位置传感器305、感应片(磁铁)307，其中第一齿轮(303)采用直径不超过微型直流电机(301)的微型齿轮。

其中，柔性吸附腔309与第二齿轮308连接，第二齿轮308与第一齿轮303啮合，第一齿轮303固定在第一电机301上，第一电机301通过第一电机固定板302与第二齿轮固定板306连接。微型位置传感器305固定在第二齿轮固定板306上，用于发送正反转旋转切换信号。感应片(磁铁)307嵌在第二齿轮308上，随着齿轮的转动而转动；

滑套滑杆升降机构1包括滑杆101(光轴)和滑套102，其中滑杆101套在滑套102中，滑套102通过第一连接件2与气缸5缸体固定连接，并且通过第四连接件10与气缸5的活塞杆下端连接构成第二段自适应升降结构。在滑套(102)下方及第三连接件(9)之间的滑杆(101)上套有弹簧(103)，弹簧(103)用于调节滑杆(101)的下降速度和对下方菇盖的压紧力，以提高升降压紧机构的柔性。弹簧(103)的长度和弹性模量可根据行程及压紧力度的需要进行调整。滑杆101下端通过第三连接件9与柔性末端采摘机构3固定连接；

直线位置运动升降机构7可以是本领域常见的滚珠丝杠结构、带传动机构、螺杆螺母传动机构、直线电机传动机构等位置可控制的直线传动机构，第二电机4与直线位置运动升降机构7连接构成第一段升降结构，第二段自适应升降结构通过第二连接件8固定在滑台6上，其中滑台6通过常见的固定件固定在直线位置运动升降机构7上，并且随着直线位置运动升降机构7的运动而运动，从而实现第二段自适应升降结构与第一段升降结构的连接。第二电机4可以是步进电机、伺服电机或其它可实现位置控制的电机。

本实用新型的两段式升降自适应柔性采摘机构用于采摘双孢蘑菇的使用如下：

(1)电机4正转驱动直线位置运动升降机构7向下运动到合适位置，然后，释放气缸5的缸内气体(通过外部换向阀换向使气缸5的缸内压力释放)，在自重及弹簧103的作用下，滑杆101连同柔性末端采摘机构3一起垂直向下运动，直到柔性吸附腔309触碰到菇帽表面，此时柔性末端采摘机构3处于向下最大行程处,如图4所示；

(2)当柔性吸附腔309到达双孢蘑菇的菇帽表面(即柔性吸附腔(309)与菇盖紧贴时)，利用外部装置的真空泵(图中未示出)抽取腔内空气形成真空吸住双孢蘑菇(即使得双孢蘑菇被紧紧吸附在柔性吸附腔309表面)，然后驱动第一电机301正转，从而带动第二齿轮308正转，直到感应片307转到微型位置传感器305正下方，此时微型位置传感器305检测到感应片307信号后，控制电机停止正转并开始反转到原位停止。通过正反旋转将双孢蘑菇根部从土中松动，并且正、反转的角度大小由转动时间来控制用以增加末端采摘机构的转动柔性，以适应不同采摘时期双孢蘑菇与培养土结合的不同紧实度；

(3)反转到位后，通过在外部设置的常见充气装置(图中未示出)给气缸5缸内充气，气缸5的活塞杆抬升，同时驱动电机4反转控制直线位置运动升降机构7往上运动，完成采摘。此时柔性采摘机构3处于向上折叠最大处，如图5所示。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

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