一种管道栽培叶菜采收装置及方法与流程

本发明涉及水培叶菜采收技术领域，特别涉及一种管道栽培叶菜采收装置及方法。

背景技术：

我国人们日常饮食对叶菜的消费需求量非常大，叶菜产量约占蔬菜总产量的1/3。水培叶菜具有营养价值丰富，生产周期短，可周年采收，洁净、安全及经济效益高等优点，已成为欧美等发达国家叶菜种植的主流模式。随着我国消费者对高品质、绿色无污染蔬菜需求日益增长，近年来我国水培叶菜生产规模发展迅速。

生长在栽培槽内的各株叶菜的外形尺寸和位姿具有不一致性，相对栽培槽孔倾斜或倒伏方向具有不确定性，难于采用机械装置将叶菜快速、无损伤从栽培槽孔中取出，切去根部，并将食用菜薹部分输出，实现无损伤的自动化采收。因此目前国内外水培叶菜生产仅利用输送线输送栽培槽，仍需人工在输送线上收获叶菜。

现有叶菜自动化采收装置主要由叶菜获取机构、输送机构和根切机构组成，所用采收方法适于不同的叶菜种植条件。如申请号为201420685297.5的“一种植物工生产中的叶菜采收装置”，适于穴盘种植的叶菜，先用顶针将穴盘内的叶菜连同基质一起顶出，再用扶持分禾器将顶出叶菜引导进入夹持输送机构，叶菜被夹持输送机构两侧的输送带夹携着倾斜上升并向后运送，运送到切根装置处的叶菜在光刃圆盘旋转切刀作用下进行切根处理。申请号为202010286237.6的“一种水培叶菜收割装置”，适于水培箱栽培叶菜，先用夹持钳将叶菜中部的茎叶夹住，再通过磁环带动夹持钳上升，控制切割结构闭合将叶菜的根部去除，最后使收割机构旋转180度对切根后的叶菜进行收集。申请号为201810762016.4的“一种前后位置可调的温室叶菜收割断根机械手”，适于温室水槽中种植的叶菜，先驱动机械爪抓取叶菜茎部，再旋转机械臂使其处于竖直状态同时叶菜处于水平状态，接着启动切割机构将叶菜根部切除，最后反向旋转机械臂将去根后的叶菜放下。申请号为201921177635.3的“一种自动化叶菜收割流水线”，适于定植板种植的水培叶菜，先将种有叶菜的定植盘输送到切割装置下方，用压轮压制住定植板，接着用拨菜刷拨动菜叶，使叶菜向环状带刀的侧方向倒伏，环状带刀在电机的作用下转动对叶菜进行切割，切割后的叶菜被输送出去。

然而，上述各公开文献中所公开的叶菜采收装置在实际使用过程中共同存在以下问题：通常夹取叶菜的食用杆茎部分，易损伤叶菜外部茎叶，降低叶菜的经济价值；叶菜取出和根切动作复杂，采收效率低；采收作业条件和动作要求与从栽培管道中采收叶菜不同，难以适应栽培管道内形状尺寸与位姿各异的叶菜。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种管道栽培叶菜采收装置，该装置可较好地实现管道栽培叶菜的高效无损伤采收。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述装置实现的管道栽培叶菜采收方法。

本发明的技术方案为：一种管道栽培叶菜采收装置，包括抓取机械手、管道输送机、导向定位机构、根切机构、菜薹输送机和菜根回收器，管道输送机的输送平台和菜薹输送机的输送平台相接，管道输送机的输送平台和菜薹输送机的输送平台的相接处设有至少一组抓取机械手和至少一组根切机构，抓取机械手的一侧设有菜根回收器，栽培槽由管道输送机进行输送，管道输送机两侧对称设有两个扶正定位叶菜用的导向定位机构，沿栽培槽的输送方向，导向定位机构设于抓取机械手的前方。其中，管道输送机主要用于连续输送栽培槽，栽培槽为表面带有若干槽孔的栽培管道，叶菜种植于这些槽孔中。导向定位机构的主要作用是对位姿不一致的叶菜进行扶正调整和定位，并将覆盖于在栽培槽表面的叶片分离，便于后续操作，同时，导向定位机构还为抓取机械手的动作提供触发作用，进一步保证抓取机械手及时响应。抓取机械手主要作为管道输送机和菜薹输送机之间的过渡机构，完成叶菜的夹持、回转输送、配合根切机构进行切割分离、将分离后的根茎连同菜根送出等动作。根切机构主要用于叶菜的切割分离。菜薹输送机主要用于完成叶菜分离后菜薹部分的承接和输送。菜根回收器主要用于收集叶菜分离后的根茎和菜根部分。

所述菜薹输送机垂直或倾斜设于管道输送机的一侧，抓取机械手旋转于管道输送机的输送平台和菜薹输送机的输送平台之间，根切机构设于菜薹输送机的输送平台上方，菜根回收器的开口高度低于抓取机械手的高度。菜薹输送机与管道输送机之间的安装夹角可根据实际需要或设备安装场地情况进行设置，设备安装较为灵活。

所述导向定位机构包括扶起导向板和光电传感器，扶起导向板固定于管道输送机的机架上，光电传感器安装于扶起导向板上；扶起导向板的顶面呈倾斜状，且位于栽培槽上方。

所述导向定位机构中，扶起导向板整体呈z型状，扶起导向板的内侧表面形状与栽培槽的外表面形状相吻合；沿栽培槽输送方向，扶起导向板的顶面高度逐渐上升。

各导向定位机构安装时，扶起导向板一侧与管道输送机一侧的机架固定连接，上表面为倾斜型面，下表面与栽培槽的上表面形状一致并贴合安装，扶起导向板上表面可逐步扶起输送过来的叶菜展开在栽培槽表面的叶片，扶起导向板靠近栽培槽的槽孔另一侧型面可约束叶菜在输送过程中保持在各槽孔的中心连线方向(即对叶菜进行扶正调整和定位)，扶起导向板末端安装有光电传感器，可识别根茎送入信号，触发抓取机械手伸出夹爪实施定位抓取动作。

所述抓取机械手包括升降组件、回转组件、伸缩组件和夹爪组件，夹爪组件底部安装有伸缩组件，伸缩组件底部安装有回转组件，回转组件底部安装有升降组件。

所述夹爪组件包括开合驱动部和两个夹指，两个夹指对称设置，各夹指的一端分别与开合驱动部连接，各夹指末端与叶菜的相接处分别设有弹性贴片。其中，夹指的夹持面(即夹指末端)贴有硅胶等材料制成的弹性贴片，避免夹持瞬时对叶菜的碰撞冲击，并提高夹持的稳定性。

所述升降组件为直线气缸或电动滑台，回转组件为回转气缸或电动转台，伸缩组件为气动滑台或电动滑台；升降组件中具有升降杆，升降杆的上端与回转组件的底部固定连接，回转组件中具有回转杆，回转杆的上端与伸缩组件的底部连接，伸缩组件中具有滑块和滑轨，夹爪组件设于滑块一侧，滑块带动夹爪组件沿滑轨在水平方向上进行伸缩运动。其中，伸缩组件的动力驱动机构为气缸或电机，与通用的伸缩设备相同，升降组件固定在地面上，升降组件的升降杆上端与回转组件的机架固定连接，回转组件的回转杆与伸缩组件的机架固定连接，夹爪组件的机架与伸缩组件上的滑块固定连接，使夹爪组件具有升降、回转、伸缩及夹持和松开功能。

抓取机械手动作时，夹指的下表面与栽培槽的上表面齐平，使夹指夹持到叶菜的根茎部分，随后其升降组件与回转组件同步运动，使叶菜在输送过程中被提升出槽孔并回转，避免栽培槽内的叶菜根部在取出过程中与栽培槽发生干涉。

所述根切机构包括相连接的切刀和刀架，刀架安装于菜薹输送机的机架上，切刀位于菜薹输送机的输送平台上方。根切机构安装时，切刀能相对刀架转动，调整切刀相对被切叶菜的切削角度后，切刀与刀架固定连接；刀架与菜薹输送机上部的机架通过滑槽固定连接，安装时能调整切刀相对夹爪组件中夹指上表面的相对位置，根切时切刀的下表面高度与抓取机械手将叶菜从栽培槽中取出脱落栽培槽后的夹指上表面的高度齐平，使叶菜根茎在夹指上表面处被切断，上部的菜薹落至菜薹输送机上，下部的根茎及菜根由夹爪夹持送至菜根回收器。

所述管道输送机为带式输送机或链式输送机(可采用通用结构的输送机)，其输送平台为平面状的输送带，驱动电机带有调速器，可调节叶菜输送速度；菜薹输送机也为带式输送机或链式输送机(可采用通用结构的输送机)，其输送平台为平面状的输送带，驱动电机带有调速器，可调节采收的菜薹输出速度；菜根回收器为开口向上的回收桶或回收箱，其开口位于抓取机械手的夹爪组件下方。

本发明通过上述装置实现一种管道栽培叶菜采收方法，包括如下步骤：

(1)带有叶菜的栽培槽由管道输送机进行连续输送，叶菜在到达抓取机械手对应处之前，先由导向定位机构对叶菜覆盖于栽培槽表面的叶片逐渐托起，同时，导向定位机构倾倒偏离中心的叶菜进行扶正定位；

(2)叶菜进入抓取机械手的对应处，由抓取机械手伸出并夹持叶菜的根茎，然后抓取机械手同时进行提升动作和回转动作，使叶菜的根部脱离栽培槽；

(3)抓取机械手带动叶菜回转至菜薹输送机的输送平台上方，此时启动根切机构，由根切机构从根茎处将叶菜进行切割分离，分离后的菜薹落入菜薹输送机的输送平台上，叶菜的根茎及根部由抓取机械手夹持住；

(4)抓取机械手收缩并回转至菜根回收器上方，然后松开，叶菜的根茎及根部落入菜根收集器进行收集。

所述步骤(2)中，抓取机械手夹持叶菜时，抓取机械手中夹持末端的下表面贴近于栽培槽的上表面；所述步骤(3)中，根切机构对叶菜进行切割分离时，根切机构中切刀末端的下表面贴近于抓取机械手中夹持末端的上表面。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本管道栽培叶菜采收装置及方法实现了对连续输送的叶菜进行根茎抓取与切割，能适应栽培槽内生长位置和姿态各异的叶菜采收，准确识别定位待采收叶菜，避免手抓碰撞或夹持叶菜的食用菜薹部分叶片，保证叶菜的经济价值，并可同时布局多个抓取机械手与根切机构，实现管道栽培叶菜的高效无损伤采收。

本管道栽培叶菜采收装置上设有导向定位机构，可在叶菜输送中逐步扶起展开在栽培槽上表面叶片，约束叶菜在输送过程中保持在各栽培槽孔中心连线方向，适应栽培槽内生长位置和姿态各异的叶菜,避免因叶片遮挡引起光电传感器对叶菜输入信号的误判，准确识别根茎送入信号，触发抓取机械手伸入栽培槽上表面叶菜根茎处实施定位抓取。

本管道栽培叶菜采收装置可在栽培槽两侧布局多个抓取机械手和根切机构，对高速连续输入叶菜实施抓取和根切，具有采收效率高的优点。

本管道栽培叶菜采收装置及方法采用夹爪组件夹持叶菜根茎区域后，将叶菜在输送过程中从栽培槽中取出，被取出的叶菜向固定根切机构的方向旋转实现叶菜在根茎区域的切割，叶菜在被抓取和根切过程中能避免夹持或碰撞食用菜薹部分，可有效避免机械损伤，保证叶菜的经济价值。

附图说明

图1为本管道栽培叶菜采收装置实施例1的整体结构示意图。

图2为本管道栽培叶菜采收装置中抓取机械手的结构示意图。

图3为本管道栽培叶菜采收装置中导向定位机构的结构示意图。

图4为本管道栽培叶菜采收装置中根切机构的结构示意图。

图5为叶菜示意图。

图6-1为本管道栽培叶菜采收方法中，导向定位机构对叶菜进行扶正定位时的原理示意图。

图6-2为本管道栽培叶菜采收方法中，抓取机械手夹持叶菜时的原理示意图。

图6-3为本管道栽培叶菜采收方法中，抓取机械手夹持叶菜进行提升和回转动作时的原理示意图。

图6-4为本管道栽培叶菜采收方法中，根切机构对叶菜进行切割分离时的原理示意图。

图6-5为本管道栽培叶菜采收方法中，叶菜分离后菜薹落入菜薹输送机并送出时的原理示意图。

图6-6为本管道栽培叶菜采收方法中，叶菜分离后抓取机械手带动根茎及根部回缩时的原理示意图。

图6-7为本管道栽培叶菜采收方法中，抓取机械手松开，根茎及根部落入菜根收集器时的原理示意图。

图6-8为本管道栽培叶菜采收方法中，完成一株叶菜采收后各机构恢复原始状态时的原理示意图。

上述各图中，各附图标记所示部件如下：1为管道输送机，2为菜薹输送机，3为抓取机械手，4为菜根回收器，5为根切机构，6为栽培槽，7为导向定位机构，8为升降组件，9为升降杆，10为回转组件，11为回转杆，12为伸缩组件，13为滑台，14为夹爪组件，15为夹指，15-1为弹性贴片，16为扶起导向板，17为光电传感器，18为切刀，19为刀架，20为菜薹输送机上部的机架，21为叶菜，21-1为菜薹，21-2为根茎，21-3为根部。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例一种管道栽培叶菜采收装置，如图1所示，包括抓取机械手3、管道输送机1、导向定位机构7、根切机构5、菜薹输送机2和菜根回收器4，管道输送机的输送平台和菜薹输送机的输送平台相接，管道输送机的输送平台和菜薹输送机的输送平台的相接处设有一组抓取机械手和一组根切机构，抓取机械手的一侧设有菜根回收器，栽培槽6由管道输送机进行输送，管道输送机两侧对称设有两个扶正定位叶菜用的导向定位机构，沿栽培槽的输送方向，导向定位机构设于抓取机械手的前方。菜薹输送机垂直设于管道输送机的一侧，抓取机械手旋转于管道输送机的输送平台和菜薹输送机的输送平台之间，根切机构设于菜薹输送机的输送平台上方，菜根回收器的开口高度低于抓取机械手的高度。菜薹输送机与管道输送机之间的安装夹角可根据实际需要或设备安装场地情况进行设置，设备安装较为灵活。其中，管道输送机主要用于连续输送栽培槽，栽培槽为表面带有若干槽孔的栽培管道，叶菜种植于这些槽孔中。导向定位机构的主要作用是对位姿不一致的叶菜进行扶正调整和定位，并将覆盖于在栽培槽表面的叶片分离，便于后续操作，同时，导向定位机构还为抓取机械手的动作提供触发作用，进一步保证抓取机械手及时响应。抓取机械手主要作为管道输送机和菜薹输送机之间的过渡机构，完成叶菜的夹持、回转输送、配合根切机构进行切割分离、将分离后的根茎连同菜根送出等动作。根切机构主要用于叶菜的切割分离。菜薹输送机主要用于完成叶菜分离后菜薹部分的承接和输送。菜根回收器主要用于收集叶菜分离后的根茎和菜根部分。

各组成机构的具体结构如下：

如图2所示，抓取机械手包括升降组件8、回转组件10、伸缩组件12和夹爪组件14，夹爪组件底部安装有伸缩组件，伸缩组件底部安装有回转组件，回转组件底部安装有升降组件。夹爪组件包括开合驱动部和两个夹指15，两个夹指对称设置，各夹指的一端分别与开合驱动部连接，各夹指末端与叶菜的相接处分别设有弹性贴片。其中，夹指的夹持面(即夹指末端)贴有硅胶等材料制成的弹性贴片15-1，避免夹持瞬时对叶菜的碰撞冲击，并提高夹持的稳定性。升降组件为直线气缸或电动滑台，回转组件为回转气缸或电动转台，伸缩组件为气动滑台或电动滑台；升降组件中具有升降杆9，升降杆的上端与回转组件的底部固定连接，回转组件中具有回转杆11，回转杆的上端与伸缩组件的底部连接，伸缩组件中具有滑块13和滑轨(图中未示出)，夹爪组件设于滑块一侧，滑块带动夹爪组件沿滑轨在水平方向上进行伸缩运动。其中，伸缩组件的动力驱动机构为气缸或电机，与通用的伸缩设备相同，升降组件固定在地面上，升降组件的升降杆上端与回转组件的机架固定连接，回转组件的回转杆与伸缩组件的机架固定连接，夹爪组件的机架与伸缩组件上的滑块固定连接，使夹爪组件具有升降、回转、伸缩及夹持和松开功能。抓取机械手动作时，夹指的下表面与栽培槽的上表面齐平，使夹指夹持到叶菜的根茎部分，随后其升降组件与回转组件同步运动，使叶菜在输送过程中被提升出槽孔并回转，避免栽培槽内的叶菜根部在取出过程中与栽培槽发生干涉。

如图3所示，管道输送机两侧对称设置两组导向定位机构，各导向定位机构包括扶起导向板16和光电传感器17，扶起导向板固定于管道输送机的机架上，光电传感器安装于扶起导向板上；扶起导向板的顶面呈倾斜状，且位于栽培槽上方。扶起导向板整体呈z型状，扶起导向板的内侧表面形状与栽培槽的外表面形状相吻合；沿栽培槽输送方向，扶起导向板的顶面高度逐渐上升。各导向定位机构安装时，扶起导向板一侧与管道输送机一侧的机架固定连接，上表面为倾斜型面，下表面与栽培槽的上表面形状一致并贴合安装，扶起导向板倾斜状的上表面可逐步扶起输送过来的叶菜展开在栽培槽表面的叶片，同时使光电传感器能避免叶面干扰，准确识别定位叶菜根茎部分；扶起导向板靠近栽培槽的槽孔另一侧型面可约束叶菜在输送过程中保持在各槽孔的中心连线方向(即对叶菜进行扶正调整和定位)，扶起导向板末端安装有光电传感器，可识别根茎送入信号，触发抓取机械手伸出夹爪实施定位抓取动作。

如图4所示，根切机构包括相连接的切刀18和刀架19，刀架安装于菜薹输送机的机架上，切刀位于菜薹输送机的输送平台上方。根切机构安装时，切刀能相对刀架转动，调整切刀相对被切叶菜的切削角度后，切刀与刀架固定连接；刀架与菜薹输送机上部的机架20通过滑槽固定连接，安装时能调整切刀相对夹爪组件中夹指上表面的相对位置，根切时切刀的下表面高度与抓取机械手将叶菜从栽培槽中取出脱落栽培槽后的夹指上表面的高度齐平，使叶菜根茎在夹指上表面处被切断，上部的菜薹落至菜薹输送机上，下部的根茎及菜根由夹爪夹持送至菜根回收器。

上述装置中，管道输送机为带式输送机或链式输送机(可采用通用结构的输送机)，其输送平台为平面状的输送带，驱动电机带有调速器，可调节叶菜输送速度；菜薹输送机也为带式输送机或链式输送机(可采用通用结构的输送机)，其输送平台为平面状的输送带，驱动电机带有调速器，可调节采收的菜薹输出速度；菜根回收器为开口向上的回收桶或回收箱，其开口位于抓取机械手的夹爪组件下方。

上述管道栽培叶菜采收装置使用时，其原理为：

(1)带有叶菜的栽培槽由管道输送机进行连续输送，叶菜在到达抓取机械手对应处之前，先由导向定位机构对叶菜覆盖于栽培槽表面的叶片逐渐托起，同时，导向定位机构倾倒偏离中心的叶菜进行扶正定位；

(2)叶菜进入抓取机械手的对应处，由抓取机械手伸出并夹持叶菜的根茎，然后抓取机械手同时进行提升动作和回转动作，使叶菜的根部脱离栽培槽；抓取机械手夹持叶菜时，抓取机械手中夹持末端的下表面贴近于栽培槽的上表面；

(3)抓取机械手带动叶菜回转至菜薹输送机的输送平台上方，此时启动根切机构，由根切机构从根茎处将叶菜进行切割分离，分离后的菜薹落入菜薹输送机的输送平台上，叶菜的根茎及根部由抓取机械手夹持住；根切机构对叶菜进行切割分离时，根切机构中切刀末端的下表面贴近于抓取机械手中夹持末端的上表面；

(4)抓取机械手收缩并回转至菜根回收器上方，然后松开，叶菜的根茎及根部落入菜根收集器进行收集。

实施例2

本实施例一种管道栽培叶菜采收装置，与实施例1相比较，其不同之处在于，菜薹输送机倾斜设于管道输送机的一侧，其倾斜角度可根据实际需要或设备安装场地情况进行设置，设备安装较为灵活。

实施例3

本实施例一种管道栽培叶菜采收装置，与实施例1相比较，其不同之处在于，管道输送机的两侧各设有一台菜薹输送机，各菜薹输送机与管道输送机的相接处两侧分别设有一组抓取机械手和一组根切机构，各抓取机械手的一侧分别设有菜根回收器。

实施例4

本实施例一种管道栽培叶菜采收方法，通过实施例1所述的管道栽培叶菜采收装置实现，其具体过程如下：

(1)装置处于初始状态时，抓取机械手的夹爪组件位于管道输送机上栽培槽的外侧，处于缩回张开状态，夹爪组件中夹指的底面与栽培槽上表面高度一致；

(2)启动管道输送机，待收叶菜21随栽培槽被输送至导向定位机构处，如图6-1所示，展开在栽培槽表面的叶片被扶起导向板的上表面逐渐托起，中心偏离栽培槽的槽孔连线方向的叶菜在扶起导向板侧面的作用下，约束到栽培槽的槽孔中心连线方向，使倾倒伏的叶菜受到扶起导向板的约束逐渐具有较统一的姿态继续向前输送；

(3)当叶菜被输送到扶起导向板内的光电传感器处，触发抓取机械手的夹爪组件伸出，如图6-2所示，其夹指夹持住叶菜的根茎21-2部分，接着在提升的同时回转夹爪，使叶菜在夹持和回转运动过程中脱离栽培槽，如图6-3所示；

(4)如图6-4所示，当叶菜被夹持旋转到根切机构处，夹爪的上表面与切刀的下表面高度一致，叶菜被切刀在根茎部分切断，菜薹21-1部分落到菜薹输送机上(如图6-5所示)，随菜薹输送机送出至包装位置；

(5)叶菜的根茎21-2及根部21-3继续被夹爪夹持回转至转动行程终点处，抓取机械手缩回夹爪组件后张开夹爪(如图6-6及图6-7所示)，将叶菜根部投入菜根回收器中；

(6)抓取机械手下降同时回转夹爪，使夹爪回到初始的缩回张开状态(如图6-8所示)。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

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