一种适用于白芦笋选择性机械化采收的末端执行器及采收方法技术

本发明专利技术涉及一种适用于白芦笋选择性机械化采收的末端执行器，包括机架、驱动及限位装置、剪切装置、夹持装置和控制系统；机架用于支撑和固定其他装置；驱动及限位装置包括固定板、电动缸、限位板；剪切装置包括压缩板、外壳、剪切导杆、剪切弹簧、刀片护板和刀片；夹持装置包括夹板固定座、右夹板、左夹板、夹持导杆、夹持弹簧、舵机固定座、舵机和绳索；控制系统包括控制箱、舵机、电机驱动器、电动缸和电源。本发明专利技术还提供了一种适用于白芦笋选择性机械化采收的末端执行器的采收方法，能够实现白芦笋切根、夹持和拔取一体化作业，简化了末端执行器驱动过程，有利于机械化系统集成和自动化采收控制。

An End Actuator and Harvesting Method for Selective Mechanized Harvesting of White Asparagus

The invention relates to an end-effector suitable for selective mechanized harvesting of white asparagus, including a frame, a driving and limiting device, a shearing device, a clamping device and a control system; a frame is used for supporting and fixing other devices; a driving and limiting device includes a fixed plate, an electric cylinder and a limiting plate; and a shearing device includes a compression plate, a shell, a shearing guide rod, a shearing spring and a blade. Guard plate and blade; clamping device includes splint fixed seat, right splint, left splint, clamping guide rod, clamping spring, rudder fixed seat, rudder and rope; control system includes control box, rudder, motor driver, electric cylinder and power supply. The invention also provides a harvesting method of an end effector suitable for selective mechanized harvesting of white asparagus, which can realize the integrated operation of cutting, clamping and pulling of white asparagus, simplify the driving process of the end effector, and facilitate the integration of mechanized system and automatic harvesting control.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于白芦笋选择性机械化采收的末端执行器及采收方法
本专利技术属于农业机械领域，涉及一种适用于白芦笋选择性机械化采收的末端执行器及采收方法，能够实现白芦笋切根、夹持和拔取一体化作业。技术背景白芦笋为多年生草本植物，富含蛋白质、碳水化合物、多种维生素、氨基酸及其他微量元素，具有特殊的营养价值和较高的药用价值，是一种高端蔬菜产品，被誉为“蔬菜之王”。白芦笋生长在地下30cm～60cm，生长速度不均匀，必须进行选择性采收。采收期一般在上午8点前和下午4点后两次查垄，发现垄面龟裂时，扒开表土用笋刀切断白芦笋抽出，采收过程不可损伤地下茎，采收后应将垄土复原拍平。目前采收过程主要依靠人工使用非常简陋的工具进行，工作量大、效率低，已经成为制约白芦笋产业发展的瓶颈。究其原因主要是白芦笋采收过程较为复杂，且白芦笋脆嫩、多汁、易折断，目前尚缺乏适用于选择性采收机械的末端执行机构，因此采收过程难以实现机械化。目前已有学者针对白芦笋采收工作进行研究。中国专利技术专利“一种白芦笋收获装置”(201611098257.0)采用套筒结构插入土壤，将垂直刀片拉平后旋转切割芦笋，该专利仍然面向人工采收，采收器入土和刀片作业阻力大，采收后需要手动回填垄土。中国专利技术专利“一种横切式白芦笋采收装置及采收方法”(201610887551.3)和中国专利技术专利“一种夹切式白芦笋采收装置及采收方法”(201610887545.8)分别实现了切根、夹持和拔取一体化操作，并对这3个环节采用了独立的驱动方式，不利于机械化集成和自动化采收控制。随着我国白芦笋种植面积不断扩大，急需专利技术一种适用于白芦笋选择性机械化采收的末端执行器及采收方法，实现白芦笋的自动化选择性低损采收，简化控制步骤，提高采收效率，对白芦笋产业可持续性发展意义重大。
技术实现思路
本专利技术针对目前难以实现白芦笋选择性机械化采收的现状，提供了一种适用于白芦笋选择性机械化采收的末端执行器及采收方法，能够实现白芦笋切根、夹持和拔取一体化作业，简化了末端执行器驱动过程，有利于机械化系统集成和自动化采收控制。本专利技术一种适用于白芦笋选择性机械化采收的末端执行器采用的技术方案包括：机架、驱动及限位装置、剪切装置、夹持装置和控制系统。所述的机架用于支撑和固定其他装置；所述的驱动及限位装置固定在机架上，用于为末端执行器提供入土和剪切的驱动力；所述的剪切装置与驱动及限位装置连接，用于切断白芦笋；所述的夹持装置固定在剪切装置上，用于夹持白芦笋并带出土壤；所述的控制系统用于控制末端执行器实现入土、剪切、夹持等动作。所述的驱动及限位装置包括固定板、电动缸、限位板。所述的固定板为两端开有螺栓孔的长方形结构，固定在机架上；所述的电动缸通过螺栓固定在固定板上，为末端执行器的入土和剪切提供驱动力；所述的限位板为两块，均为内侧带有滑槽的“L”型结构，对称固定在固定板的两侧，用于限制刀片护板的位移。所述的剪切装置包括压缩板、外壳、剪切导杆、剪切弹簧、刀片护板、刀片。所述的压缩板为两侧带有凸起的板状结构，并与电动缸的导杆通过螺栓固定；所述的外壳为方形空心结构，外侧有与限位板滑槽相配合的凸起，用于外壳在限位板内侧上下滑动的导向；所述的外壳内侧有与压缩板的凸起相配合的滑槽，用于压缩板在外壳内部滑动的导向；所述的外壳底部两两对称开有四个导向孔，用于剪切导杆的导向；所述的剪切导杆为四根，上部两两对称固定在压缩板的四个角上，下部穿过外壳底部的四个导向孔；所述的剪切弹簧为四个，分别嵌套在剪切导杆上；所述的刀片护板为中空的长方形结构，上部固定在外壳的底部用于储藏刀片；所述的刀片护板其下部开口处有楔形凸起结构，使得刀片从刀片护板中出来时产生一定的倾角并铲断芦笋；所述的刀片为韧性较大的金属结构，下部开有刃口，用于切断白芦笋，上部固定在压缩板上并藏于刀片护板中。所述的夹持装置包括夹板固定座、右夹板、左夹板、夹持导杆、夹持弹簧、舵机固定座、舵机、绳索。所述的夹板固定座为“L”型结构，一侧通过螺栓固定在刀片护板上，另一侧用于固定夹板；所述的右夹板为非对称的倒“U”型结构，一侧附有柔性材料，用于夹持白芦笋，另一侧两两对称开有四个导向孔，用于夹持导杆的导向；所述的左夹板为附有柔性材料的结构，用于夹持白芦笋时实现低损伤；所述的夹持导杆为四根，分别两两对称固定在左夹板的背面，并对应穿过右夹板的导向孔；所述的夹持弹簧为四个，分别嵌套在四根夹持导杆上，并保证弹簧的自然状态使得两夹板处于夹持状态；所述的舵机固定座固定在左侧的限位板上，用于安装舵机；所述的舵机固定在舵机固定座上，并使得舵机输出轴的方向垂直于刀片护板；所述的绳索一侧系在左夹板上，一侧系在舵机输出轴上，使得舵机转动时带动左夹板压缩夹持弹簧并横向移动，实现夹板的张开。所述的控制系统包括控制箱、舵机、电机驱动器、电动缸、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；所述的舵机可选用满足扭矩要求的舵机；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；所述的电动缸可选用满足行程与推力要求及控制精度的步进电动缸和伺服电动缸；所述的电源可为控制系统的工作提供电能。所述的一种适用于白芦笋选择性机械化采收的末端执行器的控制方法如下：1)末端执行器处于白芦笋的侧上方，控制器控制电动缸向下伸出，导杆带动压缩板以及外壳整体向下移动，同时控制舵机转动，通过绳索拉动左夹板位移，使得两夹板处于张开状态。由于剪切弹簧阻尼比较大，在末端执行器入土过程中，压缩量很小；2)在电动缸的推动下末端执行器完成入土动作，当到达采收深度(外壳到达限位板最下端)时，外壳无法再移动，电动缸完成第一段位移。电动缸继续伸出并推动压缩板压缩剪切弹簧，刀片从刀片护板中伸出，在楔形凸起的作用下，产生一定倾斜铲断白芦笋；3)到达采收深度时，白芦笋正好位于两夹板中间(靠近右夹板)的位置，舵机反转，左夹板在夹持弹簧的弹力下与右夹板夹住白芦笋，完成夹持动作；4)电动缸在控制器的控制下开始收回，首先在剪切弹簧的弹力下刀片慢慢收回到刀片护板中，然后末端执行器夹持白芦笋离开土壤，完成采收动作。与现在技术相比，本专利技术具有以下优点：1)专利技术了选择性白芦笋采收机器人用末端执行器，实现了入土、切根、夹持和拔取等一体化作业。大大提高了采收效率，促进了白芦笋产业的发展。2)专利技术了电动缸驱动的末端执行器，将入土动作与剪切动作合并，简化了驱动控制，提高了采收效率。3)专利技术了自动入土、剪切、夹持与拔取白芦笋的控制系统，实现了选择性采收白芦笋的功能。4)本专利技术自动化程度高，操作方便，推广性强。附图说明图1为一种适用于白芦笋选择性机械化采收的末端执行器左测图图2为一种适用于白芦笋选择性机械化采收的末端执行器轴测图图3为一种适用于白芦笋选择性机械化采收的末端执行器主视图、剖面图及局部放大图图中：1、驱动及限位装置2、机架3、剪切装置4、夹持装置5、控制箱6、电源7、固定板8、电动缸9、限位板10、外壳11、剪切导杆12、刀片护板13、夹板固定座14、右夹板15、左夹板16、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于白芦笋选择性机械化采收的末端执行器，其特征在于包括：机架、驱动及限位装置、剪切装置、夹持装置和控制系统；所述的机架用于支撑和固定其他装置；所述的驱动及限位装置固定在机架上，用于为末端执行器提供入土和剪切的驱动力；所述的剪切装置与驱动及限位装置连接，用于切断白芦笋；所述的夹持装置固定在剪切装置上，用于夹持白芦笋并带出土壤；所述的控制系统用于控制末端执行器实现入土、剪切、夹持等动作；所述的驱动及限位装置包括固定板、电动缸、限位板；所述的固定板为两端开有螺栓孔的长方形结构，固定在机架上；所述的电动缸通过螺栓固定在固定板上，为末端执行器的入土和剪切提供驱动力；所述的限位板为两块，均为内侧带有滑槽的“L”型结构，对称固定在固定板的两侧，用于限制刀片护板的位移；所述的剪切装置包括压缩板、外壳、剪切导杆、剪切弹簧、刀片护板、刀片；所述的压缩板为两侧带有凸起的板状结构，并与电动缸的导杆通过螺栓固定；所述的外壳为方形空心结构，外侧有与限位板滑槽相配合的凸起，用于外壳在限位板内侧上下滑动的导向；所述的外壳内侧有与压缩板的凸起相配合的滑槽，用于压缩板在外壳内部滑动的导向；所述的外壳底部两两对称开有四个导向孔，用于剪切导杆的导向；所述的剪切导杆为四根，上部两两对称固定在压缩板的四个角上，下部穿过外壳底部的四个导向孔；所述的剪切弹簧为四个，分别嵌套在剪切导杆上；所述的刀片护板为中空的长方形结构，上部固定在外壳的底部用于储藏刀片；所述的刀片护板其下部开口处有楔形凸起结构，使得刀片从刀片护板中出来时产生一定的倾角并铲断芦笋；所述的刀片为韧性较大的金属结构，下部开有刃口，用于切断白芦笋，上部固定在压缩板上并藏于刀片护板中；所述的夹持装置包括夹板固定座、右夹板、左夹板、夹持导杆、夹持弹簧、舵机固定座、舵机、绳索；所述的夹板固定座为“L”型结构，一侧通过螺栓固定在刀片护板上，另一侧用于固定夹板；所述的右夹板为非对称的倒“U”型结构，一侧附有柔性材料，用于夹持白芦笋，另一侧两两对称开有四个导向孔，用于夹持导杆的导向；所述的左夹板为附有柔性材料的结构，用于夹持白芦笋时实现低损伤；所述的夹持导杆为四根，分别两两对称固定在左夹板的背面，并对应穿过右夹板的导向孔；所述的夹持弹簧为四个，分别嵌套在四根夹持导杆上，并保证弹簧的自然状态使得两夹板处于夹持状态；所述的舵机固定座固定在左侧的限位板上，用于安装舵机；所述的舵机固定在舵机固定座上，并使得舵机输出轴的方向垂直于刀片护板；所述的绳索一侧系在左夹板上，一侧系在舵机输出轴上，使得舵机转动时带动左夹板压缩夹持弹簧并横向移动，实现夹板的张开；所述的控制系统包括控制箱、舵机、电机驱动器、电动缸、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；所述的舵机可选用满足扭矩要求的舵机；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；所述的电动缸可选用满足行程与推力要求及控制精度的步进电动缸和伺服电动缸；所述的电源可为控制系统的工作提供电能。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于白芦笋选择性机械化采收的末端执行器，其特征在于包括：机架、驱动及限位装置、剪切装置、夹持装置和控制系统；所述的机架用于支撑和固定其他装置；所述的驱动及限位装置固定在机架上，用于为末端执行器提供入土和剪切的驱动力；所述的剪切装置与驱动及限位装置连接，用于切断白芦笋；所述的夹持装置固定在剪切装置上，用于夹持白芦笋并带出土壤；所述的控制系统用于控制末端执行器实现入土、剪切、夹持等动作；所述的驱动及限位装置包括固定板、电动缸、限位板；所述的固定板为两端开有螺栓孔的长方形结构，固定在机架上；所述的电动缸通过螺栓固定在固定板上，为末端执行器的入土和剪切提供驱动力；所述的限位板为两块，均为内侧带有滑槽的“L”型结构，对称固定在固定板的两侧，用于限制刀片护板的位移；所述的剪切装置包括压缩板、外壳、剪切导杆、剪切弹簧、刀片护板、刀片；所述的压缩板为两侧带有凸起的板状结构，并与电动缸的导杆通过螺栓固定；所述的外壳为方形空心结构，外侧有与限位板滑槽相配合的凸起，用于外壳在限位板内侧上下滑动的导向；所述的外壳内侧有与压缩板的凸起相配合的滑槽，用于压缩板在外壳内部滑动的导向；所述的外壳底部两两对称开有四个导向孔，用于剪切导杆的导向；所述的剪切导杆为四根，上部两两对称固定在压缩板的四个角上，下部穿过外壳底部的四个导向孔；所述的剪切弹簧为四个，分别嵌套在剪切导杆上；所述的刀片护板为中空的长方形结构，上部固定在外壳的底部用于储藏刀片；所述的刀片护板其下部开口处有楔形凸起结构，使得刀片从刀片护板中出来时产生一定的倾角并铲断芦笋；所述的刀片为韧性较大的金属结构，下部开有刃口，用于切断白芦笋，上部固定在压缩板上并藏于刀片护板中；所述的夹持装置包括夹板固定座、右夹板、左夹板、夹持导杆、夹持弹簧、舵机固定座、舵机、绳索；所述的夹板固定座为“L”型结构，一侧通过螺栓固定在刀片护板上，另一侧用于固定夹板；所述的右夹板为非对称的倒“U”型结构，一侧附有柔性材料，用于夹持白芦笋，另一侧两两对称开有四个导向孔，用于夹持导杆的导向；所述的左夹板为附有柔性材料的结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：李扬，苑进，刘雪美，窦宝刚，王善平，
申请(专利权)人：山东农业大学，
类型：发明
国别省市：山东,37