一种基于无人机的莲蓬采摘机械手及其采摘方法

本发明涉及一种基于无人机的莲蓬采摘机械手及其采摘方法，属于水生蔬菜收获装备。

背景技术：

1、莲蓬是一种具有营养价值和药用价值的水生经济作物。为了获得高营养价值的莲子，莲蓬需要在生长最盛时被选择性收获。随着我国成为莲子、莲藕生产和出口大国，针对传统人工采摘莲蓬的工作强度大、效率低的问题，国内莲蓬采收作业逐步由人工采摘向着半自动化、自动化采摘装备转型升级。针对莲田种植面积大，以及莲蓬的离散型长势，以无人机作为莲蓬采收的作业载体，显然具有一定的应用前景。但加装在无人机上的自动采摘装置需要涉及采摘、收集等操作，其结构组成和布局在一定程度上会影响无人机飞行平稳性和承载能力。因此，有必要设计一种适用于无人机平台并能将采摘与收集等操作集成在一起的装置。

技术实现思路

1、本发明在于提供一种基于无人机的莲蓬采摘机械手及其采摘方法，通过设计开设有组合型导向槽的臂杆并将牵引机构的动力输出端以及夹切机构集成在其上，使牵引机构带动夹切机构运动在臂杆上的同时实现了对莲蓬的采摘，收集与投放，提高了作为采收作业载体的无人机的飞行平稳性以及承载能力，更好地节省了能源消耗以及无人机续航能力。

2、为达到所述目的，本发明是采用下述技术方案实现的。

3、第一方面，本发明提供一种基于无人机的莲蓬采摘机械手，包括牵引机构，夹切机构以及中空设置的臂杆；

4、所述臂杆竖直插装在无人机机体底端，所述臂杆外表面开设有组合型导向槽，所述组合型导向槽具有采集槽段以及投放槽段；

5、所述采集槽段平行于所述臂杆中心轴线开设，所述投放槽段绕所述臂杆中心轴线螺旋式开设，所述采集槽段终点连接所述投放槽段起点；

6、所述牵引机构装联在无人机机体以及臂杆之间，其动力输出端连接所述夹切机构，带动所述夹切机构滑动于所述组合型导向槽中；

7、所述夹切机构的夹持空间大小可调，其具有张开状态以及对莲蓬的夹持状态和压切状态，所述夹切机构在采集槽段滑动至莲蓬存放处上方的过程中，其交错处于压切状态与夹持状态，所述夹切机构在投放槽段滑动至优选投放点的过程中，其交错处于夹持状态与张开状态。

8、可选地，所述组合型导向槽还具有调姿槽段，所述调姿槽段绕所述臂杆中心轴线螺旋式开设，所述调姿槽段终点连接所述采集槽段起点，所述夹切机构在调姿槽段滑动至待采摘莲蓬上方的过程中，其处于张开状态。

9、可选地，还包括识别定位模块以及采摘控制器；

10、所述识别定位模块设置在所述臂杆上，用于对待采摘莲蓬进行识别以及定位；

11、所述采摘控制器被配置用于：根据所述识别定位模块的识别定位结果控制牵引机构牵引处于张开状态的夹切机构在调姿槽段上滑动至待采摘莲蓬的上方；控制所述夹切机构对待采摘莲蓬进行压切并对采摘后的莲蓬进行夹持，同时，控制牵引机构牵引持有莲蓬的夹切机构在采集槽段上滑动至莲蓬存放处的上方；控制牵引机构牵引持有莲蓬的夹切机构在投放槽段上滑动至优选投放点之后，控制所述夹切机构松开莲蓬。

12、可选地，所述牵引机构包括柱状滑转台以及柔索收放模组；

13、所述柱状滑转台设置在臂杆内部，其包括通过一对圆锥滚子轴承连接的芯轴与柱筒，所述柱筒套设于芯轴外圈，所述圆锥滚子轴承分别设置在芯轴两端并且呈面对面或背靠背安装；

14、所述柔索收放模组设置在无人机机体内，其用于在相反方向上拉动所述柱状滑转台；

15、所述柱筒外壁上连接有垂直于其延伸方向的输出轴，并且所述输出轴卡设在所述组合型导向槽内，适应于沿所述组合型导向槽滑动。

16、可选地，所述柔索收放模组包括第一柔索收放模块，第二柔索收放模块以及第三柔索收放模块；

17、所述第一柔索收放模块以及第二柔索收放模块放出的柔索进入所述臂杆内腔连接至所述芯轴顶端；

18、所述第三柔索收放模块放出的柔索穿过所述臂杆内部并绕臂杆底部的改向轮连接至所述芯轴底端。

19、可选地，所述夹切机构包括中空设置的柱型支架，反向同步传动机构以及左指和右指；

20、所述左指与右指分别具有调节端以及夹持端，所述左指调节端以及右指调节端均具有螺纹孔，所述左指夹持端与右指夹持端均具有导轨；

21、所述柱型支架一侧端面上开设有通孔，用于固定所述柱状滑转台上的输出轴，其另一侧端面上开设有滑槽，用于与所述左指夹持端和右指夹持端的导轨滑动连接；

22、所述反向同步传动机构设置在所述柱型支架的内腔中，所述反向同步传动机构的动力输出端为一对转动方向相反的旋转轴，所述旋转轴分别沿柱型支架两侧延伸；

23、所述左指调节端和右指调节端的螺纹孔分别与所述旋转轴螺纹连接，用于调节左指夹持端与右指夹持端之间的夹持空间大小，并且所述左指调节端和右指调节端与所述旋转轴的连接处外侧均设置有限位螺母。

24、可选地，所述右指夹持端形成有刚性挤压部，所述左指夹持端形成有柔性压切部；

25、所述柔性压切部包括连接所述左指调节端的固定板，安装在固定板内侧壁底端并朝向所述右指夹持端的切割块以及滑动设置在所述切割块顶部的滑块，所述滑块与所述右指刚性挤压部位置相对；

26、所述滑块内侧壁上连接有沿所述切割块延伸方向延伸的导向杆，所述固定板对应位置上开设有供所述导向杆穿过的通孔，所述导向杆上套设有复位弹簧，并且所述导向杆与固定板的连接处外侧设置有调节螺母。

27、可选地，所述反向同步传动机构包括传动驱动电机，主动锥齿轮以及一对相对放置的从动锥齿轮；

28、所述传动驱动电机输出轴延伸方向与柱型支架延伸方向一致，所述传动驱动电机输出轴连接所述主动锥齿轮轴，所述主动锥齿轮两侧分别与两个从动锥齿轮形成共轭面，两个从动锥齿轮轴分别朝向柱型支架外部延伸，作为所述反向同步传动机构的动力输出端。

29、第二方面，本发明提供一种莲蓬采摘机械手的采摘方法，应用如第一方面任一步所述基于无人机的莲蓬采摘机械手，包括：

30、采收作业前，调节夹切机构使其处于采摘前的张开状态，无人机带动所述莲蓬采摘机械手飞行于待采摘莲田上空；

31、采收作业时，所述夹切机构对待采摘莲蓬进行压切并对采摘后的莲蓬进行夹持的同时，所述牵引机构牵引持有莲蓬的夹切机构在采集槽段上滑动至莲蓬存放处上方；牵引机构牵引持有莲蓬的夹切机构在投放槽段上滑动至优选投放点之后，所述夹切机构松开莲蓬。

32、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：通过在臂杆上开设组合型导向槽，并将牵引机构的动力输出端端以及夹切机构集成在臂杆上，使牵引机构带动夹切机构运动在臂杆上的不同时段内实现了对莲蓬的采摘，收集与投放，不仅保证了莲蓬的采摘效率，还提高了作为采收作业载体的无人机的飞行平稳性以及承载能力，更好地节省了能源消耗以及无人机续航能力；通过使用一对面对面或背靠背安装的圆锥滚子轴承连接芯轴与柱筒，同时实现了芯轴的直线升降运动以及输出轴的螺旋升降运动，从而在输出轴带动夹切机构顺利沿组合型滑槽运动的同时保证了牵引机构放出的柔索能够流畅的收放而不至于发生打结卡顿的情况；还通过主动锥齿轮与一对从动锥齿轮的使用实现了对左指与右指之间夹持空间大小的调节，无需对两个驱动电机同步控制，比起传统调节方法省去了一个驱动电机的使用，进一步减小了机械手整体的重量，还提高了操控的便利程度。