CN116235705A - 一种新型环状充气艇式的榴莲采摘装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型环形飞行式榴莲采摘装置，属于高空自动化采摘、榴莲采摘农用领域。整个装置由浮升单元、飞行位置控制单元、切割单元、输气排气单元四个部分所组成。浮升单元是整个装置的主体，可通过充气排气单元对其充入和排出轻型气体实现单元的上升与下降，保证了高空作业的可行性。其中飞行位置控制单元可控制浮升单元的全方位移动，由四个分布式无刷涵道式风扇实现。切割单元由一个具有两个自由度且末端带有激光切割口的机械臂和两个定位摄像头组成，摄像头可进行双目成像定位，配合机械臂可实现切割目标位置，保证了采摘效率。本发明不仅提高了采摘的效率和质量，而且自动化采摘的工作方式提高了安全性，增强装置的实用性。

Description

一种新型环状充气艇式的榴莲采摘装置

技术领域

本发明涉及一种新型环状充气艇式的榴莲采摘装置，属于高空自动化采摘、榴莲采摘农用领域。

技术背景

榴莲是一种极富经济价值的热带水果，作为“水果之王”的它在我国也十分受欢迎，其味道和丰富的营养价值让越来越多的人开始追捧这一水果。如今榴莲价格昂贵，不仅是因为榴莲对种植环境、方式有较高要求，更是其成熟后采摘需要的大量人力物力。传统的榴莲采摘通常以人工采摘方式进行：由一人爬至十几米甚至几十米的榴莲树完成摘取，另一个人双手拿麻布袋接树上人员抛落的果实。其采摘方式费时费力、危险系数非常大、所采摘的榴莲也易受伤损坏，采摘人员存在高空摔落的风险，地下接榴莲的人员也容易被砸伤或者被榴莲尖刺划伤，近些年就有不少榴莲采摘人员被高空落下的榴莲砸成脑震荡。因此，急需一种可代替人工的采摘榴莲装置，实现自动化采摘，切实有效的提高采摘效率和降低工作人员的风险。

目前榴莲采摘装置主要包括以下三种：(1)榴莲采摘手。采用可伸长杆伸向树枝将榴莲取下，优点是装置简单廉价，缺点是对榴莲还有一定的损伤，且采摘效率低。(2)榴莲缓冲装置。专利CN202011428297.3通过包括车体上的缓冲机构和弹性接料网，用以保护的高空下落的榴莲，其缺点是仍然需要采摘人员进行高空采摘作业，仍存在安全隐患且难以实现自动化采摘。(3)榴莲采摘机器人。专利CN202010007618.6采用平移剪切移动将树上的榴莲缓慢移动至地面，该装置的缺点是整机过于庞大，不易便于崎岖地形作业，采摘效率不高。且目前有类似无人机式的小型水果采摘机器人，缺点是采摘负荷小且容易发生碰撞损坏。综合以上三种榴莲采摘装置，前两种采摘装置未能实现全机器自动化运作，采摘效率低、劳动强度较大，且第三种太过于昂贵且笨重，不便于果农操作。

为克服以上问题，本发明公开的一种新型环形飞行式榴莲采摘装置，综合考虑和升级了前述三种采摘装置的不足，创新性的设计轻型气体浮力控制榴莲平稳升降、以多组无刷涵道风扇精准控制采摘方向和高能激光非接触切割，既可以提高传统人工采摘榴莲的效率，又可以解决上述采摘装置笨重、携带不便的问题，具有很好的实用性。

发明内容

本发明用于解决现有装置对榴莲采摘的采摘效率低、劳动强度较大、成本昂贵以及笨重的问题，提供了一种新型环状充气艇式的榴莲采摘装置，设有环形充气艇可防止因撞击而受到损坏，且有更好的可塑性，同时可根据要求适当增减相应采摘器件。

本发明针对现有榴莲采摘装置存在的问题，进行原理性创新，基本思想是：①装入有轻型气体(如氢氦气)的环状充气艇为主体，通过充气泵和排气泵分别对该充气艇进行充气或者排气，以气体密度的差异控制充气艇的浮力，从而实现环状充气艇的上升与下降；②为使该装置能够全方位采摘榴莲，在环状充气艇中嵌入了4个不同方向的无刷涵道式风扇，可以通过控制风扇的转速即可调节环状充气艇的水平位置和倾斜角度；③为使榴莲能够高空自动化采摘，通过两个摄像头实现双目成像定位，配合安装在气艇顶部嵌入式激光机械臂，自动找寻榴莲的连接茎秆，以实现激光快速切割。

为实现上述目的和原理，本发明的技术方案如下：

一种充气式可调节升降的环形飞行式的榴莲采摘装置由浮升单元Ⅰ、飞行位置控制单元Ⅱ、切割单元Ⅲ、输气排气单元Ⅳ四个部分所组成；

所述浮升单元Ⅰ包括橡胶环形充气艇1、嵌入式电机安装台2、遥控舵机3、嵌入式机械臂安装台4、金属嵌套挂环内环5、可拆卸尼龙网6、输气管口7、排气管口8、直流电源16、重力传感器17；

所述浮升单元Ⅰ为飞行位置控制单元Ⅱ和切割单元Ⅲ安装的基座，为其器件安装提供了合适的位置，使得各单元能够连接在一起；

所述金属嵌套挂环内环5可保护整个橡胶环形充气艇1，不受榴莲上的尖刺破坏而导致漏气现象的发生，且内部设有挂环，可为可拆卸尼龙网6进行安装，以接住采摘下来的榴莲；

所述橡胶环形充气艇1作为整个装置的主体，内部充满轻型气体，产生向上的升力，且橡胶环形充气艇1内部设有16直流电源和17重力传感器，分别用于提供其他单元的能量供应和检测当前飞行姿态；

所述嵌入式电机安装台2呈90°均匀旋转嵌入安装在环形充气艇1中，可供无刷涵道式风扇9安装。在其内壁上安装有遥控舵机3，可调节无刷涵道式风扇9水平偏移角度以调整气艇飞行姿态；

所述可拆卸尼龙网6整体呈圆形，在边缘均匀分布有10个金属挂钩，可直接安装在橡胶环形充气艇1内壁的金属嵌套挂环内环5上，实现高空作业的榴莲收集作用，并且还便于维修与更换；

所述飞行位置控制单元Ⅱ包括无刷涵道式风扇9、嵌入式电机安装台2、遥控舵机3；

所述无刷涵道式风扇9呈90°均匀旋转分别嵌入安装在嵌入式电机安装台2中，断电停止工作时遥控舵机3会使无刷涵道式风扇9缓缓落下直至与壁面形成15°夹角，在工作时，无刷涵道式风扇9会绕轴升起直至在水平方向向上呈45°角度，且遥控舵机3可根据操作需求或风向，自动调控无刷涵道式风扇9与水平方向的偏移角度以控制飞行方向和姿态；

所述切割单元Ⅲ包括激光机械臂10、嵌入式机械臂安装台4、定位摄像头15；

所述激光机械臂10包括机械大臂101、机械小臂102、激光切割口103；

在气艇逐渐移动到目标位置时，定位摄像头15开始运作，通过两个摄像头实现双目成像定位，用于自动找寻榴莲的连接茎秆特征，配合安装在气艇顶部嵌入式机械臂10，具有两个旋转自由度，机械大臂101和机械小臂102可分别进行左右以及俯仰旋转，实现机械定位连接茎秆位置，然后激光切割口103开始运作，以实现激光快速切割，榴莲落下，平稳落入到可拆卸尼龙网6中；

所述输气排气单元Ⅳ包括输气软管11、排气软管12、充气泵13、吸气泵14；充气泵13和吸气泵14可分别通过输气软管11和排气软管12对橡胶环形充气艇1进行充气和排气处理以控制橡胶环形充气艇1中轻型气体含量，从而调节橡胶环形充气艇1的升降情况；在榴莲落入可拆卸尼龙网6中时，橡胶环形充气艇1中重力传感器感受到重力变化，会自动发送信号于充气泵13和吸气泵14中，以平衡橡胶环形充气艇1姿态。

本发明的有益效果是：

1.使用轻型气体产生浮力使装置上升，有别于普通无人机，更加节能且轻便。

2.橡胶环形气艇的设计可以利用橡胶气艇自身的弹性，避免采摘榴莲的过程中因撞击树干或树枝而造成的损坏，且工作结束后环状充气艇可通过排气减少自身体积，便于携带与储存。

3.使用具有两个自由度的激光机械臂并配合两个定位摄像头，对目标茎秆进行特征定位并激光切割，相较于普通物理切割，此装置切割效率好、准确度高。

4.采用分布式的四个方向嵌入式无刷涵道风扇，其嵌入式设计也可保护风扇，无刷涵道风扇既可对飞艇装置水平位置调整，又可结合电机的俯仰夹角可提供一定升力。

5.整套装置的每个单元属于模块化设计，可实现安装简单、拆卸便捷，易后期保养、更换器件及检修，实用性高、通用性强。

附图说明

图1一种新型环状充气艇式的榴莲采摘装置的整机图；

图2装置主体局部放大图(通电)；

图3装置主体局部放大图(断电)；

图4气艇内部横截面结构图；

图5输气排气单元结构图；

图6可拆卸尼龙网结构图；

图7榴莲采摘工作示意图；

图8榴莲采摘工作流程图。

图中各标号为：Ⅰ-浮升单元，Ⅱ-飞行位置控制单元，Ⅲ-切割单元，Ⅳ-输气排气单元，1-橡胶环形充气艇，2-嵌入式电机安装台，3-遥控舵机，4-嵌入式机械臂安装台，5-金属嵌套挂环内环，6-可拆卸尼龙网，7-输气管口，8-排气管口，9-无刷涵道式风扇，10-激光机械臂，101-机械大臂，102-机械小臂，103-激光切割口，11-输气软管，12-排气软管，13-充气泵，14-吸气泵，15-定位摄像头，16-直流电源，17-重力传感器。

具体实施方法

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例：榴莲树高20m-30m，树干直径1m，作业高度10m-15m，单个榴莲重量3-5kg。

如图1-8所示。一种充气式可调节升降的环形飞行式的榴莲采摘装置由浮升单元Ⅰ、飞行位置控制单元Ⅱ、切割单元Ⅲ、输气排气单元Ⅳ四个部分所组成；

所述浮升单元Ⅰ包括橡胶环形充气艇1、嵌入式电机安装台2、遥控舵机3、嵌入式机械臂安装台4、金属嵌套挂环内环5、可拆卸尼龙网6、输气管口7、排气管口8、直流电源16、重力传感器17。

所述输气排气单元Ⅳ包括输气软管11、排气软管12、充气泵13、吸气泵14。

具体的，所述橡胶环形充气艇1通过充气泵13充入足够轻型气体使整个飞行单元达到悬浮状态，在内部通电时遥控舵机3使无刷涵道式风扇9调整至与水平方向向上呈45°夹角，在整个飞行单元达到悬浮状态后，无刷涵道式风扇9开始运作，转动扇叶使环形充气艇1上升，直至达到目标成熟榴莲位置后，吸气泵14会抽出一部分气体，使整个装置再次达到悬浮状态。至此，整个装置平稳达到目标成熟榴莲位置处。

所述切割单元Ⅲ包括激光机械臂10、嵌入式机械臂安装台4、定位摄像头15。

所述激光机械臂10包括机械大臂101、机械小臂102、激光切割口103；

具体的，在气艇逐渐移动到目标位置时，两个定位摄像头15进行双目成像定位确定切割目标位置，确定位置后激光机械臂10开始运作，机械大臂101和机械小臂102可分别进行左右以及俯仰旋转，实现机械定位连接茎秆位置，然后激光切割口103开始运作，使用激光将榴莲茎秆快速切割断，榴莲落下，平稳落入到可拆卸尼龙网6中，同时金属嵌套挂环内环5可保护橡胶内壁不受榴莲尖刺伤害。

所述飞行位置控制单元Ⅱ包括无刷涵道式风扇9、嵌入式电机安装台2、遥控舵机3。

所述无刷涵道式风扇9呈90°均匀旋转分别嵌入安装在嵌入式电机安装台2中，在工作时遥控舵机3可调控无刷涵道式风扇9进行匀速绕轴旋转，产生水平方向上的分力F1和竖直方向上的F2，通过四个电机的不同的水平偏移方向产生的合风力，可使橡胶环形充气艇1进行水平方向上的不同方位的移动，从而实现装置的一次多采摘榴莲的任务。

第一步(开始)：充气泵13通过输气软管11对橡胶环形充气艇1进行充轻型气体使其体积增大产生浮力，遥控舵机3使无刷涵道式风扇9调整至与水平方向向上呈45°夹角，配合相应竖直参数调控，使其橡胶环形充气艇1悬浮在空中。

第二步：四个分布式无刷涵道式风扇9开始运作，通过各无刷涵道式风扇9产生的推力在竖直方向的分力合，产生竖直方向的总升力使橡胶环形充气艇1缓缓上升；同理，也可产生在水平方向上的合力使橡胶环形充气艇1在水平方向上移动，避开障碍物。

第三步：在橡胶环形充气艇1达到目标成熟榴莲处后，两个定位摄像头1对榴莲连接茎秆进行双目成像定位，确定榴莲连接茎秆准确位置，确定位置后激光机械臂10开始运作，机械大臂101和机械小臂102可分别进行左右以及俯仰旋转，实现机械定位连接茎秆位置，然后激光切割口103开始运作，使用激光将榴莲茎秆快速切割断，榴莲落下，平稳落入到可拆卸尼龙网6中。

第四步：充气泵13继续通过输气软管11对橡胶环形充气，使装入榴莲的橡胶环形充气艇1继续悬浮在空中。同理，四个分布式无刷涵道式风扇9通过调整转速和遥控舵机3的调控，进行全方位的移动，实现多次榴莲采摘。

第五步：在采摘数量足够后，吸气泵14通过排气软管12对橡胶环形充气艇1进行微量排气，使其体积减小从而减小浮力，橡胶环形充气艇1缓缓下降直至降落至地面。

第六步(结束)：卸下可拆卸尼龙网6，取出已完成采摘的榴莲，即可完成一次榴莲采摘。至榴莲全部采摘完成后，将橡胶环形充气艇1上装置器件全部拆卸取出，吸气泵14通过排气软管12对橡胶环形充气艇1进行排气，直至内部气体全部排尽，将橡胶环形充气艇1压缩收回。

Claims (6)

1.一种新型环状充气艇式的榴莲采摘装置，其特征在于，包括浮升单元、飞行位置控制单元、切割单元、输气排气单元。

2.根据权利要求1所述的一种新型环状充气艇式的榴莲采摘装置，其特征在于，所述浮升单元包括橡胶环形充气艇(1)、嵌入式电机安装台(2)、遥控舵机(3)、嵌入式机械臂安装台(4)、金属嵌套挂环内环(5)、可拆卸尼龙网(6)、输气管口(7)、排气管口(8)、直流电源(16)、重力传感器(17)；

所述橡胶环形充气艇(1)内部中空，设置有直流电源(16)和重力传感器(17)；

所述嵌入式电机安装台(2)设有四处，且呈90°均匀镶嵌分布在橡胶环形充气艇(1)最外圈；

所述嵌入式机械臂安装台(4)呈嵌入式安装在橡胶环形充气艇(1)上方；

所述金属嵌套挂环内环(5)呈镶嵌式安装在橡胶环形充气艇(1)最内圈；

所述可拆卸尼龙网(6)可通过上方金属挂钩与金属嵌套挂环内环(5)相互连接；

所述输气管口(7)、排气管口(8)呈镶嵌对称式安装在橡胶环形充气艇(1)底部。

3.根据权利要求1所述的一种新型环状充气艇式的榴莲采摘装置，其特征在于，所述飞行位置控制单元包括无刷涵道式风扇(9)、嵌入式电机安装台(2)、遥控舵机(3)；

所述无刷涵道式风扇(9)可与嵌入式电机安装台(2)相互连接；

所述遥控舵机(3)设置在无刷涵道式风扇(9)和嵌入式电机安装台(2)之间。

4.根据权利要求1所述的一种新型环状充气艇式的榴莲采摘装置，其特征在于，所述切割单元包括激光机械臂(10)、嵌入式机械臂安装台(4)、定位摄像头(15)；

所述激光机械臂(10)可与嵌入式机械臂安装台(4)相互连接；

所述定位摄像头(15)呈对称式镶嵌分布在橡胶环形充气艇(1)上方。

5.根据权利要求4所述一种新型环状充气艇式的榴莲采摘装置，其特征在于，所述激光机械臂(10)包括机械大臂(101)、机械小臂(102)、激光切割口(103)；

所述机械小臂(102)与机械大臂(101)相互连接，所述激光切割口(103)镶嵌安装在机械小臂(102)末端。

6.根据权利要求1所述的一种新型环状充气艇式的榴莲采摘装置，其特征在于，所述输气排气单元包括输气软管(11)、排气软管(12)、充气泵(13)、吸气泵(14)；

所述输气软管(11)两端可分别连接充气泵(13)与输气管口(7)；

所述排气软管(12)两端可分别连接吸气泵(14)与排气管口(8)。

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