一种具有弧形摆动机构的双孢菇采摘装置及其采摘方法

本发明涉及一种农林机械，具体是一种具有弧形摆动机构的双孢菇采摘装置及其采摘方法。

背景技术：

1、在食用菌工厂化栽培中，双孢菇的采摘目前仍高度依赖人工。由于双孢菇通常呈密集簇生分布，且其菌盖娇嫩、菇柄脆弱，传统的采摘机械在作业时面临极大挑战。现有采摘装置多采用直接向上拔取的直线拉扯方式，这种方式容易将菇柄底部的培养基质和菌丝连根拔起，不仅破坏了下茬菇的生长环境，还容易造成断柄。此外，现有的刚性夹爪在夹持不规则的菌盖时，往往会导致局部应力集中，造成菇体表皮压伤或破损，严重影响双孢菇的商品价值。因此，开发一种能够适应密集环境、实现低损夹持并能模拟人工掰折分离动作的采摘装置显得尤为迫切。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种具有弧形摆动机构的双孢菇采摘装置及其采摘方法；该装置能够有效避免直线拔取对菌床基质的破坏，降低采摘过程对菌盖的损伤，具有动作精准、损伤率低和自动化程度高的特点。

2、本发明的技术方案是：

3、一种具有弧形摆动机构的双孢菇采摘装置，其特征在于：包括自上而下依次连接的旋转调姿机构、摆动分离机构以及柔性夹持机构；所述旋转调姿机构的上端与外部机械臂连接，以便由外部机械臂携带着移动，还通过关节电机驱动所携带的摆动分离机构绕竖直轴线转动，以调整柔性夹持机构的工作角度；所述摆动分离机构通过弧形齿条结构驱动所述柔性夹持机构沿着弧形导轨移动，以模拟人工“掰折”动作；所述柔性夹持机构通过正反牙丝杠驱动两个夹爪作相向运动，以实现对双孢菇的夹持。

4、所述旋转调姿机构包括位于旋转调姿机构上端且顶端连接外部机械臂的z轴连接法兰、位于旋转调姿机构下端且通过推力轴承竖直安装着关节连接轴的连接法兰安装板以及安装在z轴连接法兰与连接法兰安装板形成的空腔中且其输出端连接关节连接轴的关节电机。

5、所述摆动分离机构中，摆动支撑板为顺时针转动90度的l型；关节连接轴的下端与摆动支撑板上端的水平板连接，弧形齿条的一侧端面固定在摆动支撑板的竖直板内侧，弧形齿条的上侧凸弧面制作有啮合齿；弧形导轨固定在弧形齿条的另一侧端面并且与弧形齿条同轴设置；摆动电机安装座包括竖直布置的竖板和水平布置并且一端连接竖板中部的横板，其竖板下部外侧表面安装的弧形滑块与所述弧形导轨滑动配合；摆动步进电机固定于摆动电机安装座的竖板上部内侧，其输出轴穿过摆动电机安装座竖板上部的开孔后再连接与弧形齿条啮合的小齿轮；以在摆动步进电机工作时，通过小齿轮驱动摆动电机安装座及安装于其上的柔性夹持机构沿弧形导轨限定的轨迹进行圆弧摆动。

6、所述柔性夹持机构中，正反牙丝杠模组的直线导轨安装板水平设置在摆动电机安装座的横板上并且安装有直线导轨，正反牙丝杠可转动地设置在直线导轨安装板上且平行于直线导轨；传动安装板竖直固定在直线导轨安装板的一端，夹持步进电机安装在传动安装板的上半部并且输出轴通过同步带组件驱动正反牙丝杠；第一滑块和第二滑块可滑动地定位在直线导轨上，并且分别与正反牙丝杠正牙螺纹段和反牙螺纹段上的两个螺母固定；第一滑块和第二滑块下侧各通过夹爪安装板连接一个夹爪；从而在夹持步进电机工作时，带动两个夹爪相向或相背运动。

7、所述夹爪竖直布置并且底部的侧面设置有柔性接触垫，薄膜压力传感器设置在夹爪与柔性接触垫之间并且通过信号线与控制器电连接；所述两个夹爪上的柔性接触垫相向设置，以相互配合共同夹持双孢菇。

8、所述同步带组件包括主动带轮、从动带轮和同步带；夹持步进电机输出轴穿过传动安装板上的开孔后又固定所述主动带轮；正反牙丝杠的一端穿过传动安装板下半部的轴孔后再固定所述从动带轮；所述同步带配设在主动带轮与从动带轮之间。

9、所述夹爪安装板与夹爪之间设置有柔顺结构；所述柔顺结构中，配设有夹指滑块的夹指滑轨水平设置在夹爪安装板的底端并且平行于直线导轨，两个滑动导柱设置在夹指滑轨下方并且平行于夹指滑轨；所述夹爪与夹指滑台一体设置，并且夹指滑台的顶端与夹指滑块固定连接；夹指滑台靠近压缩弹簧安装座的一侧开设有两个盲孔，两个滑动导柱的一端分别插入并固定于两个盲孔内，另一端分别穿过压缩弹簧安装座上开设的两个导向孔并与压缩弹簧安装座滑动配合；两个柔顺弹簧分别套设在两个滑动导柱上并且两端分别抵顶着压缩弹簧安装座与夹指滑台；预紧力调节螺钉通过带有螺孔的调节螺钉安装座固定于夹爪安装板左侧的下端，预紧力调节螺钉的顶端从螺孔中探出后抵顶着所述夹指滑台背向柔顺弹簧一侧的侧面；以根据需要调节所述柔顺弹簧对夹指滑台的预紧力。

10、双孢菇采摘装置上还配设有限位与检测组件，所述限位与检测组件包括原点光电开关、极限点光电开关、光电感应片以及光电开关安装槽；直线导轨安装板侧边分别安装有极限点光电开关及原点光电开关，光电感应片安装在夹爪安装板上，并且在跟随夹爪安装板同步移动过程中分别经过极限点光电开关及原点光电开关，从而分别触发位置信号，对所述夹爪的夹持行程进行精确限位与反馈。

11、采用所述具有弧形摆动机构的双孢菇采摘装置采摘双孢菇的方法，包含以下步骤：

12、第一步：旋转调姿，外部机械臂将采摘装置移动至目标双孢菇上方，关节电机启动，带动执行机构整体水平旋转，调整夹爪的进入角度以避开相邻菇体；

13、第二步：柔性包络夹持，机械臂下放使双孢菇的菌盖进入两侧夹爪之间；夹持步进电机启动，通过主动带轮、同步带和从动带轮驱动正反牙丝杠模组，带动两个夹爪同步向中心靠拢；在弹簧柔顺机构的机械缓冲作用下，柔性接触垫贴合并包裹双孢菇菌盖侧面；当夹爪向下接触菇体时，因菇体形态外扩产生的反作用力克服柔顺弹簧的弹力，使夹爪沿滑动导柱向外产生被动退让张开，从而避免压损菇体；当薄膜压力传感器检测达到设定力阈值时停止夹持；

14、针对不同硬度或成熟度的双孢菇，采摘前可通过旋动预紧力调节螺钉来改变柔顺弹簧的压缩程度，实现夹持刚度的自适应匹配。

15、第三步：弧形摆动掰折，摆动步进电机驱动小齿轮旋转，在与弧形齿条的啮合及弧形导轨的导向作用下，带动柔性夹持机构及双孢菇沿弧形导轨轨迹偏转摆动，使菇体绕菇柄根部受控弯折并与基质分离；

16、第四步：复位与放置，分离后机械臂将双孢菇移送至收集区，摆动步进电机反转使机构回正，夹持步进电机反转使夹爪张开，菇体落下，完成一次采摘循环。

17、本发明的有益效果是：

18、（1）本发明采用了齿轮齿条与弧形导轨配合的摆动分离机构；在采摘时，采摘装置带动双孢菇沿弧线轨迹偏转摆动，在菇柄根部产生弯折力矩，较好模拟了人工“掰折”的动作，使菇体与培养基质分离，有效避免了传统直线强拔方式带出基质或撕裂底部菌丝的问题。

19、（2）本发明采用了机械与电子双重柔顺的夹持设计；动力经同步带传递至正反牙丝杠模组，保证了双侧夹爪的同步对中闭合；特别地，夹爪通过滑动导柱与弹簧柔顺机构连接，当向下接触到菌盖时，夹爪可克服弹力向外产生被动柔顺退让，从而避免刚性碰撞损伤菇体；同时，可通过预紧力调节螺钉灵活改变弹簧预紧压缩量，针对不同硬度或成熟度的双孢菇实现夹持适应；内侧的薄膜压力传感器实现力觉闭环反馈，配合最外层的柔性接触垫，实现了对双孢菇菌盖侧面的低压包络夹持，有利于降低采摘过程中对菌盖的机械损伤率。

20、（3）本发明的旋转调姿机构通过关节电机可实现水平回转。在面对高密度、生长姿态各异的双孢菇时，能够动态调整夹爪的合适切入角度，有效避免了采摘时与周围相邻菇体发生碰撞和运动干涉。

21、（4）本发明具有动作精准、损伤率低和自动化程度高的特点。