一种用于梨树种植的背上枝剪除设备及剪除方法

技术领域

本发明涉及梨树种植设备领域，具体是涉及一种用于梨树种植的背上枝剪除设备及剪除方法。

背景技术

梨树是蔷薇科梨属多年生落叶果树，果树都有顶端优势和背上优势，如果背上枝太旺盛，就会消耗掉果树大量的营养，对幼果的膨大极为不利。为提高产果率，需要对背上枝进行剪除，背上枝为与主枝平行生长且处于主枝上方的枝条。

现在背上枝一般通过人工修剪，劳动强度大，且人工成本高。

中国专利CN201921526308.4公开了一种基于双目视觉的猕猴桃树剪枝机器人，其特征在于，包括行走底盘总成，所述行走底盘总成上设置有剪叉式升降机、升降机驱动电机和控制器，所述剪叉式升降机的升降台上设置有四自由度机械臂，所述四自由度机械臂的末端设置有末端剪枝器和双目视觉模块，所述双目视觉模块位于所述末端剪枝器的后方；所述升降机驱动电机、所述双目视觉模块、所述末端剪枝器、所述四自由度机械臂分别与所述控制器连接，所述控制器与所述行走底盘总成的遥控器通讯连接；所述行走底盘总成采用履带式底盘总成。

该机器人在剪枝过程中，无法保证其相对果树进行周向运动，即不便控制剪枝顺序。

发明内容

为解决上述技术问题，提供一种用于梨树种植的背上枝剪除设备及剪除方法，本技术方案解决了沿梨树周向有序剪枝的问题。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于梨树种植的背上枝剪除设备，包括有，自行走组件；图像采集组件，图像采集组件设置在自行走组件上用于收集梨树枝蔓生长信息；剪刀式机械臂，剪刀式机械臂设置在自行走组件上用于根据枝蔓生长信息进行修剪背上枝；第一视觉摄像头，第一视觉摄像头设置在剪刀式机械臂工作端，第一视觉摄像头用于识别修剪时背上枝位置；自行走组件、图像采集组件、剪刀式机械臂和第一视觉摄像头与控制器电连接；还包括有定位连接组件，定位连接组件设置在自行走组件上，工作状态下，定位连接组件工作端沿径向与果树主干连接。

优选地，定位连接组件包括有夹爪件和连接杆组件，连接杆组件沿树干径向固定设置在自行走组件上，连接杆组件的另一端与夹爪件连接部固定连接，且连接杆组件夹持口沿水平方向，夹爪件上设置有用于监测树干位置的第二视觉摄像头，第二视觉摄像头与控制器电连接。

优选地，还包括有半圆板，半圆板内弧面对称设置在夹爪件的夹持口两侧，工作状态下，半圆板轴线竖直。

优选地，半圆板的内弧面间隔均布有与其同轴向且能够转动的转辊。

优选地，还包括有能够监测夹爪件夹持口两侧半圆板径向夹持力的径向力检测件，径向力检测件包括有，固定板和固定销，固定板固定设置在夹爪件的夹持口两侧，半圆板通过固定销与固定板沿水平方向滑动配合；弹簧，弹簧同轴套设在固定销上，且弹簧两端分别抵接在半圆板的外弧面和固定板一侧；压力传感器，压力传感器固定设置在固定板或半圆板外弧面上，且压力传感器位于固定板和半圆板之间，非状态下，压力传感器工作端与固定板或半圆板外弧面抵触配合，压力传感器与控制器电连接。

优选地，连接杆组件为电动推杆，电动推杆的杆体与自行走组件固定连接，电动推杆的输出轴端部与夹爪件固定连接。

优选地，还包括有同轴柔性连接夹爪件和连接杆组件的扭性连接件，扭性连接件包括有，固定筒，固定筒固定设置在夹爪件的安装侧，且其内部朝外端依次同轴设置有第一转动孔、第二转动孔和第三转动孔，第一转动孔、第二转动孔和第三转动孔内径依次增大；转动杆，转动杆同轴转动设置在第一转动孔中；安装筒，安装筒同轴固定设置在转动杆外端，且其与第三转动孔同轴转动配合，连接杆组件与安装筒同轴固定连接；限位圈，限位圈同轴固定设置在第三转动孔外端，且其内圆周面与连接杆组件的圆周同轴间隙配合；扭簧，扭簧同轴套设在转动杆上，扭簧的两端分别与第二转动孔内端和安装筒内端固定连接。

优选地，还包括有用于沿竖直方向相对自行走组件偏转定位连接组件的转动组件，转动组件包括有，转动座，转动座固定设置在自行走组件上；安装架，安装架与定位连接组件固定连接，且安装架上设置有与转动座沿竖直方向转动配合的转动轴；第一伺服电机，第一伺服电机固定设置在自行走组件上，且其输出轴与转动轴一端同轴固定连接。

优选地，还包括有能够沿竖直和水平方向移动定位连接组件的横纵向移动组件，横纵向移动组件包括有，滑动板和导轨，滑动板通过导轨沿竖直方向滑动设置在自行走组件顶部，滑动板一侧设置有轴线竖直的内螺纹固定耳；丝杆，丝杆沿竖直方向转动设置在自行走组件上，且丝杆与同轴转动配合；第二伺服电机，第二伺服电机固定设置在自行走组件上，第二伺服电机的输出轴与丝杆一端同轴固定连接；滚珠丝杆滑台，滚珠丝杆滑台沿水平方向设置在滑动板一侧，且滚珠丝杆滑台工作端能够沿水平方向移动，定位连接组件与滚珠丝杆滑台的工作端固定连接。

一种用于梨树种植的背上枝剪除设备及剪除方法，包括有以下步骤，

步骤一，驱动夹爪件移动至果树一侧；

步骤二，启动第一伺服电机，使得电动推杆沿竖直方向偏转直至水平；

步骤三，启动第二视觉摄像头观测夹爪件是否沿果树主干径向，启动第二伺服电机和滚珠丝杆滑台，使得定位连接组件沿竖直和水平方向移动；

步骤四，启动电动推杆，使其输出轴带动夹爪件夹持口移动至主干外侧；

步骤五，启动夹爪件，使其夹持口通过半圆板同轴向夹持在主干外侧；

步骤六，启动自行走组件，使得自行走组件通过连接杆组件在树干外侧沿周向运动，在周向移动过程中，启动图像采集组件，从而识别果树的枝蔓生长状况；

步骤七，当自行走组件在果树外侧完成周向运动，且图像采集组件信息收集完成时，启动剪刀式机械臂，使得剪刀式机械臂能够沿周向轨迹进行移动，并在此过程中使其工作端对背上枝进行修剪。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

本设备能够在果树外侧沿周向运动进行剪枝，精度较高，具体的，驱动夹爪件移动至果树一侧；启动第一伺服电机，使得电动推杆沿竖直方向偏转直至水平，即使得夹爪件夹持口水平；通过第二视觉摄像头观测夹爪件是否沿果树主干径向，启动第二伺服电机和滚珠丝杆滑台，使得定位连接组件沿竖直和水平方向移动；使得夹爪件夹持口沿径向对准主干，启动电动推杆，使其输出轴带动夹爪件移动至主干外侧；启动夹爪件，使其夹持口带动半圆板相向靠拢，即转辊与半圆板同轴向抵接在主干外侧，在此过程中，若树干非直立状态，即使得转动杆相对固定筒发生同轴转动，即使得固定筒和安装筒克服扭簧扭力，使得夹爪件始终同轴向夹持主干，且当压力传感器检测压力过大时，夹爪件夹持口停止收拢，防止夹爪件过分夹持树干；启动自行走组件，使得自行走组件通过连接杆组件在树干外侧沿周向运动，在周向移动过程中，启动图像采集组件，从而识别该棵果树的枝蔓生长状况；当自行走组件在果树外侧完成周向运动，且图像采集组件信息收集完成时，启动剪刀式机械臂，使其工作端对背上枝进行修剪，使得剪刀式机械臂能够沿周向轨迹进行移动，即通过定位连接组件对果树进行周向剪枝，且在剪枝过程中，第一视觉摄像头能够实时监测剪刀式机械臂工作端与背上枝之间的相对位置，从而便于精准剪枝，相比现有人工或其他剪枝设备，本设备能够在果树外侧沿周向运动时精准剪枝，能够适应不同生长姿态的果树。

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2为本发明的侧视图；

图3为图2的E-E截面处的剖视图；

图4为图3的F处局部放大图；

图5为图3的G处局部放大图；

图6为本发明的定位连接组件的立体图；

图7为图6的H处局部放大图；

图8为本发明的定位连接组件的俯视图；

图9为图8的I处局部放大图；

图10为本发明的夹爪件的正视图。

图中标号为：

A-自行走组件；

B-图像采集组件；

C-剪刀式机械臂；

D-第一视觉摄像头；

1-夹爪件；1a-第二视觉摄像头；

2-连接杆组件；

3-半圆板；

4-转辊；

5-径向力检测件；5a-固定板；5b-固定销；5c-弹簧；5d-压力传感器；

6-扭性连接件；6a-固定筒；6a1-第一转动孔；6a2-第二转动孔；6a3-第三转动孔；6b-转动杆；6c-安装筒；6d-限位圈；6e-扭簧；

7-转动组件；7a-转动座；7b-安装架；7b1-转动轴；7c-第一伺服电机；

8-横纵向移动组件；8a-滑动板；8a1-内螺纹固定耳；8b-导轨；8c-丝杆；8d-第二伺服电机；8e-滚珠丝杆滑台。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

参照图1所示，一种用于梨树种植的背上枝剪除设备，包括有，自行走组件A；

图像采集组件B，图像采集组件B设置在自行走组件A上用于收集梨树枝蔓生长信息；

剪刀式机械臂C，剪刀式机械臂C设置在自行走组件A上用于根据枝蔓生长信息进行修剪背上枝；

第一视觉摄像头D，第一视觉摄像头D设置在剪刀式机械臂C工作端，第一视觉摄像头D用于识别修剪时背上枝位置；

自行走组件A、图像采集组件B、剪刀式机械臂C和第一视觉摄像头D与控制器电连接；

还包括有定位连接组件，定位连接组件设置在自行走组件A上，工作状态下，定位连接组件工作端沿径向与果树主干连接。

剪枝时，使得夹爪件1移动至梨树一侧，夹爪件1可通过有线或无线控制，启动定位连接组件，使得定位连接组件的工作端沿径向与果树主干底部连接，自行走组件A因定位连接作用，使得自行走组件A仅能够相对果树作周向运动，从而能够防止在剪枝过程中，自行走组件A相对偏离果树，从而无法有序精准的修剪背上枝；

当自行走组件A通过定位连接组件在果树外侧作周向运动时，图像采集组件B能够实时收集该棵果树的枝蔓生长状况，从而便于识别出背上枝；

当自行走组件A在果树外侧完成周向运动，且图像采集组件B信息收集完成时，启动剪刀式机械臂C，使其工作端对背上枝进行修剪，使得剪刀式机械臂C能够沿周向轨迹进行移动，即通过定位连接组件对果树进行周向剪枝，且在剪枝过程中，第一视觉摄像头D能够实时监测剪刀式机械臂C工作端与背上枝之间的相对位置，从而便于精准剪枝；

自行走组件A顶端可设置有沿竖直方向顶升剪刀式机械臂C的顶升架，以便于适应剪除不同高度的背上枝。

如图1和图5所示，定位连接组件包括有夹爪件1和连接杆组件2，连接杆组件2沿树干径向固定设置在自行走组件A上，连接杆组件2的另一端与夹爪件1连接部固定连接，且连接杆组件2夹持口沿水平方向，夹爪件1上设置有用于监测树干位置的第二视觉摄像头1a，第二视觉摄像头1a与控制器电连接。

连接杆组件2为能够由控制器控制器夹持口内径的结构，通过第二视觉摄像头1a观测连接杆组件2与树干的相对位置，使得连接杆组件2沿树干径向，使得连接杆组件2夹持口位于树干的外侧，启动连接杆组件2，使得夹持口收拢，从而使其夹持住树干，进而通过连接杆组件2连接自行走组件A，使得自行走组件A能够沿树干作周向运动，从而便于有序剪除背上枝，防止自行走组件A在移动过程中偏离该棵果树，以及简化其自身定位问题。

如图10所示，还包括有半圆板3，半圆板3内弧面对称设置在夹爪件1的夹持口两侧，工作状态下，半圆板3轴线竖直。

当连接杆组件2夹持口沿径向靠拢从而夹持树干时，半圆板3能够同轴向夹持树干，防止自行走组件A在移动过程中，连接杆组件2沿径向脱离树干，从而提高树干与自行走组件A的连接稳定度，保证自行走组件A能够在树干外侧作周向运动。

如图7所示，半圆板3的内弧面间隔均布有与其同轴向且能够转动的转辊4。

半圆板3的内弧面间隔均布有与其同轴向且能够转动的转辊4，当半圆板3沿径向夹持树干时，转辊4能够同轴向抵接在树干外侧，当半圆板3相对树干作圆周运动时，因转辊4同轴向滚动设置在半圆板3内弧面，及能够减小半圆板3内弧面与树干之间的摩擦力，从而便于半圆板3发生转动，防止因半圆板3在树干外侧夹持和转动，而磨损树皮，影响果树的生长。

如图8和图9所示，还包括有能够监测夹爪件1夹持口两侧半圆板3径向夹持力的径向力检测件5，径向力检测件5包括有，

固定板5a和固定销5b，固定板5a固定设置在夹爪件1的夹持口两侧，半圆板3通过固定销5b与固定板5a沿水平方向滑动配合；

弹簧5c，弹簧5c同轴套设在固定销5b上，且弹簧5c两端分别抵接在半圆板3的外弧面和固定板5a一侧；

压力传感器5d，压力传感器5d固定设置在固定板5a或半圆板3外弧面上，且压力传感器5d位于固定板5a和半圆板3之间，非状态下，压力传感器5d工作端与固定板5a或半圆板3外弧面抵触配合，压力传感器5d与控制器电连接。

当夹爪件1通过半圆板3沿径向夹持树干时，因每棵果树的树干粗细程度不同，所以无法有效控制夹爪件1的夹持力度，而半圆板3通过固定销5b沿水平方向滑动设置在固定板5a一侧，且压力传感器5d设置在固定板5a和固定销5b之间，且压力传感器5d工作端与固定板5a或固定销5b抵触配合，当夹爪件1夹持口收拢时，半圆板3沿径向夹持树干，使得半圆板3沿树干径向压缩弹簧5c，即固定板5a和半圆板3外弧面距离间隙，从而使得压力传感器5d能够实时检测其工作端压力值，从而发生信号给控制器，由控制器实时控制夹爪件1的开关，进而能够防止夹爪件1夹持力过大或过小而无法有效连接连接杆组件2和树干。

如图3所示，连接杆组件2为电动推杆，电动推杆的杆体与自行走组件A固定连接，电动推杆的输出轴端部与夹爪件1固定连接。

连接杆组件2为电动推杆，从而便于根据果树的直径而调节自行走组件A与树干的距离，自行走组件A能够调节其输出轴伸缩量，从而便于夹爪件1沿径向夹持不同直径果树的树干，进而能够使得自行走组件A在果树的外侧作周向运动。

如图2和图4所示，还包括有同轴柔性连接夹爪件1和连接杆组件2的扭性连接件6，扭性连接件6包括有，

固定筒6a，固定筒6a固定设置在夹爪件1的安装侧，且其内部朝外端依次同轴设置有第一转动孔6a1、第二转动孔6a2和第三转动孔6a3，第一转动孔6a1、第二转动孔6a2和第三转动孔6a3内径依次增大；

转动杆6b，转动杆6b同轴转动设置在第一转动孔6a1中；

安装筒6c，安装筒6c同轴固定设置在转动杆6b外端，且其与第三转动孔6a3同轴转动配合，连接杆组件2与安装筒6c同轴固定连接；

限位圈6d，限位圈6d同轴固定设置在第三转动孔6a3外端，且其内圆周面与连接杆组件2的圆周同轴间隙配合；

扭簧6e，扭簧6e同轴套设在转动杆6b上，扭簧6e的两端分别与第二转动孔6a2内端和安装筒6c内端固定连接。

不同果树的树干生长状况不同，树干的直立度不同，当连接杆组件2沿水平径向夹持偏离竖直方向的树干时，连接杆组件2受扭力影响会无法作周向运动，而当固定筒6a固定设置在夹爪件1的安装侧时，转动杆6b和安装筒6c同轴转动设置在第一转动孔6a1和第二转动孔6a2中，且限位圈6d能够防止限位圈6d沿轴向脱离固定筒6a，即能够同轴转动连接夹爪件1和连接杆组件2，而固定筒6a和安装筒6c同轴向弹性连接，即当树干偏离竖直方向时，夹爪件1沿水平径向夹持树干时，扭簧6e能够消除其轴向扭力，从而使得连接杆组件2能够沿水平方向周向运动，且当连接杆组件2停止夹持树干时，扭簧6e恢复形变，使得连接杆组件2夹持口能够恢复至水平状态，从而便于夹持不同直立度的树干。

如图5和图6所示，还包括有用于沿竖直方向相对自行走组件A偏转定位连接组件的转动组件7，转动组件7包括有，

转动座7a，转动座7a固定设置在自行走组件A上；

安装架7b，安装架7b与定位连接组件固定连接，且安装架7b上设置有与转动座7a沿竖直方向转动配合的转动轴7b1；

第一伺服电机7c，第一伺服电机7c固定设置在自行走组件A上，且其输出轴与转动轴7b1一端同轴固定连接。

定位连接组件设置在自行走组件A上，使得定位连接组件能够沿径向连接树干，而当自行走组件A在移动时，水平设置在定位连接组件无法保证自行走组件A移动的稳定性，而通过转动组件7能够将定位连接组件收并在自行走组件A一侧，从而保证自行走组件A的稳定性，即当需要使用定位连接组件时，启动第一伺服电机7c，使其输出轴带动转动轴7b1在转动座7a上同轴转动九十度，即使得安装架7b带动定位连接组件相对转动座7a转动九十度，使得定位连接组件能够沿水平方向连接树干和自行走组件A。

如图2、图3和图5所示，还包括有能够沿竖直和水平方向移动定位连接组件的横纵向移动组件8，横纵向移动组件8包括有，

滑动板8a和导轨8b，滑动板8a通过导轨8b沿竖直方向滑动设置在自行走组件A顶部，滑动板8a一侧设置有轴线竖直的内螺纹固定耳8a1；

丝杆8c，丝杆8c沿竖直方向转动设置在自行走组件A上，且丝杆8c与8e1同轴转动配合；

第二伺服电机8d，第二伺服电机8d固定设置在自行走组件A上，第二伺服电机8d的输出轴与丝杆8c一端同轴固定连接；

滚珠丝杆滑台8e，滚珠丝杆滑台8e沿水平方向设置在滑动板8a一侧，且滚珠丝杆滑台8e工作端能够沿水平方向移动，定位连接组件与滚珠丝杆滑台8e的工作端固定连接。

树干底部能够被夹爪件1沿径向夹持的位置高度不同，启动第二伺服电机8d，能够使其输出轴带动丝杆8c在自行走组件A上沿竖直方向转动，而内螺纹固定耳8a1与丝杆8c同轴螺纹拧接，且滑动板8a通过导轨8b沿竖直方向滑动设置在自行走组件A顶部，即使得第二伺服电机8d能够沿竖直方向升降，从而能够调节定位连接组件的工作端的竖直高度，从而便于适应夹持不同高度的树干，且启动第二伺服电机8d，能够使其端带动定位连接组件沿水平方向移动，从而微调树干与自行走组件A之间的水平位置。

一种用于梨树种植的背上枝剪除设备及剪除方法，包括有以下步骤，

步骤一，驱动夹爪件1移动至果树一侧；

步骤二，启动第一伺服电机7c，使得电动推杆沿竖直方向偏转直至水平；

步骤三，启动第二视觉摄像头1a观测夹爪件1是否沿果树主干径向，启动第二伺服电机8d和滚珠丝杆滑台8e，使得定位连接组件沿竖直和水平方向移动；

步骤四，启动电动推杆，使其输出轴带动夹爪件1夹持口移动至主干外侧；

步骤五，启动夹爪件1，使其夹持口通过半圆板3同轴向夹持在主干外侧；

步骤六，启动自行走组件A，使得自行走组件A通过连接杆组件2在树干外侧沿周向运动，在周向移动过程中，启动图像采集组件B，从而识别果树的枝蔓生长状况；

步骤七，当自行走组件A在果树外侧完成周向运动，且图像采集组件B信息收集完成时，启动剪刀式机械臂C，使得剪刀式机械臂C能够沿周向轨迹进行移动，并在此过程中使其工作端对背上枝进行修剪。

本发明的工作原理：

本装置通过以下步骤实现本发明的功能，进而解决了本发明提出的技术问题：

步骤一，驱动夹爪件1移动至果树一侧；

步骤二，启动第一伺服电机7c，使得电动推杆沿竖直方向偏转直至水平，即使得夹爪件1夹持口水平；

步骤三，通过第二视觉摄像头1a观测夹爪件1是否沿果树主干径向，启动第二伺服电机8d和滚珠丝杆滑台8e，使得定位连接组件沿竖直和水平方向移动；

步骤四，使得夹爪件1夹持口沿径向对准主干，启动电动推杆，使其输出轴带动夹爪件1移动至主干外侧；

步骤五，启动夹爪件1，使其夹持口带动半圆板3相向靠拢，即转辊4与半圆板3同轴向抵接在主干外侧，在此过程中，若树干非直立状态，即使得转动杆6b相对固定筒6a发生同轴转动，即使得固定筒6a和安装筒6c克服扭簧6e扭力，使得夹爪件1始终同轴向夹持主干，且当压力传感器5d检测压力过大时，夹爪件1夹持口停止收拢，防止夹爪件1过分夹持树干；

步骤六，启动自行走组件A，使得自行走组件A通过连接杆组件2在树干外侧沿周向运动，在周向移动过程中，启动图像采集组件B，从而识别果树的枝蔓生长状况；

步骤七，当自行走组件A在果树外侧完成周向运动，且图像采集组件B信息收集完成时，启动剪刀式机械臂C，使其工作端对背上枝进行修剪，使得剪刀式机械臂C能够沿周向轨迹进行移动，即通过定位连接组件对果树进行周向剪枝，且在剪枝过程中，第一视觉摄像头D能够实时监测剪刀式机械臂C工作端与背上枝之间的相对位置，从而便于精准剪枝。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。