本發(fā)明涉及水果采摘機(jī)器人領(lǐng)域，特別是涉及一種串型水果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器。

背景技術(shù)：

我國是葡萄、荔枝等串型水果的重要生產(chǎn)國，但目前這些鮮食水果的收獲基本靠人工采摘，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且采摘費(fèi)用約占生產(chǎn)成本的50％-70％。隨著我國人口老齡化加劇和青壯年勞動(dòng)力的減少，水果低損、及時(shí)采收成為果農(nóng)面臨的難題。機(jī)器人在采摘串型水果時(shí)，需先通過視覺等傳感器將果串從復(fù)雜的果園環(huán)境中識(shí)別出來，然后再根據(jù)果實(shí)空間信息進(jìn)行采摘。因串型水果通常是簇生，且體積和重量大而果梗桿莖小，如何能夠在不損傷果實(shí)的前提下完成串型水果采摘是采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，末端執(zhí)行器作為采摘機(jī)器人與采摘目標(biāo)直接接觸的機(jī)構(gòu)，被認(rèn)為是采摘機(jī)器人的核心技術(shù)之一。

現(xiàn)在國內(nèi)外對(duì)串型水果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的研發(fā)較少，而且制作成本較高，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力有限。另外，果串果肉脆弱柔軟的特點(diǎn)對(duì)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的研發(fā)提出更高的要求。因此，開發(fā)和設(shè)計(jì)串型水果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器對(duì)實(shí)現(xiàn)水果采摘作業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化以及改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步和加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程有著重大意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種在不損傷果實(shí)的前提下完成串型水果采摘的機(jī)器人末端執(zhí)行器。

為此，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種串型水果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器，包括一端開口的外殼、一端固裝在該外殼內(nèi)的剪斷機(jī)構(gòu)、一端固裝在該外殼內(nèi)的夾持機(jī)構(gòu)以及安裝在所述外殼下部的托舉機(jī)構(gòu)；所述夾持機(jī)構(gòu)用于夾持所述串型水果的果梗，并在夾持果梗的壓力達(dá)到能夾緊果串的預(yù)設(shè)值時(shí)，觸發(fā)所述托舉機(jī)構(gòu)托住所述串型水果；所述托舉機(jī)構(gòu)根據(jù)其角度變化判斷是否托舉到位，并在成功托舉串型水果啟動(dòng)所述剪斷機(jī)構(gòu)剪斷串型水果的果梗。

所述剪斷機(jī)構(gòu)包括第1底座、安裝在該第1底座上的剪刀支撐件、安裝在剪刀支撐件上的一對(duì)相互嚙合的不完全齒輪連接件、安裝在一個(gè)所述不完全齒輪連接件上的舵盤、與所述舵盤傳動(dòng)連接的剪斷舵機(jī)以及剪刀本體和一對(duì)剪刀連接件，所述剪刀本體由一對(duì)動(dòng)刃組成，該對(duì)動(dòng)刃的一端端部鉸接在所述底座的邊緣，另一端伸出于所述外殼，每個(gè)所述剪刀連接件的一端各與一個(gè)所述不完全齒輪連接件鉸接，另一端各與一個(gè)所述動(dòng)刃鉸接，所述剪斷舵機(jī)帶動(dòng)舵盤、不完全齒輪連接件和剪刀連接件轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)一對(duì)動(dòng)刃進(jìn)行旋轉(zhuǎn)剪切運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選的是，在所述第1底座上安裝有一舵機(jī)支架，所述剪斷舵機(jī)安裝在所述舵機(jī)支架上。

所述夾持機(jī)構(gòu)包括第2底座、水平安裝在第2底座前端面的導(dǎo)軌、間隔安裝在導(dǎo)軌上的一對(duì)滑塊、分別安裝在每個(gè)滑塊上的一個(gè)夾指連接件、中部鉸接在該第2底座上的舵盤連接件、一對(duì)連接件、一對(duì)T形連接件、一對(duì)夾指以及夾持舵機(jī)，一對(duì)連接件的一端分別與舵盤連接件的兩端鉸接，另一端分別與一對(duì)T形連接件的一端鉸接，所述一對(duì)T形連接件的另一端分別通過一夾指連接件固裝在一滑塊上；在一對(duì)所述夾指的相對(duì)一側(cè)安裝有用于檢測夾持機(jī)構(gòu)夾持果梗的壓力的壓力傳感器；每個(gè)所述夾指的一端分別固裝在一個(gè)夾指連接件上，所述夾持舵機(jī)帶動(dòng)舵盤連接件、連接件轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)T形連接件和夾指沿導(dǎo)軌做平移運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)選的是，在一對(duì)所述夾指的相對(duì)一側(cè)各安裝有一鋼片，在每個(gè)所述鋼片上各安裝有一橡膠墊，所述壓力傳感器安裝于所述鋼片和夾指之間。另外，所述夾持舵機(jī)安裝在第2底座的下部。

所述托舉機(jī)構(gòu)包括L形連接件、舵機(jī)底座連接件、舵機(jī)底座、托盤、舵機(jī)連接件、托舉舵機(jī)和角度傳感器，所述L形連接件的上端固裝在所述外殼上，另一端與舵機(jī)底座連接件一端固裝，舵機(jī)底座連接件的另一端固裝在托舉舵機(jī)上；所述舵機(jī)連接件的一端鉸接在托舉舵機(jī)上，舵機(jī)連接件的另一端上固裝所述托盤；所述角度傳感器的本體安裝于連接件上，角度傳感器的軸固裝于托舉舵機(jī)上；所述舵機(jī)帶動(dòng)所述舵機(jī)連接件，進(jìn)而帶動(dòng)所述托盤做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)選的是，所述外殼由上殼和下殼構(gòu)成一端開口的盒狀，所述第1底座和第2底座的一端分別通過螺栓固裝在所述外殼內(nèi)。

本發(fā)明的串型水果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器具有以下有益效果：

(1)該末端執(zhí)行器具有托舉機(jī)構(gòu)，可以托住果串，從而阻止了果串的滑落，防止果串摔傷，保證采摘質(zhì)量。

(2)該末端執(zhí)行器的夾持機(jī)構(gòu)使用聯(lián)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)滑塊和夾指在導(dǎo)軌上做平移運(yùn)動(dòng)來實(shí)施夾持操作，其結(jié)構(gòu)簡單，噪音小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

(3)該末端執(zhí)行器在夾指上安裝有壓力傳感器來檢測夾緊力，確保夾緊機(jī)構(gòu)能夾緊果串，同時(shí)通過角度傳感器感知托盤的托舉位置，確保托盤能托住果串，通過使用多傳感器、多機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)作業(yè)實(shí)現(xiàn)了果串的無損采摘。

附圖說明

圖1為本發(fā)明串型水果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明串型水果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的剪斷機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明串型水果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明串型水果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的托舉機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明串型水果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的控制系統(tǒng)示意圖。

圖中，

1、外殼；2、剪斷機(jī)構(gòu)；3、夾持機(jī)構(gòu)；4、托舉機(jī)構(gòu)；5、剪刀本體；6、剪刀連接件；7、舵機(jī)支架；8、不完全齒輪連接件；9、剪斷舵機(jī)；10、舵盤；11、剪刀支撐件；12、連接件；13、T形連接件；14、夾指；15、鋼片；16、橡膠墊；17、夾指連接件；18、滑塊；19、導(dǎo)軌；20、夾持舵機(jī)；21、舵盤連接件；22、第2底座；23、L形連接件；24、舵機(jī)底座連接件；25、舵機(jī)底座；26、托盤；27、舵機(jī)連接件；28、托舉舵機(jī)；29、角度傳感器；30、第1底座。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的串型水果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明。

參見圖1-圖4，本發(fā)明的串型水果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器包括外殼1、剪斷機(jī)構(gòu)2、夾持機(jī)構(gòu)3和托舉機(jī)構(gòu)4。

所述剪斷機(jī)構(gòu)2包括第1底座30、安裝在第1底座30上的剪刀支撐件11、安裝在剪刀支撐件11上的一對(duì)相互嚙合的不完全齒輪連接件8、安裝在一個(gè)不完全齒輪連接件8上的舵盤10、與舵盤10傳動(dòng)連接的剪斷舵機(jī)9以及剪刀本體5和一對(duì)剪刀連接件6。所述剪刀本體5由一對(duì)動(dòng)刃組成，該對(duì)動(dòng)刃的一端端部鉸接在第1底座30的邊緣，另一端伸出于所述外殼1，每個(gè)所述剪刀連接件6的一端各與一個(gè)所述不完全齒輪連接件8鉸接，另一端各與一個(gè)所述動(dòng)刃鉸接，所述剪斷舵機(jī)9帶動(dòng)舵盤10、不完全齒輪連接件8和剪刀連接件6轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)一對(duì)動(dòng)刃進(jìn)行旋轉(zhuǎn)剪切運(yùn)動(dòng)。

在第1底座30上安裝有一舵機(jī)支架7，所述剪斷舵機(jī)9安裝在舵機(jī)支架7上。剪斷機(jī)構(gòu)2的一端置于外殼1內(nèi)部，由剪斷舵機(jī)9驅(qū)動(dòng)不完全齒輪連接件8，帶動(dòng)連接件6運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使外殼1外部的剪刀本體5做剪切運(yùn)動(dòng)。

所述夾持機(jī)構(gòu)3包括第2底座22、水平安裝在第2底座22前端面的導(dǎo)軌19、間隔安裝在導(dǎo)軌19上的一對(duì)滑塊18、分別安裝在每個(gè)滑塊18上的一個(gè)夾指連接件17、中部鉸接在該第2底座31上的舵盤連接件21、一對(duì)連接件12、一對(duì)T形連接件13、一對(duì)夾指14以及夾持舵機(jī)20，一對(duì)連接件12的一端分別與舵盤連接件21的兩端鉸接，另一端分別與一對(duì)T形連接件13的一端鉸接。

所述一對(duì)T形連接件13的另一端分別通過一夾指連接件17固裝在一滑塊18上；在一對(duì)夾指14的相對(duì)一側(cè)安裝有用于檢測夾持機(jī)構(gòu)夾持果梗的壓力的壓力傳感器(圖中未示)；每個(gè)所述夾指14的一端分別固裝在一個(gè)夾指連接件17上。夾持舵機(jī)20帶動(dòng)舵盤連接件21、連接件12轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)T形連接件13和夾指14沿導(dǎo)軌19做平移運(yùn)動(dòng)。

如圖所示，在一對(duì)夾指14的相對(duì)一側(cè)各安裝有一鋼片15，在每個(gè)所述鋼片15上各安裝有一橡膠墊16，在每側(cè)的鋼片15和夾指14之間各安裝有一壓力傳感器。在圖中所示的實(shí)施例中，所述夾持舵機(jī)20安裝在第2底座22的下部。

所述托舉機(jī)構(gòu)4包括L形連接件23、舵機(jī)底座連接件24、舵機(jī)底座25、托盤26、舵機(jī)連接件27、托舉舵機(jī)28和角度傳感器29。所述L形連接件23的上端固裝在外殼1上，另一端與舵機(jī)底座連接件24一端固裝，舵機(jī)底座連接件24的另一端固裝在托舉舵機(jī)28上；所述舵機(jī)連接件27的一端鉸接在托舉舵機(jī)28上，舵機(jī)連接件27的另一端上固裝托盤26；所述角度傳感器29本體安裝于連接件27上，角度傳感器29的軸固裝于托舉舵機(jī)28上，確切地說，角度傳感器29的軸與連接件27的鉸接軸安裝在一起。舵機(jī)28帶動(dòng)舵機(jī)連接件27轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)托盤26做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在此過程中角度傳感器感知轉(zhuǎn)過的角度。

另外，外殼1由上殼和下殼構(gòu)成一端開口的盒狀，第1底座30和第2底座22的一端分別通過螺栓固裝在外殼1內(nèi)。

雖然圖中所示托盤為帶有邊框的水平網(wǎng)狀，可以理解，為了防止果串滑落，還可以在該托盤邊框的四周增加圍欄或擋板。

圖5所示為本發(fā)明串型水果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的控制系統(tǒng)示意圖。此系統(tǒng)以Arduino微處理器為中心，通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器工作。壓力傳感器用來檢測夾持機(jī)構(gòu)夾持果梗的壓力，當(dāng)夾緊力達(dá)到能夾住果串的預(yù)設(shè)值后，通過反饋控制電路驅(qū)動(dòng)托舉機(jī)構(gòu)4工作；角度傳感器29用于檢測舵機(jī)28帶動(dòng)托盤26做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，用于控制托盤對(duì)果串的托舉，當(dāng)托盤運(yùn)動(dòng)至預(yù)設(shè)值以后，通過反饋控制電路驅(qū)動(dòng)剪斷機(jī)構(gòu)2工作，將果梗剪斷，完成果串采摘。

本發(fā)明的末端執(zhí)行器中，各機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)均可采用輕質(zhì)的材料設(shè)計(jì)制造，以求有效減輕末端執(zhí)行器的自身重量。

利用該執(zhí)行器進(jìn)行采摘的過程如下：

本發(fā)明使用Arduino微控制器對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行控制。末端執(zhí)行器安裝在6自由度機(jī)械臂上，采摘時(shí)，夾持機(jī)構(gòu)3中的夾持舵機(jī)20通電工作，驅(qū)動(dòng)舵盤連接件21做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連接件12運(yùn)動(dòng)，使T形連接件13、滑塊18及夾指14在導(dǎo)軌19上做平移運(yùn)動(dòng)，使得夾指14夾緊果梗，夾持果梗時(shí)，壓力傳感器實(shí)時(shí)的檢測夾持力，并將檢測到的壓力實(shí)時(shí)反饋Arduino微控制器。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)夾緊壓力時(shí)，停止夾持舵機(jī)20的工作，然后給托舉舵機(jī)28供電，驅(qū)動(dòng)其工作，舵機(jī)帶動(dòng)托盤26做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得托盤從后下方托舉果串，防止果串抖動(dòng)并承擔(dān)一定重力，這時(shí)角度傳感器29實(shí)時(shí)檢測舵機(jī)回轉(zhuǎn)的角度，當(dāng)托盤回轉(zhuǎn)角度達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，即果串已被托舉，此時(shí)舵機(jī)28停止，再給剪斷舵機(jī)9供電，通過剪斷舵機(jī)9驅(qū)動(dòng)不完全齒輪聯(lián)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)工作，帶動(dòng)剪刀連接件6運(yùn)動(dòng)，使外殼1外部的剪刀本體5做剪切運(yùn)動(dòng)，切斷果梗，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)果串的夾緊-托舉-剪切作業(yè)，完成摘取作業(yè)。