CN101669423A - 一种水果采摘机器人的末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水果采摘机器人的末端执行器装置，能针对生长在茂密树丛中，带有坚硬果梗的水果实施采摘。装置硬件部分中，手爪机体设计了果梗导向口和水果出料口；水果牵引装置用于将水果从树丛吸入手爪并保持水果不掉落；果梗引导装置用于将果梗推入切割器有效切割区域；果梗切割装置用于割断坚硬的果梗。装置控制部分主要控制各部件的动作顺序，保证水果采摘成功率。该装置能采摘不同着生状态下的成熟水果，结构简单，重量轻，体积小，克服了现有设计结构复杂造成机体笨重的缺点。

Description

一种水果采摘机器人的末端执行器

所属技术领域

本发明涉及农业机械领域，具体的讲是一种针对有坚硬果梗的柑橘类水果的采摘装置。

背景技术

目前水果收获成本占水果生产总成本的40～50％。水果采摘是在非结构化的自然条件下进行，水果个体的差异，树上着生位置、姿态的不同，遮挡和重叠程度不同，导致采摘动作复杂，目前还没有成熟的自动化设备问世。柑橘采摘还面临一个问题就是切断坚硬的果梗。人工采摘时为了不伤及果皮均采用剪刀切断。由于同一树的果实成熟期不同，因此在采摘时不能损伤未成熟果以及枝叶。

柑橘采摘机器人末端执行器设计是难点：

1.要求能准确抓取水果，避免中途脱落，这就要求在过程中有稳定的保持装置；目前国际上报道的末端执行器大多基于手指形夹持装置，需要机器人本体传送较大的夹持力，执行机构复杂。

2.为了在采摘过程中能顺利穿过树枝等障碍物，执行器设计时体积不能太大，外部突起和附加部件少，避免牵挂枝叶。

3.需要调整或探测果梗的大致位置，否则无法实现果、梗的分离。

4.需要设计一套快速切断坚硬果梗的机械装置。

5.执行器机构简单，重量轻，否则需要大功率的电机驱动机械手臂，造成机器人本体体积过于庞大，失去实用性。

经文献检索，目前国际上针对柑橘采摘机器人的末端执行器设计报道较少。日本学者曾研究了一种夏橙收获机器人，该装置的末端执行器由钢丝牵引橡胶手指夹持水果，通过汽缸驱动剪刀快速剪断果梗。但如果末端执行器和水果之间枝叶等障碍物，橡胶手指靠近水果时会过早自动弯曲，无法抓取水果，即使抓住果实，当果梗不在剪切区域也无法切断果梗，这种装置手爪过于笨重，影响机器人整体结构。美国研究人员研制的柑橘采摘机器人，其末端执行器装有一个圆弧刀片，通过快速转动切断果梗，由于柑橘果梗坚硬，一次切割难以切断，如果水果卡在刀片位置，会切破水果，据报导采摘时造成44％的水果损伤。

经美国专利检索，专利Fruit Picking Device(5005347)专门针对有坚硬果梗的水果设计了一个采摘执行器，执行器和手臂均为圆筒结构，头部安装2对相互垂直的圆环，当执行器自下而上套住水果后，圆筒内探测器断开，启动第一对圆环闭合，果梗被圆环夹住，中部装有刀片的第2对圆环闭合，同时切断果梗。2对圆环由安装在圆筒壁上的往复式气泵通过连杆驱动，为防止树枝牵挂，圆筒外加装了保护套。由于柑橘类水果直径一般在60-80mm之间，如果采用该设计方案，需要更大直径的执行器，不利于执行器深入树丛。

Fruit Picker(5428947)，Citrus Harvesting Machine(5666795)，Dual Pressure ReleaseAssembly For A Fruit Harvesting Machine(6006507)，Continuously Advancing FruitHarvesting Machine(US 6263652 B1)等专利，主要利用移动机械将梳状的果实采摘臂伸入果树，当手臂收回时安装在采摘臂上的钩子钩住果梗，并将其折断，实现果、树分离。这是一种单纯的收获机械，既不考虑果实成熟期，也不判断钩住的是否为果梗，因此极易损伤果实和果树。

另外检索到的采摘执行器，如Fruit Picking Apparatus(5463859)、Fruit PickingApparatus(US 6182431 B1)，Universe Fruit-picking Tool(US 6298645 B1)等，大多是为方便人工采摘而设计，国内也有为人工采摘设计柑橘采摘装置专利。

上述文献和专利技术均存在一些问题，无法满足柑橘自主采摘实用化过程中的技术要求。

发明内容

鉴于现有采摘设计及装置存在的缺陷，本发明的目的是提供一种结构简单，体积小，能平稳保持水果，并通过调整果梗位置，顺利割断果梗的柑橘采摘机器人采摘执行器。

本发明所述的水果采摘技术方案为：

当机器人末端执行器接近水果时，由计算机发出采摘指令，启动牵引装置工作，首先启动吸盘驱动电机正向转动，带动吸盘导杆伸出手爪机体，同时真空泵启动开始抽真空；当吸盘贴紧水果时，管道内真空度急剧增加，当超过设定阈值时发出指令，吸盘驱动电机反转，吸盘收缩，根据安装在吸盘驱动电机上的编码计数器数据，当达到预设位置时启动拨杆电机转动，拨杆由下而上顺时针转动，将水果保持在筒形手爪内，并将果梗沿导向口推向切割器；此时水果切割装置启动，切割器高速旋转，当果梗与切割器相切时，电机负载增加，保持各电机工作状态；当将果梗切断后，切割电机失去载荷，载荷突降时计算机控制切割电机停止工作，真空泵停止工作，接着拨环电机关闭，水果沿出料口自然下落，此时拨环在复位弹簧的作用下回位，回位过程中可以保证水果不从手爪口滑出。

本发明所述柑橘采摘执行器具体由两部分组成：果实采摘硬件装置和控制部分。

果实采摘硬件装置：负责各动作执行。

1)手爪机体：手爪机体设计成圆筒形，以充分减少机体体积，便于穿过树枝。圆筒上部开有导向口，保证果梗在外力作用下沿着导向口向筒内移动，导向口末端装有防卡条，防止果梗卡在旋转切割器和机体之间，圆筒下部开有圆形的果实出料口，当果梗被切断后，水果落入出料口，当采摘结束手爪回收时，沿出料口下的下料管道自然下落，圆筒后部是密封盖，用于安装其它附件，并和机械臂连接。这种设计不仅可以有效采摘水果，手爪体积小，重量轻，结构简单。

2)水果切割装置：主要为了切断果梗。由装在手爪头部上方的旋转切割器和后部的切割器电机组成，为减小手爪体积有利于手爪穿过树丛，将微型的切割器电机安装在手爪机体内部；为避免电机妨碍采摘后水果送出，将切割器电机安装在尾部，并通过切割器皮带轮、切割器皮带和切割器电机皮带轮的动力输送保证切割器高速旋转，高速切割用小功率电机切断坚硬果梗，克服了以往需要大功率剪切或大功率激光切割的弊端，不伤及果树、水果。切割部件上方安装了2层切割装置保护罩用以固定各部件位置，保护切割器装置不被树枝挂到，并防止切割器误切树枝和水果。

3)水果牵引装置：为了减小采摘部件体积，便于在树丛中采摘水果，设计了水果牵引装置，该装置由吸盘导杆和末端安装的吸盘组成，在安装在手爪机体尾部的吸盘驱动电机的作用下，驱动吸盘驱动齿轮正转或反转，吸盘驱动齿轮和吸盘导杆上的齿轮啮合，带动导杆做往复运动，这样吸盘可以伸出手爪机体，并可以缩回到手爪机体内，伸缩距离由安装在吸盘驱动电机上的编码计数器得到，吸盘的真空度通过外接真空泵产生真空度。牵引装置的这种安装方式可以避免手爪伸入和从树丛抽出时和树枝牵挂。

4)果梗引导装置：由于自然条件下的水果着生位姿无法预测，果梗位置也不尽相同，为了能将果梗引导到切割的有效区域，设计了一种果梗牵引装置，该装置由拨环及其附件组成。根据统计，柑橘类硬梗水果，由于水果的重力作用，果梗均位于水果上部，但方向无法确定，在拨杆推力作用下果梗沿着圆筒手爪光滑的导向口进入切割区域。在手爪机体的前端入口处设有一个拨环，动力驱动由安装在手爪主体尾部的拨环驱动电机提供，通过拨环皮带将动力输送到拨环皮带轮，拨环皮带轮和拨环固定连接，控制拨环转动，拨环的另一侧与回位轮紧固连接，回位轮与回位弹簧相连，当采摘结束后，拨环驱动电机停止动力输送，由弹簧牵引拨环复位，复位过程中拨环可以有效阻止采摘的水果从手爪内滑出。拨环驱动和复位驱动装置外都安装有保护罩，避免与树枝牵挂。

果实采摘控制部分：主要控制各部件的动作顺序，保证水果采摘成功率。

机器人系统经过双目立体视觉系统，检测到成熟水果，通过立体匹配，进行目标定位。当计算出目标水果三维位置后，采用路径规划算法，得到末端执行器当前位置和目标位置的运动路径，并将机械臂运动的路径转换成每个关节电机运转的角度值，这样可以将末端执行器送到指定位置，本部分控制系统开始工作。首先启动水果牵引装置，控制吸盘电机正传，吸盘伸出，真空泵开始抽气；当吸盘和水果接触后，真空泵的进气口被堵住，真空度上升，当达到指定阈值(根据水果抓持力试验得到)时，触发吸盘电机反转吸盘回收，同时启动果梗引导装置，即拨环电机启动；当吸盘回收到指定位置(由编码计数器控制，位置参数在预备试验时确定)，启动水果切割装置，即切割电机启动，并检测负载电流，负载急降时切割电机停止工作，关闭真空泵，水果受重力作用自然下落进入出料口，同时关闭拨环电机，在弹簧的牵引下，拨环回位，一个采摘过程结束。

本发明的有益效果是能采摘不同着生状态下的成熟水果，抓取水果准确，采摘时不损伤未成熟果以及枝叶，快速实现果、梗的分离；结构简单，重量轻，体积小，克服了现有设计结构复杂造成机体笨重的缺点。

附图说明

图1为末端执行器结构右视图。

图2为末端执行器结构左视图。

图3为末端执行器结构正视图。

图4为末端执行器控制流程。

图中，1.切割器防卡条，2.旋转切割器，3.切割器皮带轮，4.切割器皮带，5.切割装置保护罩，6.切割器电机皮带轮，7.切割器电机，8.手爪主体，9.吸盘驱动齿轮，10.编码器计数器，11.吸盘驱动电机，12.拨环驱动电机，13.皮带轮，14.吸盘导杆，15.吸盘，16.拨环皮带，17.拨环皮带轮，18.拨环，19.果实出料口，20.下料管道，21.回位弹簧，22.回位轮

具体实施方式

本发明的末端执行器装置，安装在机器人手臂上，在计算机控制下和视觉系统、机械臂系统协同工作。可以采摘柑橘类或其它有坚硬果梗的球形水果，由于需要拨环(18)部件推进水果，因此不适合采摘易破损水果。采用高真空吸附系统可以有力地保持水果不脱落，吸盘(15)由橡胶制成，在保持水果不掉落同时，其位置和方向可以在一定范围内变化，有利于拨环(18)将果梗推到切割区域。本发明的关键点在于坚硬的果梗切割，由于水果着生位置未知，如果采用可移动切割装置，其结构非常复杂，不利于手爪在树种穿过，采用导向口和推送装置结合可以避免这一难题。采用高速旋转切割器(2)，刀口是锋利的锯齿，因此只需微型电机带动就能实现果、树分离。

本发明根据水果品种和大小不同，可以设计手爪最大直径为8-10cm，据统计目前柑橘类水果最大直径一般不超过9cm，因此可以容纳大多数柑橘类水果。由于重力作用，柑橘一般挂在树枝上，而且主要着生在树的表层，大约有40-70％的果实被枝叶遮挡。当遮挡不超过40％时，通过立体视觉系统可以准确定位水果位置，再通过机械手将末端执行器移到指定位置。

当机器人的末端执行器接近水果时，由计算机发出采摘指令，吸盘电机(11)正传，吸盘驱动齿轮(9)将旋转力，经齿轮啮合转化成向前推力，吸盘(15)伸向水果，吸盘连接在吸盘导杆(14)上，导杆为空心轴，与真空泵相连，水果和吸盘接触后，进气口被堵，而真空泵继续工作，因此水果被吸住，导致管内真空度急剧上升，水果被牢牢抓住，此时吸盘电机(11)反转，吸盘回缩，将水果引入手爪主体(8)内。当编码计数器(10)达到指定阈值，拨环电机(13)开始工作，带动皮带轮(13)、拨环皮带(16)和拨环皮带轮(17)转动，最后将动力传递到拨环(18)上，拨环(18)开始由下向上转动卡住果梗，并向旋转切割器(2)推进，此时切割器电机(7)启动，带动切割器电机皮带轮(6)、切割器皮带(4)、切割器皮带轮(3)旋转，将动力传给旋转切割器(2)。在切割过程中，拨环电机(12)始终工作，给予拨环(18)推力，保证果梗能被切断。果实切断后，拨环的惯性将水果压入果实出料口(19)，进入下料管道(20)。切割器防卡条(1)是为防止果梗卡住，切割器保护罩(5)是为了保护传动部件。当一个采摘动作结束后，各电机停止运转，回位轮(22)在回位弹簧(21)作用下，使拨环(18)复位，实现一个采摘循环。

Claims (2)

1.一种水果采摘机器人的末端执行器，其特征是，由手爪机体、水果切割装置、水果牵引装置、果梗引导装置组成；

1)手爪机体：手爪机体(8)为圆筒形，圆筒上部设有导向口，导向口末端设有防卡条(1)，圆筒下部设计了圆形的果实出料口(19)，圆筒后部是密封盖，和机械臂连接；

2)水果切割装置：固定在手爪头部上方，前端是旋转切割器(2)，由安装在手爪机体(8)尾部机体内的切割器电机(7)提供动力，通过切割器皮带轮(3)、切割器皮带(4)及切割器电机皮带轮(6)输送动力，并在旋转切割器(2)上方安装了2层切割装置保护罩(5)；

3)水果牵引装置：由吸盘导杆(14)和末端安装的吸盘(15)组成，安装在手爪机体(8)尾部的吸盘驱动电机(11)驱动吸盘驱动齿轮(9)正反转，实现导杆往复运动；

4)果梗引导装置：在手爪机体(8)的前端入口处设有一个拨环(18)，由安装在手爪机体尾部的拨环驱动电机(12)驱动拨环(18)，通过拨环皮带(16)将动力输送到拨环皮带轮(17)，拨环皮带轮(17)和拨环(18)固定连接，控制拨环(18)转动，拨环的另一侧与回位轮(22)紧固连接，回位轮(22)与拨环(18)相连。

2.根据权利要求1所述的一种水果采摘机器人的末端执行器，其特征是，还包括果实采摘控制系统：果实采摘控制系统经过目标定位、运动规划后，将末端执行器送到指定位置，启动牵引装置工作，吸盘驱动电机(11)正向转动，带动吸盘导杆(14)伸出手爪机体(8)，同时启动真空泵；当吸盘(15)粘住水果后，管道内真空度急剧增加，超过阈值时触发吸盘驱动电机(11)反转，吸盘(15)收缩；编码计数器的行程达到阈值，触发拨杆由下而上顺时针转动，将水果推入筒内，并将果梗推向旋转切割器(2)；果梗与旋转切割器(2)相切时，切割器电机(7)负载增加，保持各电机工作状态；果梗切断后切割器电机(7)失去载荷，触发信号指示切割器电机(7)、真空泵停止工作，接着拨环驱动电机(12)关闭，水果沿出料口自然下落，此时拨环(18)在回位弹簧(21)的作用下回位。

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