CN102612925B

CN102612925B - 一种用于水果采摘机器人的末端执行器

Info

Publication number: CN102612925B
Application number: CN201210101389.XA
Authority: CN
Inventors: 刘刚; 司永胜; 冯娟; 任雯
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2032-03-31
Also published as: CN102612925A

Abstract

本发明公开了一种用于水果采摘机器人的末端执行器，涉及机械自动化技术领域。所述末端执行器包括：套筒单元和气囊单元；所述套筒单元为前后端开口的筒状结构；所述气囊单元设置在所述套筒单元的内部，利用自身的充放气过程实现对果实的采摘。所述用于水果采摘机器人的末端执行器，主要包括套筒单元和气囊单元，其结构简单、成本低廉，并且在使用过程中其自身既不会划伤果实，也不会被果树划伤，可以安全可靠地实现对水果的采摘作业，具有广泛的应用前景。

Description

一种用于水果采摘机器人的末端执行器

技术领域

本发明涉及机械自动化技术领域，特别涉及一种用于水果采摘机器人的末端执行器。

背景技术

具有高度自动化的农业机械以及更智能化的农业机器人近年来发展迅速，在降低农业生产的劳动强度、缓解农村劳动力不足、降低农产品生产成本等方面起到了较大作用。在农业机器人的研究开发中，末端执行器是采摘机器人、嫁接机器人等农业机器人的核心工作部件。

农业机器人末端执行器应具有的最重要的功能，就是对作业对象的灵活处理。这里的作业指收获、播种、移栽、整形、初加工、剪毛、挤奶在内的所有以生物为对象的作业。为了使末端执行器能够进行这种柔性作业，首先需要把握作业对象的特点，包括对象物体的尺寸、质量、形状等基础物理特性，压缩特性、摩擦特性、切断特性等力学特性；另外，把握生物生长状况也是设计末端执行器不可缺少的要素。

农业机器人的末端执行器往往以调查得到的作业对象的相关特性为基础，为适应对象个体间的差异，预先设定夹持力、吸附力等参数之后进行作业，末端执行器上多半具有可吸收生物个体差异的机构。

末端执行器的功能相当于人的手，一般安装在机械臂的前端执行各种作业，其定义为“机器人具有的可以直接作用于作业对象的部分（如夹持部、螺母紧固装置、焊枪、喷漆枪）”。通常对带有几个手指的称作为机械手，对只包含喷嘴或吸盘等简单构造、安装在机械臂的前端进行作业的称作末端执行器。

农业机器人是否需要配备类似人手一样的末端执行器呢？更多学者和研究人员认为没有必要，因为虽然有灵活的手指可以进行各种作业，但需要有驱动各个关节的传动装置以及检测关节角度的传感器，这会使末端执行器的构造和控制算法变得非常复杂。

在各种农业机器人中，与采用通用的末端执行器相比，对应各种作业选用专门的末端执行器可以大幅度减少成本、简化结构和方便控制。与人手采用工具进行作业类似，农业机器人是在末端执行器上安装工具后进行作业。

农业机器人的末端执行器的作业对象是果实、家畜等离散个体。由于作业对象的基本生理特征和力学特征等不同，末端执行器的差别也会很大。制作末端执行器时，需要在充分把握物体物理性质的基础上，探讨达成作业目的的机理，不需要模仿人使用两手进行作业，只要能获得良好效果，即使使用完全不同的办法也是可以的。

目前对农业机器人的研究多处于实验室的试验阶段,没有得到实际应用。这成为制约农业机器人进一步研究应用的瓶颈问题。造成这种现象的原因之一是农业机器人的智能化和可靠性等不能满足需要，另外一个重要原因就是价格昂贵，性价比较低。

因此，在提高农业机器人智能化、可靠性的同时，降低制造成本也是突破农业机器人现实应用瓶颈的重要努力方向。

目前，国内外有些关于农业机器人末端执行器的研究报道，例如：国外有研究人员研制了用于葡萄收获的机器手，还有研究人员研制了用于番茄收获的多指机械手，国内本领域技术人员研究了气动装置的柔性机械手，进行水果采摘。上述用于农业机器人的末端执行器有其专用性，同时有一定的局限性。例如，多指机械手成本高昂，机构复杂；柔性机械手采用柔性管作为气动装置的动力源，作业时柔性管暴露在作业环境中，在采摘时容易被树枝等硬物损坏。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种用于水果采摘机器人的末端执行器，以简单的结构、低廉的成本，安全可靠地实现对水果的采摘作业。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，

本发明采用一种用于水果采摘机器人的末端执行器包括：套筒单元和气囊单元；

所述套筒单元为前后端开口的筒状结构，套筒单元的后端设置有用于与水果采摘机器人的机械臂相连接的硬凸起，所述硬凸起上设置有安装孔，并且套筒单元的前端和后端均设置有用于与所述气囊单元相连接的对孔；

所述气囊单元设置在所述套筒单元的内部，其中气囊单元包括三个乳胶管和棉布袋，所述棉布袋采用内层棉布和外层棉布缝合而成，所述三个乳胶管的第一端均匀布设在所述内层棉布和所述外层棉布之间，第二端从所述棉布袋的后端伸出后连接三通接头，所述三通接头连接气泵，利用所述三个乳胶管的充放气过程实现对果实的采摘：所述气泵通过所述三通接头给所述乳胶管充气，所述气囊单元的所述乳胶管通气膨胀，夹紧果实；水果采摘机器人的放气阀放气，所述乳胶管中气压下降，所述乳胶管体积缩小，所述末端执行器对果实的夹持力消失；

所述棉布袋围成与所述套筒单元相匹配的筒状。

优选的，所述套筒单元的前端设置有多个条形空隙。

优选的，所述套筒单元的前端在相邻所述条形空隙之间的部分呈圆弧状。

优选的，所述棉布袋的展开面的第一端和第二端设置有粘结扣，所述棉布袋通过所述粘结扣连接所述展开面的第一端和第二端后围成筒状。

优选的，所述棉布袋的前端和后端均设置有用于与所述套筒单元相连接的连接线。

（三）有益效果

本发明实施例所述用于水果采摘机器人的末端执行器，主要包括套筒单元和气囊单元，其结构简单、成本低廉，并且在使用过程中其自身既不会划伤果实，也不会被果树划伤，可以安全可靠地实现对水果的采摘作业，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例所述套筒单元的结构示意图；

图2是本发明实施例所述气囊单元的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例所述用于水果采摘机器人的末端执行器包括：套筒单元和气囊单元。所述套筒单元为前后端开口的筒状结构；所述气囊单元设置在所述套筒单元的内部，利用自身的充放气过程实现对果实的采摘。

图1是本发明实施例所述套筒单元的结构示意图，如图1所示，所述套筒单元的外径D为180mm，前端（即图1中套筒单元的左端）至后端的距离（即套筒单元长度）N为200mm，筒壁厚度为5mm。所述套筒单元的前端等间隔设置有10个条形空隙110，相邻所述条形空隙110之间的圆周距离为55.5mm。所述条形空隙110的宽度L为5mm，深度M为60mm。所述套筒单元的前端在相邻所述条形空隙之间的部分为圆弧状结构120，所述圆弧状结构120的边缘经过圆滑处理后呈圆弧状。优选地所述圆弧状结构120为半径R等于35mm的半圆形。在其中三个圆弧状结构120上设置有用于与所述气囊单元相连接的3组对孔130；所述套筒单元的后端对称设置有两组所述对孔130。所述套筒单元的后端还设置有用于与采摘机器人的机械臂相连接的硬凸起140，所述硬凸起140上设置有安装孔141。所述套筒单元采用结实耐用的硬质材料，优选采用金属材料。

图2是本发明实施例所述气囊单元的结构示意图，如图2所示，所述气囊单元包括：棉布袋210、三个乳胶管220、三通接头230、粘结扣240、连接线250。

参见图2，所述棉布袋210采用内层棉布和外层棉布缝合而成。三个所述乳胶管220的第一端均匀布设在所述内层棉布和所述外层棉布之间，第二端从所述棉布袋的后端伸出后连接所述三通接头230，所述三通接头230连接气泵（图2中未示出）。所述乳胶管的直径为10mm，壁厚为1.5～2mm。实际应用中，所述乳胶管220位于所述套筒单元以及机械臂内部，不会被果树划伤。

所述棉布袋210的展开面的第一端和第二端设置有所述粘结扣240，所述棉布袋210通过所述粘结扣240连接所述展开面的第一端和第二端后围成筒状。所述棉布袋210所围成的筒状的外径略小于所述套筒单元的内径。通过所述粘结扣240可以对所述棉布袋210所围成的筒状的外径进行微调，以匹配所述套筒单元。

所述棉布袋210的前端均匀设置有三个软凸起211，所述软凸起211的尺寸略小于所述圆弧状结构120的尺寸。在所述软凸起211上，以及所述棉布袋210的后端设置有5个所述连接线250。通过将所述连接线250与所述对孔130相连接，可以实现将所述气囊单元设置在所述套筒单元的内部。

本发明实施例所述用于水果采摘机器人的末端执行器，可以实现对苹果、梨、桃子等多种水果的采摘。下面仅以在苹果采摘机器人上应用本发明所述末端执行器实现苹果采摘的过程为例说明其工作过程：（1）机器人通过视觉部分定位果实的位置，然后通过机械臂将所述末端执行器移动到苹果果实所在位置，所述末端执行器的移动方向为：首先移动到果实所在水平面，保证所述末端执行器的套筒单元的孔径中心和果实中心在同一水平面，然后调节机械臂和末端执行器的角度，使所述末端执行器的前端对准果实，接着水平移动所述末端执行器，在接触到苹果果实的时候，果实的果柄部分会逐渐滑入所述套筒单元的条形空隙110中，同时果实进入末端执行器；（2）当果实的中心位置进入所述末端执行器约50～60mm时，采摘机器人上的气泵开始通过所述三通接口230给所述乳胶管220充气，所述气囊单元的所述乳胶管220通气膨胀，夹紧果实，机器人通过机械臂移动所述末端执行器，扭断果柄；（3）当所述末端执行器移动到适当位置时（果实存放位置），机器人的放气阀放气，所述乳胶管220中气压下降，所述乳胶管220体积缩小，所述末端执行器对果实的夹持力消失，果实放入存放位置，完成采摘作业。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种用于水果采摘机器人的末端执行器，其特征在于，包括：套筒单元和气囊单元；

所述棉布袋围成与所述套筒单元相匹配的筒状。

2.如权利要求1所述的末端执行器，其特征在于所述套筒单元的前端设置有多个条形空隙。

3.如权利要求2所述的末端执行器，其特征在于，所述套筒单元的前端在相邻所述条形空隙之间的部分呈圆弧状。

4.如权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述棉布袋的展开面的第一端和第二端设置有粘结扣，所述棉布袋通过所述粘结扣连接所述展开面的第一端和第二端后围成筒状。

5.如权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述棉布袋的前端和后端均设置有用于与所述套筒单元相连接的连接线。