CN103029132A - 一种用于球状果实自动采摘器的末端执行机构及采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于球状果实自动采摘的末端执行器及采摘方法，该末端执行器主要由气动夹持机构和实时监测控制的传感器与控制开关组成。气动夹持机构的碗形夹持手指的内部设置有压力传感器及海绵和橡胶弹性材料，双作用微型气缸的活塞轴通过推杆带动转轴II沿支架侧面上的垂直滑槽在竖直方向做直线往返运动，进而带动拨叉运动，拨叉带动滑块在支架顶部的水平滑槽里做往返直线运动，实现球状果实的抓与放，同时气动滑台沿机械臂轴线方向的伸缩，可使微型气缸及其以上的机构整体沿机械臂方向作直线往返运动，实现球状果实的摘取，该末端器实现了球状果实的自动抓取，可提高球状果实采摘的作业效率，具有较强的推广与应用价值。

Description

一种用于球状果实自动采摘器的末端执行机构及采摘方法

技术领域

本发明属于机械自动化技术领域，尤其涉及一种用于球状果实自动采摘器的末端执行机构及采摘方法。

背景技术

自1983年第一台西红柿采摘机器人在美国问世以来，采摘机器人的研究和开发得到了快速的发展.法国、荷兰等国家相继立项研究了采摘苹果、西红柿、西瓜、葡萄、等智能机器人。日本近几年收获机器人的研究方面进展很快，目前已近研制出番茄、黄瓜、葡萄、柑橘等水果和蔬菜采摘机器人，但技术还不大成熟，没有达到商业化。我国在农业机器人的研究领域始于20世纪90年代中期，上海交通大学机器人研究所曹其新、刘成良等人完成了智能化联合收割机的研制。南京农业大学沈明霞和浙江工业大学张立斌等人正在进行农业机器人视觉方面的研究。2001年张瑞合等利用双目立体视觉得方法研究番茄收获中的精确定位问题。采摘机器人是未来智能农业机械化的发展方向，具有广阔的应用前景。

现有技术提供的球状果实自动采摘器的末端执行机构，结构设计不合理，果实采摘效率低下，费时费工，经济效益不明显。

发明内容

本发明提供了一种用于球状果实自动采摘器的末端执行机构，旨在解决现有技术提供的球状果实自动采摘器的末端执行机构，结构设计不合理，果实采摘效率低下，费时费工，经济效益不明显的问题。

本发明的目的在于提供一种用于球状果实自动采摘器的末端执行机构，该末端执行机包括主要由提供动力的气动夹持机构和实时监测控制的传感控制系统组成；

气动夹持机构通过带有螺纹孔的平板连接件将微型气缸的缸体和支架均安装在气动滑台的滑台上，气缸和支架均可随气动滑台的滑台运动；而滑台的缸体通过带有螺纹孔的L型连接板件安装在机械臂上，可随机械臂运动；微型气缸的活塞轴通过螺母与推杆连接；气动滑台的滑台可相对于其缸体作相对运动，气动滑台的缸体运动时，滑台随缸体一起做同样的运动；微型气缸运动就是微型气缸整体运动，活塞轴可相对于缸体运动；

传感控制系统包括手指上的压力传感器、微型气缸和气动滑台上控制开关，分别和机器人控制系统相连，在机器人控制系统下工作；该末端执行器提供了与机器人机械臂连接的接口，接口为带有螺纹孔的L型连接板件，控制接口为上述传感器和控制开关。

进一步，该末端执行机的气动夹持机构包括：夹持夹持手指、支架、滑块、转轴I、拨叉、推杆、双作用气缸、带有螺纹孔的平板连接件、双作用气动滑台、带有螺纹孔的L型板件；

所述碗形夹持手指固定在所述滑块的上端，所述滑块的中部卡合在所述支架顶部的水平滑槽中，所述滑块的下端与所述拨叉的上端通过转轴I传动连接，所述拨叉的下端与所述推杆的上端通过转轴II传动连接，所述转轴II卡合在所述支架侧面的垂直滑槽中，所述推杆的下端与所述双作用气缸的活塞轴通过螺母固定连接，所述双作用气缸的缸体通过所述带有螺纹孔的平板连接件安装在所述气动滑台的滑台上部，所述气动滑台的缸体通过带有螺纹孔的L型板件与机械臂固定连接；所述支架的下部通过带有螺纹孔的平板连接件所述气动滑台的滑台固定连接。

进一步，所述夹持手指上设有压力传感器。

进一步，所述夹持手指为碗形，所述夹持手指的内部设置有海绵和橡胶弹性材料。

进一步，该末端执行机构设置有两个夹持手指、两个滑块、两个滑槽、两个拨叉、一个推杆。

进一步，所述气缸与气动滑台的动力可由一个气源进行提供。

进一步，所述支架的下部通过带有螺纹孔的平板连接件安装在所述气动滑台的滑台上。

进一步，所述推杆通过螺母与所述气缸活塞轴传动连接。

本发明的另一目的在于提供一种球状果实自动采摘方法，当机械臂把该末端执行器运送到果实的采摘位置后，由机器人控制系统向双作用气缸的控制开关发出指令，双作用气缸的活塞轴垂直向下作直线运动，通过推杆带动转轴II沿支架侧面上的垂直滑槽在竖直方向向下做直线运动，进而带动拨叉运动，拨叉带动滑块在支架顶部的水平滑槽里从支架左右两侧分别向支架中心运动，夹持手指则从两侧向球状果实接近，直至抓住果实，当抓取力达到规定要求时，夹持手指上的压力传感器向机器人控制系统发出信号，机器人控制系统向双作用气缸的控制开关发出指令，双作用气缸的活塞轴停止向下运动，同时机器人控制系统向双作用气动滑台的控制开关发出指令，气动滑台的滑台沿机械臂轴线方向伸缩，带动安装在滑台上部的整个机构直线往返运动，实现果实的采摘；

果实采摘后，机器人控制系统控制机械臂带动该末端执行器运动到果实的放置位置。当末端执行器到达果实放置的位置后，机器人控制系统向双作用气缸的控制开关发出指令，双作用气缸的活塞轴垂直向上作直线运动，通过推杆带动转轴II沿支架侧面上的垂直滑槽在竖直方向向上做直线运动，进而带动拨叉运动，拨叉带动滑块在支架顶部的水平滑槽里从支架中心分别向支架左右两侧运动，夹持手指则向两侧分开，果实落在放置位置。当机器人手臂把该末端执行器运送到下一个果实的生长位置时，上述采摘过程就重新开始。

本发明提供的用于球状果实自动采摘器的末端执行机构，该末端执行机构实现了球状果实的自动抓取，有效地减少人力及物力的投入，提高了球状果实采摘的作业效率，结构简单，实用性强，具有较强的推广与应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于球状果实自动采摘器的末端执行机构的整体结构示意图，图中支架半剖；

图2是本发明实施例提供的用于球状果实自动采摘器的末端执行机构的局部结构示意图；

图3是本发明实施例提供的用于球状果实自动采摘器的末端执行机构的轴测图。

图中：1、夹持手指；2、滑块；3、水平滑槽；4、拨叉；5、推杆；6、气缸；7、支架；8、气动滑台；9、带有螺纹孔的L型连接板件；10、转轴I；11、转轴II；12、带有螺纹孔的平板连接件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

本发明实施例提供了一种用于球状果实自动采摘器的末端执行机构，该末端执行机包括主要由提供动力的气动夹持机构和实时监测控制的传感控制系统组成气动夹持机构是机械部分，其中的微型气缸和气动滑台均可根据使用要求从现有产品中选择，本发明中通过带有螺纹孔的平板连接件将微型气缸的缸体和支架均安装在气动滑台的滑台上，气缸和支架均可随气动滑台的滑台运动；而滑台的缸体通过带有螺纹孔的L型连接板件安装在机械臂上，可随机械臂运动；微型气缸的活塞轴通过螺母与推杆连接。需要说明的是：气动滑台的滑台可相对于其缸体作相对运动，即伸缩，气动滑台的缸体运动时，其滑台当然随缸体一起做同样的运动。微型气缸也是一样，缸体运动就是微型气缸整体运动，但活塞轴可相对于缸体运动。

至于控制部分，包括手指上的压力传感器、微型气缸和气动滑台上控制开关(有些型号的气缸和滑台自身带有控制开关)，它们分别和机器人控制系统相连，在机器人控制系统下工作(机器人控制系统不属本发明的内容)，本发明就是仅提供用于机器人采摘的末端执行器，不涉及机械臂和整个控制系统。但为和机械臂连接提供了接口，机械接口为带有螺纹孔的L型连接板件，控制接口为上述传感器和控制开关。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

图1示出了本发明实施例提供的用于球状果实自动采摘器的末端执行机构的结构。为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

该末端执行机包括主要由提供动力的气动夹持机构和实时监测控制的传感控制系统组成。

该末端执行机构包括：夹持手指1、滑块2、水平滑槽3、拨叉4、推杆5、气缸6、带有螺纹孔的平板连接件12、支架7、气动滑台8、带有螺纹孔的L型连接板件9；

夹持手指1固定在滑块2的一端，滑块2的中部卡合在滑槽3中，滑块2的另一端与拨叉4的一端传动连接，拨叉4的另一端与推杆5的一端传动连接，推杆5的另一端与气缸6传动连接，气缸6通过带有螺纹孔的平板连接件123安装在气动滑台8上，气动滑台8与带有螺纹孔的L型连接板件9传动连接；

水平滑槽3设置在支架7的上部，支架7的下部固定在气动滑台8上。

在本发明实施例中，带有螺纹孔的L型连接板件9还与动力机械臂传动连接。

在本发明实施例中，滑块2通过转轴I10与拨叉4传动连接。

在本发明实施例中，拨叉4通过转轴II11与推杆5传动连接。

在本发明实施例中，夹持手指1为碗形，夹持手指1的内部设置有海绵和橡胶弹性材料。

在本发明实施例中，该末端执行机构设置有两个夹持手指1、两个滑块2、两个滑槽3、两个拨叉4、一个推杆5。

在本发明实施例中，气缸6与气动滑台8的动力可由一个气源进行提供。

在本发明实施例中，支架7下部通过带有螺纹孔的平板连接件12安装在气动滑台8上。

在本发明实施例中，推杆5通过螺母与气缸6的活塞轴固定连接。

针对目前国内外已开发的果蔬采摘末端执行器存在的不足，结合采摘果实的具体实际，提出了一种果实要采摘机器人末端执行器其本体结构主要由气动夹持机构和实时监测控制的传感器与控制开关等组成，即利用已成熟的果实定位系统在定位果实后，由机械臂和该末端执行器的夹持机构搭配靠近果实，然后由气动系统提供动力，传感控制系统实时监测控制，将果实采下。采摘方案合理有效，对于采摘其他球状果实具有一定的通用性。

在该发明中，当机械臂把该末端执行器运送到果实的采摘位置后，由机器人控制系统向双作用气缸的控制开关发出指令，双作用气缸的活塞轴垂直向上作直线运动，通过推杆带动转轴II沿支架侧面上的垂直滑槽在竖直方向向上做直线运动，进而带动拨叉运动，拨叉带动滑块在支架顶部的水平滑槽里从支架左右两侧分别向支架中心运动，夹持手指则从两侧向球状果实接近，直至抓住果实，当抓取力达到规定要求时，夹持手指上的压力传感器向机器人控制系统发出信号，机器人控制系统向双作用气缸的控制开关发出指令，双作用气缸的活塞轴停止向上运动，同时机器人控制系统向双作用气动滑台的控制开关发出指令，气动滑台的滑台沿机械臂轴线方向伸缩，带动安装在滑台上部的整个机构直线往返运动，实现果实的采摘。

果实采摘后，机器人控制系统控制机械臂带动该末端执行器运动到果实的放置位置。当末端执行器到达果实放置的位置后，机器人控制系统向双作用气缸的控制开关发出指令，双作用气缸的活塞轴垂直向下作直线运动，通过推杆带动转轴II沿支架侧面上的垂直滑槽在竖直方向向下做直线运动，进而带动拨叉运动，拨叉带动滑块在支架顶部的水平滑槽里从支架中心分别向支架左右两侧运动，夹持手指则向两侧分开，果实落在放置位置。当机器人手臂把该末端执行器运送到下一个果实的生长位置时，上述采摘过程就重新开始。

如图1、图2及图3所示，该用于球状果实自动采摘器的末端执行机构，由夹持手指1、滑块2、滑槽3、拨叉4、支架7、推杆5、气缸6、气动滑台8构成，其中夹持手指1、滑块2、拨叉4、推杆5是装在支架7上的，推杆5和气缸6通过连接件连接，并在气动滑台8上设计有与动力机械臂的连接传动连接件9，可实现球状果实的自动抓取，减少了人力投入，提高了作业效率。

气缸6带动推杆5做竖直方向直线运动，通过销钉轴11带动拨叉4运动，拨叉4给滑块2一个力，使滑块2在滑槽3里做往复直线运动从而实现了球状果实的抓，接着气动滑台8的伸缩使气缸6以上的所有机构整体沿着伸缩方向往返运动实现了球状果实的取。

两片为碗形的夹持手指1内装有海绵和橡胶弹性材料，不但可以保护球状果实，还可以自动调节抓紧力，推杆5、滑块2的设置使该末端执行机构紧凑而小巧。

气缸6与气动滑台8的动力可以由一个气源进行提供而且动力要求不高，两者分别用推拉连接件与其他元件相连接。

本发明实施例提供的用于球状果实自动采摘器的末端执行机构，夹持手指1固定在滑块2上，滑块2的中部卡合在滑槽3中，滑块2还通过转轴10与拨叉4传动连接，拨叉4通过销钉轴11与推杆5传动连接，推杆5还与气缸6传动连接，气缸6安装在气动滑台8上，气动滑台8通过带有螺纹孔的L型连接板件9与动力机械臂传动连接，气缸6与气动滑台8的动力可由一个气源进行提供，同时动力要求不高，为碗形夹持手指1的内部设置有海绵和橡胶弹性材料，气缸6带动推杆5做竖直方向直线运动，推杆5通过销钉轴11带动拨叉4运动，拨叉4带动滑块2在滑槽3里做往复直线运动，从而实现了球状果实的抓，接着气动滑台8的伸缩使气缸6以上的所有机构整体竖直上下运动，从而实现了球状果实的取，该末端执行机构实现了球状果实的自动抓取，有效地减少人力及物力的投入，提高了球状果实采摘的作业效率，结构简单，实用性强，具有较强的推广与应用价值。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于球状果实自动采摘器的末端执行机构，其特征在于，该末端执行机包括主要由提供动力的气动夹持机构和实时监测控制的传感控制系统组成；

气动夹持机构通过带有螺纹孔的平板连接件将微型气缸的缸体和支架均安装在气动滑台的滑台上，气缸和支架均可随气动滑台的滑台运动；而滑台的缸体通过带有螺纹孔的L型连接板件安装在机械臂上，可随机械臂运动；微型气缸的活塞轴通过螺母与推杆连接；气动滑台的滑台可相对于其缸体作相对运动，气动滑台的缸体运动时，滑台随缸体一起做同样的运动；微型气缸运动就是微型气缸整体运动，活塞轴可相对于缸体运动；

传感控制系统包括手指上的压力传感器、微型气缸和气动滑台上控制开关，分别和机器人控制系统相连，在机器人控制系统下工作；该末端执行器提供了与机器人机械臂连接的接口，接口为带有螺纹孔的L型连接板件，控制接口为传感器和控制开关。

2.如权利要求1所述的末端执行机构，其特征在于，该末端执行机的气动夹持机构包括：夹持夹持手指、支架、滑块、转轴I、拨叉、推杆、双作用气缸、带有螺纹孔的平板连接件、双作用气动滑台、带有螺纹孔的L型连接板件；

所述碗形夹持手指固定在所述滑块的上端，所述滑块的中部卡合在所述支架顶部的水平滑槽中，所述滑块的下端与所述拨叉的上端通过转轴I传动连接，所述拨叉的下端与所述推杆的上端通过转轴II传动连接，所述转轴II卡合在所述支架侧面的垂直滑槽中，所述推杆的下端与所述双作用气缸的活塞轴通过螺母固定连接，所述双作用气缸的缸体通过所述带有螺纹孔的平板连接件安装在所述气动滑台的滑台上部，所述气动滑台的缸体通过带有螺纹孔的L型板件与机械臂固定连接；所述支架的下部通过带有螺纹孔的平板连接件所述气动滑台的滑台固定连接。

3.如权利要求2所述的末端执行机构，其特征在于，所述夹持手指上设有压力传感器。

4.如权利要求2所述的末端执行机构，其特征在于，所述夹持手指为碗形，所述夹持手指的内部设置有海绵和橡胶弹性材料。

5.如权利要求2所述的末端执行机构，其特征在于，该末端执行机构设置有两个夹持手指、两个滑块、两个滑槽、两个拨叉、一个推杆。

6.如权利要求1所述的末端执行机构，其特征在于，所述气缸与气动滑台的动力可由一个气源进行提供。

7.如权利要求1所述的末端执行机构，其特征在于，所述支架的下部通过带有螺纹孔的平板连接件安装在所述气动滑台上。

8.如权利要求1所述的末端执行机构，其特征在于，所述推杆通过和与所述气缸活塞轴固定连接。

9.一种球状果实自动采摘方法，其特征在于，当机械臂把该末端执行器运送到果实的采摘位置后，由机器人控制系统向双作用气缸的控制开关发出指令，双作用气缸的活塞轴垂直向下作直线运动，通过推杆带动转轴II沿支架侧面上的垂直滑槽在竖直方向向下做直线运动，进而带动拨叉运动，拨叉带动滑块在支架顶部的水平滑槽里从支架左右两侧分别向支架中心运动，夹持手指则从两侧向球状果实接近，直至抓住果实，当抓取力达到规定要求时，夹持手指上的压力传感器向机器人控制系统发出信号，机器人控制系统向双作用气缸的控制开关发出指令，双作用气缸的活塞轴停止向下运动，同时机器人控制系统向双作用气动滑台的控制开关发出指令，气动滑台的滑台沿机械臂轴线方向伸缩，带动安装在滑台上部的整个机构直线往返运动，实现果实的采摘；

果实采摘后，机器人控制系统控制机械臂带动该末端执行器运动到果实的放置位置；当末端执行器到达果实放置的位置后，机器人控制系统向双作用气缸的控制开关发出指令，双作用气缸的活塞轴垂直向上作直线运动，通过推杆带动转轴II沿支架侧面上的垂直滑槽在竖直方向向上做直线运动，进而带动拨叉运动，拨叉带动滑块在支架顶部的水平滑槽里从支架中心分别向支架左右两侧运动，夹持手指则向两侧分开，果实落在放置位置；当机器人手臂把该末端执行器运送到下一个果实的生长位置时，上述采摘过程就重新开始。

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