CN104663135B - 一种用于果实采摘机器人的末端执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于果实采摘机器人的末端执行器，包括固定底座、腕部翻转机构、俯仰机构、切割机构，腕部翻转机构同轴套接在固定底座上，固定底座一侧固定齿轮，腕部翻转机构上安装腕部翻转电机，驱动与固定底座上的齿轮相啮合的齿轮转动，腕部翻转机构上固联一侧板，用于支撑俯仰机构，侧板上固定俯仰电机，俯仰机构包括一平面连杆四杆机构，俯仰电机驱动其中一连杆转动，带动与另一连杆固联的俯仰平板转动，切割机构固定在俯仰平板上，切割机构包括通过同步带连接的锯片驱动电机与锯片转轴，锯片驱动电机转动通过同步带传递至锯片转轴，带动固定在锯片转轴端面的圆锯片旋转。本发明保证最佳切割效果，且结构紧凑，控制简单。
Description
技术领域
本发明涉及农业机械自动化领域。更具体的说，涉及一种用于果实采摘机器人的末端执行器，尤其是一种利用旋转锯切割方式分离果实且切割方向可调的末端执行器。
背景技术
近年来，工业生产迅速发展，农业生产力大量转移至其他行业，传统农业生产方式亟待改革。为适应现代农业的规模化、多样化和精确化要求，农业生产工具的机械化以及智能化至关重要。其中，农业机器人集合了计算机、机器视觉、机电一体化等高新技术，为未来农业的少人乃至无人化生产提供了可能。果实采摘机器人作用于农业产品的收获阶段，在降低劳动强度和生产费用，提高劳动生产率和产品质量等方面潜力巨大。
但农产品不同于工业化标准产品，个体间差异较大，易损伤。末端执行器设计时，要能够适应农产品的多样性和复杂性。同时，在满足良好采摘效果的前提下，尽可能简化机构，降低成本。
对现有技术检索发现，现有摘果器多为人工操作使用，如专利号CN 202535753 U公开的“新型摘果器”。由于果实的果柄生长方向各异，而切割时以切割平面与果柄垂直为最佳，现有技术多通过人手操作实现，不适合直接安装在机械臂上使用。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种用于果实采摘机器人的末端执行器。采用旋转锯片切割果柄实现果实分离，而且可以通过腕部翻转及俯仰动作以调整锯片平面与果柄垂直，保证最佳切割效果。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种果实采摘机器人末端执行器，包括固定底座、腕部翻转机构、俯仰机构、切割机构，各部分串级连接。
腕部翻转机构同轴套接在固定底座上，固定底座一侧上固定有齿轮，腕部翻转机构上安装有腕部翻转电机，驱动与固定底座上的齿轮相啮合的腕部翻转机构上的齿轮转动，腕部翻转机构上固联一侧板，用于支撑俯仰机构，侧板上固定俯仰电机，俯仰机构包括一平面连杆四杆机构，俯仰电机驱动其中一连杆转动，带动与另一连杆固联的俯仰平板转动，切割机构固定在俯仰平板上，切割机构包括通过同步带连接的锯片驱动电机与锯片转轴，锯片驱动电机转动通过同步带传递至锯片转轴，带动固定在锯片转轴端面的圆锯片旋转。
固定底座主体为圆柱形，沿轴线有贯通孔腔，可以布置控制线及电源线。
一侧端面上有凸止口及周圈螺钉孔，可与机械臂末端的凹止口及螺纹孔配合，用于精确固定在臂上。另一侧固定一个同轴直齿轮，作为太阳轮与翻转机构上齿轮啮合，形成行星齿轮运动。
腕部翻转机构主体为圆柱形，与固定底座同轴，通过两个深沟球轴承套装在固定底座上，可绕轴线转动。其上安装固定有腕部翻转电机，驱动与固定底座上太阳轮相啮合的直齿轮转动。翻转机构主体作为行星架，在电机驱动行星轮转动时亦被带动产生绕轴转动，实现腕部翻转运动。
俯仰机构固定在翻转机构上，转动轴线与翻转机构轴线垂直。
俯仰转动由四杆机构实现，俯仰电机带动一连杆转动，从而带动与俯仰平板固联的连杆转动。
切割机构固定在俯仰平板上。电机安装在电机座上，通过同步带传动带动锯片轴杆旋转，其中电机座可沿俯仰平板上的空槽滑移，用于调整同步带松紧。
圆锯片通过螺钉和垫片固定在锯片轴杆上，可以方便更换。
锯片以外的部分，采用了外罩保护，防止作业时可能产生的液体及粉尘对装置造成破坏。
本发明通过设计带有翻转和俯仰运动的腕部结构，可以灵活调整切割平面，获得最佳切割角度，保证了切割效果。另外，采用可更换式旋转锯片，方便维护，可以根据作物情况选择合适直径的锯片。整机结构紧凑，控制简单。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1沿A-A向的剖面构造图；
图3是本发明的俯视图；
图4是本发明翻转及俯仰机构转动一定角度时的状态示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1～图4所示，本发明中，固定底座1作为参考固定点，并承载其他部分的重量。带有凸止口和周圈螺钉孔的一侧可以固定在如图4所示的机械臂60上。另一侧固定有同轴直齿轮，作为行星齿轮机构中的太阳轮7。底座具有贯通孔腔，为控制信号线及电源线布置提供内部通道，避免了线路外露。
旋转套筒2作为腕部翻转机构的主要零件，通过两个深沟球轴承3套装在固定底座1上，可做同轴旋转运动。其上固定有腕部翻转电机11，驱动作为行星轮8的直齿轮转动，行星轮8与固定在固定底座1上的同模数太阳轮7啮合，构成行星齿轮机构，行星轮8自转同时绕太阳轮7公转，带动作为行星架的旋转套筒2转动。腕部翻转电机11与旋转套筒2转动方向相同，取太阳轮7和行星轮8齿数相同，则转动角度亦相同。
旋转套筒2上固定有侧板23，用于支撑俯仰机构，侧板平面与套筒轴线平行。侧板23上固定俯仰电机12，驱动摆臂26转动，并通过平面连杆机构带动与摇杆28固联的俯仰平板35转动，转动轴线与旋转套筒2轴线垂直。取摆臂26和摇杆28有效长度相同，构成平行四边形机构，可保证两杆转动角度相同，但需注意规避特殊位置。
切割机构固定在俯仰平板35上。其中，锯片驱动电机39固定在电机座38上，锯片驱动电机39转动通过同步带48传递至锯片转轴41，电机座38可沿俯仰平板35上的槽滑移，以便调整位置张紧同步带48。圆锯片50用螺钉及垫片固定在锯片转轴41端面，随其同轴旋转。可根据实际情况换取不同直径锯片，以达到最佳切割效果。设计时应考虑电机转向与螺纹旋向匹配，防止固定螺纹在锯片切割时松动。如若采用右旋螺纹，则锯片驱动电机39的工作转向在图3的俯视图上看应该为顺时针旋转。锯片驱动电机及同步带使用外罩57进行保护。
在实际应用时，本发明固定在空间三自由度的机械臂末端。采摘时，利用如立体视觉等手段测量得到待摘取果实的空间坐标及果柄朝向，控制机械臂末端到达该坐标附近，并下发控制信号令两微型伺服电机转动相应角度，使得锯片平面与果柄垂直，然后打开锯片驱动电机开关，并控制机械臂继续运动实施切割，完成果实摘取任务。果实掉落时使用其他工具进行收集。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种用于果实采摘机器人的末端执行器，其特征在于，包括固定底座、腕部翻转机构、俯仰机构、切割机构，腕部翻转机构同轴套接在固定底座上，固定底座一侧上固定有齿轮，腕部翻转机构上安装有腕部翻转电机，驱动与固定底座上的齿轮相啮合的腕部翻转机构上的齿轮转动，腕部翻转机构上固联一侧板，用于支撑俯仰机构，侧板上固定俯仰电机，俯仰机构包括一平面连杆四杆机构，俯仰电机驱动其中一连杆转动，带动与另一连杆固联的俯仰平板转动，切割机构固定在俯仰平板上，切割机构包括通过同步带连接的锯片驱动电机与锯片转轴，锯片驱动电机转动通过同步带传递至锯片转轴，带动固定在锯片转轴端面的圆锯片旋转。
2.根据权利要求1所述的用于果实采摘机器人的末端执行器，其特征在于，所述固定底座为圆柱形，一侧带有凸止口和螺钉孔，与机械臂末端的凹止口及螺纹孔配合，用于精确固定在机械臂上，所述与腕部翻转机构上的齿轮相啮合的齿轮固定在固定底座的另一侧，为同轴直齿轮，作为太阳轮与腕部翻转机构上的作为行星轮的齿轮相啮合，形成行星齿轮运动。
3.根据权利要求2所述的用于果实采摘机器人的末端执行器，其特征在于，所述固定底座具有同轴贯通孔腔，用于控制信号线及电源线的内部通道，避免线路外露。
4.根据权利要求2所述的用于果实采摘机器人的末端执行器，其特征在于，所述腕部翻转机构包括旋转套筒，旋转套筒通过两个深沟球轴承套装在固定底座上，能够与固定底座同轴旋转，腕部翻转机构上的行星轮自转同时绕太阳轮公转，带动作为行星架的旋转套筒转动。
5.根据权利要求1所述的用于果实采摘机器人的末端执行器，其特征在于，所述腕部翻转机构的运动轴线与俯仰机构的运动轴线垂直相交。
6.根据权利要求4所述的用于果实采摘机器人的末端执行器，其特征在于，所述行星轮与太阳轮为同模数的标准直齿轮，且齿数相同。
7.根据权利要求1所述的用于果实采摘机器人的末端执行器，其特征在于，所述平面连杆四杆机构为平行四边形连杆机构。
8.根据权利要求1所述的用于果实采摘机器人的末端执行器，其特征在于，所述俯仰平板上设置有滑动槽，所述锯片驱动电机固定在电机座上，电机座能够沿滑动槽滑动，以便调整位置张紧同步带。
9.根据权利要求1所述的用于果实采摘机器人的末端执行器，其特征在于，所述圆锯片的直径根据实际情况可调。
10.根据权利要求1所述的用于果实采摘机器人的末端执行器，其特征在于，所述圆锯片通过螺钉和垫片固定在锯片转轴上，方便更换。
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