CN105123126A - 一种球状果实摘取机器人末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种球状果实摘取机器人末端执行器，该球状果实摘取机器人末端执行器由末端执行器主体和在其上的果实切割结构以及在其下的果实暂存器组成；通过传感器和机械元件的配合，实现果实的摘取和分拣。该球状果实摘取机器人末端执行器可应用于机器人采摘领域，机械结构简单、控制难度低，具有很好的通用性，易于实现球状果实的机械化采摘作业。

Description

一种球状果实摘取机器人末端执行器

技术领域

本发明涉及机器人及其技术应用领域，特别是一种用来在农业生产活动中采摘球状果实的机器人末端执行器。

背景技术

农业机械（Agriculturalmachinery）随着科技的发展逐渐在农业生产活动中替代了人工从而实现生产自动化，不仅节约了全部生产过程中的劳动力总量，而且节约时间，提高了农业的经济效益。在农业机械化的过程中，果蔬摘取机器人得到了充分的发展，自从1983年第一台西红柿摘取机器人在美国问世以来，法国、荷兰等国家相继研究了包括摘取苹果、番茄、黄瓜、葡萄的果蔬摘取机器人。其中，末端执行器在机器人的运转中具有重要地位，通常被安装在机械臂末端，在工作时移动至相应的工作点，完成对应的工作任务。末端执行器的研究要求较高，要考虑诸多方面的因素，如使用成本与操作复杂度、摘取效果与效率、不同品种之间的通用性等。

现有技术中，果蔬摘取机器人存在如下几个较为典型的问题：末端执行器针对某种特定的果蔬设计，不具有通用性；仿手指末端执行器在拧断果柄时容易因为夹持力过大造成果实的损伤；操作手指偏多，机械结构复杂；果柄位置的定位具有难度；缺少反馈控制，无法适应不同种果蔬之间的果梗的硬度的变化；在一次的工作过程中只能摘取单个目标单位，造成了使用效率的偏低；不能根据果实的重量实现果实的分拣等。

基于以上原因，针对球状果实而言，需要一种具有优化的仿手指摘取结构、可以在一次摘取过程中摘取多个球状果实同时实现质量分拣的末端执行器被设计出来，提高球状果实摘取末端执行器的工作效率，从而加速其在农业生产活动中的推广使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以实现摘取结构的优化，通过机械结构和传感器的配合，可以实现在一次采摘工作中摘取多个果实并对果实按照重量标准进行分类存放且机械结构简单、控制难度低的球状果实摘取机器人末端执行器。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：该球状果实摘取机器人末端执行器由末端执行器主体和在其上的果实切割结构以及在其下的果实暂存器组成；所述末端执行器主体与起固定作用的机架相连接，所述末端执行器主体的内部在与机架相对应的位置设置有限位块，所述限位块与所述果实切割结构配合使用；所述末端执行器主体的上方设置有内部带有导轨的边框，导轨上通过左滑动块与右滑动块设置有果实切割结构；所述左滑动块和所述右滑动块分布在所述导轨的左右两端；所述左滑动块的末端设置有左气缸，所述左气缸上固定安装有左置位管和左复位管，所述右滑动块的末端设置有右气缸，所述右气缸上固定安装右置位管和右复位管；所述左置位管和所述右置位管的末端通过置位管相连接，所述左复位管和所述右复位管的末端通过复位管相连接；所述末端执行器主体的下方通过所述导轨连接有果实暂存器，在所述果实暂存器的凸起的外部的中间设置有舵机。

采用上述技术方案，通过果实切割结构将果实切割并暂存于果实暂存器，末端执行器主体的底部的果实暂存器的中间安装舵机作为输出执行机构，通过PMW控制信号的输出，利用输出转角与输入信号脉冲宽度的关系，改变并维持舵机的位置，从而带动果实暂存器的转动，使得果实能够分别落入对应的收集位置，从而实现在一次采摘工作中摘取多个果实并对果实按照重量标准进行分类存放，该球状果实摘取机器人末端执行器机械结构简单、控制难度低，可控性高。

进一步改进在于，所述果实切割结构包括刀片、刀片保护器和凹形落刀槽；所述左滑动块的顶端设置有刀片和刀片保护器，所述刀片镶嵌在所述刀片保护器中并露出切割部；所述右滑动块的顶端设置有可容纳刀片的凹形落刀槽。通过置位管和复位管驱动滑动块移动带来的空间限制和刀片凹形落刀槽的配合，可以方便地进行对果柄的切割工作。

进一步改进在于，所述果实暂存器由若干个用来存储单个果实的单果暂存器组成，并绕所述舵机设置单果暂存器，所述单果暂存器的底部设置有半球形翻转结构。果实暂存器内部设置一个半球形翻转结构，其中一根传动轴的末端设置有传输动力的舵机，在指定区域放置果实时，舵机带动半球形翻转结构旋转180°后果实落下，再次旋转180°复位，实现果实落下和自身的复位。

进一步改进在于，所述左气缸的气缸力小于所述右气缸的气缸力。由于左气缸的气缸力小于右气缸，因此右气缸移动距离在相同的时间内长于左气缸，当右滑动块带动凹形落刀槽运动约2/3的位置时，球状果实在右滑动块、限位块以及末端执行器主体所包围的空间内，并产生一定的压力使得果柄能够绷直，从而方便刀片切割。

作为本发明的优先方案，所述单果暂存器的数量为3个，且绕所述舵机每隔120°设置。

进一步改进在于，所述半球形翻转结构通过销轴与果实暂存器连接，所述半球形翻转结构的底部设置有压力传感器。半球形翻转结构的底部设置的压力传感器，用于测量果实的重量并反馈给微型计算机，微型计算机控制机械臂移动至指定区域，从而针对不同的重量区间实现果实的分装。

进一步改进在于，该球状果实摘取机器人末端执行器的内部的棱角均钝化处理，所述半球形翻转结构的内部均用橡胶覆盖。采用钝化处理和橡胶覆盖半球形翻转结构可以减少果实的碰撞，防止果实受损。

本发明的有益效果是：该球状果实摘取机器人末端执行器针对球状果实而设计，相比于过去的球状果实摘取末端执行器而言，改变了原有的仿手指摘取结构，在一定程度上优化了复杂的机械结构；通过置位管和复位管驱动滑动块移动带来的空间限制和刀片凹形落刀槽的配合，可以方便地进行对果柄的切割工作；通过类似于显微镜物镜转换器结构的果实暂存器，实现了末端在一次摘取的过程中摘取多个果实从而提高工作效率的效果；通过位于果实暂存器底部的压力感应器测量不同果实的重量，实现了果实的分拣，从而有效地解决目前球状果实摘取末端执行器中存在的一些问题。

附图说明

图1是本发明实施例的正视图；

图2是本发明实施例的俯视图；

图3是实施例中果实切割结构的局部视图；

图中：1-末端执行器主体；2-果实切割结构；3-果实暂存器；4-机架；5-限位块；6-导轨；7-边框；8-刀片；9-刀片保护器；10-凹形落刀槽；11-舵机；12-单果暂存器；13-半球形翻转结构；14-左滑动块；15-右滑动块；16-左气缸；17-右气缸；18-左置位管；19-右置位管；20-左复位管；21-右复位管；22-置位管；23-复位管。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例：一种球状果实摘取机器人末端执行器，由末端执行器主体1和在其上的果实切割结构2以及在其下的果实暂存器3组成；末端执行器主体1与起固定作用的机架4相连接，末端执行器主体1的内部在与机架4相对应的位置设置有限位块5，末端执行器主体1的上方设置有内部带有导轨6的边框7，导轨6上通过左滑动块14与右滑动块15设置有果实切割结构2；左滑动块14和右滑动块15分布在导轨6的左右两端；果实切割结构2包括刀片8、刀片保护器9和凹形落刀槽10；左滑动块14的顶端设置有刀片8和刀片保护器9，刀片8镶嵌在刀片保护器9中并露出切割部；右滑动块15的顶端设置有可容纳刀片的凹形落刀槽10；左滑动块14的末端设置有左气缸16，左气缸16上固定安装有左置位管18和左复位管20，右滑动块15的末端设置有右气缸17，右气缸17上固定安装有右置位管19和右复位管21；左置位管18和右置位管19末端通过置位管22相连接，左复位管20和右复位管21末端通过复位管23相连接；末端执行器主体1下方通过导轨6与果实暂存器3连接，在果实暂存器3凸起的外部正中央设置有舵机11，所述果实暂存器由3个用来存储单个果实的单果暂存器组成，并绕舵机11每隔120°设置有单果暂存器12，单果暂存器12的底部设置有半球形翻转结构13，左气缸16的气缸力小于右气缸17的气缸力；半球形翻转结构13通过销轴与果实暂存器3相连接，半球形翻转结构13的底部设置有压力传感器；该球状果实摘取机器人末端执行器的内部的棱角均钝化处理，半球形翻转结构13的内部均用橡胶覆盖。

其中，末端执行器主体1内部设置的限位块5，与果实切割结构2配合使用；由于左气缸16的气缸力小于右气缸17，故右气缸17移动距离在相同的时间内长于左气缸16；当右滑动块15带动凹形落刀槽10运动约2/3的位置时，球状果实在右滑动块15、限位块5以及末端执行器主体1所包围的空间内，并产生一定的压力使得果柄能够绷直，从而方便刀片8切割；果实暂存器3的中间安装舵机11作为输出执行机构，通过PMW控制信号的输出，利用输出转角与输入信号脉冲宽度的关系，改变并维持舵机11的位置，从而带动果实暂存器3的转动，使得果实能够分别落入对应的收集位置；果实暂存器3内部设置一个半球形翻转结构13，通过销轴与果实暂存器3相连接，其中一根传动轴末端设置有传输动力的舵机11，在指定区域放置果实时，舵机11带动半球形翻转结构13旋转180°后果实落下，再次旋转180°复位；半球形翻转结构13底部设置有压力传感器，测量果实的重量并反馈给微型计算机，微型计算机控制机械臂移动至指定区域，从而针对不同的重量区间实现果实的分装。

该球状果实摘取机器人末端执行器的动作实施过程，具体为：第一步，球状果实摘取机器人通过视觉传感器捕捉果实图像，将图像与内存中存储的基准图像进行比较，以此做出分析确定果实的具体位置，然后机械臂带动末端执行器运动到果实位置并将果实除果柄外全部置于内在空间区域中。第二步，置位管22气压上升带动左置位管18和右置位管19气压上升，由于气缸的功率差，推动左滑动块14前进1/3距离，推动右滑动块15前进2/3距离，此时果柄呈紧绷状态，接着增大工作气压后直至刀片8与凹形落刀槽10接触，此时果柄已被割断。第三步，果柄切断后，果实最终落入末端执行器下部的果实暂存器3，位于果实暂存器3底部的压力传感器在果实达到平衡后记录向微型计算机反馈，微型计算机反作用于末端，复位管23气压增大，左复位管20和右复位管21分别对左滑动块14和右滑动块15实现复位。第四步，启动控制果实暂存器3旋转的舵机11，旋转120°并将下一个空的单果暂存器12移动到收集果实的位置并重复第一到四步骤的工作。第五步，当位于果实底部的压力传感器均传送完所测数据并实现果实切割机构2的复位时，机械臂带动末端执行器移动到果实最终存放点，根据压力传感器记录的数值和摘取果实先后顺序，依照微型计算机对不同存放区域的重量区间设置，通过舵机11的控制从而在不同的区域实现半球形翻转结构13的工作，实现果实暂存器3内部全部果实的分类收集；至此，该球状果实摘取机器人末端执行器完成了对果实摘取的全部过程。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种球状果实摘取机器人末端执行器，其特征在于，该球状果实摘取机器人末端执行器由末端执行器主体和在其上的果实切割结构以及在其下的果实暂存器组成；所述末端执行器主体与起固定作用的机架相连接，所述末端执行器主体的内部在与机架相对应的位置设置有限位块，所述限位块与所述果实切割结构配合使用；所述末端执行器主体的上方设置有内部带有导轨的边框，导轨上通过左滑动块与右滑动块设置有果实切割结构；所述左滑动块和所述右滑动块分布在所述导轨的左右两端；所述左滑动块的末端设置有左气缸，所述左气缸上固定安装有左置位管和左复位管，所述右滑动块的末端设置有右气缸，所述右气缸上固定安装右置位管和右复位管；所述左置位管和所述右置位管的末端通过置位管相连接，所述左复位管和所述右复位管的末端通过复位管相连接；所述末端执行器主体的下方通过所述导轨连接有果实暂存器，在所述果实暂存器的凸起的外部的中间设置有舵机。

2.如权利要求1所述的球状果实摘取机器人末端执行器，其特征在于，所述果实切割结构包括刀片、刀片保护器和凹形落刀槽；所述左滑动块的顶端设置有刀片和刀片保护器，所述刀片镶嵌在所述刀片保护器中并露出切割部；所述右滑动块的顶端设置有可容纳刀片的凹形落刀槽。

3.如权利要求1所述的球状果实摘取机器人末端执行器，其特征在于，所述果实暂存器由若干个用来存储单个果实的单果暂存器组成，并绕所述舵机设置单果暂存器，所述单果暂存器的底部设置有半球形翻转结构。

4.如权利要求2或3所述的球状果实摘取机器人末端执行器，其特征在于，所述左气缸的气缸力小于所述右气缸的气缸力。

5.如权利要求4所述的球状果实摘取机器人末端执行器，其特征在于，所述单果暂存器的数量为3个，且绕所述舵机每隔120°设置。

6.如权利要求5所述的球状果实摘取机器人末端执行器，其特征在于，所述半球形翻转结构通过销轴与果实暂存器连接，所述半球形翻转结构的底部设置有压力传感器。

7.如权利要6所述的球状果实摘取机器人末端执行器，其特征在于，该球状果实摘取机器人末端执行器的内部的棱角均钝化处理，所述半球形翻转结构的内部均用橡胶覆盖。