CN105453814A - 用于番茄摘芽的机器人末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于番茄摘芽的机器人末端执行器，包括番茄侧枝位置探测装置、探测装置伸缩机构、固定架、摄像头和番茄侧芽摘除装置。该末端执行器采用摄像头获取番茄主杆位置，通过番茄侧枝位置探测装置围绕番茄主杆上移，精确探测番茄侧枝位置，再进一步获取侧枝及侧芽信息后，探测装置伸缩机构动作使得番茄侧枝位置探测装置退出，控制番茄侧芽摘除装置到达对应侧枝位置进行侧芽摘除作业，完成之后番茄侧芽摘除装置退回，番茄侧枝位置探测装置根据此前摄像头获取的主杆和侧枝位置信息进行下一步作业。本发明的用于番茄摘芽机器人的末端装置可以实现番茄侧芽摘除作业的自动化，作业速度快、稳定性好、自动化程度高。

Description

用于番茄摘芽的机器人末端执行器

技术领域

本发明涉及的是园艺、农业机器人、末端执行器，具体涉及的是番茄侧芽摘除机器人中的末端执行器。

背景技术

随着农业现代化的提升，蔬菜生产规模化、自动化已经成为趋势。番茄侧芽摘除是提高番茄种植产量和品质必不可少的一环，番茄摘芽工作量大，且有时需要重复进行。手工摘芽虽然速度快，但是随着劳动力成本增加和巨大的作业量将不能满足实际需要。番茄摘芽机器人末端执行器是摘芽机器人的关键部分，安装在七自由度的机器人上，末端执行器以一定的作业顺序完成番茄侧芽的摘除作业。

发明内容

本发明的目的在于在于针对现有技术的不足，提供一种用于番茄摘芽的机器人末端执行器。

本发明的用于番茄摘芽机器人的末端执行器包括用于安装在机器人末端的第一固定架及均固定于第一固定架上的探测装置伸缩机构、摄像头和番茄侧芽摘除装置，探测装置伸缩机构末端固定有番茄侧枝位置探测装置，探测装置伸缩机构用于实现番茄侧枝位置探测装置的水平线性移动，且探测装置伸缩机构及番茄侧枝位置探测装置位于番茄侧芽摘除装置上方，摄像头用于拍摄番茄主茎、侧枝与腋芽的图像。

探测装置伸缩机构采用齿条齿轮传动实现其末端的伸缩。

摄像头拍摄番茄植株获取主杆位置后，通过番茄侧枝位置探测装置环绕主杆上移，探测到侧枝时，停止上移并精确测出侧枝在360度方向上的位置，机器人手臂绕番茄主杆转动带动摄像头与侧枝垂直，并获取侧枝及侧芽信息后，探测装置伸缩机构动作使得探测装置退出，机器人手臂上移并使得番茄侧芽摘除装置到达对应侧枝位置进行侧芽摘除作业，完成之后番茄侧芽摘除装置退回，番茄侧枝位置探测装置根据此前摄像头获取的主杆和侧枝位置信息进行下一步作业。

所述的番茄侧枝位置探测装置包括探测机构、定位夹紧机构、用于支撑探测机构的探测装置固定架和用于支撑定位夹紧机构的定位夹紧机构连接架，定位夹紧机构连接架固定于探测装置固定架上，所述的探测机构包括探测联动部件，定位夹紧机构包括定位联动部件；探测联动部件与定位联动部件结构相同，均为一对可实现开合动作的机械臂，定位联动部件平行设置于探测联动部件上方，探测联动部件的两只机械臂前端分别固定半环状的步进内圈和半环状的光滑内圈，步进内圈及光滑内圈上均具有半环状的截面呈T型的导轨凸台，齿侧外圈和光滑外圈上均具有半环状的截面呈T型的凹槽，齿侧外圈的凹槽与步进内圈的导轨凸台对接形成滑动配合，光滑外圈的凹槽与光滑内圈的导轨凸台对接形成滑动配合，步进内圈外周设有向外延伸的平台，平台下方固定有第一步进电机，第一步进电机的输出轴穿过平台与齿轮中心固定，齿轮与设于齿侧外圈外周的齿形咬合，定位联动部件的两只机械臂前端分别固定左夹持手和右夹持手，位于齿侧外圈和光滑外圈的正上方，齿侧外圈和光滑外圈上均布有6个光电传感器。

所述的番茄侧芽摘除装置包括竖直的线性导轨、摘除机构以及夹紧机构；摘除机构包括U型的第二固定架，第二固定架的U型底端与线性导轨的滑台固连，第二固定架的U型开口端内，一侧壁通过传动轴承安装有传动轴，传动轴一端固定有左保持架，另一侧壁上通过连接轴承安装有连接轴，连接轴端部固定有右保持架，第二固定架上还设有第二步进电机，第二步进电机通过同步带和同步带齿轮将动力传递至传动轴，左保持架和右保持架相对的面上对称地开有条状凹槽，两条凹槽内各置有一个螺旋弹簧，左右保持架间平行地安装有压力杆和刀片杆，压力杆的两端及刀片杆的两端均分置于两条凹槽内，螺旋弹簧位于压力杆和刀片杆之间，右保持架的凹槽内还设有位置传感器；

夹紧机构包括连接架和联动部件，联动部件通过连接架固定于线性导轨的底座上、联动部件为一对可实现开合运动的机械臂，两只机械臂前端分别固定有左夹持手和右夹持手，当两只机械臂闭合时左夹持手和右夹持手夹紧。

与背景技术相比，具有的有益效果是：

本发明的用于番茄摘芽机器人的末端装置可以实现番茄侧芽摘除作业的自动化，作业速度快、稳定性好、自动化程度高。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是番茄侧枝位置探测装置的结构示意图；

图3是探测机构的结构示意图；

图4是定位机构的结构示意图；

图5是图2中A-A剖面结构示意图；

图6是番茄侧芽摘除装置的结构示意图；

图7是摘除机构的结构示意图；

图8是图6中B-B剖面的结构示意图；

图9是图7中C-C剖面的结构示意图；

图10是夹紧机构的结构示意图；

图11是线性导轨的结构示意图。

具体实施方式

结合附图实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，用于番茄摘芽的机器人末端执行器，包括用于安装在机器人末端的第一固定架3及均固定于第一固定架3上的探测装置伸缩机构2、摄像头4和番茄侧芽摘除装置5，探测装置伸缩机构2末端固定有番茄侧枝位置探测装置1，探测装置伸缩机构2采用电机驱动和齿条齿轮传动结构实现番茄侧枝位置探测装置1的水平线性移动，且探测装置伸缩机构2及番茄侧枝位置探测装置1位于番茄侧芽摘除装置5上方，摄像头4用于拍摄番茄主茎、侧枝与腋芽的图像。

如图2-5所示，所述的番茄侧枝位置探测装置1包括探测机构、定位夹紧机构、用于支撑探测机构的探测装置固定架1-12和用于支撑定位夹紧机构的定位夹紧机构连接架1-13，定位夹紧机构连接架1-13固定于探测装置固定架1-12上；

所述的探测机构包括探测联动部件1-1，定位夹紧机构包括定位联动部件1-9；探测联动部件1-1与定位联动部件1-9结构相同，均为一对可实现开合动作的机械臂，定位联动部件1-9平行设置于探测联动部件1-1上方，探测联动部件1-1的两只机械臂前端分别固定半环状的步进内圈1-2和半环状的光滑内圈1-3，步进内圈1-2及光滑内圈1-3上均具有半环状的截面呈T型的导轨凸台，齿侧外圈1-4和光滑外圈1-5上均具有半环状的截面呈T型的凹槽，如图5所示，齿侧外圈1-4的凹槽与步进内圈1-2的导轨凸台对接形成滑动配合，光滑外圈1-5的凹槽与光滑内圈1-3的导轨凸台对接形成滑动配合，步进内圈1-2外周设有向外延伸的平台，平台下方固定有第一步进电机1-6，第一步进电机1-6的输出轴穿过平台与齿轮1-7中心固定，齿轮1-7与设于齿侧外圈1-4外周的齿形咬合，当半环状的步进内圈和半环状的光滑内圈闭合为完整环形时，第一步进电机驱动齿轮，通过齿形咬合带动齿侧外圈转动，从而使得齿侧外圈相对步进内圈滑动，同时齿侧外圈推动光滑外圈相对光滑内圈滑动；定位联动部件1-9的两只机械臂前端分别固定左夹持手1-10和右夹持手1-11，位于齿侧外圈1-4和光滑外圈1-5的正上方，当两只机械臂闭合时左右夹持手夹紧，齿侧外圈1-4和光滑外圈1-5上均布有6个光电传感器1-8，用于探测番茄侧枝的位置，并将采集的信号传输至机器人控制系统。

如图6-11所示，所述的番茄侧芽摘除装置5包括竖直的线性导轨5-1、摘除机构以及夹紧机构；

摘除机构包括U型的第二固定架5-2，第二固定架5-2的U型底端与线性导轨的滑台5-22固连，第二固定架5-2的U型开口端内，一侧壁通过传动轴承5-7安装有传动轴5-6，传动轴一端固定有左保持架5-8，另一侧壁上通过连接轴承5-15安装有连接轴5-14，连接轴5-4端部固定有右保持架5-13，第二固定架5-2上还设有第二步进电机5-3，第二步进电机5-3通过同步带5-4和同步带齿轮5-5将动力传递至传动轴5-6，左保持架5-8和右保持架5-13相对的面上对称地开有条状凹槽，两条凹槽内各置有一个螺旋弹簧5-11，左右保持架间平行地安装有压力杆5-9和刀片杆5-10，压力杆的两端及刀片杆的两端均分置于两条凹槽内，螺旋弹簧5-11位于压力杆和刀片杆之间，右保持架的凹槽内还设有位置传感器5-12；

夹紧机构包括连接架5-16和联动部件5-17，联动部件5-17通过连接架5-16固定于线性导轨的底座5-23上，联动部件5-17为一对可实现开合运动的机械臂，两只机械臂前端分别固定有左夹持手5-18和右夹持手5-19，当两只机械臂闭合时左夹持手5-18和右夹持手5-19夹紧。

当7自由度移动式机器人组移动到番茄植株附近60公分时，摄像头一侧拍摄番茄植株获取主杆位置后，机器人控制探测装置伸缩机构动作使得番茄侧枝位置探测装置接近番茄主杆，控制探测联动部件动作使得两个机械臂闭合带动步进内圈和光滑内圈闭合，从而齿侧外圈和光滑外圈闭合，第一步进电机较快转动带动齿轮与齿侧外圈上齿形配合使得齿侧外圈和光滑外圈在步进内圈和光滑内圈上相对转动60度，安装在齿侧外圈和光滑外圈上的光电传感器便可以实现360度番茄侧枝位置探测，当光电传感器组探测到侧枝存在时，定位联动部件动作使两个机械臂闭合，左右夹持手夹紧使得番茄主杆处于探测机构内外圈的中心，第一步进电机回归原位后再次缓慢动作依靠光电传感器精确的探测出番茄侧枝的位置。

探测完成后，机器人手臂绕番茄主杆转动带动摄像头与侧枝垂直，并获取侧枝及侧芽信息后，探测装置伸缩机构再次动作使得番茄侧枝位置探测装置退出，同时使番茄侧芽摘除装置中联动部件动作使得左右夹持手闭合在上述探测到的侧枝下方5-10mm处夹紧番茄主杆，夹紧机构夹紧主杆后，摘除机构开始运动，线性导轨滑台向下移动带动固定架及其他摘除部件向下移动，移动时使得压力杆紧压番茄主杆，当压力过大超过螺旋弹簧弹力时，压力杆向着刀片杆一侧在保持架中滑动，当压力杆接触到位置传感器时，位置传感器给出信号，此时表明压力过大，第二步进电机转动使得保持架与摘除机构运动方向的夹角变小，当位置传感器信号丢失时，第二步进电机停止转动，线性导轨滑台向下移动的距离由此前得到的主杆、侧枝和侧芽的特性决定，当摘除机构运动到与侧枝一定距离时停住，第二步进电机再次转动使得压力杆的运动方向与线性导轨滑台的运动方向相同，此时线性导轨滑台再次带动摘除机构向下移动，从而使得刀片杆紧贴主杆，并且在转动过程中，刀刃通过侧芽而使得侧芽摘除，这一过程需要线性导轨滑台的向下移动和步进电机带动刀片杆的转动相互配合以实现番茄侧芽的摘除作业，步进电机带动刀片杆转动的角度位置即线性导轨运动方向与保持架转动方向的角度小于90度。当摘除机构完成侧芽摘除作业后，线性导轨滑台反向移动，联动部件动作使得夹紧机构松开番茄主杆，机器人手臂退回，线性导轨滑台和第二步进电机都回归原位以进行下一次摘除作业。

Claims (5)

1.用于番茄摘芽的机器人末端执行器，其特征在于：包括用于安装在机器人末端的第一固定架(3)及均固定于第一固定架(3)上的探测装置伸缩机构(2)、摄像头(4)和番茄侧芽摘除装置(5)，探测装置伸缩机构(2)末端固定有番茄侧枝位置探测装置(1)，探测装置伸缩机构(2)用于实现番茄侧枝位置探测装置(1)的水平线性移动，且探测装置伸缩机构(2)及番茄侧枝位置探测装置(1)位于番茄侧芽摘除装置(5)上方，摄像头(4)用于拍摄番茄主茎、侧枝与腋芽的图像。

2.根据权利要求1所述的用于番茄摘芽的机器人末端执行器，其特征在于：所述的探测装置伸缩机构(2)采用齿条齿轮传动实现其末端的伸缩。

3.根据权利要求1所述的用于番茄摘芽的机器人末端执行器，其特征在于：所述的番茄侧枝位置探测装置(1)包括探测机构、定位夹紧机构、用于支撑探测机构的探测装置固定架(1-12)和用于支撑定位夹紧机构的定位夹紧机构连接架(1-13)，定位夹紧机构连接架(1-13)固定于探测装置固定架(1-12)上。

4.根据权利要求3所述的用于番茄摘芽的机器人末端执行器，其特征在于，所述的探测机构包括探测联动部件(1-1)，定位夹紧机构包括定位联动部件(1-9)；探测联动部件(1-1)与定位联动部件(1-9)结构相同，均为一对可实现开合动作的机械臂，定位联动部件(1-9)平行设置于探测联动部件(1-1)上方，探测联动部件(1-1)的两只机械臂前端分别固定半环状的步进内圈(1-2)和半环状的光滑内圈(1-3)，步进内圈(1-2)及光滑内圈(1-3)上均具有半环状的截面呈T型的导轨凸台，齿侧外圈(1-4)和光滑外圈(1-5)上均具有半环状的截面呈T型的凹槽，齿侧外圈(1-4)的凹槽与步进内圈(1-2)的导轨凸台对接形成滑动配合，光滑外圈(1-5)的凹槽与光滑内圈(1-3)的导轨凸台对接形成滑动配合，步进内圈(1-2)外周设有向外延伸的平台，平台下方固定有第一步进电机(1-6)，第一步进电机(1-6)的输出轴穿过平台与齿轮(1-7)中心固定，齿轮(1-7)与设于齿侧外圈(1-4)外周的齿形咬合，定位联动部件(1-9)的两只机械臂前端分别固定左夹持手(1-10)和右夹持手(1-11)，位于齿侧外圈(1-4)和光滑外圈(1-5)的正上方，齿侧外圈(1-4)和光滑外圈(1-5)上均布有6个光电传感器(1-8)。

5.根据权利要求1所述的用于番茄摘要的机器人末端执行器，其特征在于，所述的番茄侧芽摘除装置(5)包括竖直的线性导轨(5-1)、摘除机构以及夹紧机构；

摘除机构包括U型的第二固定架(5-2)，第二固定架(5-2)的U型底端与线性导轨的滑台(5-22)固连，第二固定架(5-2)的U型开口端内，一侧壁通过传动轴承(5-7)安装有传动轴(5-6)，传动轴一端固定有左保持架(5-8)，另一侧壁上通过连接轴承(5-15)安装有连接轴(5-14)，连接轴(5-4)端部固定有右保持架(5-13)，第二固定架(5-2)上还设有第二步进电机(5-3)，第二步进电机(5-3)通过同步带(5-4)和同步带齿轮(5-5)将动力传递至传动轴(5-6)，左保持架(5-8)和右保持架(5-13)相对的面上对称地开有条状凹槽，两条凹槽内各置有一个螺旋弹簧(5-11)，左右保持架间平行地安装有压力杆(5-9)和刀片杆(5-10)，压力杆的两端及刀片杆的两端均分置于两条凹槽内，螺旋弹簧(5-11)位于压力杆和刀片杆之间，右保持架的凹槽内还设有位置传感器(5-12)；

夹紧机构包括连接架(5-16)和联动部件(5-17)，联动部件(5-17)通过连接架(5-16)固定于线性导轨的底座(5-23)上、联动部件(5-17)为一对可实现开合运动的机械臂，两只机械臂前端分别固定有左夹持手(5-18)和右夹持手(5-19)，当两只机械臂闭合时左夹持手(5-18)和右夹持手(5-19)夹紧。