CN107041210A - 一种抓切一体式的球形果蔬采摘机器人末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抓切一体式的球形果蔬采摘机器人末端执行器，包括上连接板(20)、下连接板(18)、切割盘刀(23)、4个柔性包络单爪、柔性包络爪旋转机构。切割转向伺服电动机(12)通过螺栓固定于上连接板(20)上，在其输出轴上装配伸出板(21)，基座(16)和固定架(13)由螺栓联接固定，可轴向转动，软轴(17)穿过基座(16)的限位孔，两端分别通过凸缘联轴器(15)连接于两驱动伺服电动机(14)输出轴，软轴(17)驱动的4个柔性包络单爪可实现柔性自适应果蔬生长位姿抓取。本发明以三臂棚室采摘机器人为载体，实现对不同生长位姿球形果蔬柔顺、高效率抓割，可应用于球类果蔬自动化收获中。

Description

一种抓切一体式的球形果蔬采摘机器人末端执行器

技术领域

本发明涉及一种执行机构，属于农业工程领域，特别涉及一种以果蔬采摘机器人为载体的末端执行器，具体地说是一种基于采摘机器人的抓切一体式球形果蔬采摘机器人末端执行器。

背景技术

在果蔬生产中，采摘作业是最耗时、最费力的一个环节，占整个过程所用劳动力的33％～50％，若使用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实的损伤；同时，随着人口老龄化日趋严重和农业劳动力向工业及其他行业的转移,农业生产成本也相应提高，大大降低了产品竞争力。采摘机器人的出现，不仅提高采摘效率，降低损伤率，而且节约人工成本，提高农户经济效益。

果蔬采摘机器人进行作业时，末端执行器是直接与果蔬接触的部分，是整个采摘机器人工作的关键，因此末端执行器的结构和功能将直接决定整个采摘过程好坏，但采摘机器人末端执行器现状普遍为抓剪装置分别置于不同手臂，且置于同一手臂上的大多为固定式结构，缺乏对不同生长位姿果蔬适应性，而且多为电动机直接驱动铰接机构，产生刚性握力，最后造成较多果蔬在抓取时出现损坏；为此，本发明提出一种抓切一体式末端执行器，其爪部机构和连接部分旋转机构让爪部机构能够通过旋转来适应不同生长位姿果蔬，爪部机构4个柔顺包络单爪(41A、41B、41C、41D)采用软轴驱动，同时4个柔顺包络单爪(41A、41B、41C、41D)两两之间采用不同紧固方式，使该装置具有柔性抓取效果，能有效避免果蔬表面损坏，除此之外，将切割装置和抓取装置结合为一体，实现机器人一条手臂一次动作完成球类果蔬抓、割作业，提高采摘效率。

发明内容

本发明目的是针对采摘机器人末端执行器缺乏对果蔬不同生长位姿的适应性以及抓取时为刚性抓取的现状，设计一种抓切一体式、能适应果蔬不同生长位姿、具有柔性握力的末端执行器，有望提高采摘效率的同时还能有效避免果蔬表面损坏。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种抓切一体式的球形果蔬采摘机器人末端执行器，所述装置包括切割盘刀(23)、软轴(17)、伺服电动机、基座(16)、4个柔顺包络单爪(41A、41B、41C、41D)，其特征在于上连接板(20)和下连接板(18)通过六角螺栓连接将转动伺服电动机(19)紧固其中，切割转向伺服电动机(12)通过螺栓固定于上连接板(20)上，在其输出轴上装配伸出板(21)，伸出板上装有直流电动机(22)和切割盘刀(23)，切割转向伺服电动机(12)、伸出板(21)、直流电动机(22)、切割盘刀(23)一起组成切割装置，两万向轴承(31)由螺栓固定在夹板(33)上，转动轴(32)置于其中，一端通过联轴器联接转动伺服电动机(19)输出轴，另一端连接在驱动伺服电动机(14)固定架(13)上，基座(16)和固定架(13)由螺栓联接紧固，4个柔顺包络单爪(41A、41B、41C、41D)装配在软轴(17)上，软轴(17)穿过基座(16)的限位孔，两端分别通过凸缘联轴器(15)连接于两驱动伺服电动机(14)输出轴。

本发明的工作原理是：

以三臂棚室采摘机器人为载体，安装于三臂棚室采摘机器人的右臂上，机器人视觉系统确定目标果蔬位置后，右机械臂带动该装置到达指定位置，进行果蔬抓取和茎杆切割，实现机器人一条手臂一次动作完成对不同位姿球类果蔬的收、割作业，若被采摘果蔬由于生长位姿过度倾斜，导致其茎杆部分不在切割盘刀(23)的切割范围内，则可根据视觉系统识别到果蔬实际位姿后得到需要调整的倾斜角度，通过转动爪部改变被包络在爪部中果蔬旋转，使其茎杆转动到切割盘刀(23)切割范围内。

本发明的有益效果是：

本发明将采摘时抓取和切割装置集成到一个末端执行器上，实现机器人一条手臂一次动作完成对球类果蔬的抓、割作业，提高采摘的效率，同时还采用软轴双电动机驱动4个柔顺包络单爪(41A、41B、41C、41D)，并且4个柔顺包络单爪(41A、41B、41C、41D)在基座边上与铅垂线呈夹角45°、45°、135°、135°安装，而且柔顺包络单爪(41A)、柔顺包络单爪(41B)采用30mm螺栓拧入，紧固较松，柔顺包络单爪(41C)、柔顺包络单爪(41D)采用20mm螺栓拧入，紧固较紧，实现抓取时下部柔顺包络单爪(41A)、柔顺包络单爪(41B)能够提供足够的支持力以防止果蔬脱落，同时上部柔顺包络单爪(41C)、柔顺包络单爪(41D)与果蔬表面接触后产生1～3N接触力后软轴便开始空转，达到柔顺抓取的同时保证足够握力，同时由转动轴(32)、万向轴承(31)、夹板(33)构成的转动机构使爪部机构能实现0～360°旋转，以适应各种不同生长位姿的果蔬抓取，实现抓取普适性和高效性。

附图说明

参见附图

图1为本发明整体结构示意图

图2为本发明切割装置示意图

图3为本发明传动轴系视图

图4位本发明柔顺包络单爪示意图

图5为本发明爪部机构示意图

图1中，11.左贴合面，12.切割转向伺服电动机，13固定架，14.驱动伺服电动机，15.凸缘联轴器，16.基座，17.软轴，18.下连接板，19.转动伺服电动机，20.上连接板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述

本发明为一种抓切一体式的球形果蔬采摘机器人末端执行器，所述装置包括切割盘刀(23)、软轴(17)、伺服电动机、基座(16)、4个柔顺包络单爪(41A、41B、41C、41D)，其特征在于上连接板(20)和下连接板(18)通过六角螺栓连接将转动伺服电动机(19)紧固其中，切割转向伺服电动机(12)通过螺栓固定于上连接板(20)上，在其输出轴上装配伸出板(21)，伸出板上装有直流电动机(22)和切割盘刀(23)，切割转向伺服电动机(12)、伸出板(21)、直流电动机(22)、切割盘刀(23)一起组成切割装置，两万向轴承(31)由螺栓固定在夹板(33)上，转动轴(32)置于其中，一端通过联轴器联接转动伺服电动机(19)输出轴，另一端连接在驱动伺服电动机(14)固定架(13)上，基座(16)和固定架(13)由螺栓联接紧固，4个柔顺包络单爪(41A、41B、41C、41D)装配在软轴(17)上，软轴(17)穿过基座(16)的限位孔，两端分别通过凸缘联轴器(15)连接于两驱动伺服电动机(14)输出轴，各单位之间用螺栓连接。

本发明以三臂棚室采摘机器人右臂为载体，安装于机械臂末端。采摘机器人未开始工作时，伸出板(21)与左贴合面(11)贴合，爪部机构处于水平位置，4个柔顺包络单爪(41A、41B、41C、41D)处于张开状态。采摘机器人开始工作时，视觉系统开始检测识别果蔬，确定其在空间中的分布位置及其生长姿态，随后采摘机器人的机械臂带动该装置到达指定位置，开始采摘动作；首先，根据本次采摘果蔬实际生长位姿，转动轴(32)开始旋转带动爪部开始转动，直至爪部抓取位姿与果蔬生长位姿相适应，随后爪部机构合拢成包络状抓取果蔬，其下部柔顺包络单爪(41C)、柔顺包络单爪(41D)只向内旋转20°后驱动伺服电机(14A)便停止转动，柔顺包络单爪(41A)、柔顺包络单爪(41B)则一直转动，直到与被抓果蔬表面产生接触力引起软轴(17)空转为止，此时作用力大小为1～3N，不足以对果蔬表面造成损害，之后切割转向伺服电动机(12)与直流电机(22)开始转动，使高速旋转的切割装置经过被抓取果蔬茎杆处，通过切割盘刀(23)将其切断，若被采摘果蔬由于生长位姿过度倾斜，导致其茎杆部分不在切割盘刀(23)的切割范围内，则可根据视觉系统识别到果蔬实际位姿后得到需要调整的倾斜角度，通过转动爪部改变被包络在爪部中果蔬旋转，使其茎杆转动到切割盘刀(23)切割范围内。最后，切割装置在切割转向伺服电动机(12)的驱动下回到初始位置，之后直流电机(22)停止转动，切割盘刀(23)也相应停止转动，之后转动轴(32)复位带动4个柔顺包络单爪(41A、41B、41C、41D)复位为水平初始状态，手臂带动本装置移动到机器人果蔬收集装置处，4个柔顺包络单爪(41A、41B、41C、41D)复位至张开状态，与此同时，采后果蔬被放入收集装置，至此本装置便完成复位，等待下一作业指令。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围，这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (6)

1.一种抓切一体式的球形果蔬采摘机器人末端执行器，所述装置包括切割盘刀(23)、软轴(17)、基座(16)、四个柔顺包络单爪(41A、41B、41C、41D)，其特征在于上连接板(20)和下连接板(18)通过六角螺栓连接将转动伺服电动机(19)装配其中，切割转向伺服电动机(12)通过螺栓固定于上连接板(20)上，在其输出轴上装配伸出板(21)，伸出板上装有直流电动机(22)和切割盘刀(23)，切割转向伺服电动机(12)、伸出板(21)、直流电动机(22)、切割盘刀(23)一起组成切割装置，两万向轴承(31)由螺栓固定在夹板上，并与转动轴(32)过盈配合，转动轴(32)一端连接转动伺服电动机(19)输出轴，另一端连接在驱动伺服电动机固定架(13)上，基座(16)和固定架(13)由螺栓联接紧固，四个柔顺包络单爪(41A、41B、41C、41D)装配在软轴(17)上，软轴(17)穿过基座(16)的限位孔，两端分别通过凸缘联轴器(15)连接于两驱动伺服电动机(14)输出轴。

2.根据权利要求1所述抓切一体式的球形果蔬采摘机器人末端执行器，其特征是：将切割装置固定在三臂机器人右臂连接板(20)上，机器人右臂一次动作即可完成对目标果蔬的抓取和切割作业，有效提高采摘效率。

3.根据权利要求1所述抓切一体式的球形果蔬采摘机器人末端执行器，其特征是：切割装置的伸出板(21)与切割转向伺服电动机(12)铰接，切割盘刀(23)和直流电动机(22)由螺纹连接固定在伸出板(21)的端部，其伸出最长距离为220mm，伸出板(21)最大工作角度为104°，保证抓取不同果蔬时，其茎秆均在切割盘刀(23)有效切割范围中。

4.根据权利要求1所述抓切一体式的球形果蔬采摘机器人末端执行器，其特征是：当被采摘果蔬由于过度倾斜生长，导致其茎杆不在切割盘刀(23)工作范围内时，通过转动伺服电动机(19)旋转，经转动轴(32)传递扭矩使固定架(13)和基座(16)转动，使末端执行器能够轴向旋转0～360°的任一角度，使果蔬茎杆旋转到切割盘刀(23)切割范围中，以适应不同生长位姿果蔬。

5.根据权利要求1所述抓切一体式的球形果蔬采摘机器人末端执行器，其特征是：固定于软轴(17)上的四个柔顺包络单爪(41A、41B、41C、41D)结构完全相同，圆弧直径为170mm，圆心角为70°，以在基座(16)上位置分布点从下至上与铅垂方向所成角度依次为45°、45°、135°、135°安装，柔顺包络单爪(41A)、柔顺包络单爪(41B)与软轴之间用长度为30mm的M8螺栓完全拧入配合，柔顺包络单爪(41C)、柔顺包络单爪(41D)与软轴之间用长度为20mm的M8螺栓完全拧入配合。

6.根据权利要求1所述抓切一体式的球形果蔬采摘机器人末端执行器，其特征是：柔顺包络单爪(41A、41B、41C、41D)贴有防滑贴片(42)，厚度为3mm，贴片长度从柔顺包络单爪(41A、41B、41C、41D)末端延伸到内的弧长为64mm。