CN107624367B - 多颗草莓同时采摘末端执行器及相应采摘机构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了多颗草莓同时采摘末端执行器及相应采摘机构和方法，涉及农业采摘机器人领域，是由机械手末端执行器、机械臂、机械臂移动平台、草莓收纳箱和控制箱组成的，机械手末端执行器是由拢果板、侧立板、切割机构、视觉单元、气缸、进气孔、连接法兰盘、临时收纳袋和蓄电池组成的，所述的拢果板包括橡胶三角锥、果柄凸起、电磁铁和电磁铁开关，所述的切割机构包括滑轨、触发器、果柄凹槽、切割刀片机构滑槽和切割刀片机构，本发明的机械手末端执行器体积小巧且灵活，克服现有草莓手工采摘效率低、机械化程度低的缺陷，本发明机械结构体积小巧，多颗草莓同时采摘效率高，解决了草莓采摘易损伤和单颗草莓采摘效率低的技术难题。

Description

多颗草莓同时采摘末端执行器及相应采摘机构和方法

技术领域

本发明涉及农业采摘机器人领域，具体地，涉及多颗草莓同时采摘末端执行器及相应采摘机构和方法。

背景技术

我国草莓种植面积广大，居世界第1位。草莓味道鲜美，营养丰富，深受人们喜爱，有较高的经济价值。目前草莓的收获完全依靠人工采摘，在我国草莓的人工收获作业量大，劳动强度高，效率低，随着我国城镇化进程和人口的老龄化，农村劳动力不足现象日趋明显，研究并推广草莓自动化收获技术，成为现阶段亟待解决的问题。

目前对于草莓采摘机器人的研究中，草莓采摘方法主要为机器视觉检测成熟果实、分割出单颗成熟果实并予以定位、再由末端执行器切断或热断果梗、夹持果实或果梗将其放入收纳容器内的方法。目前我国草莓的栽培模式是垄作式栽培，为了充分利用光能，有利于草莓生长，畦垄方向一般与温室长度方向垂直，即与温室宽度方向一致，但由于垄作栽培的草莓的垄沟狭窄，果实吊挂位置比较低矮，因而垄作栽培草莓采摘的机械手须体积小且灵活。日本研发了用来采收草莓果实平铺于地垄表面的机器人装置，然而其采收方式不能用于我国日光温室垄作草莓果实采摘，并且结构比较复杂。因此，研究一种适用于我国垄作栽培草莓的小体积机械手末端执行器取代人工采摘变得十分必要。

草莓每年到了收获季节，采摘工需要每隔一段时间就要对成熟草莓进行弯腰采摘，直至草莓生长期末，选择性的果实采摘是农业上最为耗时费力的作业环节，另外实现草莓自动化采摘还有两大难点，一是草莓柔软多汁，夹持容易受伤，草莓采摘机械手末端执行器直接接触草莓，由于采摘作业过程中不能损伤果实，加上草莓的柔嫩性和环境的复杂多变性，要实现草莓采摘的自动化，必须解决草莓采摘机械手末端执行器的设计问题；二是草莓果实多为簇状分布，常常是几颗成熟果实聚集在一起。单颗草莓采摘增加了机械手的采摘次数和采摘难度，降低了作业效率，因此需要多颗草莓同时采摘末端执行器及相应采摘机构和方法，而目前这种采摘机械手末端执行器市场上是没有的。草莓采摘机械手末端执行器的机构参数将严重影响采摘效率和成功率，其研究发展对提高农业生产效率及草莓的市场价值均起着至关重要的作用。

发明内容

针对上述现有技术中的缺陷，本发明提供多颗草莓同时采摘末端执行器及相应采摘机构和方法，克服现有草莓手工采摘效率低、机械化程度低的缺陷，本发明机械结构体积小巧，定位精度高、多颗草莓同时采摘效率高，解决了草莓采摘易损伤和单颗草莓采摘效率低的技术难题。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种多颗草莓同时采摘末端执行器，是由拢果板、侧立板、切割机构、视觉单元、气缸、进气孔、连接法兰盘、临时收纳袋和蓄电池组成的，所述的拢果板包括橡胶三角锥、果柄凸起、电磁铁和电磁铁开关，所述的切割机构包括滑轨、触发器、果柄凹槽、切割刀片机构滑槽和切割刀片机构，所述的切割刀片机构包括弹簧安装座、弹簧、刀片底托和刀片，所述侧立板包括左右两侧立板和背部侧立板，其特征是：所述拢果板设置于左右两侧立板前端，所述切割机构通过滑轨安装于左右两侧立板内部且与拢果板平行设置，所述气缸设置于背部侧立板后部，且气缸轴端与切割机构连接，所述进气孔在气缸侧面，所述连接法兰盘与机械臂进行连接，所述临时收纳袋安装于切割机构下方，所述蓄电池设置于左右两侧立板一侧，所述视觉单元设置于背部侧立板上端；所述橡胶三角锥设置于拢果板上端，24个所述果柄凸起设置于拢果板前部，所述电磁铁设置于果柄凸起上部，所述电磁铁开关安装于拢果板一端；所述滑轨安装于切割机构两端，所述触发器正对电磁铁开关安装，所述切割刀片机构滑槽设置于切割机构中部，且正对电磁铁，24个所述果柄凹槽设置于切割机构下部，且正对果柄凸起，所述切割刀片机构安装于切割刀片机构滑槽内部；所述弹簧安装座左端固定于割刀片机构滑槽内部，所述弹簧安装座右端连接弹簧一端，所述弹簧另一端连接刀片底托，所述刀片底托内部安装刀片。

优选地，所述橡胶三角锥右端面与水平面垂直，左端面与水平面成60°。

优选地，24个所述果柄凹槽每左右两个的间隙是3mm，24个所述果柄凸起每左右两个的间隙是3mm。

更优选地，所述蓄电池给电磁铁供电，供电线路启动按钮设置于电磁铁开关上。

更优选地，所述触发器具有伸缩性。

具体地，所述果柄凸起和果柄凹槽表面都附有一层软硅胶材料，所述临时收纳袋和草莓收纳箱内表面附有10mm的软硅胶材料。

一种多颗草莓同时采摘机构，是由机械手末端执行器、机械臂、机械臂移动平台、草莓收纳箱和控制箱组成的，其特征是：所述机械手末端执行器安装在机械臂末端，所述机械臂安装在机械臂移动平台上，所述草莓收纳箱设置于机械臂移动平台前部；其中机械手末端执行器包括拢果板、侧立板、切割机构、视觉单元、气缸、进气孔、连接法兰盘、临时收纳袋和蓄电池，所述的拢果板包括橡胶三角锥、果柄凸起、电磁铁和电磁铁开关，所述的切割机构包括滑轨、触发器、果柄凹槽、切割刀片机构滑槽和切割刀片机构，所述的切割刀片机构包括弹簧安装座、弹簧、刀片底托和刀片，所述侧立板包括左右两侧立板和背部侧立板，所述拢果板设置于左右两侧立板前端，所述切割机构通过滑轨安装于左右两侧立板内部且与拢果板平行设置，所述气缸设置于背部侧立板后部，且气缸轴端与切割机构连接，所述进气孔在气缸侧面，所述连接法兰盘与机械臂进行连接，所述临时收纳袋安装于切割机构下方，所述蓄电池设置于左右两侧立板一侧，所述视觉单元设置于背部侧立板上端；所述橡胶三角锥设置于拢果板上端，24个所述果柄凸起设置于拢果板前部，所述电磁铁设置于果柄凸起上部，所述电磁铁开关安装于拢果板一端；所述滑轨安装于切割机构两端，所述触发器正对电磁铁开关安装，所述切割刀片机构滑槽设置于切割机构中部，且正对电磁铁，24个所述果柄凹槽设置于切割机构下部，且正对果柄凸起，所述切割刀片机构安装于切割刀片机构滑槽内部；所述弹簧安装座左端固定于割刀片机构滑槽内部，所述弹簧安装座右端连接弹簧一端，所述弹簧另一端连接刀片底托，所述刀片底托内部安装刀片。

一种多颗草莓同时采摘机构的采摘方法，包括如下步骤：靠近果实、拢果、压柄、切割果柄和放果，其详细工作过程为：视觉单元拍摄草莓图像，确定草莓空间坐标位置，机械臂将机械手末端执行器送至草莓正下方，完成靠近果实过程；机械臂沿着垄壁方向移动，机械手末端执行器的橡胶三角锥左端面将多颗草莓拨到拢果板内侧，完成拢果过程；进气孔工作，气缸带动切割机构沿侧立板方向前进，果柄凸起和果柄凹槽配合将果柄夹持在果柄凸起的间隙之中，完成压柄过程；触发器触碰到电磁铁开关，蓄电池给电磁铁供电，产生磁力，吸附切割刀片机构沿着切割刀片机构滑槽向右运动，刀片切断果柄，完成切割果柄过程；气缸带动切割机构向左运动，触发器离开电磁铁开关，电磁铁断电失去磁力，切割刀片机构在弹簧作用下缩回到切割刀片机构滑槽中，同时果柄凸起和果柄凹槽分离，草莓就滑落到临时收纳袋中，当临时收纳袋中草莓装满，机械臂将机械手末端执行器送至草莓收纳箱，完成放果过程。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明设计的多颗草莓同时采摘末端执行器及相应采摘机构和方法利用多关节机械臂，通过多传感器信息融合实时获取、感知工作环境及草莓信息，确保在不损伤草莓的前提下，完成靠近果实、拢果、压柄、切割果柄和放果工作过程，并通过机械臂的控制，将收纳袋中的草莓回收，实现草莓的全程自动化收获作业。

(1)本发明的伸缩机构选用气缸作动力，可更方便快捷的调整工作速率，且气缸具有更高的可靠性和更长的使用寿命，其动作速度一般小于1M/S，比起液压缸和气电缸速度更快；

(2)本发明的机械手末端执行器可以实现多颗草莓同时采摘，在很大程度上提高效率、提高系统的可靠性；

(3)本发明的机械手末端执行器体积小巧且灵活，能够适应我国垄作栽培草莓的采摘要求；

(4)本发明的机械手末端执行器通过果柄凸起和果柄凹槽的间隙来夹持果柄，避免了夹持草莓果实带来损伤的问题。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

下列附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，其与下述的具体实施方式一起用于解释本发明，但本发明的保护范围并不局限于下述附图及具体实施方式。在附图中：

图1为本发明的采摘机构等轴测图；

图2为本发明的末端执行器等轴测图；

图3为本发明的拢果板三维结构示意图；

图4为本发明的切割机构三维结构示意图；

图5为本发明的切割刀片机构三维结构示意图；

图6为本发明采摘步骤的靠近果实工作状态示意图；

图7为本发明采摘步骤的拢果工作状态示意图；

图8为本发明采摘步骤的压柄工作状态示意图；

图9为本发明采摘步骤的切割果柄工作状态示意图；

图10为本发明采摘步骤的放果工作状态示意图。

图中：1机械手末端执行器，2机械臂，3机械臂移动平台，4草莓收纳箱，5控制箱，6拢果板，601橡胶三角锥，602果柄凸起，603电磁铁，604电磁铁开关，7侧立板，8切割机构，801滑轨，802触发器，803果柄凹槽，804切割刀片机构滑槽，805切割刀片机构，8051弹簧安装座，8052弹簧，8053刀片底托，8054刀片，9视觉单元，10气缸，11进气孔，12连接法兰盘，13临时收纳袋，14蓄电池。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，本发明的保护范围并不局限于下述的具体实施方式。

本发明设计的多颗草莓同时采摘末端执行器及相应采摘机构和方法利用多关节机械臂，通过多传感器信息融合实时获取、感知工作环境及草莓信息，确保在不损伤草莓的前提下，完成靠近果实、拢果、压柄、切割果柄和放果工作过程，并通过机械臂的控制，将临时收纳袋中的草莓回收到草莓收纳箱中，实现草莓的全程自动化收获作业。

参见图2至图5所示，一种多颗草莓同时采摘末端执行器，是由拢果板6、侧立板7、切割机构8、视觉单元9、气缸10、进气孔11、连接法兰盘12、临时收纳袋13和蓄电池14组成的，所述的拢果板6包括橡胶三角锥601、果柄凸起602、电磁铁603和电磁铁开关604，所述的切割机构8包括滑轨801、触发器802、果柄凹槽803、切割刀片机构滑槽804和切割刀片机构805，所述的切割刀片机构805包括弹簧安装座8051、弹簧8052、刀片底托8053和刀片8054，所述侧立板7包括左右两侧立板7和背部侧立板7，其特征是：所述拢果板6设置于左右两侧立板7前端，所述切割机构8通过滑轨801安装于左右两侧立板7内部且与拢果板6平行设置，所述气缸10设置于背部侧立板7后部，且气缸10轴端与切割机构8连接，所述进气孔11在气缸10侧面，所述连接法兰盘12与机械臂2进行连接，所述临时收纳袋13安装于切割机构8下方，所述蓄电池14设置于左右两侧立板7一侧，所述视觉单元9设置于背部侧立板7上端；所述橡胶三角锥601设置于拢果板6上端，24个所述果柄凸起602设置于拢果板6前部，所述电磁铁603设置于果柄凸起602上部，所述电磁铁开关604安装于拢果板6一端；所述滑轨801安装于切割机构8两端，所述触发器802正对电磁铁开关604安装，所述切割刀片机构滑槽804设置于切割机构8中部，且正对电磁铁603，24个所述果柄凹槽803设置于切割机构8下部，且正对果柄凸起602，所述切割刀片机构805安装于切割刀片机构滑槽804内部；所述弹簧安装座8051左端固定于割刀片机构滑槽804内部，所述弹簧安装座8051右端连接弹簧8052一端，所述弹簧8052另一端连接刀片底托8053，所述刀片底托8053内部安装刀片8054。

参见图3所示，优选地，所述橡胶三角锥601右端面与水平面垂直，左端面与水平面成60°。

参见图3和图4所示，优选地，24个所述果柄凹槽803每左右两个的间隙是3mm，24个所述果柄凸起602每左右两个的间隙是3mm。

参见图2所示，更优选地，所述蓄电池14给电磁铁603供电，供电线路启动按钮设置于电磁铁开关604上。

参见图4所示，更优选地，所述触发器802具有伸缩性。

参见图2至图4所示，具体地，所述果柄凸起602和果柄凹槽803表面都附有一层软硅胶材料，所述临时收纳袋13和草莓收纳箱4内表面附有10mm的软硅胶材料。

参见图1所示，一种多颗草莓同时采摘机构，是由机械手末端执行器1、机械臂2、机械臂移动平台3、草莓收纳箱4和控制箱5组成的，其特征是：所述机械手末端执行器1安装在机械臂2末端，所述机械臂2安装在机械臂移动平台3上，所述草莓收纳箱4设置于机械臂移动平台3前部。

为了帮助理解本发明的上述基本实施方式，参照图6至图10进行工作过程说明，本发明多颗草莓同时采摘末端执行器及相应采摘机构的工作过程包括靠近果实、拢果、压柄、切割果柄和放果，其详细工作过程为：视觉单元9拍摄草莓图像，确定草莓空间坐标位置，机械臂2将机械手末端执行器1送至草莓正下方，完成靠近果实过程；机械臂2末端沿着垄壁方向移动，机械手末端执行器1的橡胶三角锥601左端面将多颗草莓拨到拢果板6内侧，完成拢果过程；进气孔11工作，气缸10带动切割机构8沿侧立板7方向前进，果柄凸起602和果柄凹槽803配合将果柄夹持在果柄凸起602的间隙之中，完成压柄过程；触发器802触碰到电磁铁开关604，蓄电池14给电磁铁603供电，产生磁力，吸附切割刀片机构805沿着切割刀片机构滑槽804向右运动，刀片8054切断果柄，完成切割果柄过程；气缸10带动切割机构8向左运动，触发器802离开电磁铁开关604，电磁铁603断电失去磁力，切割刀片机构805在弹簧作用下缩回到切割刀片机构滑槽804中，同时果柄凸起602和果柄凹槽803分离，草莓就滑落到临时收纳袋13中，当临时收纳袋13中草莓装满，机械臂2将机械手末端执行器1送至草莓收纳箱4，完成放果过程。

以上结合附图详细描述了本发明的具体实施方式，需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多颗草莓同时采摘末端执行器，其特征是：是由拢果板、侧立板、切割机构、视觉单元、气缸、进气孔、连接法兰盘、临时收纳袋和蓄电池组成的，所述的拢果板包括橡胶三角锥、果柄凸起、电磁铁和电磁铁开关，所述的切割机构包括滑轨、触发器、果柄凹槽、切割刀片机构滑槽和切割刀片机构，所述的切割刀片机构包括弹簧安装座、弹簧、刀片底托和刀片，所述侧立板包括左右两侧立板和背部侧立板，所述拢果板设置于左右两侧立板前端，所述切割机构通过滑轨安装于左右两侧立板内部且与拢果板平行设置，所述气缸设置于背部侧立板后部，且气缸轴端与切割机构连接，所述进气孔在气缸侧面，所述连接法兰盘与机械臂进行连接，所述临时收纳袋安装于切割机构下方，所述蓄电池设置于左右两侧立板一侧，所述视觉单元设置于背部侧立板上端；所述橡胶三角锥设置于拢果板上端，24个所述果柄凸起设置于拢果板前部，所述电磁铁设置于果柄凸起上部，所述电磁铁开关安装于拢果板一端；所述滑轨安装于切割机构两端，所述触发器正对电磁铁开关安装，所述切割刀片机构滑槽设置于切割机构中部，且正对电磁铁，24个所述果柄凹槽设置于切割机构下部，且正对果柄凸起，所述切割刀片机构安装于切割刀片机构滑槽内部；所述弹簧安装座左端固定于割刀片机构滑槽内部，所述弹簧安装座右端连接弹簧一端，所述弹簧另一端连接刀片底托，所述刀片底托内部安装刀片。

2.根据权利要求1所述的一种多颗草莓同时采摘末端执行器，其特征是：所述橡胶三角锥右端面与水平面垂直，左端面与水平面成60°。

3.根据权利要求1所述的一种多颗草莓同时采摘末端执行器，其特征是：24个所述果柄凹槽每左右两个的间隙是3mm，24个所述果柄凸起每左右两个的间隙是3mm。

4.根据权利要求1所述的一种多颗草莓同时采摘末端执行器，其特征是：所述蓄电池给电磁铁供电，供电线路启动按钮设置于电磁铁开关上。

5.根据权利要求1所述的一种多颗草莓同时采摘末端执行器，其特征是：所述触发器具有伸缩性。

6.根据权利要求1所述的一种多颗草莓同时采摘末端执行器，其特征是：所述果柄凸起和果柄凹槽表面都附有一层软硅胶材料，所述临时收纳袋和草莓收纳箱内表面附有10mm的软硅胶材料。

7.一种多颗草莓同时采摘机构，其特征是：是由机械手末端执行器、机械臂、机械臂移动平台、草莓收纳箱和控制箱组成的，所述机械手末端执行器安装在机械臂末端，所述机械臂安装在机械臂移动平台上，所述草莓收纳箱设置于机械臂移动平台前部；其中机械手末端执行器包括拢果板、侧立板、切割机构、视觉单元、气缸、进气孔、连接法兰盘、临时收纳袋和蓄电池，所述的拢果板包括橡胶三角锥、果柄凸起、电磁铁和电磁铁开关，所述的切割机构包括滑轨、触发器、果柄凹槽、切割刀片机构滑槽和切割刀片机构，所述的切割刀片机构包括弹簧安装座、弹簧、刀片底托和刀片，所述侧立板包括左右两侧立板和背部侧立板，所述拢果板设置于左右两侧立板前端，所述切割机构通过滑轨安装于左右两侧立板内部且与拢果板平行设置，所述气缸设置于背部侧立板后部，且气缸轴端与切割机构连接，所述进气孔在气缸侧面，所述连接法兰盘与机械臂进行连接，所述临时收纳袋安装于切割机构下方，所述蓄电池设置于左右两侧立板一侧，所述视觉单元设置于背部侧立板上端；所述橡胶三角锥设置于拢果板上端，24个所述果柄凸起设置于拢果板前部，所述电磁铁设置于果柄凸起上部，所述电磁铁开关安装于拢果板一端；所述滑轨安装于切割机构两端，所述触发器正对电磁铁开关安装，所述切割刀片机构滑槽设置于切割机构中部，且正对电磁铁，24个所述果柄凹槽设置于切割机构下部，且正对果柄凸起，所述切割刀片机构安装于切割刀片机构滑槽内部；所述弹簧安装座左端固定于割刀片机构滑槽内部，所述弹簧安装座右端连接弹簧一端，所述弹簧另一端连接刀片底托，所述刀片底托内部安装刀片。

8.根据权利要求7所述的一种多颗草莓同时采摘机构的采摘方法，其特征是：包括如下步骤：

1)靠近果实

视觉单元拍摄草莓图像，确定草莓空间坐标位置，机械臂将机械手末端执行器送至草莓正下方，完成靠近果实过程；

2)拢果

机械臂沿着垄壁方向移动，机械手末端执行器的橡胶三角锥左端面将多颗草莓拨到拢果板内侧，完成拢果过程；

3)压柄

进气孔工作，气缸带动切割机构沿侧立板方向前进，果柄凸起和果柄凹槽配合将果柄夹持在果柄凸起的间隙之中，完成压柄过程；

4)切割果柄

触发器触碰到电磁铁开关，蓄电池给电磁铁供电，产生磁力，吸附切割刀片机构沿着切割刀片机构滑槽向右运动，刀片切断果柄，完成切割果柄过程；

5)放果

气缸带动切割机构向左运动，触发器离开电磁铁开关，电磁铁断电失去磁力，切割刀片机构在弹簧作用下缩回到切割刀片机构滑槽中，同时果柄凸起和果柄凹槽分离，草莓就滑落到临时收纳袋中，当临时收纳袋中草莓装满，机械臂将机械手末端执行器送至草莓收纳箱，完成放果过程。

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