CN108293418B - 果实串采摘机械手末端执行器及其采摘方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种果实串采摘机械手末端执行器及其采摘方法，该装置包括果梗夹持机构、果梗切割机构与控制总成，控制器通过三位二通电磁阀控制果梗夹持机构气缸工作，带动夹持连杆机构实现左右夹指的开合，根据压电膜式传感器测定的夹持力大小，实现果实串果梗的夹持，控制器控制继电器使果梗切割机构的直流电动机工作，带动软轴旋转，从而驱动圆形锯高速旋转，同时，通过步进电动机驱动丝杆转动，带动圆形锯向靠近果梗方向移动，实现果实串果梗的切割，克服了单个果实采摘效率低、果实容易受损、人工采摘劳动强度大等缺点。该装置采摘可靠性高，果实无损伤、操作简便，通用性高，适用于不同类型单个果实以及果实串的采摘工作。
Description
技术领域
本发明属于农业机械领域，涉及一种果实串采摘收获机械手的末端执行器，尤其涉及一种能够抓取、夹持、切断主果梗使果实串与果梗分离的采摘机械手末端执行器及其采摘方法。
背景技术
在番茄的整个农业生产中，果实收获作业是农业生产的重要环节，但目前我国番茄的采摘主要依靠手工完成，劳动强度大，工作效率低，生产过程人力成本占较大比重，约占成本的50％～70％；且果实成熟时间较为集中，人工不易准确判断果实的成熟程度，果实商品率低，其产量与质量受到严重影响。
果实收获机器人的研究与应用对提高劳动生产率和产品质量，保证果实适时采收，具有很大发展潜力和应用前景。末端执行器是采摘机器人的核心技术之一，其结构型式与工作方式取决于采摘对象的特性，同时会影响果实采摘成功率和商品价值。目前大多数番茄收获机器人均是针对单个果实的采收，这种采摘方法能够保证采摘到成熟质量比较好的果实，但一串番茄需要进行多次采摘动作，效率很低，收获及时性和产品质量得不到改善，这也是番茄收获机器人没有商品化应用的主要原因。通常番茄果实成串生长，每串有4-6个果实，如果能够实现成串采摘则可以大大提高生产效率，果实存储时间也会更长，因此，面向番茄果实串采收将成为大规模番茄种植的主要收获方式。末端执行器作为直接接触果实或植株的关键部件，其灵活性直接影响采摘成功率和工作效率。目前末端执行器结构不够紧凑，灵活性较差，采摘成功率不高，采摘过程中所需要的某些姿态难以实现，不能完成深入到植株内部对随机生长的果实串采摘的任务。因此，由于农业生产环境的特殊性，需要一种用于果实串采摘的可靠性好、结构紧凑、灵活方便、可控性较高的，并具有小范围内的通用性末端执行器，为提高收获机器人的位姿灵活性和采摘成功率等性能提供条件。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述果实采摘缺点，适应番茄果实成串采收、提高农业机器人工作效率和保证果实采摘质量的要求，本发明提供一种果实串采摘机械手末端执行器及其采摘方法，将果梗夹持机构和果梗切割机构设计于一体，通过气动与连杆机构相结合驱动果梗夹持机构夹持果梗，切割机构的圆形锯旋转的同时，由丝杆带动向前移动，切断番茄主果梗，实现果实串采摘，夹持与切割同步，采摘可靠性高，果实不受损伤，操作简便，通用性高，为不同类型单个果实以及果实串的采摘提供了理想的采摘装置及其采摘方法。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：果实串采摘机械手末端执行器，其包括果梗夹持机构、果梗切割机构与控制总成，果梗切割机构安装于果梗夹持机构的上表面，
果实串采摘机械手末端执行器，包括果梗夹持机构、果梗切割机构，果梗切割机构安装于果梗夹持机构的上表面；
果梗夹持机构包括气缸、T形架、下基板、右夹指、左夹指、推杆、右夹持臂、左夹持臂，气缸的缸体前端固定在T形架的后侧，气缸活塞杆穿过T形架中部与推杆中部垂直固定连接；推杆两端分别与两个连杆的一端铰链连接，两个连杆的另一端分别与右夹持臂、左夹持臂铰链连接；下基板后部固定在T形架前下侧，右夹持臂、左夹持臂的中部分别与下基板前部通过销轴铰链连接，右夹指、左夹指分别固定在右夹持臂、左夹持臂的前端，右夹指、右夹持臂与左夹指、左夹持臂沿下基板纵向中心线对称布置，且右夹持臂与左夹持臂的对称中心线与气缸活塞杆的中心线平行且在同一垂直平面内；
果梗切割机构包括第一支板、直流电动机、第二支板、步进电动机、联轴器、基座滑套、上基板、圆形锯、第三支板、软轴、导杆、丝杆，上基板后部固定在T形架前上侧，直流电动机、步进电动机分别通过第一支板、第二支板固定在气缸的上表面，基座滑套固定在上基板上表面，导杆穿过基座滑套并与基座滑套构成轴向移动副；导杆内部为螺旋结构，导杆的内螺旋与丝杆外螺旋构成螺旋传动；丝杆外端通过联轴器与步进电动机同轴连接，第三支板固定在导杆前端，圆形锯通过轴承安装在第三支板下面；软轴的一端与直流电动机动力输出轴连接，软轴的另一端与圆形锯的动力输入轴连接。
上述末端执行器中的各机械结构可以人工进行控制，也可以通过搭载自控装置实现自动化操作。作为优选，末端执行器中还设有用于控制果梗夹持机构、果梗切割机构的控制总成。
进一步的，所述的控制总成包括压电膜式传感器、控制器、三位二通电磁阀、驱动电路、继电器，两只压电膜式传感器分别固定在右夹指、左夹指的内侧，气缸、直流电动机、步进电动机分别连接三位二通电磁阀、继电器、驱动电路；三位二通电磁阀、继电器、驱动电路以及两只压电膜式传感器均与控制器相连。
作为优选，右夹指、左夹指上表面在同一平面，圆形锯下表面与右夹指上表面平行，且圆形锯下表面与右夹指上表面留有缝隙。
作为优选，圆形锯下表面与右夹指上表面之间的缝隙高度为0.5-5mm。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述果实串采摘机械手末端执行器的采摘方法，步骤如下：
第一步：系统复位，控制器控制三位二通电磁阀使气缸的活塞杆处于收缩状态，从而使右夹指、左夹指处于分开状态；控制器控制驱动电路使圆形锯位于上基板上方；
第二步：通过果实串采摘机械手臂将末端执行器移动至番茄主果梗处，且末端执行器的右夹指、左夹指分别位于番茄主果梗两侧；
第三步：控制器控制三位二通电磁阀正向接通，气缸的活塞杆伸出，同时带动推杆向前移动，推杆带动两个连杆转动从而使右夹持臂、左夹持臂以中部的销轴为铰链点进行转动，进而分别带动右夹指、左夹指夹持番茄主果梗；随着气缸活塞杆的向前移动，右夹指、左夹指夹持力增加，夹持压缩压电膜式传感器，通过压电膜式传感器将夹持力信号传递至控制器，当压电膜式传感器接收夹持力大于在控制器中预设的压力时，三位二通电磁阀换位至保持状态；
第四步：控制器控制继电器使直流电动机工作，直流电动机通过软轴驱动圆形锯高速旋转，同时控制器控制驱动电路使步进电动机正向旋转，步进电动机通过联轴器带动丝杆转动，导杆在丝杆螺旋作用下向前移动并通过第三支板带动圆形锯向前移动，当圆形锯与番茄主果梗接触后继续移动，番茄主果梗被圆形锯切断，当圆形锯移动到前极限位置时，控制器控制继电器使直流电动机停止工作，同时控制器控制驱动电路使步进电动机反向旋转，直到圆形锯向后移动至初始位置；
第五步：番茄果实串采摘机械手将夹持有果实串的末端执行器移动至指定位置；
第六步：控制器控制三位二通电磁阀反向接通，气缸的活塞杆收缩，推杆、连杆、右夹持臂、左夹持臂、右夹指、左夹指均分别做与第二步相反的动作，右夹指、左夹指松开，将果实串放在指定位置。
本发明带来的增益效果是，通过控制三位二通电磁阀状态，驱动果梗夹持机构气缸工作，从而带动夹持连杆机构实现左右夹指的开合，通过压电膜式传感器测定的夹持力大小，实现果梗快速、稳定的夹持，克服了末端执行器果实易受损、效率低、准确度差等缺点；通过控制器控制继电器使果梗切割机构的直流电动机工作，带动软轴旋转，从而驱动圆形锯高速旋转，通过步进电动机驱动丝杆转动，带动圆形锯向靠近果梗方向移动，保证果实串果梗切割的可靠性，提高了采摘效率。该装置采摘可靠性高，果实无损伤、操作简便，通用性高，适用于不同类型单个果实以及果实串的采摘工作。
附图说明
图1是果实串采摘机械手末端执行器的轴测图；
图2是果实串采摘机械手末端执行器的果梗夹持机构的轴测图；
图3是果实串采摘机械手末端执行器的控制总成电气图；
图中：气缸1、第一支板2、直流电动机3、第二支板4、步进电动机5、T形架6、联轴器7、基座滑套8、上基板9、下基板10、圆形锯11、右夹指12、左夹指13、压电膜式传感器14、第三支板15、软轴16、导杆17、丝杆18、推杆19、连杆20、右夹持臂21、左夹持臂22
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式。
如图1、图2、图3所示，果实串采摘机械手末端执行器包括包括果梗夹持机构、果梗切割机构与控制总成，果梗切割机构安装于果梗夹持机构的上表面。
果梗夹持机构包括气缸1、T形架6、下基板10、右夹指12、左夹指13、推杆19、右夹持臂21、左夹持臂22，气缸1的缸体前端固定在T形架6的后侧，气缸1活塞杆穿过T形架6中部与推杆19中部垂直固定连接；推杆19两端分别与两个连杆20的一端铰链连接，两个连杆20的另一端分别与右夹持臂21、左夹持臂22铰链连接；下基板10后部固定在T形架6前下侧，右夹持臂21、左夹持臂22的中部分别与下基板10前部通过销轴铰链连接，右夹指12、左夹指13分别固定在右夹持臂21、左夹持臂22的前端，右夹指12、右夹持臂21与左夹指13、左夹持臂22沿下基板10纵向中心线对称布置，且右夹持臂21与左夹持臂22的对称中心线与气缸1活塞杆的中心线平行且在同一垂直平面内；
果梗切割机构包括第一支板2、直流电动机3、第二支板4、步进电动机5、联轴器7、基座滑套8、上基板9、圆形锯11、第三支板15、软轴16、导杆17、丝杆18，上基板9后部固定在T形架6前上侧，直流电动机3、步进电动机5分别通过第一支板2、第二支板4固定在气缸1的上表面，基座滑套8固定在上基板9上表面，导杆17穿过基座滑套8并与基座滑套8构成轴向移动副；导杆17内部为螺旋结构，导杆17的内螺旋与丝杆18外螺旋构成螺旋传动；丝杆18外端通过联轴器7与步进电动机5同轴连接，第三支板15固定在导杆17前端，圆形锯11通过轴承安装在第三支板15下面；软轴16的一端与直流电动机3动力输出轴连接，软轴16的另一端与圆形锯11的动力输入轴连接；
控制总成包括压电膜式传感器14、控制器、三位二通电磁阀、驱动电路、继电器，两只压电膜式传感器14分别固定在右夹指12、左夹指13的内侧，气缸1、直流电动机3、步进电动机5分别连接三位二通电磁阀、继电器、驱动电路；三位二通电磁阀、继电器、驱动电路以及两只压电膜式传感器(14)均与控制器相连实现反馈控制。气缸1、直流电动机3、步进电动机5的工作由控制器分别通过三位二通电磁阀、继电器、驱动电路控制。
果实串采摘机械手末端执行器，其特征在于右夹指12、左夹指13上表面在同一平面，圆形锯11下表面与右夹指12上表面平行，且圆形锯11下表面与右夹指12上表面有0.5-5mm的空间距离。
一种基于上述果实串采摘机械手末端执行器的采摘方法是：
第一步：系统复位，控制器控制三位二通电磁阀使气缸1的活塞杆处于收缩状态，从而使右夹指12、左夹指13处于分开状态；控制器控制驱动电路使圆形锯11位于上基板9上方；
第二步：通过果实串采摘机械手臂将末端执行器移动至番茄主果梗处，且末端执行器的右夹指12、左夹指13分别位于番茄主果梗两侧；
第三步：控制器控制三位二通电磁阀正向接通，气缸1的活塞杆伸出，同时带动推杆19向前移动，推杆19带动两支连杆20转动从而使右夹持臂21、左夹持臂22以中部的销轴为铰链点进行转动，进而分别带动右夹指12、左夹指13夹持番茄主果梗；随着气缸1活塞杆的向前移动，右夹指12、左夹指13夹持力增加，夹持压缩压电膜式传感器14，通过压电膜式传感器14将夹持力信号传递至控制器，当压电膜式传感器14接收夹持力大于控制器中预设的压力时，三位二通电磁阀换位至保持状态；
第四步：控制器控制继电器使直流电动机3工作，直流电动机3通过软轴16驱动圆形锯11高速旋转，同时控制器控制驱动电路使步进电动机5正向旋转，步进电动机5通过联轴器7带动丝杆18转动，导杆17在丝杆18螺旋作用下向前移动并通过从而第三支板15带动圆形锯11向前移动，当圆形锯11与番茄主果梗接触后并继续移动，番茄主果梗被圆形锯11切断，当圆形锯11移动到前极限位置时，控制器控制继电器使直流电动机3停止工作，同时控制器控制驱动电路使步进电动机5反向旋转，直到圆形锯11向后移动至初始位置；
第五步：番茄果实串采摘机械手将夹持有果实串的末端执行器移动至指定位置；
第六步：控制器控制三位二通电磁阀反向接通，气缸1的活塞杆收缩，推杆19、连杆20、右夹持臂21、左夹持臂22、右夹指12、左夹指13均分别做与第二步相反的动作，右夹指12、左夹指13松开，果实串放在指定位置。
本发明的工作过程：通过控制器控制三位二通电磁阀使气缸1的活塞杆处于收缩状态，从而使右夹指12、左夹指13处于分开状态；控制器控制驱动电路使圆形锯11位于上基板9上方，使末端执行器系统复位；通过果实串采摘机械手臂将末端执行器移动至番茄主果梗处，且末端执行器的右夹指12、左夹指13分别位于番茄主果梗两侧；控制器控制三位二通电磁阀正向接通，气缸1的活塞杆伸出，同时带动推杆19向前移动，推杆19带动两个连杆20转动从而使右夹持臂21、左夹持臂22以中部的销轴为铰链点进行转动，进而分别带动右夹指12、左夹指13夹持番茄主果梗；随着气缸1活塞杆的向前移动，右夹指12、左夹指13夹持力增加，夹持压缩压电膜式传感器14，通过压电膜式传感器14将夹持力信号传递至控制器，当压电膜式传感器14接收夹持力大于控制器设计的压力时，三位二通电磁阀换位至保持状态；控制器控制继电器使直流电动机3工作，直流电动机3通过软轴16驱动圆形锯11高速旋转，同时控制器控制驱动电路使步进电动机5正向旋转，步进电动机5通过联轴器7带动丝杆18转动，导杆17在丝杆18螺旋作用下向前移动并通过第三支板15带动圆形锯11向前移动，当圆形锯11与番茄主果梗接触后并继续移动，番茄主果梗被圆形锯11切断，当圆形锯11移动到前极限位置时，控制器控制继电器使直流电动机3停止工作，同时控制器控制驱动电路使步进电动机5反向旋转，直到圆形锯11向后移动至初始位置；番茄果实串采摘机械手将夹持有果实串的末端执行器移动至指定位置；控制器控制三位二通电磁阀反向接通，气缸1的活塞杆收缩，推杆19、连杆20、右夹持臂21、左夹持臂22、右夹指12、左夹指13均分别做夹持时的反向动作，右夹指12、左夹指13松开，果实串放在指定位置，完成一次果实串采摘，末端执行器系统复位。
Claims (6)
1.一种果实串采摘机械手末端执行器，其特征在于包括果梗夹持机构、果梗切割机构，果梗切割机构安装于果梗夹持机构的上表面；
果梗夹持机构包括气缸(1)、T形架(6)、下基板(10)、右夹指(12)、左夹指(13)、推杆(19)、右夹持臂(21)、左夹持臂(22)，气缸(1)的缸体前端固定在T形架(6)的后侧，气缸(1)活塞杆穿过T形架(6)中部与推杆(19)中部垂直固定连接；推杆(19)两端分别与两个连杆(20)的一端铰链连接，两个连杆(20)的另一端分别与右夹持臂21、左夹持臂(22)铰链连接；下基板(10)后部固定在T形架(6)前下侧，右夹持臂(21)、左夹持臂(22)的中部分别与下基板(10)前部通过销轴铰链连接，右夹指(12)、左夹指(13)分别固定在右夹持臂(21)、左夹持臂(22)的前端，右夹指(12)、右夹持臂(21)与左夹指(13)、左夹持臂(22)沿下基板(10)纵向中心线对称布置，且右夹持臂(21)与左夹持臂(22)的对称中心线与气缸(1)活塞杆的中心线平行且在同一垂直平面内；
果梗切割机构包括第一支板(2)、直流电动机(3)、第二支板(4)、步进电动机(5)、联轴器(7)、基座滑套(8)、上基板(9)、圆形锯(11)、第三支板(15)、软轴(16)、导杆(17)、丝杆(18)，上基板(9)后部固定在T形架(6)前上侧，直流电动机(3)、步进电动机(5)分别通过第一支板(2)、第二支板(4)固定在气缸(1)的上表面，基座滑套(8)固定在上基板(9)上表面，导杆(17)穿过基座滑套(8)并与基座滑套(8)构成轴向移动副；导杆(17)内部为螺旋结构，导杆(17)的内螺旋与丝杆(18)外螺旋构成螺旋传动；丝杆(18)外端通过联轴器(7)与步进电动机(5)同轴连接，第三支板(15)固定在导杆(17)前端，圆形锯(11)通过轴承安装在第三支板(15)下面；软轴(16)的一端与直流电动机(3)动力输出轴连接，软轴(16)的另一端与圆形锯(11)的动力输入轴连接。
2.根据权利要求1所述的果实串采摘机械手末端执行器，其特征在于还设有用于控制果梗夹持机构、果梗切割机构的控制总成。
3.根据权利要求2所述的果实串采摘机械手末端执行器，其特征在于所述的控制总成包括压电膜式传感器(14)、控制器、三位二通电磁阀、驱动电路、继电器，两只压电膜式传感器(14)分别固定在右夹指(12)、左夹指(13)的内侧，气缸(1)、直流电动机(3)、步进电动机(5)分别连接三位二通电磁阀、继电器、驱动电路；三位二通电磁阀、继电器、驱动电路以及两只压电膜式传感器(14)均与控制器相连。
4.根据权利要求1所述的果实串采摘机械手末端执行器，其特征在于右夹指(12)、左夹指(13)上表面在同一平面，圆形锯(11)下表面与右夹指(12)上表面平行，且圆形锯(11)下表面与右夹指(12)上表面留有缝隙。
5.根据权利要求1所述的果实串采摘机械手末端执行器，其特征在于圆形锯(11)下表面与右夹指(12)上表面之间的缝隙高度为0.5-5mm。
6.一种利用如权利要求3所述果实串采摘机械手末端执行器的采摘方法，其特征在于，步骤如下：
第一步：系统复位，控制器控制三位二通电磁阀使气缸(1)的活塞杆处于收缩状态，从而使右夹指(12)、左夹指(13)处于分开状态；控制器控制驱动电路使圆形锯(11)位于上基板(9)上方；
第二步：通过果实串采摘机械手臂将末端执行器移动至番茄主果梗处，且末端执行器的右夹指(12)、左夹指(13)分别位于番茄主果梗两侧；
第三步：控制器控制三位二通电磁阀正向接通，气缸(1)的活塞杆伸出，同时带动推杆(19)向前移动，推杆(19)带动两个连杆(20)转动从而使右夹持臂(21)、左夹持臂(22)以中部的销轴为铰链点进行转动，进而分别带动右夹指(12)、左夹指(13)夹持番茄主果梗；随着气缸(1)活塞杆的向前移动，右夹指(12)、左夹指(13)夹持力增加，夹持压缩压电膜式传感器(14)，通过压电膜式传感器(14)将夹持力信号传递至控制器，当压电膜式传感器(14)接收夹持力大于在控制器中预设的压力时，三位二通电磁阀换位至保持状态；
第四步：控制器控制继电器使直流电动机(3)工作，直流电动机(3)通过软轴(16)驱动圆形锯(11)高速旋转，同时控制器控制驱动电路使步进电动机(5)正向旋转，步进电动机(5)通过联轴器(7)带动丝杆(18)转动，导杆(17)在丝杆(18)螺旋作用下向前移动并通过第三支板(15)带动圆形锯(11)向前移动，当圆形锯(11)与番茄主果梗接触后继续移动，番茄主果梗被圆形锯(11)切断，当圆形锯(11)移动到前极限位置时，控制器控制继电器使直流电动机(3)停止工作，同时控制器控制驱动电路使步进电动机(5)反向旋转，直到圆形锯(11)向后移动至初始位置；
第五步：番茄果实串采摘机械手将夹持有果实串的末端执行器移动至指定位置；
第六步：控制器控制三位二通电磁阀反向接通，气缸(1)的活塞杆收缩，推杆(19)、连杆(20)、右夹持臂(21)、左夹持臂(22)、右夹指(12)、左夹指(13)均分别做与第二步相反的动作，右夹指(12)、左夹指(13)松开，将果实串放在指定位置。
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