CN108458055B - 一种基于行星齿轮系的果实采摘头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于行星齿轮系的果实采摘头，属于机械臂末端执行器，可以有效解决果梗方位检测和采摘过程中保护果实的问题。本采摘头基于行星齿轮系的运动模式，配合圆弧形刀具的使用，在提高采摘效率，同时，使用梳状罩对其他水果和枝干进行保护。所述的采摘头包括作为装置核心的动力模块、完成采摘动作的切割执行模块和固定目标水果的吸附模块。主要应用在对时效有要求的大批量水果采摘的场景，以及高空、多刺、复杂空间中采摘的场景中。具有结构简单，运动高效，节省空间等优点。

Description

一种基于行星齿轮系的果实采摘头

技术领域

本发明属于机械臂末端执行器，涉及一种配合机器视觉技术的果实采摘头，可以实现利用单个动力源和简单的控制系统完成对果实的自动采摘，具有结构简单，运动高效，节省空间等优点，可以广泛应用于多种果实的采摘。

背景技术

大型水果生产农场为背景，大量的人工不仅持续产生成本的积累，而且由于水果的采摘受到保鲜时效和销售季节限制，对于一些高空、多刺、复杂空间中的水果，要使效率最大化，大规模使用人工则必然会增大的劳动伤害风险，而使用机器进行采摘，便可以顺利解决这些问题，此时，一部简单高效的果实采摘终端的意义便凸显了出来。

着眼于具体的采摘场景，果实的果梗自然生长，果梗方向不确定。现有采摘技术一般需要先通过视觉系统检测果梗位置，然后调整采摘刀具姿态进行采摘，这类技术方案中的缺点有：

1、果梗方位检测方面：果梗遮挡严重，方位不易检测，算法复杂度高、鲁棒性差。

2、果实采摘方面：容易造成果实以及主要枝干的损伤，采摘效率低。

而本发明针对以上缺点提出了系统的解决方案：引入行星齿轮系所固有的运动模式，使得果梗的检测任务仅仅依靠单纯的机械运动就可以完成，摆脱了对视觉系统的依赖；引入圆弧形刀具、梳状罩以及吸盘组成的模块，使果实获得理想的保护效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于行星齿轮系的果实采摘头，该果实采摘头的结构设计可以有效地解决果梗方位检测和采摘过程中保护果实的问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于行星齿轮系的果实采摘头，包括动力模块、切割执行模块、吸附模块。

上述采摘头的动力模块基于行星轮系及其运动特征，其核心为一套行星齿轮系。

上述行星齿轮系结构包括：太阳轮、行星齿轮、行星架和外齿圈；其中三个行星齿轮沿圆周均布在行星架上，三个行星齿轮分别与齿圈和太阳轮进行啮合，太阳轮位于整个轮系的中央，外齿圈位于轮系的外侧。采用三个行星齿轮使机构保持平稳的运转，核心运动模式由行星齿轮系固有的运动特征提供。

上述的行星齿轮系所固有的运动特征：该机构具有2个自由度，且只具有1个动力输入(太阳轮)，所以，该行星轮系中的行星架和外齿圈具有2种运动可能性。具体来讲，在同一时刻，只能存在一个零件转动且二者转动方向确定(相向转动)，当其中任意一个零件的转动受到阻力(实际情况为碰到果梗)而停止时，另外一个便开始运动，从而带动刀具形成剪切。故上述行星齿轮系结合一定的控制手段和特定形状的刀具，能够得到一对相向的转动，这种运动能够进行任意位置果梗的切割，而不需要人工或者是传感器的监督。

太阳轮，所述太阳轮通过轮齿与三个均匀分布的行星轮进行啮合，同时在轴线方向上非啮合区域的部分设计有内六角形的传动连接结构(安装联轴器亦可)。

行星架，所述行星架通过预设齿轮轴和螺纹连接与行星齿轮进行配合，在行星架的末端轴线上，预设内六角形的连接结构(安装紧定螺钉亦可)，以便进行动力的输出，同时节省传统联轴器的安装空间。

此外，在行星齿轮系外部装齿圈传动外壳，所述传动外壳分为两个基本对称的圆塔型外壳A、B，可分别与齿圈使用螺栓连接进行配合，同时依靠上述圆塔型机构内部对行星齿轮、太阳轮、行星架的运动进行径向和轴向的限制。齿圈传动外壳可以把齿圈的动力传输出去，另外，位于两个外壳的内部，预留有安装轴承的轴承座，上述齿圈外壳内的轴承是一个至关重要的结构，该设计既保证了齿轮的啮合条件又通过轴承的使用保证了太阳轮和行星架的同轴度；同时，外壳也是传动部分整体重量的承担结构。在外齿圈传动外壳直径最小的阶梯末端，有外六角连接结构，提供动力的输出。

上述采摘头的切割执行装置为一种双刃圆弧状切割刀具的切割执行装置，该装置具体包括：

双刃圆弧状切割刀具A，所述刀具A在刀架内侧通过预设的限位固定结构安装有柔性双刃刀片，用于对枝条的切割。刀具A通过内六角形结构与外齿圈外壳的外六角(紧定螺钉亦可)结构进行连接和动力传送。

无刃圆弧状刀具B，所述圆弧状刀具B的内直径略大于圆弧状刀具A的外直径，在刀具A进行切割时起到限位和提供切割力的作用。刀具B通过内六角结构(紧定螺钉亦可)和一个带有外六角结构的轴与行星架的内六角结构进行连接和动力传输。圆弧状刀具的功能在于，对于圆弧状刀具所覆盖的区域内，任意位置的果梗都能够被切割，同时不会损伤水果；带有限位和垫板功能的无刃圆弧状刀具B，其意义在于，将配合要求非常高的“剪切”运动转化为容易实现的“切割”过程，同时使采摘效率保持不变。

圆环状安装底座，所述圆环状安装底座预设有3对光孔和预设限位结构，以此来满足梳状罩的快速安装与稳定性。

圆截面梳状直腿，所述圆截面梳状直腿包括12条(可根据具体应用需要更换不同条数)末端为圆球状的直腿，均匀分布在圆环状安装底座上，所述圆球状末端可以避免在碰触果实时伤害果实。同时直腿具有弹性，避免与果实的刚性接触，进一步保护果皮完整；此外，由于梳状罩的使用，对于采摘目标以外的其他果实、果梗、枝条起到了极好的保护作用。

上述采摘头的吸附模块具体包括：

吸盘，所述的吸盘是一种由柔性有机材料制作成的吸附器，通过气压的变化完成工作过程，气压的变化由一个真空发生器产生。

伸缩气缸，所述的伸缩气缸是一种气动的，可以控制行程的运动构件，与吸盘通过一个槽状构件连接，气缸的伸缩和吸盘的吸附均由气动控制系统进行控制。

由于所述吸盘的末端为圆盘状，而采摘的目标水果绝大多数为球形或者椭球形，故在吸盘吸住水果时，吸盘气缸的轴线可以认为是通过水果球心的，不需要其他限位结构对水果进行固定。

本发明的有益效果：

1、所述基于行星齿轮组的果实采摘头，在不需要判断果梗位置的前提下可以利用行星齿轮系实现了自动切割任意位置的果梗。

2、所述基于行星齿轮系的果实采摘头，梳状罩结合可伸缩的吸盘，可以使刀具在远离其他果实、主要枝干时进行切割，从而解决了果实及其他枝干容易受到损伤的问题。

3、所述基于行星齿轮系的果实采摘头，圆弧状刀具与回转运动模式的结合，使刀具每运行半个周期便可以完成一次采摘，机构具有高效性。

4、所述基于行星齿轮组的果实采摘头，可以采摘不同类型的果实，具有较大柔性。

附图说明

图1是基于行星齿轮系的采摘头具体结构和外形图；

图2是行星轮系的剖视图及内部装配细节图；

图3是圆弧形刀具外形及其切割原理图；

图4.a是吸盘吸附目标水果的动作过程示意图；

图4.b是圆弧形刀具A、B对目标果梗进行切割的过程示意图；

图4.c是圆弧状刀具A、B将果梗切割完毕的效果图；

图4.d是水果采摘完毕的效果图。

以下是说明书附图中各项内容的具体说明：

1.气缸；2.吸盘；3.直流电机；4、8.轴承座；5.行星轮系；6.圆弧状刀具；

7.梳状罩；9.框架；10.滑块；11.直流电机；12.齿圈传动外壳A；13.齿圈；

14.齿圈传动外壳B；15.圆弧状刀具A；16圆弧状刀具B；17.行星架；

18.行星轮；19.太阳轮；20.电机轴；21.联轴器

具体实施方式

所述基于行星齿轮系的果实采摘头主要由动力模块、切割执行模块、吸附模块组成。

动力模块，所述动力模块的核心部分为一个行星齿轮系。

行星轮，三个行星轮18通过轴向定位螺钉安装在行星架17预设的三个均布齿轮轴上；

太阳轮，太阳轮19和三个行星轮18进行中心区域的啮合；

齿圈，齿圈13与三个行星轮18进行外围的啮合；

齿圈传动外壳A，齿圈传动外壳A 12在外缘沿圆周设有均布光孔，通过螺栓连接与齿圈传动外壳B配合。

齿圈传动外壳B，齿圈传动外壳B 14在外缘沿圆周设有均布光孔，通过螺栓连接与齿圈传动外壳A配合。

其中，太阳轮19为动力输入端，将与电机动力输出轴进行连接(使用预设六角联轴结构或者联轴器)；行星架17和齿圈13均为动力输出端，行星架17右端轴与刀具A进行连接(使用预设六角连轴结构或者紧定螺钉)，对于行星架的动力输出，需要通过齿圈传动外壳A12以及齿圈传动外壳B 14的配合，齿圈传动外壳A 12、齿圈13、齿圈传动外壳B 14通过各自预设好的均布光孔插入螺栓进行连接，当齿圈有动力的输出时，齿圈传动外壳A、B将和齿圈为一个动力整体。齿圈传动外壳A 12的左端预设有针对和轴承配合的空心轴结构，空心结构用于电机轴的动力输入。齿圈传动外壳B 14上有段预设有针对和圆弧状刀具A 15进行配合的凸台，凸台在径向预设螺纹孔，行星架17右端的动力输出轴在凸台中心的光孔中通过。

切割执行模块，所述切割执行模块主要由三个零件组成，分别是圆弧状刀具A、圆弧状刀具B、梳状罩7。切割执行模块主要由一把双刃圆弧形刀具、一把圆弧形无刃限位刀具、梳状罩组成。

上述两把圆弧形刀具中，双向刀刃位于刀具A外侧，无刃刀具B直径略大于A，在切割枝条时起限位(拖垫枝条)的作用。无刃圆弧状刀具使实际的采摘过程为“切割”而非“剪切”，从而降低了配合的精度要求。

刀具A 15一端设有联轴结构，可以使用紧定螺钉与齿圈传动外壳B 14配合传送动力，另外一端设有空心光轴，与轴承座8配合并运动。

刀具B 16一端设有联轴机构，可以使用联轴器或者紧定螺钉与行星架17配合传送动力，另外一端设有光轴，与轴承座8以及刀具A 15的空心光轴端配合并运动。

梳状罩7通过自身的圆形安装底座上的光孔装配在主体框架上，将刀具A15、刀具B16包在梳状罩自己的范围内，对果实和枝干起到保护作用。

吸附模块，所述的吸附模块由气缸1和吸盘2两个主要零件构成，吸盘2使用预设的安装卡扣与气缸1伸缩轴的连接头进行装配和密封，在实际使用时，气缸1是固定在预设的框架9上，气缸的另一端与外接的气泵相连，进行气动控制。

吸盘2设计使用柔性材料，形状为圆盘状，此发明将在不损伤果实的前提下，使球形或者椭球形果实自动定位到理想位置，使得上述的切割过程顺利完成。

Claims (1)

1.一种基于行星齿轮系的果实采摘头，其特征在于，所述基于行星齿轮系的果实采摘头包括：

齿圈传动外壳A（12），所述齿圈传动外壳为阶梯圆盘状，在其最外侧设有直径最小的第一阶梯，所述第一阶梯为管状结构，可以与外部轴承进行配合，承担整个行星齿轮系的载荷，电机轴可以通过上述管状结构为行星齿轮系提供动力输入，在第二个阶梯内侧，设有轴承座，内部配合对应的轴承，为行星齿轮系在齿圈传动外壳A（12）中稳定运动提供必要条件，在第三个阶梯外表面，设有均布的光孔，螺栓可以通过光孔进行与其他零件的连接，同时，第三阶梯的内部结构提供容纳行星轮系的空间，第三阶梯的外缘内径与齿圈（13）的外径符合间隙配合条件；

齿圈传动外壳B（14），所述齿圈传动外壳为阶梯圆盘状，在其最外侧设有直径最小的第一阶梯，所述第一阶梯为管状结构，可以与外部轴承进行配合，承担整个行星齿轮系的载荷，动力输出轴可以通过上述管状结构将行星齿轮系的动力向外输出，此外，在上述齿圈传动外壳B（14）的第一阶梯外表面母线上，设有外六角结构和紧定螺钉孔，可以选择两种结构与对应的外部零件进行配合，在第二个阶梯内侧，设有轴承座，内部配合对应的轴承，为行星齿轮系在齿圈传动外壳B（14）中稳定运动提供必要条件，在第三个阶梯外表面，设有均布的光孔，螺栓可以通过光孔进行与其他零件的连接，同时，第三阶梯的内部结构提供容纳行星轮系的空间，第三阶梯的外缘内径与齿圈（13）的外径符合间隙配合条件；

齿圈（13），所述齿圈为圆环状内齿圈，在其端面上设有均布的光孔，可以通过螺栓与上述齿圈传动外壳A（12）、齿圈传动外壳B（14）进行连接，形成一个同步转动的部件；

太阳轮（19），所述太阳轮为一直齿圆柱齿轮，一端设有动力输入轴，轴的一端设有安装联轴器的螺纹孔及外六角结构；

行星轮（18），所述的行星轮直齿圆柱齿轮，共有三个，其端面设有光孔，可以通过该光孔与其他零件进行配合；

行星架（17），所述行星架主体为一圆盘，一端面圆心处设有动力输出轴，所述动力输出轴上设有安装联轴器的螺纹孔及外六角结构，所述行星架主体圆盘的另外一个端面上沿圆周均布设有三个光轴，可以与上述行星轮（18）的光孔进行配合，在所述光轴的顶端，设有安装弹簧卡圈的凹槽，起到固定行星轮（18）的作用；

所述的太阳轮（19）、行星轮（18）、行星架（17）与齿圈（13）在装配完成后轴线两两平行，其中行星轮（18）通过弹簧卡圈安装在行星架（17）的三个光轴上，并可以自由回转，此时三个行星轮（18）中间的空间，满足此三者与太阳轮的啮合条件，所述三个行星轮（18）的外缘位置，满足此三者与齿圈（13）的啮合条件，装配之后形成一个行星齿轮系；

上述行星齿轮系安装在齿圈传动外壳A（12）和齿圈传动外壳B（14）的内部空间中，齿圈（13）与齿圈传动外壳A（12）和齿圈传动外壳B（14）的第三阶梯内部，太阳轮（19）动力输入轴和行星架（17）一端的动力输出轴分别与齿圈传动外壳A（12）和齿圈传动外壳B（14）第二阶梯内安装的轴承配合，以此提供行星出轮系平稳运行的条件；

圆弧状刀具（6），所述圆弧状刀具分为A、B两片，所述圆弧状刀具A为双刃刀具，且其半径略小于所述圆弧状刀具B，在上述的圆弧状刀具分为A、B一端分别设有内六角传动结构，将齿圈传动外壳B（14）和行星架（17）上的动力传递到圆弧状刀具分为A、B上，所述圆弧状刀具A、B的非传动端将与框架外部的轴承配合，以平稳运动；

梳状罩（7），所述梳状罩（7）由圆环底座和数条直腿构成，上述圆环底座上设有两对光孔，可以通过螺栓连接安装在主体框架上，直腿的顶端有球状头，对水果起保护作用；

上述行星齿轮系在齿圈传动外壳A（12）和齿圈传动外壳B（14）预设的内部空间中获得齿轮啮合的必要条件，达到稳定运行；

装配好后齿圈传动外壳A（12）和齿圈传动外壳B（14）与齿圈（13）通过螺栓连接为一体，电机输入一定方向的动力后，由于机构的运动特征，且之前所述的齿圈（13）与齿圈传动外壳A（12）和齿圈传动外壳B（14）已经装配为一个整体，则齿圈传动外壳输出的动力即齿圈的动力，此动力必然与行星架（17）输出的动力方向相反，所述相反的一对动力，即最后剪切果梗的动力；

圆弧状刀具A、B通过半径的控制在装配时留有间隙，且完成的运动为“切割”而非“剪切”，从而降低了加工和装配的难度，同时能够完整的实现水果采摘的功能；

梳状罩（7）通过光孔及螺栓连接安装在主体框架上，而所述梳状罩（7）的设计和使用，即其圆柱形的结构与圆弧状刀具A、B的配合，是所述的基于行星齿轮系的果实采摘头对果实和枝干保护功能的必备条件。