CN109168636B - 球形水果采摘机器人末端执行器 - Google Patents

Abstract

球形水果采摘机器人末端执行器，包括套筒伸缩结构、弹簧伸缩结构、手指握取结构和电热切割结构；套筒伸缩结构包括套筒、气缸，套筒的侧壁上均匀分布有多个凹槽，气缸安装于凹槽底部；弹簧伸缩结构包括连接件、电机、弹簧、细线、伸缩环组件；手指握取结构包括手指上端盖、约束环、手指下底座、弹簧钢片、硅胶软管；连接件安装于凹槽内气缸的顶部，伸缩环组件一端固定于连接件上，伸缩环组件另一端和手指下底座连接，弹簧套装于伸缩环组件上；硅胶软管和弹簧钢片安装于手指下底座、约束环、手指上端盖形成的空间内部；电热切割结构安装于套筒外侧壁上。本发明属于农业采摘机器人技术领域。本发明具有结构简单、易于操作、高效率、低损伤等优点。

Description

球形水果采摘机器人末端执行器

技术领域

本发明属于农业采摘机器人技术领域，具体涉及一种球形水果采摘机器人末端执行器。

背景技术

目前，在面积相对较小的果实种植园地中，主要采用人工采摘的方式进行柑橘的采摘，这种采摘方式耗时费力，工作量大，工作效率较低，同时采摘工人登高作业时还存在一定的安全隐患；而对于面积相对较大的果实种植园地，则需要利用大型机器进行采摘，这种方式虽然能够提高采摘的效率，但成本较高，并且采摘过程中会对大量的果实造成一定程度的损伤，容易划伤果实，使果实水分流失。现有的柑橘采摘末端执行器在某些方面还存在缺点和不足，如这些末端执行器没有保护装置，在采摘过程中易受果树枝干的影响而受到损坏；这些末端执行器在枝叶较为繁茂的果树中易受果实附近的枝叶干扰，导致采摘不成功。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种球形水果采摘机器人末端执行器，它还具有结构简单、易于操作、高效率、低损伤等优点。

球形水果采摘机器人末端执行器，包括套筒伸缩结构、弹簧伸缩结构、手指握取结构和电热切割结构；套筒伸缩结构包括套筒、气缸，套筒的侧壁上均匀分布有多个凹槽，气缸安装于凹槽底部；弹簧伸缩结构包括连接件、电机、弹簧、细线、伸缩环组件；手指握取结构包括手指上端盖、约束环、手指下底座、弹簧钢片、硅胶软管；连接件安装于凹槽内气缸的顶部，伸缩环组件一端固定于连接件上，伸缩环组件另一端和手指下底座连接，弹簧套装于伸缩环组件上，细线一端固定在手指下底座上，细线另一端穿过连接件和电机转轴连接；手指下底座、约束环、手指上端盖依次连接，硅胶软管和弹簧钢片安装于手指下底座、约束环、手指上端盖形成的空间内部；电热切割结构安装于套筒外侧壁上。

优选的，凹槽的深度大于等于气缸的高度和手指握取结构的高度之和。

优选的，套筒呈圆筒状，在套筒的侧壁上均匀设置三个凹槽。

优选的，连接件呈“L”形，包括垂直相连接的横杆和竖杆，横杆固定在气缸的活塞杆的顶部，伸缩环组件一端固定于竖杆上，伸缩环组件另一端和设于横杆上方的手指下底座连接。

优选的，伸缩环组件包括粗伸缩环和细伸缩环，竖杆上设有通孔，粗伸缩环安装于竖杆上并和通孔对准，细伸缩环滑动式置入粗伸缩环内，细伸缩环末端和手指下底座连接，弹簧一端和竖杆固定连接，弹簧另一端和手指下底座连接。

优选的，还包括电机支架，电机支架安装于连接件下部的侧壁上，电机通过电机支架安装于连接件下方。

优选的，电热切割结构包括电热丝刀片、切割臂、数字舵机、舵机支架和加热电路，舵机支架安装在套筒外侧壁上，数字舵机安装于舵机支架上，切割臂安装在数字舵机上，电热丝刀片安装在切割臂上，电热丝刀片和加热电路连接。

优选的，气缸通过气管和外部气源连接。

优选的，弹簧钢片安装于手指下底座、约束环、手指上端盖形成的空间内部的内侧，硅胶软管安装于手指下底座、约束环、手指上端盖形成的空间内部的外侧。

优选的，手指下底座上设有用于安装气管的孔，硅胶软管通过气管和外部气源连接。

本发明的优点：

1、本发明通过手指握取结构和套筒伸缩结构的结合，使得末端执行器能在果实被部分枝叶遮挡的情况下对果实进行夹持，减少采摘果实附近枝叶的干扰，提高采摘果实的成功率；并通过手指握取结构和弹簧伸缩结构的结合，能确保果实在夹持过程中受力在可承受范围内，避免对果实产生损伤，降低采摘果实的损伤率。

2、本发明中，凹槽的深度大于等于气缸的高度和手指握取结构的高度之和，因此在末端执行器定位过程中，手指握取结构能完全置于套筒伸缩结构的凹槽内，从而能有效的保护手指握取结构，防止手指握取结构在不工作情况下与果树枝叶发生碰撞、摩擦等情况。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的套筒伸缩结构的结构示意图。

图3为本发明的弹簧伸缩结构的结构示意图。

图4为本发明的手指握取结构的结构示意图。

图5为本发明的电热切割结构的结构示意图。

图6为本发明采摘步骤的采摘之前的工作状态示意图。

图7为本发明采摘步骤的手指握取结构伸出的工作状态示意图。

图8为本发明采摘步骤的抓取果实的工作状态示意图。

图9为本发明采摘步骤的电热切割的工作状态示意图。

图10为本发明采摘步骤的切割后的工作状态示意图。

其中，1-套筒伸缩结构，2-弹簧伸缩结构，3-手指握取结构，4-电热切割结构，5-套筒，6-气缸，7-连接件，8-粗伸缩环，9-细伸缩环，10-细线，11-电机支架，12-电机，13-手指上端盖，14-约束环，15-手指下底座，16-弹簧钢片，17-数字舵机，18电热丝刀片，19切割臂，20-舵机支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的具体说明。

球形水果采摘机器人末端执行器包括套筒伸缩结构、弹簧伸缩结构、手指握取结构和电热切割结构。弹簧伸缩结构安装于套筒伸缩结构环向分布的凹槽内，手指握取结构安装于弹簧伸缩结构上，通过套筒伸缩结构和弹簧伸缩结构的带动，手指握取结构在套筒伸缩结构的轴向和径向方向运动以抓取或松开柑橘(本实施例以柑橘为例来说明，其他球形水果亦可)；电热切割结构安装在套筒伸缩结构的外侧，电热切割结构用以切断柑橘的枝干，从而将柑橘从果树分离、采摘下来。

本发明中，定义轴向方向即为套筒伸缩结构的套筒的中心轴线方向，定义径向方向即为套筒伸缩结构的套筒的径向方向。

套筒伸缩结构包括套筒、气缸。套筒呈中空的圆筒状，套筒的侧壁上均匀开设有多个凹槽，每个凹槽的底部安装一个气缸，气缸的伸缩杆上安装一弹簧伸缩结构。本实施例中，凹槽个数为3个。气缸通过气管和外部气源连接，外部气源驱动气缸工作，使得气缸的活塞杆上下运动。

弹簧伸缩结构包括连接件、粗伸缩环、细伸缩环、弹簧、细线、电机、电机支架。连接件呈“L”形，包括垂直相连接横杆和竖杆，竖杆上设有通孔。连接件通过横杆安装在伸缩杆的顶部，连接件的竖杆处于套筒的外侧。在连接件的下方设有电机支架，电机支架和连接件的一侧固定连接，电机安装在电机支架上。粗伸缩环一端固定在竖杆的内侧壁，且粗伸缩环和竖杆上的通孔对准。细伸缩环置入粗伸缩环内，细伸缩环可在粗伸缩环内滑动；细伸缩环的末端和手指握取结构的手指下底座固定连接。弹簧套装于粗伸缩环和细伸缩环上，弹簧一端和连接件的竖杆连接，弹簧另一端和手指下底座连接。细线一端固定在手指握取结构的手指下底座，细线穿过连接件的竖杆的相应小圆孔，细线另一端与电机的转轴相连。电机工作时，将细线卷起，弹簧被压缩，弹簧伸缩结构整体收缩，从而带动手指握取结构沿着径向方向往套筒外运动，以便于手指握取结构对柑橘的握取；电机停止时，弹簧反弹，弹簧伸缩结构整体回弹，带动手指握取结构沿着径向方向往套筒内运动，以便于手指握取结构对握取后的柑橘进行抓紧。

手指握取结构包括手指上端盖、约束环、手指下底座、弹簧钢片、硅胶软管。手指上端盖、约束环、手指下底座依次相连接，硅胶软管和弹簧钢片安装在由手指上端盖、约束环和手指下底座组合后形成的空间内部。弹簧钢片安装于手指下底座、约束环、手指上端盖形成的空间内部的内侧，硅胶软管安装于手指下底座、约束环、手指上端盖形成的空间内部的外侧。气管安装在手指下底座的孔中，气管为PU气管，气管和外部气源连接。外部气源向手指握取结构内输入一定压强气体，内部的硅胶软管在约束环的约束下智能径向膨胀，此时手指握取结构向弹簧钢片所在的一侧弯曲，弯曲的手指握取结构将握取的柑橘夹住；外部气源断开，释放气体时，内部的硅胶软管疲软，弹簧钢片恢复初始形状，手指握取结构伸直，柑橘被松开，此时被松开的柑橘已经进入套筒一定深度，柑橘被松开后，沿着滚筒滚入外部的收集装置中。

电热切割结构包括电热丝刀片、切割臂、数字舵机、舵机支架和加热电路，加热电路和目前现有的用于加热刀片的电路相同，属于现有技术。舵机支架安装在套筒外侧壁上，数字舵机安装于舵机支架上，切割臂安装在数字舵机上，电热丝刀片安装在切割臂上，电热丝刀片和加热电路连接。加热电路通电后，电热丝刀片发热。当电热丝刀片加热至一定程度时，数字舵机工作，数字舵机的轴承旋转一定角度，带动切割臂及电热丝刀片以舵机轴承为圆心进行圆周运动，电热丝刀片对该范围内的果梗进行电热切割，从而将柑橘和果树分离，完成柑橘采摘。切割完成后，电热丝刀片停止加热，切割臂在数字舵机的作用下复位。

本发明的工作过程：本球形水果采摘机器人末端执行器对准柑橘后，电机开始工作，弹簧伸缩结构带动手指握取结构沿着径向方向往套筒外部方向移动，手指握取结构张开，以保证有足够大的空间包纳要采摘的柑橘；同时，气缸也开始工作，套筒伸缩结构带动手指握取结构沿着轴向往套筒上方移动，以使得手指握取结构逐渐靠拢即将采摘的柑橘；当手指握取结构在待采摘的柑橘的四周，并在轴向方向超出待采摘柑橘时，弹簧伸缩结构反向运动，弹簧伸缩结构带动手指握取结构沿着径向方向往套筒内运动，以逐渐靠近柑橘，并紧紧包住柑橘；此时，手指握取结构的开始向内侧弯曲，从而将柑橘抓取住；之后，套筒伸缩结构带动手指握取结构沿着轴向往套筒下部方向移动，当移动到套筒内一定深度时，弹簧伸缩结构带动手指握取结构沿着径向方向外套筒外部方向移动，以使得手指握取结构逐渐松开抓取的柑橘，此时柑橘在套筒内沿着套筒落入外部的收集装置内。

工作时，各电机是同时开始和停止工作的，各气缸也是同时开始和停止工作的，因此每个凹槽处的各手指握取结构的运动也是同步的，以保证对柑橘的精准握取。

本实施例中，凹槽的深度大于等于气缸的高度和手指握取结构的高度之和。本末端执行器在工作过程中，未实施采摘且在末端执行器定位过程中，手指握取结构能完全置于套筒的凹槽内，从而能有效的保护手指握取结构，保护执行器。

本实施例中，以采摘柑橘为例进行具体说明；但是，本末端执行器同样适用于球形水果或类球形果实或其他类球形物体，针对这些物体的结构相同的采摘末端执行器依然本发明的保护范围。

上述实施例为发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.球形水果采摘机器人末端执行器，其特征在于：包括套筒伸缩结构、弹簧伸缩结构、手指握取结构和电热切割结构；套筒伸缩结构包括套筒、气缸，套筒的侧壁上均匀分布有多个凹槽，气缸安装于凹槽底部；弹簧伸缩结构包括连接件、电机、弹簧、细线、伸缩环组件；手指握取结构包括手指上端盖、约束环、手指下底座、弹簧钢片、硅胶软管；连接件安装于凹槽内气缸的顶部，伸缩环组件一端固定于连接件上，伸缩环组件另一端和手指下底座连接，弹簧套装于伸缩环组件上，细线一端固定在手指下底座上，细线另一端穿过连接件和电机转轴连接；手指下底座、约束环、手指上端盖依次连接，硅胶软管和弹簧钢片安装于手指下底座、约束环、手指上端盖形成的空间内部；电热切割结构安装于套筒外侧壁上。

2.根据权利要求1所述球形水果采摘机器人末端执行器，其特征在于：凹槽的深度大于等于气缸的高度和手指握取结构的高度之和。

3.根据权利要求1所述球形水果采摘机器人末端执行器，其特征在于：套筒呈圆筒状，在套筒的侧壁上均匀设置三个凹槽。

4.根据权利要求1所述球形水果采摘机器人末端执行器，其特征在于：连接件呈“L”形，包括垂直相连接的横杆和竖杆，横杆固定在气缸的活塞杆的顶部，伸缩环组件一端固定于竖杆上，伸缩环组件另一端和设于横杆上方的手指下底座连接。

5.根据权利要求4所述球形水果采摘机器人末端执行器，其特征在于：伸缩环组件包括粗伸缩环和细伸缩环，竖杆上设有通孔，粗伸缩环安装于竖杆上并和通孔对准，细伸缩环滑动式置入粗伸缩环内，细伸缩环末端和手指下底座连接，弹簧一端和竖杆固定连接，弹簧另一端和手指下底座连接。

6.根据权利要求4所述球形水果采摘机器人末端执行器，其特征在于：还包括电机支架，电机支架安装于连接件下部的侧壁上，电机通过电机支架安装于连接件下方。

7.根据权利要求1所述球形水果采摘机器人末端执行器，其特征在于：电热切割结构包括电热丝刀片、切割臂、数字舵机、舵机支架和加热电路，舵机支架安装在套筒外侧壁上，数字舵机安装于舵机支架上，切割臂安装在数字舵机上，电热丝刀片安装在切割臂上，电热丝刀片和加热电路连接。

8.根据权利要求1所述球形水果采摘机器人末端执行器，其特征在于：气缸通过气管和外部气源连接。

9.根据权利要求1所述球形水果采摘机器人末端执行器，其特征在于：弹簧钢片安装于手指下底座、约束环、手指上端盖形成的空间内部的内侧，硅胶软管安装于手指下底座、约束环、手指上端盖形成的空间内部的外侧。

10.根据权利要求1所述球形水果采摘机器人末端执行器，其特征在于：手指下底座上设有用于安装气管的孔，硅胶软管通过气管和外部气源连接。

Images