CN110149907A - 一种弹簧片采摘机器人末端执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弹簧片采摘机器人末端执行器，包括平移切割果梗组件和平移夹持果梗组件，所述平移切割果梗组件包括平移手指气缸、左带刀手指防护盖和右带刀手指防护盖，所述平移夹持果梗组件包括微动开关支架、微动开关、左夹板、右夹板、视觉传感器、机械臂对接件。本发明主要通过两侧气动平移手指先带动两侧夹板夹持果梗，再进一步带动两侧带刀手指防护盖相互闭合交接切断果梗的采摘动作方式，同时结合摄像头图像识别及微动开关来自动配合机器人完成果实采摘作业，本发明具有设计新颖、结构紧凑、通用性强、自动化程度高、环保耐用的优点。
Description
技术领域
本发明涉及农业果蔬自动化采摘末端执行器开发技术领域，特别涉及一种弹簧片采摘机器人末端执行器。
背景技术
近年来，农业果蔬采摘机器人逐渐成为机器人领域内国内外研究开发的热点，其相关技术在国内外已取得不少成果，但大部分多停留在实验室研发阶段
距离实用化商品化还存在很大差距。其主要原因之一在于对末端执行器的研制要求较高，主要要求包括：1）、机构方案要简洁小巧，重量要轻，避免繁冗的传动机构，保证整体结构的紧凑性和可靠性，提高末端执行器避障性能；2）、尽量选用通用机械电气元器件，从而降低元件成本，缩短商品化实用化进程；3）、控制方案简单可靠，同时保证在开放环境系统的鲁棒性；4）、较高的采摘成功率和效率，要求末端执行器采摘动作要有效且迅速；5）、避免采摘过程中损伤果实；6）、提高末端执行器的通用性，具有多种果实的采摘的作业能力。
直至目前，末端执行器的采摘的方式主要有两种：动作掰拧式和刀割切断式。动作掰拧式设计相应机构先对果实进行夹持抓牢，再利用腕关节的两个垂直方向上的转动来模拟人掰拧果柄的动作，其作业的对象要求果柄易于与果枝分离，同时需要严格控制好夹持果实的力的大小，否则极易损伤果实。刀割切断式主要是利用电机驱动圆锯刀或剪刀动作直接将果梗割断，这种方法传动机构方案和控制传感系统往往比较冗繁，从而增加了系统控制的难度和机构的复杂性，增加了成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构紧凑、轻便小巧、可靠耐用、控制简单、成本低廉且通用性强的果实采摘机器人末端执行器。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种弹簧片采摘机器人末端执行器，其特征在于，包括平移手指气缸，所述平移手指气缸的两个平移手指上分别设置有左带刀手指防护盖和右带刀手指防护盖，所述左带刀手指防护盖与右带刀手指防护盖内侧均分别通过弹簧片固定有左夹板与右夹板，所述左带刀手指防护盖与右带刀手指防护盖对应位置分别设置有可相互交接的刀刃；
所述平移手指气缸上设置有用于接收果梗到位信息的微动开关。
优选的，所述两刀刃平面之间的垂直距离保留0.2mm。
优选的，所述平移手指气缸通过螺栓固定联接有机械臂对接件，所述机械臂对接件的后部加工预留有与采摘机械臂腕部连接的螺纹安装孔。
优选的，所述弹簧片共有四片，分别两两设置于左带刀手指防护盖与右带刀手指防护盖内侧。
优选的，所述平移手指气缸下侧中部通过螺钉还固定连接有视觉传感器支架，所述视觉传感器支架通过螺钉旋紧固定连接有视觉传感器。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.结构小巧紧凑，成本更低，重量轻，避障性好，通用性强，并且本发明只用了一个气缸驱动节能环保，达到一次驱动完成夹持和切断两项工作的效果。
2.弹簧片的加入，在只需要一个驱动气缸的情况下，利用弹簧片的弹性，使得平移手指气缸产生的气动带动机械传动，既实现了结构的紧凑，又能保证本发明在采摘过程中减少对即将采摘或后续待采摘的果实的伤害。弹簧片在夹持果梗时起到“让性”作用，比普通采摘机器人末端执行器采用弹簧等，更能适应对不同粗细果梗的夹持，更能确保被夹持的果梗表面不受损伤，近而实现果实的高质量采摘。
3.本发明的将刀片、刀片安装架和护刀盖三个装置一体化设计成带刀手指防护盖装置，大幅度减小了采摘机器人末端执行器的厚度，结构更为小巧紧凑，减少采摘过程中产生的二次伤害，采摘得到的果梗长度更小，大幅度提高了采摘质量。
4.本发明采用微动开关，不但有效防止果梗冲出可夹持区域，而且更能迅速接收目标果梗到位信息，反应速度更快更灵敏，工作效率更高。
附图说明
图1是本发明的一种弹簧片采摘机器人末端执行器的整体结构示意图；
图2是本发明的一种弹簧片采摘机器人末端执行器的拆盖结构示意图；
图中：1-平移手指气缸，2-微动开关支架，3-微动开关，4-左夹板，5-弹簧片，6-左带刀手指防护盖，7-右带刀手指防护盖，8-右夹板，9-视觉传感器，10-视觉传感器支架，11-机械臂对接件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，本实施例不构成对本发明的限制。
如图1、图2所示的是本发明的一种弹簧片采摘机器人末端执行器的整体结构示意图和拆盖结构示意图，一种弹簧片采摘机器人末端执行器，包括平移手指气缸1，所述平移手指气缸1的两个平移手指上分别通过螺栓旋紧固定连接有左带刀手指防护盖6和右带刀手指防护盖7，所述左带刀手指防护盖6与右带刀手指防护盖7内侧均分别通过弹簧片5固定焊接有左夹板4与右夹板8，所述左带刀手指防护盖6、右带刀手指防护盖7分别在对应位置做有可相互交接的刀刃，所述两刀刃平面之间的垂直距离保留0.2mm，从而保证果梗能被完全切割。本发明采用将切割刀刃与防护盖一体化的设计，结构更为精简紧凑，减少采摘过程中产生的二次伤害，采摘得到的果梗长度更小，大幅度提高了采摘质量。
所述弹簧片5共有四个，分别两两固定焊接于左带刀手指防护盖6与右带刀手指防护盖7内侧，所述弹簧片5采用用不锈钢弹片材料制成，在成型时将弹簧片5的两端折弯，构成Z型弹簧片，通过焊接将弹簧片5的两端分别将左右带刀手指防护盖和左右夹板固定连接。弹簧片5的加入，在只需要一个驱动气缸的情况下，利用弹簧片5的弹性，使得平移手指气缸产生的气动带动机械传动，既实现了结构的紧凑，又能保证本发明在采摘过程中减少对即将采摘或后续待采摘的果实的伤害。弹簧片5在夹持果梗时起到“让性”作用，比普通采摘机器人末端执行器采用弹簧等，更能适应对不同粗细果梗的夹持，更能确保被夹持的果梗表面不受损伤，近而实现果实的高质量采摘。
所述平移手指气缸1的左上侧通过螺钉固定连接有微动开关支架2，所述微动开关支架2前端通过螺栓固定连接有微动开关3，微动开关3的动作簧片一方面能防止果梗因速度过快而冲出可夹持区域，另一方面能在果梗撞击到微动开关3的动作簧片时，微动开关3产生瞬时接通动作，接收到目标果梗到位的信息后，迅速驱动平移手指气缸的左右平移手指闭合做切断动作；在果实落入收集装置时，果梗离开微动开关3的动作簧片，作用在动作簧片上的力消失，微动开关3产生瞬时断开动作，从而进行采摘下一个果实目标的工作任务，反应速度更快更加灵敏，工作效率也更高。所述平移手指气缸1通过螺栓固定联接有机械臂对接件11，所述机械臂对接件11的后部加工预留有与采摘机械臂腕部连接的螺纹安装孔。
所述平移手指气缸1下侧中部通过螺钉还固定连接有视觉传感器支架10，所述视觉传感器支架10通过螺钉旋紧固定连接有视觉传感器9。所述视觉传感器9位于视觉传感器支架10末端中间处，使得所获取图像的果实坐标轴与实际采摘点坐标轴对齐，减少后期采摘作业运动控制的纠偏量。
下面针对具体实施中本发明相应的结构选材与选型做具体说明：平移手指气缸1选用型号：HFZ-20D（二指平移气缸：缸径20mm，行程10mm，附磁石）；微动开关支架2、左夹板4、右夹板8、视觉传感器支架10、机械臂对接件11均选择强度相对较高且密度较小的铝合金材料（型号2A12）为毛坯料进行加工制造；微动开关3选用型号：KW4-3Z-3；左带刀手指防护盖6、右带刀手指防护盖7选用YG8钨钢；视觉传感器10选用微型高清CCD摄像头。
本发明的工作原理如下：初始状态下左带刀手指防护盖6、右带刀手指防护盖7处于张开、弹簧片5处于拉伸状态，即左夹板4、右夹板8处于原状态。采摘时视觉传感器10捕捉果实三维图像，机器人经图像采集处理分析得到果实质心的视觉坐标系中的坐标，由此得到果梗的位置，然后通过坐标转换得出该果梗位置在机器人坐标系中的位置，并计算出采摘点相应的机器人关节角度反解，通过下位机及关节伺服驱动机械臂各关节联动，带动本发明运动到采摘位置点上。
当目标果梗进入左夹板4、右夹板8之间时，果梗首先触碰微动开关3的动作簧片上，使动作簧片末端触点快速接通，即机器人由此感知到果梗已经到达采摘工作位。
机器人控制机械臂保持现有位置和姿态，并控制平移手指气缸1通入相应方向的工作气压的气体后，驱动一对带弹簧片的夹板对向平移，依靠弹性完成左夹板4、右夹板8夹牢果梗动作；然后平移气缸1左右手指压缩弹簧片5后，带动左带刀手指防护盖6、右带刀手指防护盖7相交，利用防护盖的夹持面上设置的刀刃相互闭合交接，从而切断果梗，在此过程中，平移手指气缸1保持通气方向不变，左夹板4、右夹板8保持夹持果梗状态。
机器人带动本发明运动到果实收集装置处，平移手指气缸1通气方向发生改变，左夹板4、右夹板8张开，果实随即落入果实收集装置内，微动开关3的动作簧片末端触点快速断开，平移手指气缸1回到左右平移手指张开的原状态，至此，末端执行器完成了对一个果实采摘的全部过程。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，不用于限制本发明，本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种弹簧片采摘机器人末端执行器，其特征在于，包括平移手指气缸，所述平移手指气缸的两个平移手指上分别设置有左带刀手指防护盖和右带刀手指防护盖，所述左带刀手指防护盖与右带刀手指防护盖内侧均分别通过弹簧片固定有左夹板与右夹板，所述左带刀手指防护盖与右带刀手指防护盖对应位置分别设置有可相互交接的刀刃；
平移手指气缸上设置有用于接收果梗到位信息的微动开关。
2.根据权利要求1所述的一种弹簧片采摘机器人末端执行器，其特征在于，所述两刀刃平面之间的垂直距离保留0.2mm。
3.根据权利要求1所述的一种弹簧片采摘机器人末端执行器，其特征在于，所述平移手指气缸通过螺栓固定联接有机械臂对接件，所述机械臂对接件的后部加工预留有与采摘机械臂腕部连接的螺纹安装孔。
4.根据权利要求1所述的一种弹簧片采摘机器人末端执行器，其特征在于，所述弹簧片共有四片，分别两两设置于左带刀手指防护盖与右带刀手指防护盖内侧。
5.根据权利要求1所述的一种弹簧片采摘机器人末端执行器，其特征在于，所述平移手指气缸下侧中部通过螺钉还固定连接有视觉传感器支架，所述视觉传感器支架通过螺钉旋紧固定连接有视觉传感器。
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