CN110235607A - 一种果梗夹切式采摘机器人末端执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种果梗夹切式采摘机器人末端执行器，包括L型刀片、拉簧、压缩弹簧、笔形气缸、架体、气缸支架、视觉传感器、固定夹、活动夹。L型刀片与活动夹共同转动连接于架体前部，笔形气缸的活塞杆前端套有压缩弹簧，压缩弹簧的另一端面与活动夹固联，拉簧一端与L型刀片的尾端联接，另一端与架体连接。本发明利用笔形气缸通过压缩弹簧驱动活动夹绕固定铰链转动，依靠压缩弹簧的弹性夹住果梗后，气缸活塞杆继续伸出推动L型刀片旋转最终切断果梗，完成采摘动作，本发明具有结构紧凑、简洁、通用性强、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于农业果蔬自动化采摘设备技术领域，尤其涉及一种果梗夹切式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，但大部分停留在实验室研发阶段，由于农业果蔬采摘机器人的研发过程中，对末端执行器的研制要求较高，因此采摘机器人距离实用化、商品化还存在很大差距。
直至目前，采摘机器人末端执行器的采摘方式主要有两种：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
本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提供一种果梗夹切式采摘机器人末端执行器。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种果梗夹切式采摘机器人末端执行器，包括L型刀片、拉簧、压缩弹簧、笔形气缸、架体、气缸支架、固定夹以及活动夹；所述笔形气缸通过气缸支架与架体固定连接，笔形气缸的前端为活塞杆，活塞杆上套接有压缩弹簧，活塞杆通过所述压缩弹簧与活动夹固联；所述活动夹设于架体的端部，通过铰链与架体转动连接，活动夹的一侧设有固定夹，固定夹设置于架体的前部，与架体固联成一体；所述笔形气缸带动压缩弹簧向前压缩时，压缩弹簧进一步带动活动夹向固定夹的方向转动，用于夹持果梗；所述活动夹的夹持面中部设有刀片安装槽，刀片安装槽内设有L型刀片，所述的L型刀片与活动夹连接于同一铰链，L型刀片通过铰链在刀片安装槽内相对于架体进行转动，用于切断夹持的果梗；所述L型刀片的尾端设有拉簧，拉簧的另一端与架体固定连接。
本发明进一步解决的技术问题是，所述活动夹上位于刀片安装槽的一侧设有腰型孔，所述腰型孔正对笔形气缸的活塞杆，腰形孔的孔径略大于活塞杆的外径；所述活动夹夹紧果梗后，所述压缩弹簧继续压缩带动活塞杆穿过腰型孔，推动刀片安装槽内的L型刀片绕铰链向固定夹的方向旋转。
本发明进一步解决的技术问题是，所述压缩弹簧端部的簧丝绕所述腰形孔的侧面进行弯折，形成与活动夹的固定连接。
本发明进一步解决的技术问题是，所述固定夹在厚度方向设有刀片转动槽，所述刀片转动槽与刀片安装槽的位置相对应，所述L型刀片向固定夹的方向转动时，L型刀片的一侧正好横穿于刀片转动槽内。
本发明进一步解决的技术问题是，所述架体的底部还设有视觉传感器，所述视觉传感器同固定夹与活动夹的夹持角分线对正，用于获取采摘果实的三维图像。
本发明进一步解决的技术问题是，所述架体的下部设有与机器人的采摘机械臂腕部连接的螺纹安装孔。
本发明进一步解决的技术问题是，所述L型刀片的尾部以及架体的对应位置上均设有拉簧安装孔，所述拉簧的两端分别设于拉簧安装孔内，用于控制L型刀片旋转后的复位。
本发明进一步解决的技术问题是，所述L型刀片采用YG8钨钢刀片。
本发明的有益效果为：
本发明所述的末端执行器只利用一个气缸的一次活塞伸缩运动即可实现对果梗的夹持与切断，动力来源于气压驱动，动作迅速，器件重量轻，动作幅度与作用力均方便选型与设定，可省掉多种成本较高的控制夹持力的力学传感器和控制刀片伸缩的行程位置开关，简化了控制结构，降低了成本和控制难度结构，因此具有小巧紧凑、重量轻、效率高及控制简单的优点；固定夹与架体一体化结构保证果梗夹持可靠且耐用，刀片结构切断果柄后活动夹与固定夹可继续夹持下段果梗，将果实放置收集装置中，防止果实断梗后跌落而受到损伤；通用性强，可以应用于采摘草莓、番茄、苹果等多种果蔬。
附图说明
图1为本发明初始状态的整体机构示意图。
图2为发明采摘动作结束时的整体结构示意图。
图3为本发明活动夹连接的局部结构示意图。
图4为本发明俯视结构局部示意图。
图中序号，1-L型刀片、2-拉簧、3-压缩弹簧、4-笔形气缸、5-架体、6-气缸支架、7-固定夹、8-活动夹、9-视觉传感器、21-拉簧安装孔、41-活塞杆、51-螺纹安装孔、71-刀片转动槽、81-刀片安装槽、82-腰型孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的发明内容作进一步地说明。
参见图1-4所示的一种果梗夹切式采摘机器人末端执行器，包括L型刀片1、拉簧2、压缩弹簧3、笔形气缸4、架体5、气缸支架6、固定夹7以及活动夹8；所述笔形气缸4通过气缸支架6与架体5固定连接，所述的笔形气缸4选用PB12×15SU型号，笔形气缸的缸径为12mm，行程为15mm，附磁石，笔形气缸4的前端为活塞杆41，活塞杆41上套接有压缩弹簧3，活塞杆41通过所述压缩弹簧3与活动夹8固联；所述活动夹8设于架体5的端部，通过铰链与架体5转动连接，活动夹8的一侧设有固定夹7，固定夹7设置于架体5的前部，与架体5固联成一体；所述笔形气缸4带动压缩弹簧3向前压缩时，压缩弹簧3进一步带动活动夹8向固定夹7的方向转动，用于夹持果梗；所述活动夹8的夹持面中部设有刀片安装槽81，刀片安装槽81内设有L型刀片1，所述的L型刀片1与活动夹8连接于同一铰链，L型刀片1通过铰链在刀片安装槽81内相对于架体5进行转动，用于切断夹持的果梗；所述L型刀片1的尾端设有拉簧2，拉簧2的另一端与架体5固定连接。
参见图3，所述活动夹8上位于刀片安装槽81的一侧设有腰型孔82，所述腰型孔82正对笔形气缸的活塞杆41，腰形孔82的孔径略大于活塞杆41的外径，从而保证所述笔型气缸活塞杆41的在动作时不与活动夹8发生运动干涉；所述活动夹8夹紧果梗后，所述压缩弹簧3继续压缩带动活塞杆41穿过腰型孔82，推动刀片安装槽81内的L型刀片1绕铰链向固定夹7的方向旋转。
本实施例中，压缩弹簧3与所述活动夹8的固联实际上是所述压缩弹簧3端部的簧丝绕所述腰形孔82的侧面进行弯折，形成与活动夹8的固定连接。
本实施例中，所述固定夹7在厚度方向设有刀片转动槽71，所述刀片转动槽71与刀片安装槽81的位置相对应，所述L型刀片1向固定夹7的方向转动时，L型刀片1的一侧正好横穿于刀片转动槽71内，可以保证果梗能被完全切割，并且实现了在所述活动夹8与所述固定夹7之间割断果柄的动作，保证了割断果梗的成功率和延长刀片寿命。
本实施例中，所述架体5的底部还设有视觉传感器9，所述视觉传感器9同固定夹7与活动夹8的夹持角分线对正，用于获取采摘果实的三维图像，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。本发明中所述视觉传感器9选用微型高清CCD摄像头，这里所述的微型高清CCD摄像头其信号传输方式以及控制连接方式等均属于现有技术，均利用了现有的产品，因此其具体的装置结构与控制连接系统并非本发明的发明点，因此不做详细描述。
本实施例中，所述架体5的下部设有与机器人的采摘机械臂腕部连接的螺纹安装孔51。
本实施例中，所述L型刀片1的尾部以及架体5的对应位置上均设有拉簧安装孔21，所述拉簧2的两端分别设于拉簧安装孔21内，以保证果梗切断后所述L型刀片1能立即复位，同时所述L型刀片1能够有效割断果梗，所述活动夹8能在割断后继续夹住剩余果梗并在机器人的带动下将果实放入收集筐。
本实施例中，所述L型刀片1采用YG8钨钢刀片；所述拉簧2和所述压缩弹簧3用弹簧钢制造；所述的架体5、气缸支架6、固定夹7以及活动夹8均选择强度相对较高且密度较小的型号为2A12的铝合金材料为毛坯料进行加工制造。
本发明装置的具体使用过程：
如图1所示的初始状态下，所述固定夹7、所述活动夹8处于张开状态，所述拉簧2处于自由状态，所述压缩弹簧3处于自由状态，所述L型刀片1处于初始状态。采摘时所述视觉传感器9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，带动本发明的末端执行器运动到采摘位置点上。
机器人控制机械臂保持在采摘工作位的现有位置和姿态，并控制笔形气缸4通入相应方向的工作气压的气体，设置在笔形气缸活塞杆41上的压缩弹簧3逐渐向前压缩，带动活动夹8绕固定铰链向固定夹7的方向旋转，完成夹牢果梗的动作。然后，压缩弹簧3继续压缩，直到笔形气缸4的活塞杆41穿过活动夹8上的腰型孔82并将安装在活动夹8刀片安装槽81内的L型刀片1带动旋转，即L型刀片1在笔形气缸4的活塞杆41的带动下，绕固定铰链向固定夹7的方向旋转，从刀片安装槽81的位置旋转至固定夹7的刀片旋转槽71的位置处，从而切断之前夹紧的果梗。在此过程中，笔形气缸1保持通气方向不变，固定夹7和活动夹8保持夹持果梗的状态。机器人带动本发明的采摘机器人末端执行器运动到果实收集装置处，然后改变笔形气缸4通气方向，此时压缩弹簧3回收至初始状态，带动活动夹8张开，拉簧2的收缩带动L型刀片1快速复位。果实随即落入果实收集装置内，至此，末端执行器完成对一个果实采摘的全部过程。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种果梗夹切式采摘机器人末端执行器，其特征在于：包括L型刀片(1)、拉簧(2)、压缩弹簧(3)、笔形气缸(4)、架体(5)、气缸支架(6)、固定夹(7)以及活动夹(8)；所述笔形气缸(4)通过气缸支架(6)与架体(5)固定连接，笔形气缸(4)的前端为活塞杆(41)，活塞杆(41)上套接有压缩弹簧(3)，活塞杆(41)通过所述压缩弹簧(3)与活动夹(8)固联；所述活动夹(8)设于架体(5)的端部，通过铰链与架体(5)转动连接，活动夹(8)的一侧设有固定夹(7)，固定夹(7)设置于架体(5)的前部，与架体(5)固联成一体；所述笔形气缸(4)带动压缩弹簧(3)向前压缩时，压缩弹簧(3)进一步带动活动夹(8)向固定夹(7)的方向转动，用于夹持果梗；所述活动夹(8)的夹持面中部设有刀片安装槽(81)，刀片安装槽(81)内设有L型刀片(1)，所述的L型刀片(1)与活动夹(8)连接于同一铰链，L型刀片(1)通过铰链在刀片安装槽(81)内相对于架体(5)进行转动，用于切断夹持的果梗；所述L型刀片(1)的尾端设有拉簧(2)，拉簧(2)的另一端与架体(5)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种果梗夹切式采摘机器人末端执行器，其特征在于：所述活动夹(8)上位于刀片安装槽(81)的一侧设有腰型孔(82)，所述腰型孔(82)正对笔形气缸的活塞杆(41)，腰形孔(82)的孔径略大于活塞杆(41)的外径；所述活动夹(8)夹紧果梗后，所述压缩弹簧(3)继续压缩带动活塞杆(41)穿过腰型孔(82)，推动刀片安装槽(81)内的L型刀片(1)绕铰链向固定夹(7)的方向旋转。
3.根据权利要求2所述的一种果梗夹切式采摘机器人末端执行器，其特征在于：所述压缩弹簧(3)端部的簧丝绕所述腰形孔(82)的侧面进行弯折，形成与活动夹(8)的固定连接。
4.根据权利要求2所述的一种果梗夹切式采摘机器人末端执行器，其特征在于：所述固定夹(7)在厚度方向设有刀片转动槽(71)，所述刀片转动槽(71)与刀片安装槽(81)的位置相对应，所述L型刀片(1)向固定夹(7)的方向转动时，L型刀片(1)的一侧正好横穿于刀片转动槽(71)内。
5.根据权利要求1所述的一种果梗夹切式采摘机器人末端执行器，其特征在于：所述架体(5)的底部还设有视觉传感器(9)，所述视觉传感器(9)同固定夹(7)与活动夹(8)的夹持角分线对正，用于获取采摘果实的三维图像。
6.根据权利要求1所述的一种果梗夹切式采摘机器人末端执行器，其特征在于：所述架体(5)的下部设有与机器人的采摘机械臂腕部连接的螺纹安装孔(51)。
7.根据权利要求1所述的一种果梗夹切式采摘机器人末端执行器，其特征在于：所述L型刀片(1)的尾部以及架体(5)的对应位置上均设有拉簧安装孔(21)，所述拉簧(2)的两端分别设于拉簧安装孔(21)内，用于控制L型刀片(1)旋转后的复位。
8.根据权利要求1所述的一种果梗夹切式采摘机器人末端执行器，其特征在于：所述L型刀片(1)采用YG8钨钢刀片。
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