CN110495301A - 一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,属于农业采摘机器人技术领域。整个设计理念利用仿生原理,采用电机驱动,通过多对锥齿轮之间的力传递,集采摘、收集为一体,实现果柄剪切、固定和收集驱动的欠驱动,其中整体结构呈对称布置,采用环抱的方式实现对待采摘脐橙的固定约束,吞咽方式实现对已采摘脐橙的收集,利用有、无弹性绳的合理组合构成的收集网,保证整个执行器在采摘过程中具有一个连续的收集通道,确保脐橙能够连续完成采摘、收集的动作。本发明收集方式新颖、采摘效率高、结构简单、控制方便、扩展性和通用性强、对脐橙的损伤小,在不增加驱动的前提下,能够将多个相同的本发明收集单元串接在一起,满足更大采摘容量的需求。
Description
技术领域
本发明涉及农业采摘机器人技术领域,具体涉及一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器。
背景技术
水果富含丰富的营养物质,而采摘方式对水果的质量具有较大的影响,目前大多数的水果采用人工采摘,方式费时费力,成本较高,因此采用农业采摘机器人代替人完成同样作业很有必要。农业作业环境复杂多变,末端执行器是完成作业任务的主体,直接影响着作业质量,在确定好采摘对象的位置后,机械臂通过改变位姿,使得采摘执行器实现采摘,执行器的结构对保证采摘质量具有重要作用。中国农业大学袁挺、弓越等人设计了一种黄瓜采摘末端执行器(专利申请号:201610916513.6),重庆理工大学王毅、张哲等人设计了一种抓取时果实采摘执行器及果实采摘执行装置(专利申请号: 201710266781.2),青岛大学夏凡、沈精虎等人设计了全驱动仿人手三指果蔬采摘末端执行器(专利申请号:201710541194.X)
上述采摘执行器存在着一些不足:执行器夹持、切割和收集动作分离或者仅能实现其中一种,各动作间存在较大间隔时间,效率相对不高,采摘动作主要用机械代替人工垂直果柄夹取采摘,采摘好的果实利用重力直接掉落,容易影响其质量,因此,针对这些问题,设计了一种环抱吞咽式运动的脐橙采摘执行器,执行器从脐橙下部往上套取脐橙,采用环抱方式实现对待采摘的脐橙夹持,采用吞咽的方式实现对已采摘好脐橙的收集,提高了采摘效率,降低了对脐橙的损伤,也能收集其它水果,借助锥齿轮传动,减少了驱动,降低了难度,整体结构简单、成本低。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明的目的是克服现有技术的不足,本发明提供了一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,解决上述问题。
(二)技术方案
本发明的技术方案:一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,集夹持、切割和收集为一体,利用仿生原理,采用环抱方式实现对待采摘脐橙的固定约束,采用吞咽方式实现对已采摘脐橙的收集,实现对脐橙的连续采摘采用环抱吞咽结合方式,连续的完成采摘、收集动作,采用锥齿轮传动,实现剪切、环抱和吞咽共驱动,其中固定板上、下面相邻结构呈对称布置,左、右丝杠螺母传动也呈对称结构,机械臂连接板同于同机械臂固定连接,机械臂连接板两侧面同两相同单向支撑板用螺栓固定连接,电机通过固定板安装在单向支撑板上,小锥齿轮通过键同电机轴连接,大锥齿轮通过键和锥齿轮轴配合连接,并同小锥齿轮构成外啮合,齿轮轴的另一端与小锥齿轮通过键连接,小锥齿轮同单向丝杠连接的大锥齿轮外啮合,单向丝杠两端同安装在单向丝杠支撑板两端内的轴承配合,两对螺母套和单向丝杠构成螺旋运动,两对螺母套分别和两个移动板通过螺栓固定连接成刚体,两个移动板和八个装有夹板的夹杆构成转动副,固定支撑板和连杆的末端构成转动副,连杆另一端和夹杆以转动副连接,夹杆、移动板、固定板中间均内嵌一锥形漏斗,利用收集网一、收集网二将固定支撑板、移动板和各组夹杆构成的通孔组合成一连续的通口,实现对脐橙的环抱和收集;电机固定在机械臂连接板的侧面,同电机轴连接的小锥齿轮与大锥齿轮外啮合,大锥齿轮又同其轴线垂直方向的小锥齿轮构成外啮合,小锥齿轮同安装在轴承座的齿轮轴配合连接,齿轮轴另一端同大锥齿轮通过键连接,大锥齿轮同安装在齿轮轴上的小锥齿轮外啮合,齿轮轴的另一端同小锥齿轮连接,其和装在双向丝杠上的大锥齿轮外啮合,双向丝杠和对应剪切螺母形成螺旋运动,剪切螺母同导向杆构成移动,两个剪切螺母相对运动过程中实现剪刀的开合,完成果柄的分离;当执行器被机械臂送至脐橙下方,电机开始工作,在锥齿轮的作用下,电机输出的驱动力分两路传递,一路通过齿轮轴传递,带动单向丝杠运动,从而驱使螺母套带动移动板同向运动,移动板在运动过程中,带动各组夹杆实现张开与收拢姿态的切换,最终完成对脐橙的环抱与吞咽,电机驱动力另一路通过齿轮轴、齿轮轴传递,带动双向丝杆运动,从而驱动剪刀的闭合,完成一次果柄剪切。
附图说明
图1为本发明一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器的结构示意图;
图2为本发明一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器的夹持收集结构及采摘示意图;
图3为本发明一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器的驱动传递结构示意图;
图4为本发明一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器的移动板的轴侧视图;
图5为本发明一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器收集网二的轴测视图;
图6为本发明一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器收集网一轴测视图;
图7为本发明一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器的机械臂连接板的轴测视图;
图8为本发明一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器的固定板轴测视图;
图9为本发明一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器的单向丝杠的轴测视图;
图10为本发明一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器的单向丝杠支撑板的轴测视图;
附图标记:电机1、小锥齿轮2、大锥齿轮3、齿轮轴4、齿轮轴5、单向丝杠支撑板6、双向丝杠7、剪切螺母8、剪刀9、机械臂连接板10、单向丝杠11、夹板12、夹杆13、连杆14、固定支撑板15、螺母套16、光杆17、轴承18、收集网一19、收集网二20、已采摘脐橙21、锥形漏斗22、移动板23、齿轮轴24、待采摘脐橙25、导向杆26、轴承座27、1902弹性绳、1901塑料框。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1、请参阅图1或图10,一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其中:固定支撑板15上下、左右两侧结构呈对称布置,左侧单向丝杠支撑板6上的电机1输出的驱动,通过锥齿轮传动,以两路方式实现动力的传递,一路通过齿轮轴4、齿轮轴5,驱动双向丝杠7运动,最终带动与双向丝杠7配合的剪切螺母8运动,从而驱动剪刀9的开与合,实现果柄分离,另一路通过齿轮轴24驱动单向丝杠11运动,从而带动螺母套16运动,固定支撑板15上下对称分布的移动板23同螺母套16固结,在单向丝杠11运动下沿光杆17 实现同向运动,从而带动固定支撑板板15两侧的夹杆13组呈现收拢与张开的环抱姿态,在单向丝杠的正反转过程中,在各组夹杆13实现收拢与张开的姿态切换,实现对脐橙吞咽式的收集。
实施例2、请参阅图2,一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其中:固定支撑板15前后、左右呈对称结构,两光杆17固定连接在固定支撑板15上,对移动板23起导向作用,与其垂直侧装有轴承18,两个单向丝杠11分别和轴承配合连接,两个大锥齿轮3在固定支撑板15的上侧同单向丝杠11通过键连接,一组螺母套16和单向丝杠11构成螺旋副,螺母套16和移动板23通过螺栓连接,固定成一整体,另外,移动板的通孔和光杆构成移动副,移动板23外轮廓内切圆直径下的端面同四根相同的夹杆13底部构成转动副,夹杆13的中间位置同连杆14连接,为了可以调整夹杆13转动大小,两相同连杆13连接,连杆14的末端和固定支撑板15组合成转动副,夹板12固结在夹杆13上,收集网一19上端固定在夹板下侧,下端同锥形漏斗22大端口同心配合连接,移动板23和固定支撑板15之间用收集网二20连接,保证整个脐橙收集通道形成一个连续的截面圆直径不等的通孔,在单向丝杠11的正、反转运动下,移动板23随螺母套16同时运动,驱使夹杆13、连杆14绕固定支撑板15转动,在移动板23的运动下,各组夹杆13呈张开、收拢两种不同的运动姿态切换,实现对脐橙的环抱夹持和吞咽收集,最上端夹杆组的张开,为待采摘脐橙25的环抱做准备,其它组夹杆13的收拢,把已采摘的脐橙21实现吞咽收集,以实现连续采摘。
实施例3、请参阅图3,一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其中:传动通过多对相同外啮合的大小锥齿传递动力到双向丝杠7和单向丝杠11,机械臂连接板10通过螺栓与两个相同的单向丝杠支撑板6固定连接,单丝杠支撑板 6和固定支撑板15固定连接,保证其固定不动,每个单向丝杠支撑杆6上通过一电机支架固定安装电机1,小锥齿轮2通过键和电机1的轴连接,大锥齿轮3和齿轮轴24通过键连接,大锥齿轮同电机轴上的小锥齿轮2和同齿轮轴 4键连接的小锥齿轮2同时外啮合,实现电机1的两路驱动传递的目的,齿轮轴4两端分别和一小锥齿轮2、大锥齿轮3通过键连接,齿轮轴5两端通过键分别和两个小锥齿轮1连接、齿轮轴24两端和大锥齿轮3、小锥齿轮2键连接,连接齿轮轴4、齿轮轴5、齿轮轴24、双向丝杠7均安装在装有轴承18 的两个轴承座27上,轴承座分别通过螺栓固定安装在机械臂连接板10、单向丝杠支撑板6上,单向丝杠支撑板6上的电机1驱动通过锥齿轮传动,经过两路传递,一路传递到双向丝杠7,带动同双向丝杠7构成螺旋副的两个剪切螺母8靠近与远离,剪刀9的同剪切螺母8铰接,在剪切螺母8的运动下剪刀9实现张开与闭合,另一路传递到单向丝杠11,单向丝杠11通过与轴承 18配合,安装在单向丝杠支撑板上6,单向丝杠11中间同内嵌在固定支撑板上的轴承18同心配合,单向丝杠11的轴肩通过键与大锥齿轮3连接,实现同向旋转,两个螺母套16和移动板23通过螺栓固定连接,和光杠17构成移动副,在单向丝杠的正反转带动下,两个移动板23沿光杆17实现同向往复运动。
实施例4、请参阅图4,一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其中:一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其移动板23整体呈正八边形结构,移动板23的中间通孔与塑料锥形漏斗22同心配合安装,改变锥形漏斗厚度可以适应不同直径大小的水果。
实施例5、请参阅图5,一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其中:整体呈圆柱状,上下两个为塑料框2002,固定收集网形状,便于同移动板和固定支撑板固定连接,上下两个塑料框均匀的分布着四根弹性绳2001,无弹性绳与其垂直连接构成收集网,以便在移动板23上下移动中可以实现拉伸与收缩变形,适应不同的高度。
实施例6、请参阅图6,一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其中:整体呈柱状,与移动板固定连接端采用塑料框1901,保持端口大小不变,收集网b20 另一端采用弹性绳1902围成圆状,同塑料框直径垂直方向均匀布置四根弹性绳1901,以便夹杆13在张开与收拢的过程中收集网b20可以适应四根夹杆运动产生的径向和纵向位移的变化,保证脐橙的收集中间不会外掉出来。
实施例7、请参阅图7,一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其中:机械臂连接板用于同机械臂固定连接。
实施例8、请参阅图8,一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其中:固定支撑板呈对称结构,在其外侧均匀焊接四个V型杆,同连杆铰接。
实施例9、请参阅图9,一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其中:单向丝杠中间有轴肩,用于同大锥齿轮3键配合连接及固定安装。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,包括电机、小锥齿轮、大锥齿轮、齿轮轴、单向丝杠支撑板、双向丝杠、剪切螺母、剪刀、机械臂连接板、单向丝杠;其特征在于:固定支撑板呈对称布置,机械臂连接板固结于机械臂上,机械臂连接板两侧面同两相同单向丝杠支撑板用螺栓固定连接,电机通过固定板安装在单向丝杠支撑板上,小锥齿轮通过键同电机轴连接,大锥齿轮通过键和锥齿轮轴配合连接,并同小锥齿轮构成外啮合,齿轮轴的另一端与小锥齿轮通过键连接,小锥齿轮同单向丝杠连接的大锥齿轮外啮合,单向丝杠两端同安装在单向丝杠支撑板两端内的轴承配合,两对螺母套和单向丝杠构成螺旋运动,两对螺母套分别和两个移动板通过螺栓固定连接成刚体,两个移动板和八个装有夹板的夹杆构成转动副,固定支撑板和连杆的末端构成转动副,连杆另一端和夹杆以转动副连接,夹杆、移动板、固定板中间均内嵌一锥形漏斗,利用收集网一、收集网二将固定支撑板、移动板和各组夹杆构成的通孔组合成一连续的通口,保证脐橙能够沿着通道下落;电机固定在机械臂连接板的侧面,同电机轴连接的小锥齿轮与大锥齿轮外啮合,大锥齿轮又同其轴线垂直方向的小锥齿轮构成外啮合,小锥齿轮同安装在轴承座的齿轮轴配合连接,齿轮轴另一端同大锥齿轮通过键连接,大锥齿轮同安装在齿轮轴上的小锥齿轮外啮合,齿轮轴的另一端同小锥齿轮连接,其同装在双向丝杠上的大锥齿轮外啮合,双向丝杠和对应剪切螺母形成螺旋运动,剪切螺母同导向杆构成移动副,两个剪切螺母相对运动过程中实现剪刀的开合,完成果柄的分离;当执行器被机械臂送至脐橙下方,电机开始工作,在锥齿轮的作用下,电机输出的驱动力分两路传递,一路通过齿轮轴传递,带动单向丝杠运动,从而驱使螺母套带动移动板同向运动,移动板同向运动过程中,带动各组夹杆实现张开与收拢姿态的切换,最终完成对脐橙的环抱与吞咽,电机驱动力另一路通过齿轮轴、齿轮轴传递,带动双向丝杆运动,从而驱动剪刀的闭合,完成一次果柄剪切。
2.根据权利要求1所述的一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其特征在于:固定支撑板、连杆、夹杆、移动板构成滑块摇杆四连杆机构;两连杆和夹杆固定连接成一整体,固定支撑板、连杆、夹杆构成单个转动副;移动板对应滑块摇杆四连杆机构中的滑块,通过移动板的运动驱动多组四连杆机构运动,移动板运动中始终同固定支撑板保持平行;滑块摇杆四连杆机构中的夹杆和连杆可以互换,分别同移动板和固定支撑板构成转动副。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其特征在于:单向丝杠呈阶梯状,保证其配合安装;单向丝杠在正反转运动过程中,与单向丝杠螺旋配合的螺母套带动移动板运动,从而带动各组夹杆部分呈现张开与收拢姿态,实现对脐橙的环抱式的固定约束和吞咽式的收集。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其特征在于:夹杆部分在移动板的驱动下,以张开和收拢的互锁姿态重复出现,靠近剪刀的夹杆组以环抱运动方式,实现对待采摘脐橙的固定约束,以便剪切,而已采摘好的脐橙由于夹杆形成环抱收拢而被锁住,停止进一步下落,在移动板上下往复直线运动下,各组夹杆结构以吞咽方式实现脐橙收集。
5.根据权利要求1所述的一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其特征在于:采摘执行器的传动采用多对啮合的大小锥齿轮,实现电机驱动的多路传动,从而达到单向丝杠、双向丝杠同步转动,实现欠驱动;
电机经大锥齿轮、小锥齿轮、齿轮轴、齿轮轴驱动双向丝杠运动的传动部分可以直接用个电机驱动代替。
6.根据权利要求1所述的一种环抱吞咽式脐橙采摘执行装置,其特征在于:移动板、固定支撑板同心且平行装配,固定支撑板上的锥形漏斗的大端口和移动板固定安装的锥形漏斗小端口通过径向上均匀分布四根弹性绳的收集网二连接;收集网二竖直及同夹板连接处方向布置有弹性绳,同无弹性绳间隔布置,组成能够伸缩的收集网,保证夹杆在张开与收拢过程中,整个通孔依旧是一个连续的通道。
7.根据权利要求1-2任一项所述的一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其特征在于:滑块摇杆四连杆机构组成的平面垂直于移动板、固定支撑板的上表面。
8.根据权利要求1所述的一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其特征在于:锥形漏斗保证同移动板、固定支撑板通孔配合时保证大端口朝上,小端口朝下。
9.根据权利要求1所述的一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其特征在于:双向丝杠同剪切螺母螺旋配合,剪刀的两端同剪切螺母铰接,两个剪切螺母在双向丝杠带动下实现靠近与远离,从而带动剪刀开与合,实现剪切。
10.根据权利要求1所述的一种环抱吞咽式脐橙采摘执行器,其特征在于:两个剪切螺母和导向杆构成移动副,避免剪切螺母运动中产生旋转。
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