CN111010993B - 一种番茄串收的机械手末端装置及其采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种番茄串收的机械手末端装置及其采摘方法，所述装置包括夹持‑剪断机构、驱动机构，所述夹持‑剪断机构安装在驱动机构上方；夹持‑剪断机构包括夹持部分和剪断部分，夹持部分安装在剪断部分的上表面；剪断部分包括支撑杆、第一刀片、第二刀片、连杆、推杆；所述支撑杆的一端连接在驱动机构中的机架上，所述第一刀片、第二刀片安装在支撑杆的另一端；推杆安装在支撑杆中间；所述连杆包括第一连杆和第二连杆，第一连杆和第二连杆的一端分别与所述第一刀片和第二刀片连接，第一连杆和第二连杆的另一端相接触并与所述推杆连接。本发明适用于番茄串收采摘，结构小巧，动作可靠，控制简单，大幅度提高了番茄串收采摘的效率和无损率。

Description

一种番茄串收的机械手末端装置及其采摘方法

技术领域

本发明涉及农业机械技术领域，特别是涉及一种番茄串收的机械手末端装置及其采摘方法。

背景技术

随着城市扩张和城镇人口剧增,新鲜番茄的市场需求量日益增大,温室番茄栽培的规模亦将进一步扩大。采摘作业是番茄生产链中最耗时、最费力的一个环节，采摘收获约占整个生产作业量40％。但目前我国温室番茄的采摘主要依靠手工完成,劳动强度大,工作效率低。

采摘机器人的研究和应用，可以大大提高劳动生产率和产品质量，保证番茄及时采收。现有能够实现夹剪一体的果实采摘机器手末端机构主要包括夹剪动力一体和夹剪动力分开两类。夹剪动力分开的果实采摘机器手末端机构中将夹持果梗和剪断果梗的动力分开，动作可靠，果实姿态稳定，但造成整体结构和控制复杂，体积大质量重，对周围干涉大如专利CN201720691317.3，CN201810145271.4；夹剪动力一体的果实采摘机器手末端装置中实现果梗夹剪采用同一动力，整体结构简单，结构小巧新颖，但目前采用该种方式的很少，专利CN201220677055.2和CN201610844364.7中也是采用该种方式，但整体太大，特别是其动力部分结构复杂，剪刀口对果梗的捕获性能差，果梗有向外逃逸可能，夹持剪切果梗对定位要求高。

发明内容

本发明为了克服上述现有采摘机器人末端执行器弊端，针对番茄串收，提供一种番茄串收的机械手末端装置，实现采摘作业中对果梗的夹持和剪切一体化。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种番茄串收的机械手末端装置，包括夹持-剪断机构、驱动机构，所述夹持-剪断机构安装在驱动机构前方；

所述夹持-剪断机构包括夹持部分和剪断部分，夹持部分安装在剪断部分的上表面；

所述剪断部分包括支撑杆、第一刀片、第二刀片、连杆、推杆；所述支撑杆的一端连接在驱动机构中的机架上，所述第一刀片、第二刀片安装在支撑杆的另一端；所述推杆安装在支撑杆中间；所述连杆包括第一连杆和第二连杆，第一连杆和第二连杆的一端分别与所述第一刀片和第二刀片连接，第一连杆和第二连杆的另一端相接触并与所述推杆连接。

优选地，所述夹持部分包括扭簧、动夹块、定夹块和隔片；所述隔片包括第一隔片和第二隔片；所述动夹块安装在第一刀片表面并靠近顶部，动夹块和第一刀片的中间隔着第一隔片；所述定夹块安装在第二刀片表面并靠近顶部，定夹块和第二刀片的中间隔着第二隔片；所述扭簧安装在动夹块上，其短端固定在所述动夹块靠近顶部位置上，长端固定在所述第一刀片的尾部上。

优选地，所述动夹块夹持面的凸弧面曲率和定夹块夹持面的凹圆弧面曲率一致，动夹块夹持面的中部为凹圆弧面，动夹块和定夹块贴合时中间缝隙为1到2mm。

优选地，所述动夹块和定夹块厚度均为6～12mm。

优选地，所述动夹块夹持面光滑，所述定夹块夹持面粗糙。

优选地，所述动夹块和定夹块在夹持果梗过程中，顶部先接触，然后形成封闭的间隙，该间隙并不断向内缩小。

优选地，所述第一刀片和动夹块、第二刀片和定夹块之间的间隔为4～8mm。

优选地，所述第一刀片、第二刀片的刀刃面都是凹形，向内凹的距离为1～4mm。

优选地，所述驱动机构包括机架、微型丝杆步进电机、传动螺母和连接杆，所述微型丝杆步进电机安装在机架内；所述传动螺母配合安装在微型丝杆步进电机的输出丝杆上；

所述连接杆一端连接在所述传动螺母上，另一端连接在所述推杆上。

用于所述的一种番茄串收的机械手末端装置的采摘方法，包括以下步骤：

1)、所述装置以剪断部分中刀片形成剪切面与地面成10～20°，同时夹持部分向下的姿态移动到目标番茄果梗附近；

2)、微型丝杆步进电机逆时针转动，带动第一刀片和第二刀片、动夹块和定夹块张开，然后将移动到果梗处；

3)、微型丝杆步进电机顺时针转动，带动第一刀片和第二刀片、动夹块和定夹块闭合，在该过程中，动夹块和定夹块先碰到果梗并将果梗包围在其中间缝隙中，继续闭合会将果梗拉到动夹块夹持面凹圆弧面内并夹紧，最终第一刀片和第二刀片完全闭合将果梗剪断；

4)、机械手末端装置夹着剪断的番茄移动到指定位置，微型丝杆步进电机逆时针转动执行张开动作，将剪断的番茄放到位，完成采摘作业。

与现有技术相比，本发明有效果是，采用单动力和剪刀同向布置，丝杆螺母传动，省力杠杆设计，使得结构更小巧，控制简单，动作可靠，减少动力要求，减轻重量；特殊夹块剪刀设计，增大容错率，提高采摘率，增强实用性。

附图说明

图1为本实施例的一种番茄串收的机械手末端装置示意图；

图2为本实施例的一种番茄串收的机械手末端装置拆除部分零件后的示意图；

图3为本实施例支撑杆的示意图；

图4a为本实施例动夹块的正视图；

图4b为本实施例动夹块的侧视图；

图4c为本实施例动夹块的俯视图；

图5a为本实施例的剪断部分张开状态的示意图；

图5b为本实施例的剪断部分闭合状态的示意图；

图5c为本实施例的剪断部分剪断状态的示意图；

其中：1-机架，2-微型丝杆步进电机，3-传动螺母，4-支撑杆，5-短螺栓，6-螺母，7-扭簧，8-第一刀片，9-动夹块，10-第二刀片，11-定夹块，12-长螺栓，13-销轴，14-开口销，15-隔片，16-连杆，17-推杆,18-连接杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和安装为本技术领域常规材料和安装方法。

如图1和图2所示，一种番茄串收的机械手末端装置，包括夹持-剪断机构、驱动机构和连接杆，所述夹持-剪断机构安装在驱动机构前方；

所述夹持-剪断机构包括夹持部分和剪断部分，夹持部分安装在剪断部分上表面；

如图1和图2所示，所述夹持部分包括扭簧7、动夹块9、定夹块11和隔片15；所述剪断部分包含支撑杆4、短螺栓5、螺母6、第一刀片8、第二刀片10、长螺栓12、销轴13、开口销14、隔片15、连杆16、推杆17；所述隔片15包括第一隔片和第二隔片；所述动夹块9安装在第一刀片8表面并靠近顶部，动夹块9和第一刀片8的中间隔着第一隔片；所述定夹块11安装在第二刀片10表面并靠近顶部，定夹块11和第二刀片10的中间隔着第二隔片；所述扭簧7安装在动夹块9上，其短端固定在所述动夹块9靠近顶部位置上，长端固定在所述第一刀片8的尾部上。

所述支撑杆4为空心圆管，一端的内部是平端面，外部开有一个槽，另一端开有槽和两个连接孔，如图3所示，支撑杆4的平端面通过焊接等方式连接在所述驱动机构的机架1上；所述第一刀片8、第二刀片10上面都开有通孔和螺纹孔；所述销轴13依次穿过支撑杆4的一个连接孔、第一隔片、第一刀片8、第二刀片10、第二隔片、支撑杆4的另一个连接孔，最后通过开口销14锁住，形成剪刀；所述隔片15和垫片类似，主要用于减少第一刀片8、第二刀片10与支撑杆4间的摩擦；所述推杆17一端开有螺纹孔，另一端开有两个连接孔；所述连杆16包括第一连杆和第二连杆，第一连杆和第二连杆的一端均通过短螺栓5、螺母6分别和第一刀片8、第二刀片10的螺纹孔连接，第一连杆和第二连杆的另一端贴合并通过所述短螺栓5、螺母6一起安装在推杆17的连接孔上，此时所述连杆16贴合面与第一刀片8和第二刀片10的贴合面处于同一平面上；

如图1所示，所述定夹块11通过长螺栓12安装在第二刀片10上；所述动夹块9上开有安装扭簧7的安装孔和弧形滑道，在靠近第一刀片8的一面开有沉孔，以便扭簧转动，安装孔的侧边开有槽以便安装扭簧7，弧形滑道的圆弧中心和安装孔同心，动夹块9的夹持面主要由两种光滑的圆弧面组成，上下两端凸圆弧面能和定夹块11的贴合，中部为凹圆弧，凹圆弧面曲率小于另外两段凸圆弧面的曲率，在和定夹块11贴合时中间会有1到2mm的缝隙，用于加强夹住果梗，如图4a、图4b和图4c所示；所述定夹块11上面有两个通孔用于固定，定夹块11通过长螺栓12安装在第二刀片10上，夹持面是粗糙的凹圆弧面，有利于夹住果梗；所述扭簧7安装在动夹块9的对应孔中，通过长螺栓12穿过扭簧7中心孔将动夹块9一起安装在第一刀片8的对应螺纹孔上，同时另一长螺栓12穿过动夹块8的弧形滑道安装在第一刀片8另一螺纹孔上，可以使得动夹块8绕着扭簧7中心摆动，扭簧7的短端卡在动夹块9靠近顶部位置，长端卡在第一刀片8的尾部，用螺母6或者螺栓5上，这样使得左右夹块能够适应果梗大小夹住果梗；所述第一刀片8和动夹块9、第二刀片10和定夹块11之间安装有隔片，用于调节它们之间的距离，保证剪断果梗时不打滑；

所述驱动机构包括机架1、微型丝杆步进电机2、传动螺母3、连接杆18、短螺栓5、螺母6；所述机架1的一端可以通过螺栓连接到机械手末端上；所述微型丝杆步进电机2通过螺栓安装在机架1上；所述传动螺母3配合安装在微型丝杆步进电机2的输出丝杆上，丝杆螺母传动可以实现省力自锁；所述连接杆18一端通过短螺栓5、螺母6安装在传动螺母3上，另一端通过短螺栓5安装在所述夹持-剪断机构中推杆17上；

用于所述的一种番茄串收的机械手末端装置的采摘方法，包括以下步骤：

1、在移动到靠近目标番茄果梗的过程中，整个末端装置处于图5c图状态，且所述夹持部分在下，该状态下第一刀片8和第二刀片10闭合、动夹块9和定夹块11贴合，该部分尺寸最小。这样能够进一步减少对附近果实和枝条的干涉和损伤。统计发现大部分番茄果梗都是斜向下，与竖直方向成0～40°夹角范围，此外剪断果梗后切口有一定斜度可以减少果梗受感染的可能，故同时所述剪断部分的剪切面与地面成10～20°；

2、移动到靠近番茄果梗后，微型丝杆步进电机2输出端带动传动螺母3同轴向内运动，从而通过连接杆18带着推杆17沿着支撑杆4轴线向内运动，进而通过连杆16收拢带动第一刀片8和第二刀片10、动夹块9和定夹块11张开操作，同时动夹块9受到扭簧7作用绕着扭簧7中心向着定夹块11转动，直到动夹块9上滑道收到长螺栓12限位，如图5a状态所示。此时，第一刀片8和第二刀片10、动夹块9和定夹块11张开到最大，定夹块11的夹持面和第二刀片10的刃面在同一弧面上，动夹块9在第一刀片8前面。这就提高夹持剪切果梗的容错性同时，也避免了刀刃先碰到果梗在拉扯未夹持过程中将果梗割断，致使果实掉落损坏。

3、继续以图5a状态，将开口移动到果梗上，果梗位于开口夹持剪切范围内，所述实例有夹块的一面靠近番茄果实。之后进入夹持剪切作业状态，微型丝杆步进电机2输出端带动传动螺母3同轴向外运动，从而通过连接杆18带着推杆17沿着支撑杆4轴线向外运动，进而通过两连杆16张开带动第一刀片8和第二刀片10、动夹块9和定夹块11做夹持剪切操作。此时有空作业和正常作业两种情况，有些不一样分开说明。空作业时，在夹持剪切过程，由于初始状态下动夹块9位于第一刀片8前面，故动夹块9先碰到定夹块11，形成一个封闭的缝隙并不断缩小，如图5b状态所示；继续动作，动夹块9由于碰到定夹块11只能克服扭簧7的作用绕着扭簧7中心向外转动，直到第一刀片8和第二刀片10完全闭合后停止，即图5c状态，中间会出现动夹块9和定夹块11相对滑动，但由于动夹块9的接触面是光滑的，有效减少了产生的摩擦阻力。正常作业时，动夹块9会先碰到果梗，并将果梗推到和定夹块11相碰；继续动作后，动夹块9受力绕着扭簧7中心向外转动，扭簧7随着动夹块9的转动角度越大反作用于动夹块9的力就越大，使得牢牢夹住果梗，同时动夹块9转动过程可能会和果梗、定夹块11产生相对滑动，但是由于动夹块9夹持面光滑和有中间部分凹弧面、定夹块11的夹持面粗糙的特点，使得果梗在这个过程中或保持和定夹块11不动，或更容易滑入动夹块9的凹弧面中去，确保果梗的有效夹持；果梗夹持的同时，第一刀片8和第二刀片10闭合直到其中间没有缝隙，将果梗彻底剪断。

4、果梗剪断后，所述本实施依然夹持着靠近番茄果实一端的果梗，驱动机械臂带着本实例将番茄果实沿着无障碍反向移动到指定位置后，重复步骤2中的张开动作，即可将番茄松开放下，完成整个采摘作业。

所述夹持-剪断机构中，剪刀和夹块安装在一起，通过扭簧巧妙实现钳子的夹持动作和剪刀的剪断动作，夹块进一步提高对果梗的有效夹持和不同大小果梗的适应；所述驱动机构和夹持-剪断机构水平布置，有利于简单控制，缩小体积，减少对附近果实枝条的干涉；通过丝杆螺母、省力四连杆，扭簧设计，省力且能自锁，保证了动作的可靠性。

综上所述，上述实例提的一种末端装置适用于番茄串收采摘，结构简单易于实现控制，容错性高，能减轻图像等对果梗位置识别的精度。

本末端装置在果梗剪切位置模糊情况下，同时实现钳子的夹持动作和剪刀的剪断动作，并夹块进一步提高对果梗的有效夹持和不同大小果梗的适应；采用动力电机和剪刀水平布置，有利于简单控制，缩小体积，减少对附近果实枝条的干涉；丝杆螺母、省力连杆，扭簧设计，省力且能够自锁，保证了动作的可靠性。整体而已，本末端装置在保证结构小巧，动作可靠，控制简单，同时提高了番串收采摘的效率和无损率。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种番茄串收的机械手末端装置，其特征在于，包括夹持-剪断机构、驱动机构，所述夹持-剪断机构安装在驱动机构前方；

所述夹持-剪断机构包括夹持部分和剪断部分，夹持部分安装在剪断部分的上表面；

所述剪断部分包括支撑杆(4)、第一刀片(8)、第二刀片(10)、连杆(16)、推杆(17)；所述支撑杆(4)的一端连接在驱动机构中的机架(1)上，所述第一刀片(8)、第二刀片(10)安装在支撑杆(4)的另一端；所述推杆(17)安装在支撑杆(4)中间；所述连杆(16)包括第一连杆和第二连杆，第一连杆和第二连杆的一端分别与所述第一刀片(8)和第二刀片(10)连接，第一连杆和第二连杆的另一端相接触并与所述推杆(17)连接；

所述夹持部分包括扭簧(7)、动夹块(9)、定夹块(11)和隔片(15)；所述隔片(15)包括第一隔片和第二隔片；所述动夹块(9)安装在第一刀片(8)表面并靠近顶部，动夹块(9)和第一刀片(8)的中间隔着第一隔片；所述定夹块(11)安装在第二刀片(10)表面并靠近顶部，定夹块(11)和第二刀片(10)的中间隔着第二隔片；所述扭簧(7)安装在动夹块(9)上，其短端固定在所述动夹块(9)靠近顶部位置上，长端固定在所述第一刀片(8)的尾部上。

2.根据权利要求1 所述的一种番茄串收的机械手末端装置，其特征在于，所述动夹块(9)夹持面的凸弧面曲率和定夹块(11)夹持面的凹圆弧面曲率一致，动夹块(9)夹持面的中部为凹圆弧面，动夹块(9)和定夹块(11)贴合时中间缝隙为1到2mm。

3.根据权利要求2所述的一种番茄串收的机械手末端装置，其特征在于，所述动夹块(9)和定夹块(11)厚度均为6～12mm。

4.根据权利要求2所述的一种番茄串收的机械手末端装置，其特征在于，所述动夹块(9)夹持面光滑，所述定夹块(11)夹持面粗糙。

5.根据权利要求2所述的一种番茄串收的机械手末端装置，其特征在于，所述动夹块(9)和定夹块(11)在夹持果梗过程中，顶部先接触，然后形成封闭的间隙，该间隙并不断向内缩小。

6.根据权利要求2所述的一种番茄串收的机械手末端装置，其特征在于，所述第一刀片(8)和动夹块(9)、第二刀片(10)和定夹块(11)之间的间隔为4～8mm。

7.根据权利要求1所述的一种番茄串收的机械手末端装置，其特征在于，所述第一刀片(8)、第二刀片(10)的刀刃面都是凹形，向内凹的距离为1～4mm。

8.根据权利要求1所述的一种番茄串收的机械手末端装置，其特征在于，所述驱动机构包括机架(1)、微型丝杆步进电机(2)、传动螺母(3)和连接杆(18)，所述微型丝杆步进电机(2)安装在机架(1)内；所述传动螺母(3)配合安装在微型丝杆步进电机(2)的输出丝杆上；

所述连接杆(18)一端连接在所述传动螺母(3)上，另一端连接在所述推杆(17)上。

9.用于权利要求8所述的一种番茄串收的机械手末端装置的采摘方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、所述装置以剪断部分中刀片形成剪切面与地面成10～20°，同时夹持部分向下的姿态移动到目标番茄果梗附近；

2)、微型丝杆步进电机(2)逆时针转动，带动第一刀片(8)和第二刀片(10)、动夹块(9)和定夹块(11)张开，然后将移动到果梗处；

3)、微型丝杆步进电机(2)顺时针转动，带动第一刀片(8)和第二刀片(10)、动夹块(9)和定夹块(11)闭合，在该步骤中，动夹块(9)和定夹块(11)先碰到果梗并将果梗包围在其中间缝隙中，继续闭合会将果梗拉到动夹块(9)夹持面凹圆弧面内并夹紧，最终第一刀片(8)和第二刀片(10)完全闭合将果梗剪断；

4)、机械手末端装置夹着剪断的番茄移动到指定位置，微型丝杆步进电机(2)逆时针转动执行张开动作，将剪断的番茄放到位，完成采摘作业。

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