CN111194610B - 番茄果实串采摘机械手末端执行器及其采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种番茄果实串采摘机械手末端执行器及其采摘方法，属于农用机器人领域。该装置包括夹持机构、切割机构与控制部分。控制部分通过电机控制夹持机构工作，实现左右夹指的开合。夹指的开合控制切割机构工作，实现果实串果梗的切割，克服了单个果实采摘效率低、果实容易受损、人工采摘劳动强度大等缺点。该装置采摘可靠性高，果实无损伤、操作简便，通用性高，适用于不同类型单个果实以及果实串的采摘工作。

Description

番茄果实串采摘机械手末端执行器及其采摘方法

技术领域

本发明属于一种果实串采摘收获机械手的末端执行器，尤其涉及一种能够抓取、夹持、切断主果梗使果实串与果梗分离的采摘机械手末端执行器及其采摘方法，属于农业机械领域。

背景技术

在番茄的整个农业生产中，果实收获作业是农业生产的重要环节，但目前我国番茄的采摘主要依靠手工完成，劳动强度大，工作效率低，生产过程人力成本占较大比重；且果实成熟时间较为集中，人工不易准确判断果实的成熟程度，果实商品率低，其产量与质量受到严重影响。

果实收获机器人的研究与应用对提高劳动生产率和产品质量，保证果实适时采收，具有很大发展潜力和应用前景。末端执行器是采摘机器人的核心技术之一，其结构型式与工作方式取决于采摘对象的特性，同时会影响果实采摘成功率和商品价值。目前大多数番茄收获机器人均是针对单个果实的采收，这种采摘方法能够保证采摘到成熟质量比较好的果实，但一串番茄需要进行多次采摘动作，效率很低，收获及时性和产品质量得不到改善，这也是番茄收获机器人没有商品化应用的主要原因。通常番茄果实成串生长，每串有4-6个果实，如果能够实现成串采摘则可以大大提高生产效率，果实存储时间也会更长，因此，面向番茄果实串采收将成为大规模番茄种植的主要收获方式。末端执行器作为直接接触果实或植株的关键部件，其灵活性直接影响采摘成功率和工作效率。目前末端执行器结构不够紧凑，灵活性较差，采摘成功率不高，采摘过程中所需要的某些姿态难以实现，不能完成深入到植株内部对随机生长的果实串采摘的任务。因此，由于农业生产环境的特殊性，需要一种用于果实串采摘的可靠性好、结构紧凑、灵活方便、可控性较高的，并具有小范围内的通用性末端执行器，为提高收获机器人的位姿灵活性和采摘成功率等性能提供条件。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述果实采摘缺点，适应番茄果实成串采收、提高农业机器人工作效率和保证果实采摘质量的要求，本发明提供一种果实串采摘机械手末端执行器及其采摘方法，将夹持机构和切割机构设计于一体，通过电机、圆锥齿轮和螺纹杆相结合驱动夹持机构夹持果梗，由夹持机构带动压杆向下移动，切割机构的刀片切断番茄主果梗，实现果实串采摘，夹持与切割同步，采摘可靠性高，果实不受损伤，操作简便，通用性高，为不同类型单个果实以及果实串的采摘提供了理想的采摘装置及其采摘方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种番茄果实串采摘机械手末端执行器，其包括夹持机构、切割机构；

夹持机构包括第一夹指、第二夹指、开合控制装置、滑杆、弹簧、滑块、连杆、抬合板和支架；第一夹指固定在支架上，第一夹指的指尾与第二夹指的指尾通过铰链连接，所述的开合控制装置用于控制第一夹指和第二夹指绕铰链张合；所述第二夹指的指尖位置设有朝向第一夹指开口的凹槽，滑杆固定安装在第二夹指指尖的凹槽内，滑杆与滑块构成移动副；所述连杆的一端与滑块铰链连接，另一端与抬合板的一端铰链连接，抬合板的另一端与第二夹指的指尖端铰接连接，所述弹簧一端固定于第二夹指上，另一端与滑块固定连接，用于对滑块施加使其回复至初始位置的作用力；当滑块处于初始位置时，抬合板在滑杆的推动下处于张开状态，用于封闭第一夹指和第二夹指指尖位置的开口；所述抬合板收到挤压力时，能通过滑杆推动滑块克服弹簧的作用力偏离初始位置，抬合板打开第一夹指和第二夹指指尖位置的开口供番茄果实串进入；

所述切割机构包括刀片和压杆，所述压杆包括第一杆件、第二杆件和连接环，第一杆件和第二杆件交叉布置并通过连接环相连，且连接环铰接于第一夹指上；所述刀片为侧部带有刀刃的弧面刀片，所述压杆的第一杆件自由端伸入第一夹指和第二夹指之间，第二杆件自由端与刀片固定；在第一夹指和第二夹指闭合过程中，第二夹指推动第一杆件绕连接环转动并带动刀片旋转，用于对第一夹指和第二夹指之间夹持的果梗进行切断。

作为优选，所述的开合控制装置包括两个圆锥齿轮、螺纹杆、电机和螺母，一个圆锥齿轮与电机的输出轴同轴固定连接，另一个圆锥齿轮与螺纹杆一端同轴固定连接，两个圆锥齿轮外啮合传动；螺纹杆以转动连接方式穿过第一夹指后，其另一端与螺母连接形成螺纹副，螺母与第二夹指的指尾铰链连接。

进一步的，所述的电机连接有用于转动控制的控制器。

作为优选，所述的弹簧有两条，分别设置于滑块的两侧，当滑块偏离初始位置时，一条弹簧拉伸，而另一条压缩。

作为优选，所述的第一夹指中部开设有安装槽，所述的刀片和压杆均部分嵌入安装槽中。

作为优选，所述的压杆中，第一杆件和第二杆件垂直布置。

本发明的另一目的在于提供一种如上述方案所述番茄果实串采摘机械手末端执行器的采摘方法，其步骤如下：

第一步：对末端执行器进行初始化复位，控制电机的输出轴正向转动，通过两个圆锥齿轮驱动螺纹杆相对于螺母旋转，从而使第一夹指和第二夹指处于夹紧状态，且在加紧过程中通过第二夹指挤压压杆的第一杆件，使刀片的刀刃部位伸入第一夹指和第二夹指之间的通道上方，抬合板被挤压贴近第二夹指侧面；

第二步：通过机械手臂将末端执行器移动至目标果梗处；控制电机通过锥齿轮传动带动螺纹杆反向旋转，进而通过螺母带动第二夹指相对于第一夹指张开，刀片重新退出第一夹指和第二夹指之间的通道上方，抬合板在弹簧的回复力下重新处于抬起状态，封闭第一夹指和第二夹指指尖位置的开口；

第三步：控制机械手臂继续朝向目标果梗移动，番茄果梗触碰到抬合板，抬合板在番茄果梗的压力下，逐步闭合供番茄果梗进入第一夹指和第二夹指指尖位置的开口；当果梗绕过抬合板到达第一夹指与第二夹指的开口中间位置时，控制控制机械手臂停止移动；抬合板在弹簧的回复力作用下重新回到抬起状态，抬合板、第一夹指与第二夹指三者形成一个封闭空间，避免果梗挤出末端执行器；

第四步：控制电机通过圆锥齿轮使得螺纹杆正向旋转，从而使第一夹指和第二夹指逐渐趋向夹紧状态，夹持番茄果梗，同时通过第二夹指挤压压杆，使刀片的刀刃部位伸入第一夹指和第二夹指之间的通道上方，开始切割番茄果梗，当番茄果梗被切断时控制电机停止工作；

第五步：保持第一夹指和第二夹指的夹紧状态，并通过机械手臂将夹持有番茄果实串的末端执行器移动至指定位置；

第六步：控制电机使得螺纹杆反向旋转，重新使第二夹指相对于第一夹指张开，将果实串放在指定位置，完成一次采摘。

本发明带来的增益效果是，通过控制电机，驱动夹持机构工作，从而带动夹持机构实现左右夹指的开合，实现果梗的夹持，克服了末端执行器果实易受损、效率低、准确度差等缺点；通过控制夹持机构使切割机构工作，保证果实串果梗切割的可靠性，提高了采摘效率。该装置采摘可靠性高，果实无损伤、操作简便，通用性高，适用于不同类型单个果实以及果实串的采摘工作，完成一次采摘，末端执行器系统复位。

附图说明

图1为本发明内部结构三维图；

图2为本发明切割机构内部结构三维图；

图3为本发明第一夹指的剖视图；

图中：弹簧1，滑块2，连杆3，第一夹指4，刀片5，压杆6，圆锥齿轮7，螺纹杆8，电机9，螺母10，支架11，第二夹指12，滑杆13，抬合板14；

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式。

如图1～3所示，本发明的一个较佳实施例中，提供了一种番茄果实串采摘机械手末端执行器，其主要部件可以分为夹持机构和切割机构两大部分。

参见图1，夹持机构包括第一夹指4、第二夹指12、开合控制装置、滑杆13、弹簧1、滑块2、连杆3、抬合板14和支架11。支架11作为整个装置的布置主体，用于布置其他的部件，同时用于与外部的机械手臂连接。第一夹指4固定在支架11上，其结构形式如图3所示。第一夹指4的指尾具有一个弯折部，其上开设有销孔，同时第二夹指12的指尾也开设销孔，两个夹指的指尾部位通过铰链连接，能够绕铰链进行张合。两者的张合控制是通过一个开合控制装置来实现的。开合控制装置的实现形式多样，只要能够控制第一夹指4和第二夹指12绕铰链张合即可。

在本实施例中，提供了一种开合控制装置的具体实现形式，该开合控制装置包括两个圆锥齿轮7、螺纹杆8、电机9和螺母10，电机9固定在支架11上，用于提供动力。其中一个圆锥齿轮7与电机9的输出轴同轴固定连接，另一个圆锥齿轮7与螺纹杆8一端同轴固定连接，两个圆锥齿轮7外啮合传动，通过锥齿轮传动即可实现电机9对螺纹杆8的旋转驱动。螺纹杆8穿过第一夹指4后，其另一端与螺母10连接形成螺纹副。螺纹杆8与第一夹指4之间需要构成相对位置固定的转动连接，此处可以设置一个轴承以减少摩擦。螺母10与第二夹指12的指尾需要通过铰链连接，螺母10可以绕着铰链转动，但是其不能相对于第二夹指12平面移动。由此，当电机9驱动螺纹杆8转动时，螺纹杆8可以与螺母10轴向相对位移，由于螺纹杆8与第一夹指4之间相对位置固定，因此其将推动螺母10产生位移，进而使第二夹指12相对于第一夹指4张开和闭合。为了便于控制，电机9可以连接一个控制器，用于转动控制。

参见图1，第二夹指12的指尖位置设有朝向第一夹指4开口的凹槽，滑杆13固定安装在第二夹指12指尖的凹槽内，且滑杆13的布置方向与第二夹指12的延伸方向相同。滑杆13与滑块2构成可相对滑动的移动副。连杆3的一端与滑块2铰链连接，另一端与抬合板14的一端铰链连接，当滑块2移动时，也会通过连杆3对抬合板14施加相应的作用力。而抬合板14的另一端与第二夹指12的指尖端铰接连接，因此当连杆3施加的作用力会转变成抬合板14相对铰接位置的转动力，进而控制抬合板14的张合。抬合板14张合的目的是控制番茄果实串果梗的进入和退出，在抬合板14张开状态下，即抬合板14与滑杆13铰接的的自由端远离第二夹指12的状态下，其能够封闭第一夹指4和第二夹指12指尖位置的开口，防止内部的果梗重新退出该开口。但是，由于果梗是在第一夹指4和第二夹指12张开状态下才能进入其中间开口的，因此抬合板14需要设置弹性的开合回位装置。其具体是通过弹簧1来实现的，弹簧1一端固定于第二夹指12上，另一端与滑块2固定连接，用于对滑块2施加使其回复至初始位置的作用力。弹簧1可以是一条，也可以是多条，其回复力可以是拉力也可以是推力。在本实施例中，弹簧1有两条，分别设置于滑块2的两侧，当滑块2偏离初始位置时，一条弹簧1拉伸，而另一条压缩。

滑块2的位置可以决定抬合板14所处的状态，因此需要合理设置滑块2在弹簧1平衡状态下的初始位置，同时滑杆13、抬合板14、连杆3等部件的结构参数也应当合理设计，其目的应当满足以下工作状态：当滑块2处于初始位置时，抬合板14在连杆3的推动下处于张开状态，用于封闭第一夹指4和第二夹指12指尖位置的开口；而在张开状态下，抬合板14受到挤压力时，又能通过连杆3推动滑块2克服弹簧1的作用力偏离初始位置，抬合板14打开第一夹指4和第二夹指12指尖位置的开口供番茄果实串进入。

通过上述夹持机构，可以实现对于果梗的夹持固定，而果梗的切割则是通过切割机构来实现的。参见图2，切割机构包括刀片5和压杆6，压杆6包括第一杆件、第二杆件和连接环，第一杆件和第二杆件交叉布置并通过连接环相连。第一杆件和第二杆件的交叉角度可根据实际的刀片驱动角度调整，在本实施例中压杆6中，第一杆件和第二杆件垂直布置。两者连接位置的连接环中心开有通孔，通过该通孔可以将压杆6铰接于第一夹指4上。刀片5为侧部带有刀刃的弧面刀片。在本实施例中，为了便于刀片的保护和作动，可以在第一夹指4中部开设有安装槽，刀片5和压杆6均部分嵌入安装槽中。安装槽的侧壁上设置一条转动轴，连接环套在转动轴上转动，压杆6的第一杆件自由端伸入第一夹指4和第二夹指12之间，第二杆件自由端与刀片5固定。参见图2，在第一夹指4和第二夹指12闭合过程中，第二夹指12推动第一杆件绕连接环逆时针转动，由于第二杆件自由端与刀片5是固定的，因此可以带动刀片5同样逆时针旋转。刀片5的刀刃部位位于图2中刀片顶部的尖端，在刀片旋转过程中，其刀刃部位可以进入第一夹指4和第二夹指12之间通道的上方，而果梗此时被竖向夹持在两个夹指之间，由此刀片5就可以将果梗进行切断，下方的果实串则依然被固定在两个夹指之间。

本发明的番茄果实串采摘机械手末端执行器的工作过程如下：

通过控制电机9，可以通过其输出轴和两个圆锥齿轮7，使得螺纹杆8旋转，从而使第一夹指4和第二夹指12处于夹紧状态，压杆6在第二夹指12的挤压下驱动刀片5“出鞘”；然后整个末端执行器可以在外部机械臂的驱动下移动至番茄果梗处，再次控制电机9使得螺纹杆8反向旋转，进而带动第二夹指12张开，变为夹取状态，此时刀片5处于“收鞘”状态。随着机械手臂继续向前移动，可以使番茄果梗触碰到抬合板14并通过挤压抬合板14进入第一夹指4与第二夹指12的通道中，果梗最终停留在切割机构所处位置。此时，抬合板14在弹簧1的作用下重新处于抬起状态，防止果梗退出。再次控制电机9使得螺纹杆8旋转，从而使第一夹指4和第二夹指12夹紧番茄果梗，在此过程中由于第二夹指12挤压压杆6，刀片5重新“出鞘”，其刀刃部位开始切割番茄果梗。当第二夹指12移动到前极限位置时，果梗被我完全切断，此时控制电机9停止工作，果实串已经脱离树枝，但依然被夹持在两个手指之间。番茄果实串采摘机械手将夹持有果实串的末端执行器移动至指定位置，使第二夹指12张开，即可完成一次采摘，末端执行器系统复位。

由此，本发明基于上述番茄果实串采摘机械手末端执行器，提供了一种番茄果实串的采摘方法，其步骤如下：

第一步：对末端执行器进行初始化复位，控制电机9的输出轴正向转动，通过两个圆锥齿轮7驱动螺纹杆8相对于螺母10旋转，从而使第一夹指4和第二夹指12处于夹紧状态，且在加紧过程中通过第二夹指12挤压压杆6的第一杆件，使刀片5的刀刃部位伸入第一夹指4和第二夹指12之间的通道上方，抬合板14被挤压贴近第二夹指12侧面；此时刀片5处于“出鞘”状态。

第二步：通过机械手臂将末端执行器移动至目标果梗处；控制电机9通过锥齿轮传动带动螺纹杆8反向旋转，进而通过螺母10带动第二夹指12相对于第一夹指4张开，刀片5重新退出第一夹指4和第二夹指12之间的通道上方，抬合板14在弹簧1的回复力下重新处于抬起状态，封闭第一夹指4和第二夹指12指尖位置的开口；此时刀片5处于“收鞘”状态。

第三步：控制机械手臂继续朝向目标果梗移动，番茄果梗触碰到抬合板14，抬合板14在番茄果梗的压力下，逐步闭合供番茄果梗进入第一夹指4和第二夹指12指尖位置的开口；当果梗绕过抬合板14到达第一夹指4与第二夹指12之间的通道中间位置时，控制控制机械手臂停止移动；抬合板14在弹簧1的回复力作用下重新回到抬起状态，抬合板14、第一夹指4与第二夹指12三者形成一个封闭空间，避免果梗挤出末端执行器；

第四步：控制电机9通过圆锥齿轮7使得螺纹杆8正向旋转，从而使第一夹指4和第二夹指12逐渐趋向夹紧状态，夹持番茄果梗，同时通过第二夹指12挤压压杆6，使刀片5的刀刃部位伸入第一夹指4和第二夹指12之间的通道上方，刀片5处于“出鞘”状态，开始切割番茄果梗，当番茄果梗被切断时控制电机9停止工作；

第五步：保持第一夹指4和第二夹指12的夹紧状态，并通过机械手臂将夹持有番茄果实串的末端执行器移动至指定位置；

第六步：控制电机9使得螺纹杆8反向旋转，重新使第二夹指12相对于第一夹指4张开，将果实串放在指定位置，完成一次采摘。

Claims (7)

1.一种番茄果实串采摘机械手末端执行器，其特征在于，包括夹持机构、切割机构；

夹持机构包括第一夹指（4）、第二夹指（12）、开合控制装置、滑杆（13）、弹簧（1）、滑块（2）、连杆（3）、抬合板（14）和支架（11）；第一夹指（4）固定在支架（11）上，第一夹指（4）的指尾与第二夹指（12）的指尾通过铰链连接，所述的开合控制装置用于控制第一夹指（4）和第二夹指（12）绕铰链张合；所述第二夹指（12）的指尖位置设有朝向第一夹指（4）开口的凹槽，滑杆（13）固定安装在第二夹指（12）指尖的凹槽内，滑杆（13）与滑块（2）构成移动副；所述连杆（3）的一端与滑块（2）铰链连接，另一端与抬合板（14）的一端铰链连接，抬合板（14）的另一端与第二夹指（12）的指尖端铰接连接，所述弹簧（1）一端固定于第二夹指（12）上，另一端与滑块（2）固定连接，用于对滑块（2）施加使其回复至初始位置的作用力；当滑块（2）处于初始位置时，抬合板（14）在连杆（3）的推动下处于张开状态，用于封闭第一夹指（4）和第二夹指（12）指尖位置的开口；所述抬合板（14）受到挤压力时，能通过连杆（3）推动滑块（2）克服弹簧（1）的作用力偏离初始位置，抬合板（14）打开第一夹指（4）和第二夹指（12）指尖位置的开口供番茄果实串进入；

所述切割机构包括刀片（5）和压杆（6），所述压杆（6）包括第一杆件、第二杆件和连接环，第一杆件和第二杆件交叉布置并通过连接环相连，且连接环铰接于第一夹指（4）上；所述刀片（5）为侧部带有刀刃的弧面刀片，所述压杆（6）的第一杆件自由端伸入第一夹指（4）和第二夹指（12）之间，第二杆件自由端与刀片（5）固定；在第一夹指（4）和第二夹指（12）闭合过程中，第二夹指（12）推动第一杆件绕连接环转动并带动刀片（5）旋转，用于对第一夹指（4）和第二夹指（12）之间夹持的果梗进行切断。

2.如权利要求1所述的番茄果实串采摘机械手末端执行器，其特征在于，所述的开合控制装置包括两个圆锥齿轮（7）、螺纹杆（8）、电机（9）和螺母（10），一个圆锥齿轮（7）与电机（9）的输出轴同轴固定连接，另一个圆锥齿轮（7）与螺纹杆（8）一端同轴固定连接，两个圆锥齿轮（7）外啮合传动；螺纹杆（8）以转动连接方式穿过第一夹指（4）后，其另一端与螺母（10）连接形成螺纹副，螺母（10）与第二夹指（12）的指尾铰链连接。

3.如权利要求2所述的番茄果实串采摘机械手末端执行器，其特征在于，所述的电机（9）连接有用于转动控制的控制器。

4.如权利要求1所述的番茄果实串采摘机械手末端执行器，其特征在于，所述的弹簧（1）有两条，分别设置于滑块（2）的两侧，当滑块（2）偏离初始位置时，一条弹簧（1）拉伸，而另一条压缩。

5.如权利要求1所述的番茄果实串采摘机械手末端执行器，其特征在于，所述的第一夹指（4）中部开设有安装槽，所述的刀片（5）和压杆（6）均部分嵌入安装槽中。

6.如权利要求1所述的番茄果实串采摘机械手末端执行器，其特征在于，所述的压杆（6）中，第一杆件和第二杆件垂直布置。

7.一种如权利要求2所述番茄果实串采摘机械手末端执行器的采摘方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：对末端执行器进行初始化复位，控制电机（9）的输出轴正向转动，通过两个圆锥齿轮（7）驱动螺纹杆（8）相对于螺母（10）旋转，从而使第一夹指（4）和第二夹指（12）处于夹紧状态，且在夹紧过程中通过第二夹指（12）挤压压杆（6）的第一杆件，使刀片（5）的刀刃部位伸入第一夹指（4）和第二夹指（12）之间的通道上方，抬合板（14）被挤压贴近第二夹指（12）侧面；

第二步：通过机械手臂将末端执行器移动至目标果梗处；控制电机（9）通过锥齿轮传动带动螺纹杆（8）反向旋转，进而通过螺母（10）带动第二夹指（12）相对于第一夹指（4）张开，刀片（5）重新退出第一夹指（4）和第二夹指（12）之间的通道上方，抬合板（14）在弹簧（1）的回复力下重新处于抬起状态，封闭第一夹指（4）和第二夹指（12）指尖位置的开口；

第三步：控制机械手臂继续朝向目标果梗移动，番茄果梗触碰到抬合板（14），抬合板（14）在番茄果梗的压力下，逐步闭合供番茄果梗进入第一夹指（4）和第二夹指（12）指尖位置的开口；当果梗绕过抬合板（14）到达第一夹指（4）与第二夹指（12）之间的通道中间位置时，控制机械手臂停止移动；抬合板（14）在弹簧（1）的回复力作用下重新回到抬起状态，抬合板（14）、第一夹指（4）与第二夹指（12）三者形成一个封闭空间，避免果梗挤出末端执行器；

第四步：控制电机（9）通过圆锥齿轮（7）使得螺纹杆（8）正向旋转，从而使第一夹指（4）和第二夹指（12）逐渐趋向夹紧状态，夹持番茄果梗，同时通过第二夹指（12）挤压压杆（6），使刀片（5）的刀刃部位伸入第一夹指（4）和第二夹指（12）之间的通道上方，开始切割番茄果梗，当番茄果梗被切断时控制电机（9）停止工作；

第五步：保持第一夹指（4）和第二夹指（12）的夹紧状态，并通过机械手臂将夹持有番茄果实串的末端执行器移动至指定位置；

第六步：控制电机（9）使得螺纹杆（8）反向旋转，重新使第二夹指（12）相对于第一夹指（4）张开，将果实串放在指定位置，完成一次采摘。

Images