CN111615929A - 一种半咬合式柑橘果实采摘末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半咬合式柑橘果实采摘末端执行器，由机架、剪切机构、同步带传动机构、果柄咬合机构等组成。所述的剪切机构安装于机架上方，通过推杆电机推动刀片开合以剪切果柄；所述的同步带传动机构为果柄咬合机构传递动力；所述的果柄咬合机构包括上颚件、果实拨动件等，上颚件与果实拨动件为“U”形回转件，通过左、右两销轴连接并处于相同回转中心；在采摘过程中，步进电机通过同步带传动机构驱动果实拨动件向上回转，使柑橘果柄靠近剪切机构，当到达上颚件顶端时剪断果柄，以实现柑橘果实的带柄采摘。本发明的半咬合式柑橘果实采摘末端执行器具有成本低、易操作、结构简单、作业效率高等优点，可用于大多数带柄果实的机器人高效采摘。

Description

一种半咬合式柑橘果实采摘末端执行器

技术领域

本发明涉及果实采摘机器人技术领域，具体涉及一种半咬合式柑橘果实采摘末端执行器。

背景技术

柑橘是世界范围内广泛种植的重要经济作物之一，是世界第一大类水果和第三大贸易农副产品。我国柑橘种植面积和产量均逐年增加且居世界首位， 2018年已达3730万亩，年产量超过4138万吨。目前，柑橘采收仍以手工采摘为主，其采收作业季节性强、劳动时间长、劳动强度大、生产效率较低，若采收不及时，将直接影响柑橘的产量和品质，是柑橘生产过程中最费时费力的环节。随着柑橘的宜机化、规模化和标准化种植，机器人采摘将是促进柑橘产业快速发展的必然要求，对提高柑橘生产能力和促进柑橘产业发展具有重要现实意义。

随着机器人技术的不断发展，国内外学者在柑橘采摘机器人方面做了大量研究，而末端执行器作为采摘机器人完成果实采收作业的关键部分之一，已得到了长足发展。一方面，现有的果实采摘末端执行器大多采用两块平行布置的夹板相互靠近以夹持果实，采用齿轮齿条机构或丝杠装置把电机的回转运动转化为夹板之间的横向运动，或者利用推杆电机推动平行连杆机构实现夹板之间的开合。该类设计结构简单可靠，但是夹持果实的范围太小，容易造成夹伤果实，一般只能进行单个果实的夹持采摘，对果实生长环境要求较高，适应性较差，工作效率较低。另一方面，果实采摘末端执行器利用气动装置并使用带轮机构吸取果实，该类末端执行器结构普遍较大且相对复杂，并且容易造成果实碰伤，提高了采购与维护成本，降低了可靠性。随着人们生活水平的提高，对水果品质也提出了更高的要求，而高品质水果要求果实带蒂采摘，因此本发明结合果实采摘要求，提供了一种半咬合式柑橘果实采摘末端执行器，实现柑橘果实的带蒂采摘，从而提高柑橘果实品质。

发明内容

本发明的目的是提供一种效率高、性能可靠、成本低、通用性好、果实无损伤的的柑橘采摘末端执行器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。

一种半咬合式柑橘果实采摘末端执行器，由机架、剪切机构、同步带传动机构、果柄咬合机构、防尘盖、步进电机等组成。其特征在于：所述的机架为矩形框架式结构，机架上方安装有一套剪切机构，底部安装有收集管连接环；所述的剪切机构通过推杆电机推动异形剪刀动刀片开合以剪切柑橘果柄；所述的同步带传动机构安装于机架一侧，主动轮与步进电机固联并置于机架上方，而与同步带配合的从动轮安装于果柄咬合机构一侧，并为拨动果实提供动力；所述的果柄咬合机构包括上颚件、果实拨动件、销轴、轴承等，上颚件固定于机架前方（以剪切机构剪刀方向为正前方），果实拨动件为“U”形回转件，安装于机架前方下侧，上颚件与果实拨动件通过左右两根销轴连接并处于相同回转中心；所述的上颚件与销轴通过轴承配合，而果实拨动件与销轴刚性配合且绕轴承做回转运动；所述的同步带传动机构的从动轮安装于右侧长销轴，机架上方的步进电机通过同步带传动机构驱动果实拨动件向上回转，形成半咬合状态；在采摘过程中，由果实拨动件拨动果柄使果实靠近剪切机构，当到达上颚件顶端时使果柄处于夹持状态，然后由剪切机构剪断果柄，使果实顺沿果实拨动件的引导面掉落到机架下端的收集管连接环，以实现柑橘果实的带柄采摘作业。

本发明还进一步设置为：所述的剪切机构包括推杆电机、电机安装板、动刀片、定刀片、销钉等，剪切机构底部通过销钉与电机安装板铰接并固定在机架上，由推杆电机外伸端通过销钉与动刀片的动力臂连接，而定刀片则固定在机架上，推杆电机绕销钉在动刀片转动过程中产生小角度的回转，动刀片动力臂在推杆电机作用下绕销钉做往复回转运动，使动刀片在回转过程中与定刀片对果柄形成剪切作用，以剪断果柄。

本发明还进一步设置为：所述的果柄咬合机构由上颚件、果实拨动件、长销轴、短销轴、轴承等组成；上颚件左右两侧开有螺纹孔与机架刚性连接，上颚件与果实拨动件通过左右两根处于相同回转中心的销轴连接；上颚件内侧与果实拨动件外侧均为“U”形轮廓，绕销轴实现回转配合并夹持果柄。

本发明还进一步设置为：所述的“U”形果实拨动件内侧设有引导面，采摘的柑橘果实经引导面滑入机架下方设置的收集管连接环；所述的长销轴为异形二级阶梯轴，大直径轴段与轴承配合，其一端有矩形凸台并与果实拨动件刚性配合，其另一端为小直径轴段，与同步带从动轮配合。

本发明还进一步设置为：所述的果实拨动件从夹持位置可向下回转角度达120°；其顶端开有‘V形’槽口，便于使果柄处于果实拨动件及剪切机构异形剪刀的中间位置，利于剪切机构剪断果柄。

本发明的有益效果：本发明提供的一种半咬合式柑橘果实采摘末端执行器，结构简单，制造和维护成本低，具有采摘效率高、性能可靠、通用性好、果实无损伤等优点，可用于大多数带柄果实的机器人采摘，提高果实品质。

附图说明

图1为本发明末端执行器的整体结构立体示意图。

图2为本发明末端执行器的整体结构俯视图（去掉防尘盖）。

图3为本发明末端执行器的整体结构仰视图。

图4为本发明末端执行器的夹持机构爆炸示意图。

图5为本发明末端执行器的剪切机构立体示意图。

图6为本发明末端执行器的机架结构示意图。

图中各标号表示如下：1—防层盖；2—电机架；3—连接盘；4—主动轮；5—步进电机；6—同步带；7—机架；8—收集管连接环；9—从动轮；10—长销轴；11—轴承；12—果实拨动件；13—短销轴；14—上颚件；15—动刀片；16—定刀片；17—电机安装板；18—推杆电机；19—销钉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

以下参考图1至图6对本发明进行说明，提供如下几种实施方式。

实施例一：如图1-6所示，所述的一种半咬合式柑橘果实采摘末端执行器，由机架（7）、剪切机构、同步带传动机构、果柄咬合机构、防尘盖（1）、步进电机（5）、连接盘（3）等组成。其特征在于：所述的机架（7）为矩形框架式结构，机架（7）上方安装有一套剪切机构，底部安装有收集管连接环（8）；所述的剪切机构通过推杆电机（18）推动异形剪刀动刀片（15）开合以剪切柑橘果柄；所述的同步带传动机构置于机架（7）一侧，主动轮（4）与步进电机（5）通过电机架（2）固联并安装于机架（7）上方，而与同步带配合的从动轮（9）安装于果柄咬合机构一侧，为拨动果实提供动力；所述的果柄咬合机构包括上颚件（14）、果实拨动件（12）、销轴（19）、轴承（11）等，上颚件（14）固定于机架（7）前方（以剪切机构剪刀方向为正前方），果实拨动件（12）为“U”形回转件，安装于机架（7）前方下侧，上颚件（14）与果实拨动件（12）通过左右两根销轴连接并处于相同回转中心；所述的上颚件（14）与销轴通过轴承（11）配合，而果实拨动件（12）与销轴刚性配合且绕轴承（11）做回转运动；所述的同步带传动机构的从动轮（9）安装于右侧长销轴（10），机架（7）上方的步进电机（5）通过同步带传动机构驱动果实拨动件（12）向上回转，形成半咬合状态；在采摘过程中，由果实拨动件（12）拨动果柄使果实靠近剪切机构，当到达上颚件（14）顶端时使果柄处于夹持状态，然后由剪切机构剪断果柄，使果实顺沿果实拨动件（12）的引导面掉落到机架（7）下端的收集管连接环（8），以实现柑橘果实的带柄采摘作业；所述的末端执行器通过连接盘（3）安装于机器人机械臂腕部，实现末端执行器的姿态调整。

实施例二：如图2、图5所示，所述的剪切机构包括推杆电机（18）、电机安装板（17）、动刀片（15）、定刀片（16）、销钉（19）等，剪切机构底部通过销钉（19）与电机安装板（17）铰接并固定在机架（7）上，由推杆电机（18）外伸端通过销钉与动刀片（15）的动力臂连接，而定刀片（16）则固定在机架（7）上，推杆电机（18）绕销钉（19）在动刀片（15）转动过程中产生小角度的回转，动刀片（15）动力臂在推杆电机（18）作用下绕销钉做往复回转运动，使动刀片（15）在回转过程中与定刀片（16）对果柄形成剪切作用，以剪断果柄。

实施例三：如图1、图4所示，所述的果柄咬合机构由上颚件（14）、果实拨动件（12）、长销轴（10）、短销轴（13）、轴承（11）等组成；上颚件（14）左右两侧开有螺纹孔与机架（7）刚性连接，上颚件（14）与果实拨动件（12）通过左右两根处于相同回转中心的销轴连接；上颚件（14）内侧与果实拨动件（12）外侧均为“U”形轮廓，绕销轴实现回转配合并夹持果柄。

实施例四：如图4所示，所述的“U”形果实拨动件（12）内侧设有引导面，采摘的柑橘果实经引导面滑入机架（7）下方设置的收集管连接环（8）；所述的长销轴（10）为异形二级阶梯轴，大直径轴段与轴承（11）配合，其一端有矩形凸台并与果实拨动件（12）刚性配合，其另一端为小直径轴段，与同步带从动轮（9）配合；所述的果实拨动件（12）从夹持位置可向下回转角度达120°；其顶端开有‘V形’槽口，便于使果柄处于果实拨动件（12）及剪切机构异形剪刀的中间位置，利于剪切机构剪断果柄。

实施例五：如图1、图3、图6所示，所述的机架（7）、果实拨动件（12）、收集管连接环（8）等与果实接触的部位均做圆弧倒角，并贴有海绵组织等软性材料，以降低果实发生碰撞损伤的可能性。

上述只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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种半咬合式柑橘果实采摘末端执行器，由机架、剪切机构、同步带传动机构、果柄咬合机构、防尘盖、步进电机等组成；其特征在于：所述的机架为矩形框架式结构，机架上方安装有一套剪切机构，底部安装有收集管连接环；所述的剪切机构通过推杆电机推动异形剪刀动刀片开合以剪切柑橘果柄；所述的同步带传动机构安装于机架一侧，主动轮与步进电机固联并置于机架上方，而与同步带配合的从动轮安装于果柄咬合机构一侧，并为拨动果实提供动力；所述的果柄咬合机构包括上颚件、果实拨动件、销轴、轴承等，上颚件固定于机架前方（以剪切机构剪刀方向为正前方），果实拨动件为“U”形回转件，安装于机架前方下侧，上颚件与果实拨动件通过左右两根销轴连接并处于相同回转中心；所述的上颚件与销轴通过轴承配合，而果实拨动件与销轴刚性配合且绕轴承做回转运动；所述的同步带传动机构的从动轮安装于右侧长销轴，机架上方的步进电机通过同步带传动机构驱动果实拨动件向上回转，形成半咬合状态；在采摘过程中，由果实拨动件拨动果柄使果实靠近剪切机构，当到达上颚件顶端时使果柄处于夹持状态，然后由剪切机构剪断果柄，使果实顺沿果实拨动件的引导面掉落到机架下端的收集管连接环，以实现柑橘果实的带柄采摘作业。

2.根据权利要求1所述的一种半咬合式柑橘果实采摘末端执行器，其特征在于：所述的剪切机构包括推杆电机、电机安装板、动刀片、定刀片、销钉等，剪切机构底部通过销钉与电机安装板铰接并固定在机架上，由推杆电机外伸端通过销钉与动刀片的动力臂连接，而定刀片则固定在机架上，推杆电机绕销钉在动刀片转动过程中产生小角度的回转，动刀片动力臂在推杆电机作用下绕销钉做往复回转运动，使动刀片在回转过程中与定刀片对果柄形成剪切作用，以剪断果柄。

3.根据权利要求1所述的一种半咬合式柑橘果实采摘末端执行器，其特征在于：所述的果柄咬合机构由上颚件、果实拨动件、长销轴、短销轴、轴承等组成；上颚件左右两侧开有螺纹孔与机架刚性连接，上颚件与果实拨动件通过左右两根处于相同回转中心的销轴连接；上颚件内侧与果实拨动件外侧均为“U”形轮廓，绕销轴实现回转配合并夹持果柄。

4.根据权利要求3所述的果柄咬合机构，其特征在于：所述的“U”形果实拨动件内侧设有引导面，采摘的柑橘果实经引导面滑入机架下方设置的收集管连接环；所述的长销轴为异形二级阶梯轴，大直径轴段与轴承配合，其一端有矩形凸台并与果实拨动件刚性配合，其另一端为小直径轴段，与同步带从动轮配合。

5.根据权利要求3所述的果柄咬合机构，其特征在于：所述的果实拨动件从夹持位置可向下回转角度达120°；其顶端开有‘V形’槽口，便于使果柄处于果实拨动件及剪切机构异形剪刀的中间位置，利于剪切机构剪断果柄。

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