CN111937580A - 一种番茄串模糊采摘装置及其采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种番茄串模糊采摘装置，剪切机构、夹持机构和驱动机构。剪切机构包括第一刀片和第二刀片，第二刀片通过转轴与第一刀片相铰接；夹持机构包括固定夹块、旋转夹块和扭簧，固定夹块固定于第一刀片上，第二刀片通过转轴铰接于第二刀片上，扭簧分别与第二刀片上旋转夹块相接触；驱动机构推动所述第一刀片和所述第二刀片闭合或张开。一种番茄串模糊采摘装置的采摘方法，先确定目标果梗的剪切位置，调整剪切机构的姿态，使第一刀片的板面与竖直面的夹角为45°；张开第一刀片和第二刀片，剪切机构移动到目标果梗的剪切位置；闭合第一刀片和第二刀片，夹持机构夹持目标果梗，完成对目标果梗的剪切动作。剪切过程稳定方便。

Description

一种番茄串模糊采摘装置及其采摘方法

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模糊采摘装置及其采摘方法。

背景技术

采摘是番茄生产过程中非常重要的一个环节，直接影响到番茄的市场价值。同时，番茄采摘需要花费很多的时间和精力，采摘番茄需要投入的劳动力占整个番茄生产环节中的 50%～70%。为了减轻果农的劳动强度和降低采摘成本，智能番茄采摘机器人的开发和应用是一个重要途径。

目前国内对于番茄进行整串采收的末端执行器有着一些相关的研究成果，但是还存在着一些需要攻克的技术难点。现有的采摘装置存在着夹持机构对于果梗的夹持力不稳定、采摘装置体积大、重量大，容错率等不足，如申请公布号为CN107214716A的番茄果实串采摘末端执行器及其采摘方法中，通过夹持臂夹紧番茄串果梗，再由安装在夹持臂上的刀片切断果梗，实现对番茄果实整串采摘，但是由于夹持和剪断分别由不同的驱动力进行驱动，导致了末端执行器整体体积大，控制复杂，对于环境的适应性差。

由于采摘环境复杂，采摘机器人的采摘动作对于视觉系统有着很大的依赖性，采摘装置对于番茄串的采摘成功率很大程度上取决于视觉系统对番茄串果梗的姿态和果实的位置识别；但是由于番茄植株生长的无规律性，番茄的枝叶会遮挡果实或者光线，对视觉系统造成严重影响，同时也会增加采摘装置运动路径规划的难度，降低了采摘装置对番茄串的采摘成功率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种番茄串模糊采摘装置及其采摘方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种番茄串模糊采摘装置，其包括一剪切机构，所述剪切机构包括第一刀片和第二刀片，所述第一刀片上设有转轴，所述第二刀片通过所述转轴与所述第一刀片相铰接，所述第一刀片的刀口与所述第二刀片的刀口相向设置；一夹持机构，所述夹持机构包括固定夹块、旋转夹块和扭簧，所述固定夹块固定于第一刀片上，所述第二刀片通过所述转轴铰接于所述第二刀片上，所述扭簧的一端固定于所述第二刀片上，所述扭簧的另一端与所述旋转夹块远离所述固定夹块的一面相接触；一驱动机构，所述驱动机构推动所述第一刀片和所述第二刀片闭合或张开。

进一步地，所述旋转夹块朝向所述第二刀片的一侧设有镂空孔，所述第二刀片上固定有限位柱，所述限位柱伸入所述镂空孔中，所述限位柱用于限制所述旋转夹块相对所述第二刀片旋转的范围。

进一步地，所述扭簧包括环部分和一对受力臂，所述环部分分别与两条受力臂相连接，所述旋转夹块设有收纳槽，所述转轴穿过所述收纳槽，所述环部分位于所述收纳槽内，且所述环部分套在所述转轴外，其中一条受力臂与所述旋转夹块相接触，另一条受力臂与所述第二刀片相固定。

进一步地，所述收纳槽的一侧设有缺口，其中一条受力臂穿过所述缺口与所述第二刀片相固定。

进一步地，所述驱动机构包括支架、电机、丝杆、牵引块、第一连杆和第二连杆，所述电机固定在所述支架上，所述电机通过带动所述丝杆自转，所述牵引块套在所述丝杆外且与所述丝杆螺纹连接，所述第一连杆分别与所述第一刀片和所述牵引块相铰接，所述第二连杆分别与所述第二刀片和所述牵引块相铰接，所述转轴安装在所述支架上。

一种番茄串模糊采摘装置的采摘方法，其包括S01、确定目标果梗的剪切位置和果实的位置，调整所述剪切机构的姿态，使所述第一刀片的板面与竖直面的夹角为45°，且所述夹持机构在所述剪切机构下方；S02、张开所述第一刀片和所述第二刀片，所述剪切机构移动到目标果梗的剪切位置；S03、闭合所述第一刀片和所述第二刀片，所述夹持机构夹持目标果梗，完成对目标果梗的剪切动作；S04、控制所述夹持机构夹持着番茄串移动到指定位置，张开所述第一刀片和所述第二刀片，将果实放置到指定收集点，完成采摘作业。

进一步地，在步骤S01中，闭合所述第一刀片和所述第二刀片，保持所述第一刀片的板面与竖直面的夹角为45°，移动所述剪切机构到距离目标果梗的剪切位置深度方向10-20mm的位置。

进一步地，当完成对目标果梗的剪切动作后，调整所述剪切机构的姿态，使得所述第一刀片的板面与水平面平行，果实朝下。

本发明的有益效果为：所述番茄串采摘装置设计巧妙、结构简单、体积小、夹持力度稳定、容错率高、控制简单，减轻了番茄串采摘装置对于图像处理和控制精度等的要求，所述番茄串模糊采摘装置的采摘方法，无需准确获取目标果梗的具体姿态和位置，就能很好地完成对番茄串的夹持和采摘，并通过调整姿态提高夹持稳定性，极大地减小了视觉系统的负担，能够有效的提高采摘效率和采摘成功率。

附图说明

附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1为本发明一实施例提供的流程图；

图2为番茄串模糊采摘装置的结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的结构示意图；

图4为剪切机构张开到最大尺寸时的示意图；

图5为剪切机构闭合时的示意图；

图6为本实施例的采摘装置移动到采摘点的示意图；

图7为本实施例的采摘装置剪切果梗后翻转姿态的示意图。

具体实施方式

如图1-6中所示，本发明一实施例提供的一种番茄串模糊采摘装置，其包括剪切机构、夹持机构和驱动机构。所述剪切机构包括第一刀片1和第二刀片2，所述第一刀片1上设有转轴3，所述第二刀片2通过所述转轴3与所述第一刀片1相铰接，所述第一刀片1和所述第二刀片2皆可绕所述转轴3旋转，所述第一刀片1绕所述转轴3朝和所述第二刀片2旋转，所述第一刀片1的刀口与所述第二刀片2的刀口相向设置，当所述第一刀片1朝所述第二刀片2旋转时，所述第一刀片1的刀口与所述第二刀片2的刀口闭合，此时可以剪切果梗100。

如图2-6中所示，所述夹持机构包括固定夹块4、旋转夹块5和扭簧6，所述固定夹块4固定于第一刀片1上，所述第二刀片2通过所述转轴3铰接于所述第二刀片2上，所述扭簧6的一端固定于所述第二刀片2上，所述扭簧6的另一端与所述旋转夹块5远离所述固定夹块4的一面相接触，且所述扭簧6对所述旋转夹块5施加一个朝向所述固定夹块4的力，在不剪切果梗100的情况下，所述旋转夹块5随所述第二刀片2转动而转动，所述固定夹块4朝向所述旋转夹块5的一面为第一夹持面，所述旋转夹块5朝向所述固定夹块4的一面为第二夹持面，所述第一夹持面和所述第二夹持面皆用于夹持果梗100。所述驱动机构推动所述第一刀片1和所述第二刀片2闭合或张开。当所述第一刀片1和所述第二刀片2剪切果梗100时，所述固定夹块4和所述旋转夹块5相向运动并夹住果梗100，且由于所述旋转夹块5可以绕所述转轴3旋转，果梗100可以撑开所述旋转夹块5，且由于所述扭簧6对所述旋转夹块5施加一个力，使得所述旋转夹块5趋向相所述固定夹块4运动，确保所述固定夹块4和所述旋转夹块5可以牢牢夹紧果梗100。所述番茄串采摘装置设计巧妙、结构简单、体积小、夹持力度稳定、容错率高、控制简单，减轻了番茄串采摘装置对于图像处理和控制精度等的要求。

如图1-6中所示，所述旋转夹块5朝向所述第二刀片2的一侧设有镂空孔51，所述第二刀片2上固定有限位柱21，所述限位柱21伸入所述镂空孔51中，所述限位柱21用于限制所述旋转夹块5相对所述第二刀片2旋转的范围，确保所述旋转夹块5不会相对所述第二刀片2过度偏转，从而压坏所述扭簧6，且在本实施例中，所述第二刀片2和所述第一刀片1闭合时，所述固定夹块4和所述旋转夹块5之间的间隙范围在2-6mm之间，可以适合不同番茄品种的果梗100。所述扭簧6包括环部分61和一对受力臂62，所述环部分61分别与两条受力臂62相连接，所述旋转夹块5设有收纳槽52，所述转轴3穿过所述收纳槽52，所述环部分61位于所述收纳槽52内，且所述环部分61套在所述转轴3外，其中一条受力臂62与所述旋转夹块5相接触，另一条受力臂62与所述第二刀片2相固定，利用所述收纳槽52收容所述扭簧6，避免扭簧6占用过多空间，且可以对所述扭簧6进行保护。所述收纳槽52的一侧设有缺口，其中一条受力臂62穿过所述缺口与所述第二刀片2相固定，确保所述受力臂62可以尽可能贴近所述第二刀片2，节省占用空间。

如图1-5中所示，所述驱动机构包括支架7、电机8、丝杆81、牵引块82、第一连杆9和第二连杆10，所述电机8固定在所述支架7上，所述电机8通过带动所述丝杆81自转，所述牵引块82套在所述丝杆81外且与所述丝杆81螺纹连接，所述第一连杆9分别与所述第一刀片1和所述牵引块82相铰接，所述第二连杆10分别与所述第二刀片2和所述牵引块82相铰接，所述转轴3安装在所述支架7上。所述电机8通过转动自身转转子带动所述丝杆81转动，所述牵引块82沿所述丝杆81的延伸方向平移，所述牵引块82再带动所述第一连杆9和所述第二连杆10向所述电机8的方向移动或者向所述转轴3的方向移动，从而带动所述第一刀片1和所述第二刀片2闭合或张开，其中第一连杆9与所述第一刀片1相铰接的位置为第一连接处，第二连杆10与所述第二刀片2相铰接的位置为第二连接处，所述转轴3位于所述第一刀片1的刀口和所述第一连接处之间，所述转轴3位于所述第二刀片2的刀口和所述第二连接处之间。在本实施例中，当所述剪切机构张到最大尺寸，且所述第一刀片1的板面与水平面平齐时，以所述第一刀片1和第二刀片2为前端，电机8为后端，第一刀片1、第二刀片2之间的水平左右间隔为25-35mm，水平前后距离为35-40mm。

如图1-7中所示，在本实施例中，提供一种番茄串模糊采摘装置的采摘方法，先建立视觉系统，所述视觉系统可以直接采用现有技术的视觉系统，根据视觉系统采集确定目标果梗100的位置和果实的位置，确定目标果梗100的剪切位置和果实的位置，调整所述剪切机构的姿态，使所述第一刀片1的板面与竖直面的夹角为45°，且所述夹持机构在所述剪切机构下方，闭合所述第一刀片1和所述第二刀片2。根据之前视觉系统确定的采摘路径，保持所述第一刀片1的板面与竖直面的夹角为45°，移动所述剪切机构到距离目标果梗100的剪切位置深度方向10-20mm的位置。由于移动到目标果梗100附近时，所述剪切机构处于闭合状态，可以避免运动路径上有枝叶的情况下遮挡到剪切机构的正常运动，从而无法到达目标果梗100附近，如果有枝叶遮挡，由于采摘装置前端是闭合的，枝叶会顺着第一刀片1、第二刀片2的外部弧线往左右两边散开。张开所述第一刀片1和所述第二刀片2，所述剪切机构移动到目标果梗100的剪切位置。所述剪切机构张开到最大尺寸时，第一刀片1和第二刀片2之间的间距为25-35mm，对于果梗100直径范围为3-5mm的目标果梗100而言，可以允许在移动到采摘点时的左右方向定位误差为10-16mm。前后距离为35-40mm，对目标果梗100的采摘作用点在中间位置，可以允许在移动到采摘点时的深度方向定位误差为15-18mm，有着较大的容错率。闭合所述第一刀片1和所述第二刀片2，所述夹持机构夹持目标果梗100，完成对目标果梗100的剪切动作，夹持机构会比剪切机构先闭合，确保所述番茄串模糊采摘装置对于目标果梗100先进行夹持再进行剪切，避免还未夹紧果梗100就将其剪断，导致番茄串掉落。当完成对目标果梗100的剪切动作后，调整所述剪切机构的姿态，使得所述第一刀片1的板面与水平面平行，果实朝下，所述番茄串模糊采摘装置在夹持和剪切的过程中，剪切面与竖直面成45°，当完成对目标果梗100101的剪切动作之后，没有及时翻转采摘装置的姿态，在移动过程中由于番茄串果实的重力，会给夹持机构施加一个力矩，使得夹持机构有张开的趋势，目标果梗100的夹持力度会发生变化，调整所述第一切刀的板面与水平面平行，可以增大对番茄果梗100的夹持稳定性。最后控制所述夹持机构夹持着番茄串移动到指定位置，张开所述第一刀片1和所述第二刀片2，将果实放置到指定收集点，完成采摘作业。

如图2-7中所示，从现有的调查发现番茄果梗100从主干上生长出来的方向是斜向上的，但是由于番茄果实串的重量较大，在靠近番茄果实串附近的果梗100的角度是斜向下的，与竖直面的夹角范围是（26.0°，69.1°），平均值为47.5°，确保所述剪切机构对于果梗100剪切有一定的容错角度，当所述第一刀片1的板面与果梗100轴线所在的平面夹角范围在0-30°时都能较好地完成对番茄果梗100的剪切动作，故采摘装置的姿态选择为剪切面与竖直面成45°可以满足采摘。通过所述番茄串模糊采摘装置的采摘方法，无需准确获取果梗100的具体姿态和位置，就能很好地完成对番茄串的夹持和采摘，并通过调整姿态提高夹持稳定性，极大地减小了视觉系统的负担，能够有效的提高采摘效率和采摘成功率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种番茄串模糊采摘装置，其特征在于，包括：

一剪切机构，所述剪切机构包括第一刀片和第二刀片，所述第一刀片上设有转轴，所述第二刀片通过所述转轴与所述第一刀片相铰接，所述第一刀片的刀口与所述第二刀片的刀口相向设置；

一夹持机构，所述夹持机构包括固定夹块、旋转夹块和扭簧，所述固定夹块固定于第一刀片上，所述第二刀片通过所述转轴铰接于所述第二刀片上，所述扭簧的一端固定于所述第二刀片上，所述扭簧的另一端与所述旋转夹块远离所述固定夹块的一面相接触；

一驱动机构，所述驱动机构推动所述第一刀片和所述第二刀片闭合或张开。

2.根据权利要求1所述的番茄串模糊采摘装置，其特征在于：所述旋转夹块朝向所述第二刀片的一侧设有镂空孔，所述第二刀片上固定有限位柱，所述限位柱伸入所述镂空孔中，所述限位柱用于限制所述旋转夹块相对所述第二刀片旋转的范围。

3.根据权利要求1所述的番茄串模糊采摘装置，其特征在于：所述扭簧包括环部分和一对受力臂，所述环部分分别与两条受力臂相连接，所述旋转夹块设有收纳槽，所述转轴穿过所述收纳槽，所述环部分位于所述收纳槽内，且所述环部分套在所述转轴外，其中一条受力臂与所述旋转夹块相接触，另一条受力臂与所述第二刀片相固定。

4.根据权利要求3所述的番茄串模糊采摘装置，其特征在于：所述收纳槽的一侧设有缺口，其中一条受力臂穿过所述缺口与所述第二刀片相固定。

5.根据权利要求1所述的番茄串模糊采摘装置，其特征在于：所述驱动机构包括支架、电机、丝杆、牵引块、第一连杆和第二连杆，所述电机固定在所述支架上，所述电机通过带动所述丝杆自转，所述牵引块套在所述丝杆外且与所述丝杆螺纹连接，所述第一连杆分别与所述第一刀片和所述牵引块相铰接，所述第二连杆分别与所述第二刀片和所述牵引块相铰接，所述转轴安装在所述支架上。

6.权利要求1~5中任一项所述的番茄串模糊采摘装置的采摘方法，其特征在于，包括：

S01、确定目标果梗的剪切位置和果实的位置，调整所述剪切机构的姿态，使所述第一刀片的板面与竖直面的夹角为45°，且所述夹持机构在所述剪切机构下方；

S02、张开所述第一刀片和所述第二刀片，所述剪切机构移动到目标果梗的剪切位置；

S03、闭合所述第一刀片和所述第二刀片，所述夹持机构夹持目标果梗，完成对目标果梗的剪切动作；

S04、控制所述夹持机构夹持着番茄串移动到指定位置，张开所述第一刀片和所述第二刀片，将果实放置到指定收集点，完成采摘作业。

7.根据权利要求6所述的番茄串模糊采摘装置的采摘方法，其特征在于：在步骤S01中，闭合所述第一刀片和所述第二刀片，保持所述第一刀片的板面与竖直面的夹角为45°，移动所述剪切机构到距离目标果梗的剪切位置深度方向10-20mm的位置。

8.根据权利要求7所述的番茄串模糊采摘装置的采摘方法，其特征在于：当完成对目标果梗的剪切动作后，调整所述剪切机构的姿态，使得所述第一刀片的板面与水平面平行，果实朝下。

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