CN112352539B - 单果类小体型果品软体采摘手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农产品采摘设备技术领域，具体为单果类小体型果品软体采摘手，适用于樱桃、李子、圣女果等单果类小体型易受损果品的采摘。本发明在采摘手的主体部分未采用常见的刚性结构或者刚柔结合的结构，而是采用硅胶材料制成气囊结构，利用硅胶材料本身具有的变形能力及恢复特性来实现软致动，最终依靠两组环形空腔的充放气产生的变形来完成对果实的包覆性夹取，再由刀具模块剪去枝叶，完成采摘。本发明实现了主体部分的软体化，同时增加了果实的受力面积，提高了采摘手的整体夹持力，也改善了以往抓手局部应力集中的情况。同时，借助感应模块实现了压力自适应抓取，确保果实表面受力均匀，本发明结构简单轻便，容易制造，亦无需复杂算法控制。

Description

单果类小体型果品软体采摘手

技术领域

本发明涉及农产品采摘设备技术领域，具体为单果类小体型果品软体采摘手，主要用于单果类小体型易受损果品的采摘。

背景技术

樱桃、李子和圣女果等是含水量较高的水果，单果体积不大，果皮娇嫩易损坏，采摘难度较大。目前,主要还是以人工采摘为主，采摘劳动强度大。而现有的刚性机械手虽然具有成熟的控制体系，运动快而精确，但在农业采摘领域，刚性机械手对采摘作物的适应性比较差，抓手通用程度不足，而且果实的外形一般不规则，刚性机械手采摘容易造成果实损坏。

自然界许多生物具有柔软的身体，行动灵活，具有强大的环境适应性。相应的，通过使用软体材料制成的采摘手，可在一定范围内改变自身的形状和尺寸，拥有连续变形能力，能更好贴近果实表面，能有效保证果实的无损采摘。

目前采用的气动软体抓手一般采用仿生三指的形式，如专利号为201820945163.6的可调整式气动软体抓手，刚性零件多、结构复杂，三指式与果实的接触面积较小，容易出现局部夹持力过大，或者整体夹持力不够的情况，在采摘不规则形状的果实时容易发生果实脱落等情况，除此之外，现有的软体采摘手还未配备一体的剪切枝叶的装置，大都依靠拖拽或者外部剪切设备来完成，结构复杂，控制繁琐。

发明内容

为了解决上述技术问题并实现气动软体采摘手这一概念，本发明在采摘手的主体部分不采用常见的刚性结构或者刚柔结合的结构，而是采用硅胶材料制成气囊结构，利用硅胶材料本身具有的变形能力及恢复特性来实现软致动，最终依靠两组环形空腔的充放气产生的变形来完成对果实的包覆性夹取，再由刀具模块剪去枝叶，完成采摘。本发明实现了主体部分的软体化，同时增加了果实的受力面积，提高了采摘手的整体夹持力，也改善了以往抓手局部应力集中的情况。

一种单果类小体型果品软体采摘手，其特征在于：该采摘手包括气囊、支架、充气模块、感应模块、控制模块、刀具模块和电源。

所述气囊整体呈圆桶状，内部有两个截面为三角形的环形空腔，这两个环形空腔相互独立，互不连通，每个环形空腔与外部环境都留有一个导气孔，用于连通环形空腔与充气模块中的二位三通电磁阀。

所述支架材料为ABS硬质塑料，它由下端主体与上端端盖两部分组成，支架中间为圆柱形腔体，下端主体与上端端盖通过螺纹连接方式紧固在一起。

所述充气模块由外置真空泵、二位三通电磁阀及相应导气管组成，其中，外置真空泵先通过导气管与二位三通电磁阀连通，二位三通电磁阀再通过导气管与两组环形空腔相连通，每个环形空腔的充气与排气共用一根导气管完成，既保证了气密性、也避免了采摘手因导气管较多而显得杂乱。

所述感应模块由两组薄膜型压电传感器共同组成，每组又由两个或两个以上薄膜型压电传感器构成，薄膜型压电传感器分别植入在气囊环形空腔表面的软体层中，实现对两组环形空腔单独的压力监测。

所述控制模块是以ARM处理器为核心的控制部件，负责命令发布与数据处理。采摘开始后，感应模块实时监测压力数据并反馈，控制模块接收并处理感应模块传回的压力数据后，及时调整充气模块中二位三通电磁阀的工作状态，通过改变充气量的多少来改变两个腔体的形变程度，以此调节夹持力度的大小。当压力达到设定值后，表明采摘手已经夹紧了果实，此时控制模块命令刀具模块开始工作，完成枝叶的剪切，然后，控制模块再发布相应命令使采摘手松开果实，继而进行重复采摘的工作。

所述刀具模块由镰刀型刀片、环形刀片、转动杆和刀具盒组成，由小型舵机(图中省略)完成致动。镰刀型刀片通过转动杆上的两个方形卡槽固定在转动杆上，环形刀片通过卡槽固定在刀具盒内，环形刀片安装高度与镰刀型刀片相当，保证剪切时两刀片相贴合，环形刀片安装在镰刀型刀片初始位置的对侧，需确保镰刀型刀片的扫略路径能覆盖环形刀片，在剪切时不出现遗漏。转动杆由小型舵机致动，转动杆带动镰刀型刀片，使镰刀型刀片与固定在刀具盒上的环形刀片配合共同完成枝叶的剪切。

所述电源通过导线先与控制模块接通，再经由控制模块的多个输出端口分别接入充气模块的外置真空泵、二位三通电磁阀，刀具模块的舵机和感应模块中的薄膜型压电传感器(也可无源工作)，为之供电。

所述的单果类小体型果品软体采摘手，其主体作用部位为气囊，支架的下端主体部分通过自攻螺丝与气囊顶部相固定，自攻螺丝长度要适合，不超过气囊顶部实体部位厚度的一半，气囊边缘也可用扎带与支架固定，在气囊底部用同样的方法将刀具模块固定。除此之外，电源、控制模块和充气模块中的1个二位三通电磁阀集成在支架的圆柱形腔体中。

本发明的有益效果是：

本发明是一种基于气动的单果类小体型果品软体采摘手，其结构简单，主体部分采用硅胶材料，避免了使用刚性构件，因此质轻，同时省去了刚性机械手所需的驱动件的质量，该软体采摘手整体自由度多，灵活程度高，同时具有较好的抗压能力和抗冲击能力，在不利工况下，亦具有极强的恢复能力。本发明采摘手气囊的两组空腔是由控制模块单独控制的，两组腔体经过不同程度的充气、排气可以发生不同程度的形变，能很好地控制夹取果实的力度。本发明的采摘手的气囊采用环状结构设计，其内部的两组截面为三角形的环形空腔，实现了对果实的全方位包裹，不采用以往采摘手在局部施加压力的采摘方式，降低了局部应力集中导致果实被破坏的可能。同时，气囊的入口参考渔网式设计，外口大，内口小，果实易进难出，能有效防止采摘过程出现果实滑落等现象。本发明通过在气囊的空腔表面的软体层中植入两组薄膜型压电传感器，实现对其两组腔体单独的压力监测，以便及时反馈给控制模块，调整充气模块充气、排气的模式，通过调节气囊的形变来控制夹持果实的力度，因此，该采摘手采摘不规则形状的果实时也能很好地保证施力均匀，不会对果实产生局部破坏，可以实现无损采摘。本发明的采摘手的末端配备有刀具模块，内有可旋转的镰刀型刀片和固定的环形刀片，可以剪去果实的枝叶，避免了现有常规软体抓手通过拖拽的方法对果实产生的破坏，而且，此一体式结构的刀具装置减小了抓手的整体体积，简化了操作过程，省去了复杂算法。

附图说明

图1是本发明所述的一种软体采摘手的整体结构示意图，已标出相应组成结构的编号。

图2是支架内部结构示意图，已标出相应组成结构的编号。

图3是本发明所述的一种单果类小体型果品软体采摘手的气囊外形示意图。

图4是气囊内部结构示意图，已标出相应组成结构的编号。

图5是本发明所述的一种单果类小体型果品软体采摘手的刀具模块的组成结构图，已标出相应组成结构的编号。

图6是本发明所述的一种单果类小体型果品软体采摘手的控制原理图。

图中：1-支架；2-气囊；3-刀具模块；4-二位三通电磁阀；5-控制模块；6-电源；7-刀具盒；8-环形刀片；9-镰刀型刀片；10-转动杆；11-感应模块；12-导气孔；13-第一环形空腔；14-第二环形空腔；15-限制圈。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明。

如图1、2、3、4所示，本发明的单果类小体型果品软体采摘手，包括支架1、气囊2、刀具模块3、充气模块、控制模块5、电源6和感应模块11；所述支架1为本发明采摘手的最上端零部件，支架1下端主体的圆盘端与气囊2顶端相固定，支架1不直接与果实接触，此外，所述控制模块5、电源6和充气模块中的二位三通电磁阀4均固定在支架1的圆柱腔体内，支架1的圆柱腔体与外部环境间留有通道，以便充气模块中导气管的通过和其他用电设备的散热；所述刀具模块3安装在气囊2的底端，其中，环形刀片8、镰刀型刀片9和转动杆10都固定在刀具盒7内，转动杆10由小型舵机致动；所述感应模块11的薄膜型压电传感器分两组植入在如图2所示的气囊2与果实接触一侧的环形空腔表层；充气模块经由两根导气管分别接入气囊2的两个环形空腔，与外置真空泵、二位三通电磁阀4构成整个气动循环。

如图3、4所示，该采摘手的气囊2为圆桶状结构设计，第一环形空腔13、第二环形空腔14是两个截面为三角形的环形空腔，每个环形空腔都设有一个导气孔12，方便导气管接入环形空腔内部。该气囊是以Ecoflex0050型软硅胶为材料，经过加料、塑化、注塑、凝固、脱模和拼接等过程完成，环形空腔处壁厚为3mm。其上的导气孔12在接入导气管后，连接处应用密封胶进行密封处理。气囊2外部的硅胶中间内衬有厚度为0.6mm的限制圈15，材质为聚氨酯TPU85A，由3D打印而成，其作用是限制气囊2径向向外膨胀。

如图5所示，该采摘手的刀具模块3由刀具盒7、环形刀片8、镰刀型刀片9和转动杆10组成，所述的镰刀型刀片9初始时停留在刀具盒7内，不会伤害到果实，工作时舵机带动转动杆10及其上的镰刀型刀片9旋转至一固定角度，与固定在刀具盒7内的环形刀片8共同完成剪切作用，剪切完成后镰刀型刀片9继续在转动杆10的带动下回归初始位置；该发明中的镰刀型刀片9在旋转过程中可完全扫过刀具盒7的入口表面，带动果实的枝叶至剪切区域，避免出现未剪切掉枝叶的现象。

如图6所示，该采摘手由电源6给控制模块5、充气模块、刀具模块3中的用电设备供电，采摘手的整个抓取过程由控制模块5来调节，控制模块5命令充气模块给环形空腔进行充气或抽气，由设置在气囊2上的薄膜型压电传感器实时监测压力值，数据反馈至控制模块5后进行处理，再由控制模块5及时调整充气模块的工作状态，调节气囊2的夹紧力，当薄膜型压电传感器压力达到设定值时，实现了对果实的夹紧，完成采摘过程。

工作过程：

采摘手接通电源6后开始工作，果实穿过刀具模块3，进入气囊2中间，控制模块5命令充气模块开始进行充气工作，此时对气囊2的第一环形空腔13、第二环形空腔14同时进行充气，此时，两个环形空腔发生膨胀变形，从而开始贴近果实并施加压力，其中，第一环形空腔13给果实施加垂直表面向下的压力，第二环形空腔14给果实施加垂直表面向上的压力，从而将果实通过四周的挤压固定在气囊2中间。植入的的薄膜型压电传感器会实时监测压力大小并传输给控制模块5、以便在压力达到设定值时控制相应的环形空腔停止充气，压力不足的环形空腔则继续进行充气。当两组环形空腔都停止充气时，则表示气囊2已经将果实固定在它中间位置，控制模块5接着就控制刀具模块3中的舵机转动相应的角度，带动固定在其上的镰刀型刀片9运动，完成对果实枝叶的剪切，此时完成果实的摘取过程。在进行果实收集时，控制模块5控制充气模块进行排气，气囊2松开果实，果实即可从该采摘手中落下，完成整个采摘与收取过程。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例,并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.单果类小体型果品软体采摘手，其特征在于，该采摘手包括气囊、支架、充气模块、感应模块、控制模块、刀具模块和电源；支架、气囊和刀具模块从上至下依次连接；

所述气囊整体呈圆桶状，内部有两个截面为三角形的环形空腔，这两个环形空腔相互独立，互不连通，每个环形空腔与外部环境都留有一个导气孔，用于连通环形空腔与充气模块中的二位三通电磁阀；

所述充气模块由外置真空泵、二位三通电磁阀及相应导气管组成，其中，外置真空泵先通过导气管与二位三通电磁阀连通，二位三通电磁阀再通过导气管与两组环形空腔相连通，每个环形空腔的充气与排气共用一根导气管完成；

所述感应模块由两组薄膜型压电传感器共同组成，每组又由两个或两个以上薄膜型压电传感器构成，薄膜型压电传感器分别植入在气囊环形空腔表面的软体层中，实现对两组环形空腔单独的压力监测；

所述刀具模块由镰刀型刀片、环形刀片、转动杆和刀具盒组成，由小型舵机完成致动；镰刀型刀片通过转动杆上的两个方形卡槽固定在转动杆上，环形刀片通过卡槽固定在刀具盒内，环形刀片安装高度与镰刀型刀片相当，保证剪切时两刀片相贴合，环形刀片安装在镰刀型刀片初始位置的对侧，需确保镰刀型刀片的扫略路径能覆盖环形刀片，在剪切时不出现遗漏；转动杆由小型舵机致动，转动杆带动镰刀型刀片，使镰刀型刀片与固定在刀具盒上的环形刀片配合共同完成枝叶的剪切；

所述控制模块是以ARM处理器为核心的控制部件，负责命令发布与数据处理；

所述电源通过导线先与控制模块接通，再经由控制模块的多个输出端口分别接入充气模块的外置真空泵、二位三通电磁阀，刀具模块的舵机和感应模块中的薄膜型压电传感器；

所述感应模块的薄膜型压电传感器分两组植入在气囊与果实接触一侧的环形空腔表层；

充气模块经由两根导气管分别接入气囊的两个环形空腔，与外置真空泵、二位三通电磁阀构成整个气动循环；

气囊为圆桶状结构设计，第一环形空腔、第二环形空腔是两个截面为三角形的环形空腔，每个环形空腔都设有一个导气孔，方便导气管接入环形空腔内部；该气囊是以Ecoflex0050型软硅胶为材料，经过加料、塑化、注塑、凝固、脱模和拼接过程完成，环形空腔处壁厚为3mm；导气孔在接入导气管后，连接处应用密封胶进行密封处理；气囊外部的硅胶中间内衬有厚度为0.6mm的限制圈，材质为聚氨酯TPU85A，由3D打印而成，其作用是限制气囊径向向外膨胀；

所述的镰刀型刀片初始时停留在刀具盒内，不会伤害到果实，工作时舵机带动转动杆及其上的镰刀型刀片旋转至一固定角度，与固定在刀具盒内的环形刀片共同完成剪切作用，剪切完成后镰刀型刀片继续在转动杆的带动下回归初始位置；镰刀型刀片在旋转过程中可完全扫过刀具盒的入口表面，带动果实的枝叶至剪切区域，避免出现未剪切掉枝叶的现象；

采摘手接通电源后开始工作，果实穿过刀具模块，进入气囊中间，控制模块命令充气模块开始进行充气工作，此时对气囊的第一环形空腔、第二环形空腔同时进行充气，此时，两个环形空腔发生膨胀变形，从而开始贴近果实并施加压力，其中，第一环形空腔给果实施加垂直表面向下的压力，第二环形空腔给果实施加垂直表面向上的压力，从而将果实通过四周的挤压固定在气囊中间；植入的薄膜型压电传感器会实时监测压力大小并传输给控制模块、以便在压力达到设定值时控制相应的环形空腔停止充气，压力不足的环形空腔则继续进行充气；当两组环形空腔都停止充气时，则表示气囊已经将果实固定在它中间位置，控制模块接着就控制刀具模块中的舵机转动相应的角度，带动固定在其上的镰刀型刀片运动，完成对果实枝叶的剪切，此时完成果实的摘取过程；在进行果实收集时，控制模块控制充气模块进行排气，气囊松开果实，果实即可从该采摘手中落下，完成整个采摘与收取过程。

2.如权利要求1所述的单果类小体型果品软体采摘手，其特征在于，所述支架材料为ABS硬质塑料，它由下端主体与上端端盖两部分组成，支架中间为圆柱形腔体，下端主体与上端端盖通过螺纹连接方式紧固在一起；支架的下端主体部分通过自攻螺丝与气囊顶部相固定，自攻螺丝长度不超过气囊顶部实体部位厚度的一半，气囊边缘用扎带与支架固定，在气囊底部用自攻螺丝将刀具模块固定。

3.如权利要求1所述的单果类小体型果品软体采摘手，其特征在于，电源、控制模块和充气模块中的二位三通电磁阀集成在支架的圆柱形腔体中；支架的圆柱腔体与外部环境间留有通道，以便充气模块中导气管的通过和散热。

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