CN112997694B - 一种果实平留梗采摘的机器人末端执行器及作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种果实平留梗采摘的机器人末端执行器及作业方法，该末端执行器主要包括半圆条形摆刀和两1/4球面指，采摘时，果实进入两1/4球面指之间，1/4球面指快速合拢同时膨胀环形气囊向上滑动到采摘位形成对果实的可靠柔性抓握，1/4球面指开口缝隙适应果梗的方位偏差；半圆条形摆刀齐平于果蒂完成果梗切割，环形气囊收缩使果实落入送果软管完成回收。本发明通过双1/4球面指、半圆条形摆刀与筒内可移动环形气囊的有机组合，实现树上果实大小、位姿自适应的机器人平留梗采摘与回收作业，结构简单可靠。

Description

一种果实平留梗采摘的机器人末端执行器及作业方法

技术领域

本发明涉及农业机器人领域，特别涉及一种果实平留梗采摘的机器人末端执行器及作业方法。

背景技术

随着农业劳动力的锐减，鲜食果实的机器人化采摘已成为国内外的重点课题，针对不同鲜食果实的各类采摘机器人方案不断涌现。我国的水果产量巨大且鲜食比重极大，但是目前采收完全依赖人工，仅采摘的人工成本已经达到0.7-1.2元/公斤，实现机器人采摘的需求迫切。

根据农业部标准《NY-T716-2003柑橘采摘技术规范》，柑橘的人工采摘中应于果蒂部位将果梗剪平，切忌用手强拉果，以防拉伤果蒂而形成伤果。不仅柑橘，其他林果也有类似要求。根据农业部标准《NY_T1086-2006苹果采摘技术规范》，苹果应在采中或采后将果梗适当剪短，使果梗低于果肩。该平留梗要求是为了避免采后贮运过程中，因突出的果梗将其他果实表皮划伤，从而影响商品性甚至造成果品的腐烂变质。

平留梗要求在水果的人工采收中广泛采用，但是对于机器人采摘而言具有极大的挑战。现有采摘机器人末端执行器一般分为两大类，第一类以夹持果实通过拉、扭、折断果梗方式采摘，在果蒂或离层部位断裂，难以满足平留梗要求；第二类以切割果梗方式采摘，由于果实个体差异性、姿态差异性和视觉定位、切割工具定位的困难，亦难以实现平留梗采摘。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种果实平留梗采摘的机器人末端执行器及作业方法，实现对树上果实个体差异自适应的机器人平留梗采摘和回收。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种果实平留梗采摘的机器人末端执行器，包括：

圆筒环形气囊机构，包括圆筒和环形气囊，环形气囊滑动连接在圆筒内壁，环形气囊与气动系统相连，在气动系统的作用下，环形气囊能够处于膨胀状态或收缩状态；

球面双指机构，包括两1/4球面指和球面指电机，两1/4球面指形状相同，对称安装于圆筒的上管口，球面指电机通过齿轮机构驱动两1/4球面指开合；

摆刀机构，包括半圆条形摆刀和摆刀电机，半圆条形摆刀安装在圆筒上管口，半圆条形摆刀由摆刀电机驱动；所述半圆条形摆刀位于一对1/4球面指的外侧；

所述1/4球面指的外壁上安装有限位开关。

上述技术方案中，所述齿轮机构为两相互啮合的球面指齿轮和电机轴齿轮，球面指电机与电机轴齿轮连接，电机轴齿轮与一球面指齿轮啮合，球面指齿轮安装在两1/4球面指的同一端。

上述技术方案中，所述半圆条形摆刀的回转轴线同时与圆筒中心线、两1/4球面指的回转轴线垂直，两1/4球面指的回转轴线平行且与圆筒中心线垂直。

上述技术方案中，沿1/4球面指回转轴线的投影面内，限位开关的安装位置为与开口的夹角为θ，且限位开关的安装位置位于半圆条形摆刀初始状态的远端，开口为两1/4球面指相对的位置。

上述技术方案中，所述圆筒的内径R满足：k₁R_max≤R≤k₂R_max，其中R_max为采摘期该品种水果的最大果实半径，k₁、k₂为系数。

上述技术方案中，所述环形气囊在收缩状态的环形内孔半径为R_b，R_b满足：R_b≥1.1R_max，其中R_max为采摘期该品种水果的最大果实半径。

上述技术方案中，所述环形气囊的水平中心线到圆筒上管口面的距离D满足：

其中，R_min为采摘期该品种水果的最小果实半径，R_max为采摘期该品种水果的最大果实半径，R为圆筒内径，R_a为环形气囊在膨胀状态A₁的环形内孔半径，ε为环形气囊与果实挤压产生的径向变形量。

上述技术方案中，两1/4球面指的张开状态，使两开口之间的间隙为B，且B≥2R_max+B₀，其中，R_max为采摘期该品种水果的最大果实半径，B₀为适应机器人视觉与末端定位的误差。

上述技术方案中，两1/4球面指的合拢状态为两开口平行且留有宽度为d的缝隙，且c₁d_max≤d≤c₂d_max，d_max为采摘期该品种水果的最大果梗半径，c₁、c₂为系数。

一种果实平留梗采摘的机器人末端执行器的作业方法，包括步骤：

S1，半圆条形摆刀处于与圆筒上管口平行的初始状态，两1/4球面指处于张开状态，环形气囊处于下位S₀且呈膨胀状态A₁；

S2，末端执行器运动至果实处，使果实进入到张开的两个1/4球面指之间；

S3，两1/4球面指合拢，环形气囊向上滑动至采摘位S₁，果梗被两个1/4球面指夹在其开口缝隙中间，

S4，半圆条形摆刀将齐平于果蒂完成果梗的切割，使果实被采下；

S5，环形气囊到达收缩状态A₀，果实落下，进入果箱。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的圆筒环形气囊机构，包括圆筒和环形气囊，环形气囊滑动连接在圆筒内壁，在采摘果实前，环形气囊在下位并呈膨胀状态，避免球面指底部破坏环形气囊，采摘果实时，环形气囊在采摘位并呈膨胀状态，可靠柔性抓握住果实，果实采下后，环形气囊呈收缩状态，果实沿着环形气囊环形内孔落入送果软管，环形气囊回到下位；环形气囊根据采摘时刻的不同，分别位于不同的位置和状态，将果实可靠夹持并避免损伤；

(2)采摘果实时，本发明中的一对1/4球面指在球面指电机的带动下处于张开或合拢状态，两1/4球面指形状相同，且对称安装，使得果梗被两个1/4球面指夹在其开口缝隙中间，从而适应果梗的方位偏差，保证平留梗；配合摆刀机构，便于半圆条形摆刀将齐平于果蒂完成果梗的切割；

(3)本发明的1/4球面指的外壁上安装有限位开关，一方面实现一对1/4球面指切割果实前处于张开状态，另一方面使得半圆条形摆刀在切割完成后，能够停止于切割动作摆动极限状态；

(4)本发明通过双1/4球面指、半圆条形摆刀与筒内可移动环形气囊的有机组合，实现树上果实大小、位姿自适应的机器人平留梗采摘与回收作业，结构简单可靠。

附图说明

图1为本发明所述果实平留梗采摘的机器人末端执行器结构示意图；

图2(a)为本发明圆筒局部示意图；

图2(b)为本发明膨胀状态的环形气囊与1/4球面指夹持果实剖视图；

图3(a)为本发明膨胀状态的环形气囊结构主视图；

图3(b)为本发明膨胀状态的环形气囊结构等轴视图；

图4(a)为本发明环形气囊的状态示意图；

图4(b)为本发明环形气囊的工作位置示意图；

图5(a)为本发明1/4球面指结构主视图；

图5(b)为本发明1/4球面指结构剖视图；

图6(a)为本发明球面双指机构的传动示意图；

图6(b)为图6(a)局部示意图；

图7(a)为本发明半圆条形摆刀机构主视图；

图7(b)为本发明半圆条形摆刀结构示意图；

图8(a)为本发明果实平留梗采摘的机器人末端执行器的作业过程第一位置示意图；

图8(b)为本发明果实平留梗采摘的机器人末端执行器的作业过程第二位置示意图；

图8(c)为本发明果实平留梗采摘的机器人末端执行器的作业过程第三位置示意图；

图8(d)为本发明果实平留梗采摘的机器人末端执行器的作业过程第四位置示意图。

图中：1.1/4球面指，2.球面指电机外壳，3.球面指电机，4.半圆条形摆刀，5.摆刀轴承座，6.圆筒，7.环形气囊，8.送果软管，9.气管，10.摆刀电机外壳，11.限位开关，12.球面指轴承座，13.摆刀电机，14.果实，15.开口，16.球面指齿轮，17.电机轴齿轮，18.刀刃，19.刀背，20.果梗。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，果实平留梗采摘的机器人末端执行器包括圆筒环形气囊机构、球面双指机构和摆刀机构，球面双指机构安装于圆筒环形气囊机构的圆筒6上管口面，摆刀机构也安装于圆筒环形气囊机构的圆筒6上管口面。

如图1和图2所示，圆筒环形气囊机构包括圆筒6、环形气囊7、气管9、滑动模块、气动系统和送果软管8。环形气囊7通过滑动模块安装于圆筒6的内壁上，环形气囊7的竖直中心线与圆筒6中心线重合，环形气囊7沿圆筒6内壁滑动的方向与圆筒6中心线方向平行，环形气囊7通过气管9与气动系统相连，圆筒6的下管口安装有送果软管8。

圆筒6的内径R满足以下式子：

k₁R_max≤R≤k₂R_max (1)

其中，R_max为采摘期该品种水果的最大果实半径，k₁、k₂为系数，本实施例中k₁取1.15、k₂取1.25。

如图2(a)、图2(b)、图3(a)、图3(b)、图4(a)和图4(b)所示，环形气囊7的外壁为圆柱形，环形气囊7的外壁半径与圆筒6的内径R相同。环形气囊7的截面为半圆形，环形气囊7在膨胀状态A₁的环形内孔半径为R_a，半圆形截面的半径为R-R_a。环形气囊7在收缩状态A₀的环形内孔半径为R_b，半圆形截面的半径为R-R_b，R_b满足以下式子：

R_b≥1.1R_max (2)

如图2(a)、图2(b)、图4(a)和图4(b)所示，环形气囊7具有下位S₀和采摘位S₁，环形气囊7通过滑动模块在下位S₀和采摘位S₁之间直线移动，滑动模块的运动由外部驱动模块驱动，可以是液压驱动，也可以是气动驱动。当环形气囊7处于采摘位S₁处，处于膨胀状态A₁的环形气囊7与处于合拢状态的两个1/4球面指1将果实可靠夹持并避免损伤。在采摘位S₁，环形气囊7的水平中心线到圆筒6上管口面的距离D按照以下取值：

其中，R_min为采摘期该品种水果的最小果实半径；ε为环形气囊7与果实14挤压产生的径向变形量，ε与果实质量和气囊材质相关，本实施例中ε取0～5mm。

如图1、图5(a)、图5(b)、图6(a)和图6(b)所示，球面双指机构由1/4球面指1、球面指电机外壳2、球面指电机3、球面指轴承座12、一对球面指齿轮16、电机轴齿轮17构成。一对1/4球面指1形状相同，且两端通过球面指轴承座12对称安装于圆筒6的上管口，一对1/4球面指1的回转轴线平行并与圆筒6中心线垂直。球面指电机3通过球面指电机外壳2安装在圆筒6外侧，两1/4球面指1一端均与球面指齿轮16固定连接，两球面指齿轮16相互结合，且其中一球面指齿轮16与电机轴齿轮17啮合，电机轴齿轮17与球面指电机3输出轴连接，球面指电机3运行，通过电机轴齿轮17和一对球面指齿轮16驱动一对1/4球面指1对称合拢和张开。一对1/4球面指1的合拢状态为两开口15平行且留有宽度为d的缝隙，一对1/4球面指1的张开状态使两开口15之间的间隙为B，且：

B≥2R_max+B₀ (4)

其中，B₀为适应机器人视觉与末端定位的误差(定值)，B₀取10mm。

如图5(a)、图5(b)所示，1/4球面指1是内壁半径为R、外壁半径为R+s的1/4球面，在开口15处切去d/2宽，d按照以下取值：

c₁d_max≤d≤c₂d_max (5)

其中，d_max为采摘期该品种水果的最大果梗半径，c₁、c₂为系数，本实施例中c₁取1.0、c₂取1.1；s为1/4球面指1的厚度，本实施例中s取0.5～1mm。

1/4球面指1的外壁上安装有限位开关11，在沿1/4球面指1回转轴线的投影面内，限位开关11的安装位置为与开口15的夹角为θ，θ按照以下取值：

5°≤θ≤10° (6)

如图1和图7(a)、图7(b)所示，摆刀机构由半圆条形摆刀4、摆刀电机13、摆刀轴承座5和摆刀电机外壳10组成，半圆条形摆刀4通过摆刀轴承座5安装在圆筒6上管口，摆刀电机13通过摆刀电机外壳10安装在圆筒6的外侧。半圆条形摆刀4是内壁为半圆弧、宽度为e的细半圆条形结构，半圆条形摆刀4的内壁半径为R+s+δ，本实施例中e取8mm，δ取0.1～0.2mm；半圆条形摆刀4具有刀背19和刀刃18。半圆条形摆刀4位于一对1/4球面指1的外侧，且半圆条形摆刀4的回转轴线同时与圆筒6中心线、一对1/4球面指1的回转轴线垂直，半圆条形摆刀4的回转轴线与一对1/4球面指1的回转轴线位于圆筒6上管口的同一径向截面内。半圆条形摆刀4与摆刀电机13输出轴连接，半圆条形摆刀4通过摆刀电机13驱动上摆和复位。半圆条形摆刀4的初始状态是半圆条形摆刀4与圆筒6的上管口平行，半圆条形摆刀4的切割动作摆动极限状态为半圆条形摆刀4的刃口18接触1/4球面指1外壁上的限位开关11。1/4球面指1外壁上限位开关11的安装位置位于半圆条形摆刀4初始状态的远端。

果实平留梗采摘的机器人末端执行器的采摘与回收连续作业方法，包括以下步骤：

步骤(1)，如图1所示，半圆条形摆刀4处于与圆筒6上管口平行的初始状态，由于限位开关11的作用，一对1/4球面指1在球面电机的控制下处于张开状态；气动系统通过气管9对环形气囊7充气使环形气囊7达到环形内孔半径为R_a的膨胀状态A₁；为了防止张开状态的两个1/4球面指1底部与充气后的环形气囊7碰撞而破坏环形气囊7，环形气囊7处于下位S₀；

步骤(2)，如图8(a)所示，由机械臂带动果实平留梗采摘的机器人末端执行器到达果实14的底部，由机械臂调整圆筒6中心线朝向果实14并向前运动，使果实14进入到张开的两个1/4球面指1之间；

步骤(3)，如图8(b)所示，球面指电机3带动一对1/4球面指1快速合拢，一对1/4球面指1达到合拢状态，滑动模块带动膨胀状态A₁的环形气囊7快速向上滑动到采摘位S₁，一对1/4球面指1与膨胀状态A₁的环形气囊7形成对果实14的可靠柔性抓握，而果梗20被两个1/4球面指1夹在其开口15缝隙中间，从而适应果梗20的方位偏差；

步骤(4)，如图8(c)所示，摆刀电机13带动半圆条形摆刀4快速向上摆动，由于半圆条形摆刀4内壁与两个1/4球面指1处于合拢状态的外轮廓一致，半圆条形摆刀4将齐平于果蒂完成果梗20的切割，使果实14被采下；半圆条形摆刀4触发1/4球面指1外壁上的限位开关11，而停止于切割动作摆动极限状态；

步骤(5)，如图8(c)所示，半圆条形摆刀4处于切割动作摆动极限状态，气动系统通过气管9给环形气囊7快速抽气使环形气囊7迅速到达环形内孔半径为R_b的收缩状态A₀，使被采下的果实14受重力作用通过收缩状态A₀的环形气囊7环形内孔而落到送果软管8中，果实14经过送果软管8进入果箱，完成果实14的采摘与回收作业；

步骤(6)，如图8(d)所示，环形气囊7快速滑动回到下位S₀，气动系统通过气管9给环形气囊7快速充气使环形气囊7再次进入膨胀状态A₁；摆刀电机13反转带动半圆条形摆刀4回复初始状态；球面指电机3反转带动两个1/4球面指1恢复张开状态；

步骤(7)，如此往复循环，完成果实的平留梗采摘与回收的连续作业。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种果实平留梗采摘的机器人末端执行器，其特征在于，包括：

圆筒环形气囊机构，包括圆筒(6)和环形气囊(7)，环形气囊(7)滑动连接在圆筒(6)内壁，环形气囊(7)与气动系统相连，在气动系统的作用下，环形气囊(7)能够处于膨胀状态或收缩状态；

球面双指机构，包括两1/4球面指(1)和球面指电机(3)，两1/4球面指(1)形状相同，对称安装于圆筒(6)的上管口，球面指电机(3)通过齿轮机构驱动两1/4球面指(1)开合；

摆刀机构，包括半圆条形摆刀(4)和摆刀电机(13)，半圆条形摆刀(4)安装在圆筒(6)上管口，半圆条形摆刀(4)由摆刀电机(13)驱动；所述半圆条形摆刀(4)位于一对1/4球面指(1)的外侧；

所述1/4球面指(1)的外壁上安装有限位开关(11)。

2.根据权利要求1所述的果实平留梗采摘的机器人末端执行器，其特征在于，所述齿轮机构为两相互啮合的球面指齿轮(16)和电机轴齿轮(17)，球面指电机(3)与电机轴齿轮(17)连接，电机轴齿轮(17)与一球面指齿轮(16)啮合，球面指齿轮(16)安装在两1/4球面指(1)的同一端。

3.根据权利要求1所述的果实平留梗采摘的机器人末端执行器，其特征在于，所述半圆条形摆刀(4)的回转轴线同时与圆筒(6)中心线、两1/4球面指(1)的回转轴线垂直，两1/4球面指(1)的回转轴线平行且与圆筒(6)中心线垂直。

4.根据权利要求1所述的果实平留梗采摘的机器人末端执行器，其特征在于，沿1/4球面指(1)回转轴线的投影面内，限位开关(11)的安装位置与开口(15)的夹角为θ，且限位开关(11)的安装位置位于半圆条形摆刀(4)初始状态的远端，开口(15)为两1/4球面指(1)闭合状态相对的位置。

5.根据权利要求1所述的果实平留梗采摘的机器人末端执行器，其特征在于，所述圆筒(6)的内径R满足：k₁R_max≤R≤k₂R_max，其中R_max为采摘期该品种水果的最大果实半径，k₁、k₂为系数。

6.根据权利要求1所述的果实平留梗采摘的机器人末端执行器，其特征在于，所述环形气囊(7)在收缩状态的环形内孔半径为R_b，R_b满足：R_b≥1.1R_max，其中R_max为采摘期该品种水果的最大果实半径。

7.根据权利要求1所述的果实平留梗采摘的机器人末端执行器，其特征在于，所述环形气囊(7)的水平中心线到圆筒(6)上管口面的距离D满足：

其中，R_min为采摘期该品种水果的最小果实半径，R_max为采摘期该品种水果的最大果实半径，R为圆筒(6)内径，R_a为环形气囊(7)在膨胀状态A₁的环形内孔半径，ε为环形气囊(7)与果实(14)挤压产生的径向变形量。

8.根据权利要求4所述的果实平留梗采摘的机器人末端执行器，其特征在于，两1/4球面指(1)的张开状态，使两开口(15)之间的间隙为B，且B≥2R_max+B₀，其中，R_max为采摘期该品种水果的最大果实半径，B₀为适应机器人视觉与末端定位的误差。

9.根据权利要求4所述的果实平留梗采摘的机器人末端执行器，其特征在于，两1/4球面指(1)的合拢状态为两开口(15)平行且留有宽度为d的缝隙，且c₁d_max≤d≤c₂d_max，d_max为采摘期该品种水果的最大果梗半径，c₁、c₂为系数。

10.一种果实平留梗采摘的机器人末端执行器的作业方法，其特征在于，包括步骤：

S1，半圆条形摆刀(4)处于与圆筒(6)上管口平行的初始状态，两1/4球面指(1)处于张开状态，环形气囊(7)处于下位S₀且呈膨胀状态A₁；

S2，末端执行器运动至果实(14)处，使果实(14)进入到张开的两个1/4球面指(1)之间；

S3，两1/4球面指(1)合拢，环形气囊(7)向上滑动至采摘位S₁，果梗(20)被两个1/4球面指(1)夹在其开口(15)缝隙中间，

S4，半圆条形摆刀(4)将齐平于果蒂完成果梗(20)的切割，使果实(14)被采下；

S5，环形气囊(7)到达收缩状态A₀，果实(14)落下，进入果箱。

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