CN113016356A - 一种串果采摘机器人的混合式执行器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种串果采摘机器人的混合式执行器，包括视觉装置、剪刀装置以及包夹装置，所述视觉装置包括相机以及用于夹持所述相机的相机夹具；所述剪刀装置包括安装底板、设置在所述安装底板上的驱动装置、传动机构以及剪刀机构，所述驱动装置的输出端通过所述传动机构与所述剪刀机构连接；所述包夹装置包括包络基座和设置在包络基座上的至少三个柔性夹爪；所述相机夹具连接于所述驱动装置上，所述安装底板连接于所述包络基座上，同时本发明还提供了一种串果采摘机器人的混合式执行器的控制方法。本申请通过设置视觉装置对串果直接定位，同时设置所述包夹装置来有效提高容错率，整体通用性强，对串果的机械损伤低。

Description

一种串果采摘机器人的混合式执行器及控制方法

技术领域

本发明涉及采摘机器人领域，具体而言，涉及一种串果采摘机器人的混合式执行器及控制方法。

背景技术

我国作为全球串果类(西红柿、葡萄、芒果、荔枝等)的主要产出和出口国，果蔬农产品产量稳居世界前列，随着国内外串果类消费的激增，一款容错率高、通用性强、机械损伤低的串果类采摘执行器和控制方法成为了研究重点。

目前，针对串果采摘研制的混合式一体执行器较少，已有的串果采摘执行器主要由剪-夹式、剪-托式等构成，并通过间接定位的方式来进行串果果实定位，主要通过托、夹住串果果实，并剪断其果梗，以完成整套采摘动作。现有技术的串果采摘器不能进行直接定位，其间接定位容易导致定位误差大，进而导致容错率较低，通用性差。

发明内容

基于此，为了解决现有的串果采摘执行器定位误差大的问题，本发明提供了一种串果采摘机器人的混合式执行器及控制方法，其具体技术方案如下：

一种串果采摘机器人的混合式执行器，包括视觉装置、剪刀装置以及包夹装置，

所述视觉装置包括相机以及用于夹持所述相机的相机夹具；

所述剪刀装置包括安装底板、设置在所述安装底板上的驱动装置、传动机构以及剪刀机构，所述驱动装置的输出端通过所述传动机构与所述剪刀机构连接；

所述包夹装置包括包络基座和设置在包络基座上的至少三个柔性夹爪；

所述相机夹具连接于所述驱动装置上，所述安装底板连接于所述包络基座上。

上述的一种串果采摘机器人的混合式执行器，通过设置视觉装置对串果直接定位，同时设置所述包夹装置来有效提高容错率，整体通用性强，对串果的机械损伤低。

进一步地，所述传动机构包括安装座、设置在所述安装座上的导轨以及滑动连接在所述导轨上的两个滑块。

进一步地，所述剪刀机构包括第一刃体、铰接点以及第二刃体，所述第一刃体通过所述铰接点与所述第二刃体铰接。

进一步地，所述第一刃体的尾端和所述第二刃体的尾端分别与两个所述滑块铰接，以使所述第一刃体、所述第二刃体、所述导轨以及两个所述滑块共同形成可变几何形状；所述铰接点与所述安装底板铰接；所述安装座与所述驱动装置连接，以实现所述驱动装置驱动所述安装座往复移动来改变所述铰接点与所述安装座之间的距离，从而使所述可变几何形状发生变化，实现所述第一刃体与所述第二刃体打开或剪合。

进一步地，所述包络基座包括基座主体、托举机构和至少两个夹爪机构；各个所述柔性夹爪分别连接在所述托举机构和所述夹爪机构上。

进一步地，所述托举机构与所述基座主体连接；各个所述夹爪机构分别通过旋转驱动机构与所述基座主体连接，以实现所述旋转驱动机构带动所述夹爪机构转动，从而使与所述夹爪机构连接的所述柔性夹爪转动实现位置调整。

进一步地，各所述柔性夹爪的夹持端朝向所述相机拍摄方向设置，各所述柔性夹爪之间形成有包络空间，所述基座主体朝向所述包络空间的一侧设置有避空位。

进一步地，所述基座主体远离所述包络空间的一侧连接有末端执行器连接件。

一种串果采摘机器人的混合式执行器的控制方法，包括如下步骤：

第一步，对串果和果梗进行识别定位；

第二步，调整混合式执行器的包络状态与串果相适配；

第三步，对串果进行包络并对果梗进行剪切。

上述的一种串果采摘机器人的混合式执行器的控制方法，能够对串果有更好的适配性，能够对大目标和小目标进行包络，具有很好的通用性和容错率。

进一步地，第三步，对串果的包络包括夹持和托举。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1是本发明实施例之一中一种串果采摘机器人的混合式执行器的结构示意图之一；

图2是本发明实施例之一中一种串果采摘机器人的混合式执行器的结构示意图之二；

图3是本发明实施例之一中一种串果采摘机器人的混合式执行器的结构示意图之三；

图4是本发明实施例之一中一种串果采摘机器人的混合式执行器的基座主体的结构示意图；

图5是本发明实施例之一中一种串果采摘机器人的混合式执行器的控制方法的流程示意图。

附图标记说明：

11、相机；12、相机夹具；21、安装底板；22、驱动装置；231、安装座；232、导轨；233、滑块；234、铰接座；241、第一刃体；242、第二刃体；243、铰接点；31、基座主体；311、第一耳板；312、第二耳板；32、托举机构；33、夹爪机构；34、舵机；4、柔性夹爪；5、末端执行器连接件。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

如图1-4所示，本发明一实施例中的一种串果采摘机器人的混合式执行器，包括视觉装置、剪刀装置以及包夹装置，

所述视觉装置包括相机11以及用于夹持所述相机11的相机夹具12；

所述剪刀装置包括安装底板21、设置在所述安装底板21上的驱动装置22、传动机构以及剪刀机构，所述驱动装置22的输出端通过所述传动机构与所述剪刀机构连接；

所述包夹装置包括包络基座和设置在包络基座上的至少三个柔性夹爪4；

所述相机夹具12连接于所述驱动装置22上，所述安装底板21连接于所述包络基座上。

上述的一种串果采摘机器人的混合式执行器，通过设置视觉装置对串果直接定位，同时设置所述包夹装置来有效提高容错率，整体通用性强，对串果的机械损伤低。

所述柔性夹爪4为现有技术或可以通过现有技术获得，在此不再赘述，所述柔性夹爪4与外部气源连接从而使得所述软件手指在充气或抽气过程中完成包络或松开的动作。

所述相机11为现有技术或可以通过现有技术获得，在此不再赘述，所述相机夹具12为与所述相机11相适配配套的配件，在此不再赘述。

在其中一个实施例中，所述驱动装置22为气缸，所述相机夹具12固定连接于所述气缸的气缸座上。所述气缸为现有技术或可以通过现有技术获得，在此不再赘述。优选地，所述气缸为双轴气缸，能够保证整体运动过程的稳定性。

在其中一个实施例中，所述传动机构包括安装座231、设置在所述安装座231上的导轨232以及滑动连接在所述导轨232上的两个滑块233。具体的，在水平面上，所述导轨232的长度方向与所述驱动装置22的行程方向垂直，各所述滑块233上均连接有铰接座234。

在其中一个实施例中，所述剪刀机构包括第一刃体241、铰接点243以及第二刃体242，所述第一刃体241通过所述铰接点243与所述第二刃体242铰接。具体的，所述第一刃体241与所述第二刃体242为现有技术或可以通过现有技术获得，在此不再赘述。

在其中一个实施例中，所述第一刃体241的尾端和所述第二刃体242的尾端分别与两个所述滑块233的所述铰接座234铰接，以使所述第一刃体241、所述第二刃体242、所述导轨232、两个所述铰接座234以及两个所述滑块233共同形成可变几何形状；所述铰接点243与所述安装底板21铰接；所述安装座231与所述驱动装置22连接，以实现所述驱动装置22驱动所述安装座231往复移动来改变所述铰接点243与所述安装座231之间的距离，从而使所述可变几何形状发生变化，实现所述第一刃体241与所述第二刃体242打开或剪合。

本实施例夹剪机构的工作原理是：所述驱动装置22驱动所述安装座231移动，使所述铰接点243与所述安装座231之间距离改变；因此，所述第一刃体241、所述第二刃体242、所述导轨232、两个所述铰接座234和两个所述滑块233共同形成的可变几何形状需要进行变化，通过两个所述滑块233在所述导轨232上的滑动、所述第一刃体241和所述第二刃体242与所述滑块233之间的转动以及所述第一刃体241与所述第二刃体242之间的转动来实现；随着可变几何形状变化，第一刃体241与第二刃体242背向转动实现打开或相向转动实现剪合，从而实现果梗剪切。通过该设计，所述第一刃体241与所述第二刃体242之间的起始张角可以打开较大角度，剪切前对位果梗的容错率较高，可降低对果梗定位剪切的精确度，加快果蔬采摘效率。

在其中一个实施例中，所述包络基座包括基座主体31、托举机构32和至少两个夹爪机构33；各个所述柔性夹爪4分别连接在所述托举机构32和所述夹爪机构33上。

在其中一个实施例中，所述托举机构32与所述基座主体31连接；各个所述夹爪机构33分别通过旋转驱动机构与所述基座主体31连接，以实现所述旋转驱动机构带动所述夹爪机构33转动，从而使与所述夹爪机构33连接的所述柔性夹爪4转动实现位置调整。

具体的，所述安装底板21连接于所述基座主体31的顶部，所述基座主体31的两侧均关于所述基座主体31的中轴线对称设置有第一耳板311以及第二耳板312，所述托举机构32连接于所述基座主体31的底部，所述第一耳板311与所述第二耳板312之间形成有安装腔，所述夹爪机构33转动连接于所述安装腔内，所述第一耳板311上设置有用于驱动所述夹爪机构33转动的舵机34，所述舵机34与所述夹爪机构33连接。

优选地，所述第一耳板311与所述第二耳板312均倾斜向下设置，倾角为15°-25°，优选为20°。通过设计所述倾角，可在所述柔性夹爪4包络串果时，提供一个向上托举斜度，相对于平行的情况，能更好的贴合锥型串果，实现更好的包络效果。

在其中一个实施例中，各所述柔性夹爪4的夹持端朝向所述相机11拍摄方向设置，各所述柔性夹爪4之间形成有包络空间，所述基座主体31朝向所述包络空间的一侧设置有避空位。通过该设计能够使得串果靠近所述基座主体31的一侧具有一定的间隙从而避免被挤压变形造成损伤。

在其中一个实施例中，所述基座主体31远离所述包络空间的一侧连接有末端执行器连接件5。具体的，所述末端执行器连接件5为法兰连接盘，通过所述法兰连接盘将所述混合式执行器与机械臂连接。

在其中一个实施例中，所述柔性夹爪4上靠近各所述安装架的一侧上设置有压力传感器。

在其中一个实施例中，所述视觉装置、各所述舵机34、所述驱动装置22、所述外部气源以及所述压力传感器与控制器信号连接。

如图5所示，在其中一个实施例中，本发明还提供有一种串果采摘机器人的混合式执行器的控制方法，包括如下步骤：

第一步，对串果和果梗进行识别定位；

第二步，调整混合式执行器的包络状态与串果相适配；

第三步，对串果进行包络并对果梗进行剪切。

上述的一种串果采摘机器人的混合式执行器的控制方法，能够对串果有更好的适配性，能够对大目标和小目标进行包络，具有很好的通用性和容错率。

在其中一个实施例中，第三步，对串果的包络包括夹持和托举。

在其中一个实施例中，所述控制方法应用到所述混合式执行器中，具体的控制步骤如下：

1.所述混合式执行器首先通过顶部的相机对串果进行识别与定位，通过识别算法对串果进行识别，并对串果在三维空间中进行定位，并计算待夹取物体的轮廓大小，将得到的空间三维坐标点数据、物体轮廓数据传输至控制器，控制器根据所得到的三维空间数据指引所述混合式执行器到达指定的位置。

2.到达指定位置后，所述混合式执行器通过控制舵机正转摆开夹爪机构，待摆开夹爪机构后，舵机反转，闭合夹爪机构夹取串果，同时传输数据至控制器，控制器接受数据后，驱动压力传感器开始工作。

3.在舵机驱动夹爪机构闭合的过程中，压力传感器不断地将接受到的压力数据传输至控制器，形成闭环回路，控制器选取串级PI控制监测压力数据，当压力传感器波动平缓时，舵机停止运动。

4.舵机停止运动时，将单个夹爪的夹取力传输至外部气源托举机构，外部气源以气动使托举机构闭合，完成托举闭合动作。

5.当夹取-托举动作完成后，传输信号至控制器，控制器传递信号至剪刀装置，剪刀装置以驱动装置驱动剪刀机构完成整个剪梗动作。

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 (10)

1.一种串果采摘机器人的混合式执行器，其特征在于，包括视觉装置、剪刀装置以及包夹装置，

所述视觉装置包括相机以及用于夹持所述相机的相机夹具；

所述剪刀装置包括安装底板、设置在所述安装底板上的驱动装置、传动机构以及剪刀机构，所述驱动装置的输出端通过所述传动机构与所述剪刀机构连接；

所述包夹装置包括包络基座和设置在包络基座上的至少三个柔性夹爪；

所述相机夹具连接于所述驱动装置上，所述安装底板连接于所述包络基座上。

2.如权利要求1所述的一种串果采摘机器人的混合式执行器，其特征在于，所述传动机构包括安装座、设置在所述安装座上的导轨以及滑动连接在所述导轨上的两个滑块。

3.如权利要求2所述的一种串果采摘机器人的混合式执行器，其特征在于，所述剪刀机构包括第一刃体、铰接点以及第二刃体，所述第一刃体通过所述铰接点与所述第二刃体铰接。

4.如权利要求3所述的一种串果采摘机器人的混合式执行器，其特征在于，所述第一刃体的尾端和所述第二刃体的尾端分别与两个所述滑块铰接，以使所述第一刃体、所述第二刃体、所述导轨以及两个所述滑块共同形成可变几何形状；所述铰接点与所述安装底板铰接；所述安装座与所述驱动装置连接，以实现所述驱动装置驱动所述安装座往复移动来改变所述铰接点与所述安装座之间的距离，从而使所述可变几何形状发生变化，实现所述第一刃体与所述第二刃体打开或剪合。

5.如权利要求1所述的一种串果采摘机器人的混合式执行器及控制方法，其特征在于，所述包络基座包括基座主体、托举机构和至少两个夹爪机构；各个所述柔性夹爪分别连接在所述托举机构和所述夹爪机构上。

6.如权利要求5所述的一种串果采摘机器人的混合式执行器及控制方法，其特征在于，所述托举机构与所述基座主体连接；各个所述夹爪机构分别通过旋转驱动机构与所述基座主体连接，以实现所述旋转驱动机构带动所述夹爪机构转动，从而使与所述夹爪机构连接的所述柔性夹爪转动实现位置调整。

7.如权利要求5所述的一种串果采摘机器人的混合式执行器及控制方法，其特征在于，各所述柔性夹爪的夹持端朝向所述相机拍摄方向设置，各所述柔性夹爪之间形成有包络空间，所述基座主体朝向所述包络空间的一侧设置有避空位。

8.如权利要求7所述的一种串果采摘机器人的混合式执行器及控制方法，其特征在于，所述基座主体远离所述包络空间的一侧连接有末端执行器连接件。

9.一种串果采摘机器人的混合式执行器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，对串果和果梗进行识别定位；

第二步，调整混合式执行器的包络状态与串果相适配；

第三步，对串果进行包络并对果梗进行剪切。

10.如权利要求9所述的一种串果采摘机器人的混合式执行器的控制方法，其特征在于，第三步，对串果的包络包括夹持和托举。

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