CN113396697B - 一种多末端串并联番茄采摘机械臂及其采摘方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多末端串并联番茄采摘机械臂及其采摘方法，涉及果蔬采摘技术领域，解决了鲜食番茄由于采摘难度大的问题。本发明一种多末端串并联番茄采摘机械臂，包括移动平台、串联大臂装置和并联末端装置，所述串联大臂装置的一端设置在移动平台上、另一端与并联末端装置相连接；所述串联大臂装置上设有双目摄像头；所述并联末端装置包括左并联末端机构和右并联末端机构，左并联末端机构和右并联末端机构对称连接在串联大臂装置上。本发明的大臂通过两个转动自由度即可实现对成熟番茄位置的接近，采用PRS并联结构实现精准距离调控的同时进行两个目标果实的采摘，两个并联机构协作完成位置微型调控进行采摘，互不干扰，实现高效协作。
Description
技术领域
本发明涉及果蔬采摘技术领域，特别是指一种多末端串并联番茄采摘机械臂及其采摘方法。
背景技术
番茄作为我国最受欢迎的果蔬之一，其深加工已经实现机械化，但鲜食番茄由于采摘难度大仍未实现机械化。目前，我国参加鲜食番茄加工的主要劳动力是老人和妇女，工作效率低下，由于番茄采摘期较短，采摘效率低下导致部分番茄腐烂，影响番茄的产量和质量。采摘机械设备的应用不仅能够提高农业生产力，解决劳动力不足，降低人工劳动强度，还可以降低生产成本。但目前现有番茄采摘机械设备大多效率不高，成本较高，不适合大范围推广，因此研制一种低成本，易操作，效率高的番茄采摘机械臂有着十分重要的意义。
发明内容
本发明提供一种多末端串并联番茄采摘机械臂，实现成熟番茄的连续采摘，番茄采摘效率高，制作成本低，且操作简单。
本发明的技术方案是这样实现的：一种多末端串并联番茄采摘机械臂，包括移动平台、串联大臂装置和并联末端装置，所述串联大臂装置的一端设置在移动平台上、另一端与并联末端装置相连接；所述串联大臂装置上设有双目摄像头；所述并联末端装置包括左并联末端机构和右并联末端机构，左并联末端机构和右并联末端机构对称连接在串联大臂装置上。
优选地，所述串联大臂装置包括连接在移动平台上的底座，底座上设有连接架，连接架上设有依次铰接的大臂和小臂，大臂通过第一摆动驱动机构与连接架相连接、小臂通过第二摆动驱动机构与连接架、大臂相连接。
优选地，所述第一摆动驱动机构包括右伺服电机，所述第二摆动驱动机构包括左伺服电机，左伺服电机和右伺服电机分别设置在连接架的两侧，左伺服电机的输出轴通过传动机构与大臂控制连接，大臂与小臂转动连接，小臂的一端与连接在右伺服电机输出轴上的连杆相连接，小臂的另一端上设有连接平台。
优选地，所述左并联末端机构和右并联末端机构均为PRS并联机构，左并联末端机构和右并联末端机构均包括连接在连接平台上的并联结构和末端执行机构。
优选地，所述并联结构包括第一静平台和动平台，动平台通过三组摆动机构与第一静平台相连接。
优选地，所述摆动机构包括设置在第一静平台下方的第一减速电机，第一减速电机的输出轴与设置在第一静平台上的第一偏心轮相连接；第一偏心轮通过第一鱼眼接头与第二Y型接头连接，第二Y型接头与光滑导轨连接，光滑导轨与设置在第一静平台上部的轴承立座连接；光滑导轨上设有十字连接器，十字连接器上部铰接有第一Y型接头，第一Y型接头的上部与螺纹杆连接，螺纹杆的上方通过球头副与动平台球铰接。
优选地，所述末端执行机构包括安装板，安装板的下方设有第二减速电机，第二减速电机与设置在安装板上方的第二偏心轮相连接；安装板的一侧设有定刀架，第二偏心轮上设有与定刀架配合的动刀架，动刀架与连接在安装板上的第二鱼眼接头相连接。移动平台上设有收集装置。
优选地，所述双目摄像头上设有视觉识别模块，视觉识别模块与设置在移动平台上的控制模块相连接，控制模块连接串联大臂控制模块和并联机构控制模块，串联大臂控制模块控制连接串联大臂装置，并联机构控制模块控制连接左并联末端机构和右并联末端机构。
上述多末端串并联番茄采摘机械臂的采摘方法，具体步骤如下：S1：准备工作：采摘作业开始，移动平台沿着番茄行间行走，视觉识别模块通过双目摄像头获取采摘区图片信息判断采摘区内有无成熟番茄，当采摘区存在成熟番茄时，移动平台停止前进，视觉识别模块识别成熟番茄位置并将成熟番茄位置信息反馈到控制模块；
S2: 大方位调整：控制模块向串联大臂控制模块发送指令，串联大臂控制模块控制右伺服电机和左伺服电机运动并带动左并联末端机构和右并联末端机构移动到成熟番茄附近；
S3：精准调整位置：左并联末端机构和右并联末端机构到达成熟番茄附近，视觉识别模块再次识别出两个成熟番茄的位置，并将信号传递给控制模块，控制模块传递指令使并联机构控制模块控制第一减速电机带动第一偏心轮转动，第一偏心轮带动动平台移动，进行距离的精准调控，先后将两个末端执行机构分别移动到两个成熟果实茎部，完成采摘准备工作；
S4：采摘：采摘准备工作完成后，末端执行机构上的定刀架静止在番茄茎部，第二减速电机转动，通过带动动刀架与定刀架形成夹剪结构，切割果茎，完成采摘。
本发明的有益效果为：本发明采用串联大臂装置的两个转动自由度即可实现对成熟果实位置的接近，制造成本降低；采用PRS并联结构的左并联末端机构和右并联末端机构在实现精准距离调控的同时，可同时进行两个目标果实的采摘，提高采摘效率；左并联末端机构和右并联末端机构两个并联机构协同完成位置微型调控进行采摘动作，互不干扰，实现高效协作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为图1中串联大臂装置的结构示意图；
图3为图1中并联结构的结构示意图；
图4为图1中末端执行机构的结构示意图；
图中：1-1、移动平台，1-2、收集装置，1-3、串联大臂装置，1-4 、左并联末端机构，1-5、右并联末端机构，1-6、双目摄像头，2-1、底座，2-2、连接架，2-3、右伺服电机，2-4、左伺服电机，2-5、大臂，2-6、连杆，2-7、小臂，2-8、连接平台，3-1、第一静平台，3-2、光滑导轨 3-3、十字连接器，3-4、第一Y型接头，3-5、螺纹杆，3-6、动平台，3-7、球头副，3-8、第一鱼眼接头，3-9、第二Y型接头，3-10、第一偏心轮，3-11、轴承立座，3-12、第一减速电机，4-1、第二减速电机，4-2、第二偏心轮，4-3、定刀架，4-4、动刀架，4-5、第二鱼眼接头，4-6、安装板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，实施例1为一种多末端串并联番茄采摘机械臂，包括移动平台1-1、串联大臂装置和并联末端装置，移动平台1-1内设有电机驱动整机，所述串联大臂装置的一端设置在移动平台1-1上、另一端与并联末端装置相连接；所述串联大臂装置1-3上设有双目摄像头1-6；所述并联末端装置包括左并联末端机构1-4和右并联末端机构1-5，左并联末端机构1-4和右并联末端机构1-5对称连接在串联大臂装置1-3上。串联大臂装置1-3具有两个自由度，可以接近采摘车体运动方向垂直的平面上的任意采摘位置；左并联末端机构1-4和右并联末端机构1-5可以同时独立作业，完成采摘。
如图2所示，实施例2与实施例1不同的是串联大臂装置1-3包括连接在移动平台1-1上的底座2-1，底座2-1上设有连接架2-2，连接架上设有依次铰接的大臂2-5和小臂2-7，大臂2-5通过第一摆动驱动机构与连接架2-2相连接、小臂2-7通过第二摆动驱动机构与连接架2-2、大臂2-5相连接。第一摆动驱动机构和第二摆动驱动机构控制大臂2-5和小臂2-7的位置，实现距离调整。
在本实施例中，第一摆动驱动机构包括右伺服电机2-3，所述第二摆动驱动机构包括左伺服电机2-4，左伺服电机2-4和右伺服电机2-3分别设置在连接架2-2的两侧，左伺服电机2-4的输出轴通过传动机构与大臂2-5控制连接，大臂2-5与小臂2-7转动连接，小臂2-7的一端与连接在右伺服电机2-3输出轴上的连杆2-6相连接，小臂2-7的另一端上设有连接平台2-8。底座2-1为法兰，固定在移动平台1-1上；右伺服电机2-3转动拉动连杆2-6来调整小臂2-5升高或降低，由左伺服电机转动调整大臂2-5进行距离调整，使左并联末端1-4和右并联末端1-5靠近成熟番茄。
如图3所示，实施例3区别于实施例2的是，左并联末端机构1-4和右并联末端机构1-5均为PRS并联机构，左并联末端机构1-4和右并联末端机构1-5均包括连接在连接平台2-8上的并联结构和末端执行机构，末端执行机构连接在并联结构上。并联结构包括第一静平台3-1和动平台3-6，动平台3-6通过三组摆动机构与第一静平台3-1相连接。三组摆动机构采用了RPS结构，有三个电机驱动，实现对末端执行机构空间位置和姿态的微调。
在本实施例中，所述摆动机构包括设置在第一静平台3-1下方的第一减速电机3-12，第一减速电机3-12的输出轴与设置在第一静平台3-1上的第一偏心轮3-10相连接；第一偏心轮3-10通过第一鱼眼接头3-8与第二Y型接头3-9连接，第二Y型接头3-9与光滑导轨3-2连接，光滑导轨3-2与设置在第一静平台3-1上部的轴承立座3-11连接；光滑导轨3-2上设有十字连接器3-1，十字连接器3-1可以在光滑导轨3-2上滑动，十字连接器3-1上部铰接有第一Y型接头3-4，第一Y型接头3-4的上部与螺纹杆3-5连接，螺纹杆3-5的上方通过球头副3-7与动平台3-6球铰接。三个第一减速电机3-12转动，带动十字连接器3-3的位置变化，当所有十字夹紧器3-3位于外极限位置时，动平台3-6处于最低位置，当所有十字夹紧器3-3位于内极限位置时，动平台3-6处于最高位置，三个十字连接器3-3的不同位置的改变将改变动平台3-6的位置，实现动平台3-6上末端执行机构的位置变化。左并联末端机构1-4和右并联末端机构1-5采用了RPS结构，有三个电机驱动，实现对末端执行机构空间位置和姿态的微调，末端执行器采用霍肯连杆机构，实现对果柄的直线剪切。
如图4所示，所述末端执行机构包括安装板4-6，安装板4-6的下方设有第二减速电机4-1，第二减速电机4-1与设置在安装板4-6上方的第二偏心轮4-2相连接；安装板4-6的一侧设有定刀架4-3，第二偏心轮4-2上设有与定刀架4-3配合的动刀架4-4，动刀架4-4与连接在安装板4-6上的第二鱼眼接头4-5相连接。末端执行机构采用的是霍肯连杆机构，实现对果柄的直线剪切；第二减速电机4-1控制第二偏心轮4-2转动，带动动刀架4-4转动，动刀架在第二鱼眼接头4-5的控制下左右摆动，实现动刀架4-4与定刀架4-3的配合完成采摘。
实施例4，移动平台1-1上设有收集装置1-2。收集装置1-2设置在移动平台1-1上，便利与番茄采摘后的运输收集，实现采摘收集一体化，节省时间以及人工成本，使收益最大化。
其他结构均与实施例3相同。
在本实施例中，双目摄像头1-6上设有视觉识别模块，视觉识别模块与设置在移动平台1-1上的控制模块相连接，控制模块连接串联大臂控制模块和并联机构控制模块，串联大臂控制模块控制连接串联大臂装置1-3，并联机构控制模块控制连接左并联末端机构1-4和右并联末端机构1-5。
上述多末端串并联番茄采摘机械臂的采摘方法，具体步骤如下：S1：准备工作：采摘作业开始，移动平台1-1沿着番茄行间行走，视觉识别模块通过双目摄像头1-6获取采摘区图片信息判断采摘区内有无成熟番茄，当采摘区存在成熟番茄时，移动平台1-1停止前进，视觉识别模块识别成熟番茄位置并将成熟番茄位置信息反馈到控制模块；采用双目摄像头1-6可以有效地识别已经成熟的番茄，并将有效数据传输到控制模块，控制模块开始对此数据进行处理转换成位置指令；
S2: 大方位调整：控制模块向串联大臂控制模块发送指令，串联大臂控制模块控制右伺服电机2-3和左伺服电机2-4运动，右伺服电机2-3和左伺服电机2-4运动控制大臂和小臂完成腰部转动，肩部伸长，并带动左并联末端机构1-4和右并联末端机构1-5移动到成熟番茄附近；
S3：精准调整位置：左并联末端机构1-4和右并联末端机构1-5到达成熟番茄附近，视觉识别模块再次识别出两个成熟番茄的位置，并将信号传递给控制模块，控制模块传递指令使并联机构控制模块控制三个摆动机构，第一减速电机3-12带动第一偏心轮3-10转动，第一偏心轮3-10带动动平台3-6移动，进行距离的精准调控，先后将两个末端执行机构分别移动到两个成熟番茄茎部，完成采摘准备工作；
S4：采摘：采摘准备工作完成后，末端执行机构上的定刀架4-3静止在番茄茎部，且利于剪切的位置，第二减速电机4-1转动，通过带动动刀架4-4与定刀架4-3形成夹剪结构，切割果茎，完成采摘。采摘后的番茄放置在收集装置1-2内，重复上述动作，在收集装置1-2装满后，前往收货处，装卸完成后壳重新投入采摘，节省了大量人力物力和时间成本，增加了收入。
具体的，机械臂由底座法兰2-1固定在移动平台1-1上，移动平台1-1内部电机驱动整机，进入番茄采摘区，连接平台2-8上部双目摄像头1-6进行图像识别，识别到成熟番茄之后， 进行信息反馈，然后由右伺服电机2-3转动拉动连杆2-6来调整小臂2-5升高或降低，由左伺服电机转动调整大臂2-5进行距离调整，使左并联末端1-4和右并联末端1-5靠近成熟果实；大臂由底座2-1固定在车体上。
靠近成熟番茄以后，左并联末端机构1-5和右并联末端机构1-6开始进行精确的位置调整，两个并联机构对称的固定在连接平台2-8上，左并联末端机构1-5和右并联末端机构1-6均由3组相同支路组成。第一减速电机3-12转动连接第一偏心轮3-10提供动力，第一偏心轮3-10通过螺栓和第一鱼眼接头3-8连接，第一Y型接头3-4一端通过销副与光滑导轨3-2连接，另一端连接第一鱼眼接头3-8，形成曲柄摇杆机构，轴承立座3-11对光滑导轨3-2起固定支撑作用，保证光滑导轨3-2做往复直线运动。十字连接器3-3一端固定在光滑导轨3-2上，另一端与第一Y型接头3-4通过销副连接，第一Y型接头3-4另一端连接螺纹杆3-5，动平台3-6通过球头副3-7连接3个螺纹杆3-5。三个第一减速电机3-12转动，带动十字连接器3-3的位置变化，当所有十字连接器3-3位于外极限位置时，动平台3-6处于最低位置，当所有十字连接器3-3位于内极限位置时，动平台3-6处于最高位置，三个十字夹紧机构的不同位置的改变将改变动平台的位置，实现动平台3-6上末端执行机构的位置变化。
当成熟番茄茎部在末端执行器4的定刀架4-3与动刀架4-4之间时，第二减速电机4-1带动第二偏心轮4-2转动在第二鱼眼接头4-5作用下，动刀架4-4做直线运动，动刀架4-3与定刀架4-4接触时，切割果茎，完成果实的采摘。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种多末端串并联番茄采摘机械臂，其特征在于：包括移动平台（1-1）、串联大臂装置和并联末端装置，所述串联大臂装置的一端设置在移动平台（1-1）上、另一端与并联末端装置相连接；所述串联大臂装置（1-3）上设有双目摄像头（1-6）；所述并联末端装置包括左并联末端机构（1-4）和右并联末端机构（1-5），左并联末端机构（1-4）和右并联末端机构（1-5）对称连接在串联大臂装置（1-3）上；
所述左并联末端机构（1-4）和右并联末端机构（1-5）均为PRS并联机构，左并联末端机构（1-4）和右并联末端机构（1-5）均包括连接在连接平台（2-8）上的并联结构和末端执行机构；
所述并联结构包括第一静平台（3-1）和动平台（3-6），动平台（3-6）通过三组摆动机构与第一静平台（3-1）相连接；
所述摆动机构包括设置在第一静平台（3-1）下方的第一减速电机（3-12），第一减速电机（3-12）的输出轴与设置在第一静平台（3-1）上的第一偏心轮（3-10）相连接；第一偏心轮（3-10）通过第一鱼眼接头（3-8）与第二Y型接头（3-9）连接，第二Y型接头（3-9）与光滑导轨（3-2）连接，光滑导轨（3-2）与设置在第一静平台（3-1）上部的轴承立座（3-11）连接；光滑导轨（3-2）上设有十字连接器（3-3），十字连接器（3-3）上部铰接有第一Y型接头（3-4），第一Y型接头（3-4）的上部与螺纹杆（3-5）连接，螺纹杆（3-5）的上方通过球头副（3-7）与动平台（3-6）球铰接；
所述末端执行机构包括安装板（4-6），安装板（4-6）的下方设有第二减速电机（4-1），第二减速电机（4-1）与设置在安装板（4-6）上方的第二偏心轮（4-2）相连接；安装板（4-6）的一侧设有定刀架（4-3），第二偏心轮（4-2）上设有与定刀架（4-3）配合的动刀架（4-4），动刀架（4-4）与连接在安装板（4-6）上的第二鱼眼接头（4-5）相连接；
所述串联大臂装置（1-3）包括连接在移动平台（1-1）上的底座（2-1），底座（2-1）上设有连接架（2-2），连接架上设有依次铰接的大臂（2-5）和小臂（2-7），大臂（2-5）通过第一摆动驱动机构与连接架（2-2）相连接、小臂（2-7）通过第二摆动驱动机构与连接架（2-2）、大臂（2-5）相连接；
所述第一摆动驱动机构包括右伺服电机（2-3），所述第二摆动驱动机构包括左伺服电机（2-4），左伺服电机（2-4）和右伺服电机（2-3）分别设置在连接架（2-2）的两侧，左伺服电机（2-4）的输出轴通过传动机构与大臂（2-5）控制连接，大臂（2-5）与小臂（2-7）转动连接，小臂（2-7）的一端与连接在右伺服电机（2-3）输出轴上的连杆（2-6）相连接，小臂（2-7）的另一端上设有连接平台（2-8）；
所述双目摄像头（1-6）上设有视觉识别模块，视觉识别模块与设置在移动平台（1-1）上的控制模块相连接，控制模块连接串联大臂控制模块和并联机构控制模块，串联大臂控制模块控制连接串联大臂装置（1-3），并联机构控制模块控制连接左并联末端机构（1-4）和右并联末端机构（1-5）；
上述多末端串并联番茄采摘机械臂的采摘方法，具体步骤如下，S1：准备工作：采摘作业开始，移动平台（1-1）沿着番茄行间行走，视觉识别模块通过双目摄像头（1-6）获取采摘区图片信息判断采摘区内有无成熟番茄，当采摘区存在成熟番茄时，移动平台（1-1）停止前进，视觉识别模块识别成熟番茄位置并将成熟番茄位置信息反馈到控制模块；
S2: 大方位调整：控制模块向串联大臂控制模块发送指令，串联大臂控制模块控制右伺服电机（2-3）和左伺服电机（2-4）运动并带动左并联末端机构（1-4）和右并联末端机构（1-5）移动到成熟番茄附近；
S3：精准调整位置：左并联末端机构（1-4）和右并联末端机构（1-5）到达成熟番茄附近，视觉识别模块再次识别出两个成熟番茄的位置，并将信号传递给控制模块，控制模块传递指令使并联机构控制模块控制第一减速电机（3-12）带动第一偏心轮（3-10）转动，第一偏心轮（3-10）带动动平台（3-6）移动，进行距离的精准调控，先后将两个末端执行机构分别移动到两个成熟果实茎部，完成采摘准备工作；
S4：采摘：采摘准备工作完成后，末端执行机构上的定刀架（4-3）静止在番茄茎部，第二减速电机（4-1）转动，通过带动动刀架（4-4）与定刀架（4-3）形成夹剪结构，切割果茎，完成采摘。
2.根据权利要求1所述的多末端串并联番茄采摘机械臂，其特征在于：所述移动平台（1-1）上设有收集装置（1-2）。
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