CN113618747B - 一种苹果采摘机器人末端执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种苹果采摘机器人末端执行机构，包括小臂连接件、调节机构、夹持机构、切割机构和监测机构，所述调节机构安装在所述小臂连接件末端，所述夹持机构安装在所述调节机构两边，所述切割机构安装在所述夹持机构外侧，所述监测机构安装在夹持机构两侧。本发明安装在采摘机器人上通过电机带动连杆、滑块在导轨上运动使滑块带动手指外壳运动，实现夹持机构的开合以夹持苹果，同时带动切割机构闭合，实现切断果梗，设计监测机构来监测夹持机构的位置及作用力，夹持机构设计爪壳气囊增大接触面积，减少接触压力，解决采摘机器人末端执行机构采摘苹果的问题。

Description

一种苹果采摘机器人末端执行机构

技术领域

本发明涉及农业果蔬采摘领域，尤其涉及一种苹果采摘机器人末端执行机构。

背景技术

果实的采摘和收获是农业生产中一项重要的任务，随着人们需求的不断上升，作物的产量也随之增加。苹果是国民度极高的水果，经过多年的发展，我国苹果种植面积最大且产量最大，已在国际苹果市场上占有一席之地。苹果具有高营养价值，高产量和收益较高的特征。然而，目前为止，苹果的采摘工作大多都要靠人工采摘完成。故在农业机器人的研究和设计领域中，迫切需要采摘机器人来解决人工采摘耗时长、劳动密集、低效率且自动化程度低的问题。采摘机器人的末端执行机构的设计作为实现高效率和低损失的采摘机器人的重要组成部分，研究和设计苹果采摘机器人末端执行机构，能够为提高采摘机器人性能和降低劳动强度提供一种解决方案，并具有良好的市场应用前景。

现有技术CN107567815A提供了一种气囊式柑橘采摘机械手末端执行器及采摘方法，通过设置气囊筒与机械臂连接件连接，刀片对接件安装在一号旋转气缸轴上，二号旋转气缸安装在气囊筒侧壁横板上，所述切割刀片安装在二号旋转气缸轴上，通过双刀片旋转切割果柄，完成对准果实、靠近气囊夹持、刀片对接件接触果柄和切割刀片切断果柄工作过程。但是该专利由于受到气囊筒规格的限制，较大的果物无法进入气囊筒，较小的果物容易从气囊筒中滚落；另外，在交错的树枝之间旋转刀片工作空间受到妨碍和限制，容易造成其他果物受损。

发明内容

为解决上述问题，本发明提一种苹果采摘机器人末端执行机构，包括有小臂连接件、调节机构、夹持机构和切割机构；

所述调节机构安装在所述小臂连接件末端，所述夹持机构安装在所述调节机构两侧，所述切割机构安装在所述夹持机构外侧；

所述夹持机构包括有安装在调节机构上的两个对称的爪壳连接杆，所述爪壳连接杆内侧安装有球型壳状的手指外壳，所述手指外壳内侧嵌入安装有的圆环形的爪壳气囊。

进一步改进在于：所述调节机构包括电机架，所述小臂连接件安装在电机架底端，电机架顶端垂直安装有导轨，导轨两端安装有滑块，滑块一侧安装有滑块上板，滑块上板位于导轨侧面，滑块上板底端活动连接有连杆，两个滑块上板的连杆通过铰接件铰接在一起；电机架上有由直流伺服电机与减速器构成的舵机，舵机来连接连杆。

进一步改进在于：所述电机架与所述小臂连接件之间通过螺纹固定连接，所述滑块上板与所述滑块之间通过螺纹固定连接。

进一步改进在于：所述爪壳连接杆与所述滑块通过螺纹固定连接，所述手指外壳与所述爪壳连接杆通过螺纹固定连接。

进一步改进在于：所述切割机构包括有L形刀片架和L形刀片安装架，L形刀片架长的一端朝下安装在所述手指外壳外侧，L形刀片架短的一端朝内且其顶部垂直安装有L形刀片安装架长的一端，所述L形刀片安装架远离L形刀片架一侧朝下为短的一端，L形刀片安装架短的一端安装有刀片。

进一步改进在于：所述L形刀片架长的一端有纵向长槽口，纵向长槽口与手指外壳外侧通过螺杆组件固定连接；

L形刀片安装架长的一端有横向长槽口，横向长槽口与L形刀片架短的一端通过螺杆组件固定连接；

所述刀片与所述L形刀片安装架通过螺纹固定连接。

进一步改进在于：还包括有设置在夹持机构上的监测机构，监测机构包括视觉传感器和力传感器，视觉传感器固定连接在所述手指外壳外侧，力传感器安装在所述爪壳气囊内侧。

进一步改进在于：所述视觉传感器与所述手指外壳通过螺纹固定连接，所述力传感器与所述手指外壳通过螺纹固定连接。

本发明的有益效果：设计双指夹持机构，直接与苹果接触的手指为圆形有凹面的爪壳状结构。爪壳外侧面连接爪壳连接杆，连接杆杆另一端连接导轨滑块，爪壳内侧附有圆环形气囊。因苹果果实大小适中，形状比较规则，抓取难度并不大，设计出外形可于苹果弧面相对吻合的一对圆形手指。

通过设计圆环形弹性气囊作为缓冲部件。其一，能够避免刚性材料直接与果实接触，避免刚性材料直接与苹果接触，产生摩擦碰撞，造成果实损伤；其二，柔性气囊能够提供一定的摩擦力，以达到稳定抓取的目的；其三，柔性气囊可以很好地适应苹果不规则的弧面，能够增大夹持机构与果实的接触面积，减少接触压力。

纵向长槽口设置可以使得L形刀片架与手指外壳可纵向调整位置来安装；横向长槽口的设置可以使得L形刀片安装架与L形刀片架可横向调整位置来安装；这样刀片的横向和纵向位置均可调整，适应性好。

通过设计切割机构采用可调节剪刀式切割方式。两个装置连接刀片分别装在两手指爪壳的外侧面，两刀片均为动刀片。设计夹持机构与切割机构同步进行，同时实现抓取果实和切割果梗。这种设计可以减少一动力源，降低末端执行机构本身的重量，也便于控制。连接部位的槽口设计使得刀片角度、伸出长度均可调节，可以深入苹果果梗部位，剪切不同大小苹果的不同长度的果梗。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的小臂连接件的结构示意图。

图3为本发明的调节机构示意图。

图4为本发明的夹持机构与监测机构示意图。

图5为本发明的切割机构示意图。

其中：1-小臂连接件，2-调节结构，201-电机架，202-导轨，203-滑块，204-滑块上板，205-连杆，206-铰接件，3-夹持机构，301-爪壳连接杆，302-手指外壳，303-爪壳气囊，4-切割结构，401-L形刀片架，402-L形刀片安装架，403-刀片，404-纵向长槽口，405-横向长槽口，5-监测结构，501-视觉传感器，502-力传感器。

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做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1-5所示，本实施例提供一种苹果采摘机器人末端执行机构，主要包括小臂连接件1、调节机构2、夹持机构3、切割机构4和监测机构5。

所述调节机构2安装在所述小臂连接件1末端，所述调节机构2包括电机架201、导轨202、滑块203、滑板上板204、连杆205，电机架201安装在小臂连接件1末端，导轨202与电机架201通过连接件固定连接，滑块203安装在导轨202两边，滑块上板204安装在滑块203一侧，滑块上板204位于导轨202侧面，滑块上板204底端活动连接有连杆205，两个滑块上板204的连杆205通过铰接件206铰接在一起；电机架201上有由直流伺服电机与减速器构成的舵机，舵机来连接连杆205。电机架201与小臂连接件1之间通过螺纹固定连接，滑块203通过凹槽与导轨202相连，滑块上板204与滑块203之间通过螺纹固定连接，通过电机带动连杆205及滑块203，再由与滑块203 沿着导轨滑动带动夹持机构3实现夹持机构的夹持与放松的调节改变。

夹持机构3包括有安装在调节机构2上的两个对称的爪壳连接杆301，所述爪壳连接杆301内侧安装有球型壳状的手指外壳302，所述手指外壳302内侧嵌入安装有的圆环形的爪壳气囊303；爪壳连接杆301与滑块203通过螺纹固定连接，手指外壳302与爪壳连接杆301通过螺纹固定连接，且手指外壳302的形状为球形壳状。

切割机构4包括有L形刀片架401和L形刀片安装架402，L形刀片架401长的一端朝下安装在所述手指外壳302外侧，L形刀片架401短的一端朝内且其顶部垂直安装有L形刀片安装架402长的一端，所述L形刀片安装架402远离L形刀片架401一侧朝下为短的一端，L形刀片安装架402短的一端安装有刀片403；L形刀片架401长的一端有纵向长槽口404，纵向长槽口404与手指外壳302外侧通过螺杆组件固定连接；L形刀片安装架402长的一端有横向长槽口405，横向长槽口405与L形刀片架401短的一端通过螺杆组件固定连接；所述刀片403与所述L形刀片安装架402通过螺纹固定连接；实现刀片高度的调节，以便采摘不同大小的苹果。

监测机构5包括视觉传感器501与力传感器502，视觉传感器501安装在手指外壳302外侧表面处，力传感器502安装在手指外壳302内侧表面处，视觉传感器501与手指外壳302通过螺纹固定连接，力传感器502与手指外壳302通过螺纹固定连接，监测机构用于对夹持机构、切割机构及作业对象的位置及作用力进行监测。

在工作时，当末端执行机构靠近作业对象，监测机构5进行识别与定位，由直流伺服电机与减速器构成的舵机驱动调节机构2的连杆205和滑块203，再由与滑块203连接的爪壳301连接杆带动手指外壳302沿着导轨滑动开合，带动夹持机构3完成果实夹持动作，爪壳气囊303作为缓冲部件增大接触面积，减少接触压力，能够提高采摘成功率。

与此同时机构的切割动作是由配有可调节刀片的切割装置完成，与夹持机构3相连的切割机构4也随之闭合，即在夹持苹果的同时也带动切割装置闭合刀片切割果梗，减少一个动力源，便于机器人控制，切割完毕再由机器人带动末端执行机构送出果实完成整个采摘工作并继续采摘。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种苹果采摘机器人末端执行机构，包括有小臂连接件（1）、调节机构（2）、夹持机构（3）和切割机构（4）；

其特征在于：所述调节机构（2）安装在所述小臂连接件（1）末端，所述夹持机构（3）安装在所述调节机构（2）两侧，所述切割机构（4）安装在所述夹持机构（3）外侧；

所述夹持机构（3）包括有安装在调节机构（2）上的两个对称的爪壳连接杆（301），所述爪壳连接杆（301）内侧安装有球型壳状的手指外壳（302），所述手指外壳（302）内侧嵌入安装有的圆环形的爪壳气囊（303）；

所述调节机构（2）包括电机架（201），所述小臂连接件（1）安装在电机架（201）底端，电机架（201）顶端垂直安装有导轨（202），导轨（202）两端安装有滑块（203），滑块（203）一侧安装有滑块上板（204），滑块上板（204）位于导轨（202）侧面，滑块上板（204）底端活动连接有连杆（205），两个滑块上板（204）的连杆（205）通过铰接件（206）铰接在一起；电机架（201）上有由直流伺服电机与减速器构成的舵机，舵机来连接连杆（205）；

所述切割机构（4）包括有L形刀片架（401）和L形刀片安装架（402），L形刀片架（401）长的一端朝下安装在所述手指外壳（302）外侧，L形刀片架（401）短的一端朝内且其顶部垂直安装有L形刀片安装架（402）长的一端，所述L形刀片安装架（402）远离L形刀片架（401）一侧朝下为短的一端，L形刀片安装架（402）短的一端安装有刀片（403）；

所述L形刀片架（401）长的一端有纵向长槽口（404），纵向长槽口（404）与手指外壳（302）外侧通过螺杆组件固定连接；

L形刀片安装架（402）长的一端有横向长槽口（405），横向长槽口（405）与L形刀片架（401）短的一端通过螺杆组件固定连接；

所述刀片（403）与所述L形刀片安装架（402）通过螺纹固定连接。

2.如权利要求1所述的一种苹果采摘机器人末端执行机构，其特征在于：所述电机架（201）与所述小臂连接件（1）之间通过螺纹固定连接，所述滑块上板（204）与所述滑块（203）之间通过螺纹固定连接。

3.如权利要求1所述的一种苹果采摘机器人末端执行机构，其特征在于：所述爪壳连接杆（301）与所述滑块（203）通过螺纹固定连接，所述手指外壳（302）与所述爪壳连接杆（301）通过螺纹固定连接。

4.如权利要求1所述的一种苹果采摘机器人末端执行机构，其特征在于：还包括有设置在夹持机构（3）上的监测机构（5），监测机构（5）包括视觉传感器（501）和力传感器（502），视觉传感器（501）固定连接在所述手指外壳（302）外侧，力传感器（502）安装在所述爪壳气囊（303）内侧。

5.如权利要求4所述的一种苹果采摘机器人末端执行机构，其特征在于：所述视觉传感器（501）与所述手指外壳（302）通过螺纹固定连接，所述力传感器（502）与所述手指外壳（302）通过螺纹固定连接。