CN113767757B - 果实姿态可调的采摘机器人末端执行器及收获方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了果实姿态可调的采摘机器人末端执行器及收获方法，包括机架、托板、带轮固定机构、姿态调整机构和夹持调节机构，带轮固定机构的数量为两个，带轮固定机构安装在机架和托板之间，姿态调整机构固定在带轮固定机构上，带轮固定机构用于固定带轮，夹持调节机构固定在托板的底部，夹持调节机构用于调整两个带轮固定机构之间的间距。具有以下优点：实现对果实的快速采摘和运输，控制过程简单，采收效率高。

Description

果实姿态可调的采摘机器人末端执行器及收获方法

技术领域

本发明属于农业机器人领域，涉及一种果实姿态可调的采摘机器人末端执行器与收获方法，实现对果实的采摘和运输作业。

背景技术

目前，随着果蔬种植产业的迅速发展，各种果蔬品种的种植面积逐年增长。有些种类的果蔬，果梗中不存在分离层，需对果梗进行切断后完成采收。实际生长中会出现果实聚集等现象，果实自然姿态存在不确定性，给果蔬的采摘带来了很大的困难。

现有采摘机器人的末端执行器主要通过控制机械臂的运动来调整末端执行器的姿态，从而适应生长姿态各不相同的果实。这种采摘方式控制过程复杂，采摘速度慢，且对机械臂的体积、结构及其操作空间具有一定要求。

针对现有末端执行器在面对生长姿态各样的果实时，控制过程复杂，采摘速度慢等问题，急需发明一种果实姿态可调的采摘机器人末端执行器及采收方法，简化控制过程，提高采收效率。

发明内容

本发明针对现有果实采摘机器人末端执行器存在的缺陷，提供了一种果实姿态可调的采摘机器人末端执行器及采收方法，实现对果实的快速采摘和运输，控制过程简单，采收效率高。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

果实姿态可调的采摘机器人末端执行器，包括机架、托板、带轮固定机构、姿态调整机构和夹持调节机构，带轮固定机构的数量为两个，带轮固定机构安装在机架和托板之间，姿态调整机构固定在带轮固定机构上，带轮固定机构用于固定带轮，夹持调节机构固定在托板的底部，夹持调节机构用于调整两个带轮固定机构之间的间距。

进一步的，所述姿态调整机构包括夹持带和夹持电机，夹持带和夹持电机的数量均为四个，四个夹持带分别是左上夹持带、左下夹持带、右上夹持带、右下夹持带，左上夹持带、左下夹持带、右上夹持带、右下夹持带分别由左上夹持电机、左下夹持电机、右上夹持电机、右下夹持电机控制。

进一步的，每个所述带轮固定机构的两端分别固定有两个夹果轮和两个主动轮，每个夹果轮和主动轮套有一条夹持带，主动轮与夹持电机连接，夹持电机用于驱动主动轮转动，主动轮负责驱动夹持带运行，夹果轮用于支撑四条夹持带。

进一步的，所述带轮固定机构包括两个位于夹果轮和主动轮上下两层的带轮浮动板，夹果轮的轮轴和主动轮的轮轴通过两个带轮浮动板进行固定；

所述夹果轮轴心固定在带轮浮动板上，可以绕轴心自由转动。

进一步的，所述托板上开设有漏果孔，漏果孔连接有运输管，运输管位于托板底部；

所述漏果孔远离末端执行器开口一侧设有压板，压板固定在托板上，压板用于调整果实的运动方向，使其进入运输管，运输管用于运输果实。

进一步的，所述带轮固定机构上设有转轴，转轴的两端分别安装在托板和机架上，带轮浮动板通过转轴连接托板和机架，带轮浮动板绕转轴在托板和机架之间摆动。

进一步的，所述夹持调节机构包括扭簧，带轮固定机构通过扭簧安装在机架上，两个所述带轮固定机构之间安装有剪刀，剪刀固定在机架上，剪刀用于剪断果梗。

进一步的，所述夹持调节机构还包括张紧绳、开口电机和导向块，张紧绳为两根，导向块固定在托板前端底部，开口电机固定在托板底部，位于导向块后方，两根张紧绳的一端均和夹果轮轴线相连，经过导向块改变连接方向，另一端与开口电机转轴相连，通过开口电机的转动拉动张紧绳，使带轮浮动板绕转轴转动。

果实姿态可调的采摘机器人末端执行器的采收方法，所述采收方法包括以下步骤：

步骤1，调节开口间隙：当采摘大小不同的果实时，通过夹持调节机构调节末端执行器开口大小，当果实体积较小时，开口电机正向转动，拉紧张紧绳，带轮浮动板绕轴转动，减小末端执行器开口间隙；当果实体积较大时，开口电机反向转动，松开张紧绳，带轮浮动板绕轴反向转动，末端执行器开口增大；

步骤2，调整果实姿态：根据果实姿态的不同，姿态调整机构中夹持带和夹持电机动作来对果实进行姿态调整；

步骤3，采摘过程：左右两组夹持带之间不同方向运行，四个夹持电机运行速度一致，四条夹持带和果实之间保持相对静止，将果实向后拉动，当果梗经过剪刀时，果梗被剪断，而果实在四条夹持带的作用下继续向后输送；

步骤4、完成收获：果实继续向后运动，并脱离托板的支撑，在压板的作用下，进入运输管，在重力的作用下下落，完成输送。

进一步的，所述步骤2中调整果实姿态的具体步骤如下：

步骤2.1，当果梗偏向左前方时，左上夹持电机和左下夹持电机静止，右上夹持电机和右下夹持电机同速运行，分别带动两个主动轮逆时针转动，使右上夹持带和右下夹持带同速运行，将果梗调整为向正前方倾斜状态；随后，左下夹持电机和右下夹持电机静止，左上夹持电机顺时针运行，右上夹持电机逆时针运行，二者运行速度一致，带动左上夹持带和右上夹持带同速运行，将果梗调整为竖直状态；

步骤2.2，当果梗偏向右前方时，右上夹持电机和右下夹持电机静止，左上夹持电机和左下夹持电机同速运行，分别带动两个主动轮逆时针转动，使左上夹持带和左下夹持带同速运行，将果梗调整为向正前方方倾斜状态；随后，左下夹持电机和右下夹持电机静止，左上夹持电机顺时针运行，右上夹持电机逆时针运行，二者运行速度一致，带动左上夹持带和右上夹持带同速运行，将果梗调整为竖直状态；

步骤2.3，当果梗偏向正前方时，左下夹持电机和右下夹持电机静止，左上夹持电机顺时针运行，右上夹持电机逆时针运行，二者运行速度一致，带动左上夹持带和右上夹持带同速运行，将果梗调整为竖直状态。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

1、能够采收果实聚集等情况的果实，可实现针对待采摘果实的生长姿态、大小不同的果实的末端执行器内的果实姿态调整，调整速度快，收获效率高，对多种果实适应性好，可实现鲁棒性采摘。

2、该末端执行器控制过程简单，实现了调整过程由机械臂姿态变化到末端执行器内的姿态调整，减少了对多自由度机械臂及其操作空间的要求，提升了末端执行器在狭小空间操作的可行性。

3、在收获过程中对于果实接触面积大，极大的降低了损伤率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为一种果实姿态可调的采摘机器人末端执行器的等轴侧视图；

图2为一种果实姿态可调的采摘机器人末端执行器的俯视图；

图3为一种果实姿态可调的采摘机器人末端执行器的结构示意图；

图4为一种果实姿态可调的采摘机器人末端执行器的侧视图；

图5至图12为姿态调整示意图；

图中：1、夹果轮；2、主动轮；3、带轮浮动板；4、剪刀；5、机架；6、扭簧；7、导向块；8、张紧绳；9、开口电机；10、托板；11、压板；12、运输管；13、左上夹持带；14、左下夹持带；15、右上夹持带；16、右下夹持带；17、左上夹持电机；18、左下夹持电机；19、右上夹持电机；20、右下夹持电机，21-漏果孔。

具体实施方式

实施例1，如图1至图4所示，果实姿态可调的采摘机器人末端执行器，包括机架5和带轮固定机构，机架5的两端各固定有一带轮固定机构，带轮固定机构的两端分别固定有两个夹果轮1和两个主动轮2，每个夹果轮1和主动轮2套有一条夹持带。

所述带轮固定机构包括两个位于夹果轮1和主动轮2上下两层的带轮浮动板3，夹果轮1的轮轴和主动轮2的轮轴通过两个带轮浮动板3进行固定。

所述夹果轮1轴心固定在带轮浮动板3上，可以绕轴心自由转动。

所述主动轮2负责驱动夹持带运行，夹果轮1用于支撑四条夹持带。

两个所述带轮固定机构之间安装有剪刀4，剪刀4固定在机架5上，剪刀4用于剪断果梗。

所述带轮固定机构的下方安装有托板10，托板10用于支撑果实，并和机架5配合固定安装各个附属机构。

所述托板10上开设有漏果孔21，漏果孔21连接有运输管12，运输管12位于托板10底部，漏果孔21远离末端执行器开口一侧设有压板11，压板11固定在托板10上，压板11用于调整果实的运动方向，使其进入运输管12，运输管12用于运输果实。

所述带轮固定机构上设有转轴，转轴的两端分别安装在托板10和机架5上，带轮浮动板3通过转轴连接托板10和机架5，带轮浮动板3绕转轴在托板10和机架5之间摆动。

所述末端执行器还包括夹持调节机构，夹持调节机构用于调整夹持间隙，适应不同尺寸的果实，夹持调节机构包括扭簧6、张紧绳8、开口电机9、导向块7，张紧绳8为两根，导向块7固定在托板10前端底部，开口电机9固定在托板10底部，位于导向块7后方，两根张紧绳8的一端均和夹果轮1轴线相连，经过导向块7改变连接方向，另一端与开口电机9转轴相连，通过开口电机9的转动拉动张紧绳8，使带轮浮动板3绕转轴转动，进而改变左右夹持带之间的夹持间距。

所述带轮浮动板3通过扭簧6安装在机架5上，带轮浮动板3受到张紧绳8的拉力产生的力矩与扭簧6产生的力矩平衡。

所述末端执行器还包括姿态调整机构，姿态调整机构用于调整果实的姿态，使果梗变为竖直状态，姿态调整机构包括四条夹持带和四个夹持电机组成，四个夹持带分别是左上夹持带13、左下夹持带14、右上夹持带15、右下夹持带16，左上夹持带13、左下夹持带14、右上夹持带15、右下夹持带16分别由左上夹持电机17、左下夹持电机18、右上夹持电机19、右下夹持电机20，四个夹持电机和四个主动轮一一对应连接，通过四条夹持带将动力分别传递到四个夹果轮。

本发明果实姿态可调的采摘机器人末端执行器的采收方法，包括如下步骤：

步骤1，调节开口间隙：当采摘大小不同的果实时，需要对夹持调节机构进行控制，当果实体积较小时，控制夹持调节机构，通过开口电机9正向转动，拉紧张紧绳8，带轮浮动板3绕轴转动，减小末端执行器开口间隙；当果实体积较大时，控制夹持调节机构，通过开口电机9反向转动，松开张紧绳8，带轮浮动板3绕轴反向转动，末端执行器开口增大；通过调节开口间隙，使四条夹持带压紧果实；

步骤2，调整果实姿态：根据果实姿态的不同，对果实进行姿态调整，步骤如下：

步骤2.1，如图5、图6所示，当果梗偏向左前方时，左上夹持电机17和左下夹持电机18静止，右上夹持电机19和右下夹持电机20同速运行，分别带动两个主动轮逆时针转动，使右上夹持带15和右下夹持带16同速运行，将果梗调整为向正前方倾斜状态，如图7、图8所示；随后，左下夹持电机18和右下夹持电机20静止，左上夹持电机17顺时针运行，右上夹持电机19逆时针运行，二者运行速度一致，带动左上夹持带13和右上夹持带15同速运行，将果梗调整为竖直状态，如图9、图10所示；

步骤2.2，如图11、图12所示，当果梗偏向右前方时，右上夹持电机19和右下夹持电机20静止，左上夹持电机17和左下夹持电机18同速运行，分别带动两个主动轮逆时针转动，使左上夹持带13和左下夹持带14同速运行，将果梗调整为向正前方方倾斜状态，如图7、图8所示；随后，左下夹持电机18和右下夹持电机20静止，左上夹持电机17顺时针运行，右上夹持电机19逆时针运行，二者运行速度一致，带动左上夹持带13和右上夹持带15同速运行，将果梗调整为竖直状态，如图9、图10所示；

步骤2.3，如图7、图8所示，当果梗偏向正前方时，左下夹持电机18和右下夹持电机20静止，左上夹持电机17顺时针运行，右上夹持电机19逆时针运行，二者运行速度一致，带动左上夹持带13和右上夹持带15同速运行，将果梗调整为竖直状态，如图9、图10所示；

步骤3，采摘过程：右上夹持电机19和右下夹持电机20逆时针转动，左上夹持电机17和左下夹持电机18顺时针转动，四个夹持电机运行速度一致，四条夹持带和果实之间保持相对静止，将果实向后拉动，当果梗经过剪刀4时，果梗被剪断，而果实在四条夹持带的作用下继续向后输送；

步骤4，完成收获：果实继续向后运动，并脱离托板10的支撑，在压板11的作用下，进入运输管12，在重力的作用下下落，完成输送。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好的说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (6)

1.果实姿态可调的采摘机器人末端执行器，其特征在于：包括机架（5）、托板（10）、带轮固定机构、姿态调整机构和夹持调节机构，带轮固定机构的数量为两个，带轮固定机构安装在机架（5）和托板（10）之间，姿态调整机构固定在带轮固定机构上，带轮固定机构用于固定带轮，夹持调节机构固定在托板（10）的底部，夹持调节机构用于调整两个带轮固定机构之间的间距；

所述姿态调整机构包括夹持带和夹持电机，夹持带和夹持电机的数量均为四个，四个夹持带分别是左上夹持带（13）、左下夹持带（14）、右上夹持带（15）、右下夹持带（16），左上夹持带（13）、左下夹持带（14）、右上夹持带（15）、右下夹持带（16）分别由左上夹持电机（17）、左下夹持电机（18）、右上夹持电机（19）、右下夹持电机（20）控制；

每个所述带轮固定机构的两端分别固定有两个夹果轮（1）和两个主动轮（2），每个夹果轮（1）和主动轮（2）套有一条夹持带，主动轮（2）与夹持电机连接，夹持电机用于驱动主动轮转动，主动轮（2）负责驱动夹持带运行，夹果轮（1）用于支撑四条夹持带；

所述带轮固定机构包括两个位于夹果轮（1）和主动轮（2）上下两层的带轮浮动板（3），夹果轮（1）的轮轴和主动轮（2）的轮轴通过两个带轮浮动板（3）进行固定；

所述夹果轮（1）轴心固定在带轮浮动板（3）上，可以绕轴心自由转动；

所述带轮固定机构上设有转轴，转轴的两端分别安装在托板（10）和机架（5）上，带轮浮动板（3）通过转轴连接托板（10）和机架（5），带轮浮动板（3）绕转轴在托板（10）和机架（5）之间摆动。

2.如权利要求1所述的果实姿态可调的采摘机器人末端执行器，其特征在于：所述托板（10）上开设有漏果孔（21），漏果孔（21）连接有运输管（12），运输管（12）位于托板（10）底部；

所述漏果孔（21）远离末端执行器开口一侧设有压板（11），压板（11）固定在托板（10）上，压板（11）用于调整果实的运动方向，使其进入运输管（12），运输管（12）用于运输果实。

3.如权利要求1所述的果实姿态可调的采摘机器人末端执行器，其特征在于：所述夹持调节机构包括扭簧（6），带轮固定机构通过扭簧（6）安装在机架（5）上，两个所述带轮固定机构之间安装有剪刀（4），剪刀（4）固定在机架（5）上，剪刀（4）用于剪断果梗。

4.如权利要求1所述的果实姿态可调的采摘机器人末端执行器，其特征在于：所述夹持调节机构还包括张紧绳（8）、开口电机（9）和导向块（7），张紧绳（8）为两根，导向块（7）固定在托板（10）前端底部，开口电机（9）固定在托板（10）底部，位于导向块（7）后方，两根张紧绳（8）的一端均和夹果轮（1）轴线相连，经过导向块（7）改变连接方向，另一端与开口电机（9）转轴相连，通过开口电机（9）的转动拉动张紧绳（8），使带轮浮动板（3）绕转轴转动。

5.果实姿态可调的采摘机器人末端执行器的采收方法，其特征在于：所述采收方法应用于如权利要求1-4中任意一权利要求所述的果实姿态可调的采摘机器人末端执行器中，所述采收方法包括以下步骤：

步骤1，调节开口间隙：当采摘大小不同的果实时，通过夹持调节机构调节末端执行器开口大小，当果实体积较小时，开口电机（9）正向转动，拉紧张紧绳（8），带轮浮动板（3）绕轴转动，减小末端执行器开口间隙；当果实体积较大时，开口电机（9）反向转动，松开张紧绳（8），带轮浮动板（3）绕轴反向转动，末端执行器开口增大；

步骤2，调整果实姿态：根据果实姿态的不同，姿态调整机构中夹持带和夹持电机动作来对果实进行姿态调整；

步骤3，采摘过程：左右两组夹持带之间不同方向运行，四个夹持电机运行速度一致，四条夹持带和果实之间保持相对静止，将果实向后拉动，当果梗经过剪刀（4）时，果梗被剪断，而果实在四条夹持带的作用下继续向后输送；

步骤4、完成收获：果实继续向后运动，并脱离托板（10）的支撑，在压板（11）的作用下，进入运输管（12），在重力的作用下下落，完成输送。

6.如权利要求5所述的果实姿态可调的采摘机器人末端执行器的采收方法，其特征在于：所述步骤2中调整果实姿态的具体步骤如下：

步骤2.1，当果梗偏向左前方时，左上夹持电机（17）和左下夹持电机（18）静止，右上夹持电机（19）和右下夹持电机（20）同速运行，分别带动两个主动轮逆时针转动，使右上夹持带（15）和右下夹持带（16）同速运行，将果梗调整为向正前方倾斜状态；随后，左下夹持电机（18）和右下夹持电机（20）静止，左上夹持电机（17）顺时针运行，右上夹持电机（19）逆时针运行，二者运行速度一致，带动左上夹持带（13）和右上夹持带（15）同速运行，将果梗调整为竖直状态；

步骤2.2，当果梗偏向右前方时，右上夹持电机（19）和右下夹持电机（20）静止，左上夹持电机（17）和左下夹持电机（18）同速运行，分别带动两个主动轮逆时针转动，使左上夹持带（13）和左下夹持带（14）同速运行，将果梗调整为向正前方倾斜状态；随后，左下夹持电机（18）和右下夹持电机（20）静止，左上夹持电机（17）顺时针运行，右上夹持电机（19）逆时针运行，二者运行速度一致，带动左上夹持带（13）和右上夹持带（15）同速运行，将果梗调整为竖直状态；

步骤2.3，当果梗偏向正前方时，左下夹持电机（18）和右下夹持电机（20）静止，左上夹持电机（17）顺时针运行，右上夹持电机（19）逆时针运行，二者运行速度一致，带动左上夹持带（13）和右上夹持带（15）同速运行，将果梗调整为竖直状态。

Images