CN114097427B - 一种聚合式类球形单果采摘机械手及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种聚合式类球形单果采摘机械手及控制方法，该机械手包括基座、若干个活动设置在基座上的指杆以及触果件；所述基座包括外壳和设置在外壳上端的底座，在外壳内部设有电动伸缩杆和用于控制电动伸缩杆动作的控制系统，电动伸缩杆的一端经底座上的孔伸出外部并连接控制盘；所述控制盘上设有与指杆数量相等的孔洞，并通过孔洞套设在所述指杆上，所述触果件转动连接在所述第四指段的末端，所述触果件具有一弧形的触果面和设置在触果面内侧的压力传感器，在触果件夹持果实的状态下，触果面与果实表面接触，压力传感器将检测的数据传输至所述控制系统。本方案用于降低采摘过程中对果实造成的损伤，减少采摘机械手复杂度，减少成本，提高采摘效率。

Description

一种聚合式类球形单果采摘机械手及控制方法

技术领域

本发明涉及果蔬采摘机械手技术领域，具体为一种聚合式类球形单果采摘机械手及控制方法。

背景技术

圣女果、苹果、番茄等类球形果蔬营养物质丰富，是人类生活中必不可少的食物。我国又是农业大国，果蔬产业是种植业中的第二大产业。在果蔬生产过程中，其收获作业是关键环节之一，但因其果实多、季节关联性强导致采摘劳动强度大。近年来随着农业机械与智能化的不断发展，采摘机器人对于果蔬自动化采摘给出了相应的解决方案。

但现有的采摘机械手，如欠驱动机械手、形状记忆合金机械手等，常常通过复杂的机械结构和控制装置实现果蔬采摘，另外通过刚性铰链或者杆件构成往往不适用于易受损的成熟果实，且部分机械手造价成本过高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种聚合式类球形单果采摘机械手及控制方法，用于降低采摘过程中对果实造成的损伤，减少采摘机械手复杂度，减少成本。

本发明采用的技术方案是：一种聚合式类球形单果采摘机械手，包括基座、若干个活动设置在基座上的指杆以及触果件；所述基座包括外壳和设置在外壳上端的底座，在外壳内部设有电动伸缩杆和用于控制电动伸缩杆动作的控制系统，电动伸缩杆的一端经底座上的孔伸出外部并连接控制盘；

所述控制盘上设有与指杆数量相等的孔洞，并通过孔洞套设在所述指杆上，若干个指杆沿底座一周均匀分布，每一个指杆与底座之间还设有用于使指杆处于张开状态的扭簧，所述指杆由依次固定连接的第一指段、第二指段、第三指段以及第四指段组成，各个连接处均呈圆弧过渡，所述第一指段通过转动组件连接所述底座，所述第二指段呈弧形的凹状结构且其凹底朝向底座中心位置弯曲，所述第三指段呈弧形的凹状结构且其凹底朝向底座边缘位置弯曲；所述触果件转动连接在所述第四指段的末端，所述触果件具有一弧形的触果面和设置在触果面内侧的压力传感器，在触果件夹持果实的状态下，触果面与果实表面接触，压力传感器将检测的数据传输至所述控制系统。

作为优选方案，所述指杆设有四个，并均匀分布在所述底座的四个角处，所述控制盘对应设有四个孔洞，控制盘通过其孔洞套设在指杆上并位于所述的第二指段处，通过电动伸缩杆带动控制盘向上移动，控制盘沿指杆的弧形面上移并带动四个指杆向内聚拢。

作为优选方案，所述的转动组件包括设置在底座上的轴承台、轴承、扭簧、承台柱以及设置在第一指段上的柱形突起，所述柱形突起通过轴承安装在轴承台的孔内，所述扭簧套设在承台柱上并安装在轴承台之间，扭簧的两端分别嵌于第一指段和底座上的槽内。

作为优选方案，所述第一指段朝向底座边缘的一侧面上还固定连接有限位块，通过限位块限制指杆向外张开的角度。

作为优选方案，所述第四指段内部具有工字型中空结构，在工字型中空结构内嵌有轴承，所述触果件的支撑杆安装在轴承内。

作为优选方案，所述第四指段上还设有限位缺口，限位缺口长度为第四指段横截面的1/6。

作为优选方案，所述的触果件上设有与所述限位缺口相配合的限位块，触果件安装在指杆上时所述限位块位于限位缺口内以约束触果件的转动范围。

作为优选方案，所述触果件包括支撑杆、壳体、压力传感器以及触果面，所述支撑杆通过轴承转动设置在所述第四指段的中空结构内，所述压力传感器设置在触果面和壳体内腔之间，在触果件夹持果实的状态下，触果面与果实表面接触，压力传感器检测获取果实的硬度数据参数并将数据传输至控制系统。

作为优选方案，所述触果面包括两侧的侧触果面以及中部的正压触果面，正压触果面表面形状为弧形的凹状结构，在凹状表面上设有网状凸起。

作为优选方案，一种聚合式类球形单果采摘机械手的控制方法，包括如下步骤：

S1、将机械手安装在全方位移动装置上，机械手初始状态下，控制盘处于第二指段处，多个指杆在扭簧作用下处于极限的张开状态；

S2、移动装置带动机械手移动至目标果实处于多个触果件的中心位置处，控制系统驱动电动伸缩杆动作，控制盘经第二指段的弧形面向上移动并会逐步接触第三指段，第二指段的弧形结构起缓冲作用，当控制盘接触到第三指段时，扭簧发生压缩，使得第三指段外侧紧贴控制盘的孔洞外侧，同时第一指段向内侧转动，进而带动第二指段、第三指段、第四指段向内侧转动，进而带动触果件向内侧转动，逐渐靠近果实；

S3、控制系统继续控制电动伸缩杆带动控制盘前进，当触果面开始触碰到果实时，如正压触果面正好接触到果实表面，由于正压触果面为凹状面，能贴合果实不发生位移与相对转动；如侧触果面接触到果实表面，由于接触面积不大，在力的作用下，此时触果件上的支撑杆发生转动，进而使得触果件与第四指段发生相对转动，使接触果实的面由侧触果面转到正压触果面，此时压力传感器因触碰到果实开始采集压力数据；控制盘继续移动，压力传感器所采集的数据不断增大，当压力传感器采集的数据达到抓取果实但未损伤果实时，控制系统控制电动伸缩杆停止伸出，从而带动控制盘停止，之后移动装置带动机械手动作使果蒂分离；

S4、果蒂分离后，移动装置带动机械手移动至指定位置，控制系统控制电动伸缩杆缩回，带动控制盘缩回，往第二指段运动，指杆在扭簧的作用力下不断张开，果实在机械手上脱落，从而实现采摘。

本发明的有益效果是：

其一、本方案通过优化设计，将基座、多个指杆、控制指杆移动控制系统以及触果件集成为一体结构的聚合式类球形单果采摘机械手，同时采摘过程中，触果件可自适应的调整方位与果实接触并实时将获取的果实表面硬度数据传输至控制系统内，通过控制系统控制指杆抓取动作，该方案用于降低采摘过程中对果实造成的损伤，减少采摘机械手复杂度，减少成本，提高采摘效率。

其二、本方案中，对指杆的控制结构进行优化，将指杆与控制盘进行结合，同时指杆的结构优化为依次固定连接的第一指段、第二指段、第三指段以及第四指段组成，各个连接处均呈圆弧过渡，所述第一指段通过转动组件连接所述底座，所述第二指段呈弧形的凹状结构且其凹底朝向底座中心位置弯曲，所述第三指段呈弧形的凹状结构且其凹底朝向底座边缘位置弯曲，控制盘上通过其上与指杆数量相等的孔洞套设在所述指杆上并带动指杆移动，控制盘经第二指段的弧形面向上移动并会逐步接触第三指段，第二指段的弧形结构起缓冲作用，当控制盘接触到第三指段时，扭簧发生压缩，使得第三指段外侧紧贴控制盘的孔洞外侧，同时第一指段向内侧转动，进而带动第二指段、第三指段、第四指段向内侧转动，进而带动触果件向内侧转动，逐渐靠近果实，上述结构具有成本低、控制简单快捷的优点。

其三、对触果件的结构进行优化，触果件包括支撑杆、壳体、压力传感器以及触果面，支撑杆通过轴承转动设置在所述第四指段的中空结构内，所述压力传感器设置在触果面和壳体内腔之间，在触果件夹持果实的状态下，触果面与果实表面接触，压力传感器检测获取果实的硬度数据参数并将数据传输至控制系统。其中触果面包括两侧的侧触果面以及中部的正压触果面，正压触果面表面形状为弧形的凹状结构，而且侧触果面的面积远远小于正压触果面的面积，由于正压触果面为凹状面，能贴合果实不发生位移与相对转动；如侧触果面接触到果实表面，由于接触面积不大，在力的作用下，此时触果件上的支撑杆发生转动，进而使得触果件与第四指段发生相对转动，使接触果实的面由侧触果面转到正压触果面，此时压力传感器因触碰到果实开始采集压力数据，如此以来，可以使得触果件在夹持果实时具有很好的自适应性。

附图说明

图1为本发明其中一种实施方式的结构示意图；

图2为本发明中基座与第一指段连接结构的爆炸示意图；

图3为本发明中第四指段的结构剖视图；

图4为本发明中触果件的结构示意图；

图5为本发明的控制原理示意图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益的结合到其它实施方式中。

需要说明的是：除非另做定义，本文所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中所使用的 “一个 ”、“一”或者“该”等类似词语不表述数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，但并不排除其他元件或者物件。

实施例1、

为了更清晰的描述出该机械手中各组件的连接关系及位置关系，结合附图1-5详细说明：

需要说明的是；本文中所描述的聚合式类球形单果采摘机械手采用的是多个指杆，指杆的数量可以根据所要抓取果实的大小以及果实的确切形状合理确定，本实施例以设置四个指杆为例描述：

如图1-5所示，一种聚合式类球形单果采摘机械手，包括基座1、四个指杆2以及控制四个指杆2动作的控制系统和设置在四个指杆2末端的触果件3；

其中，所述基座1包括外壳11和底座12，所述外壳11与底座12固定连接，所述底座12中间设有圆形孔洞；在所述外壳11内部设有电动伸缩杆111和用于控制电动伸缩杆动作的控制系统，电动伸缩杆111的一端经底座12上的圆形孔洞伸出底座12外部并连接控制盘113；所述控制盘113上均匀分布有四个孔洞，并通过孔洞套设在四个所述指杆2上，四个指杆沿底座12一周均匀分布；每一个指杆2与底座12之间还设有用于使指杆2处于张开状态的扭簧124，通过电动伸缩杆111带动控制盘113向上移动，控制盘113沿指杆2的弧形面上移并带动四个指杆2向内聚拢，从而带动指杆2末端的触果件3动作并夹持住果实表面。

本实施例中，所述指杆2由依次固定连接的第一指段21、第二指段22、第三指段23以及第四指段24组成，各个指段连接处均呈圆弧过渡并使得所构成的指杆2形成类似S型的流线型构件，其中所述第一指段21通过转动组件连接所述底座，使得每一个指杆2可以沿转动轴从外向底座的中心处转动，所述第二指段22呈弧形的凹状结构且其凹底朝向底座12中心位置弯曲，所述第二指段22横截面内外侧均为弧形；所述第三指段23呈弧形的凹状结构且其凹底朝向底座12边缘位置弯曲，所述第三指段23横截面内外侧均为弧形；所述触果件3转动连接在所述第四指段24的末端；所述第四指段24内部为工字型中空结构；所述工字形结构中嵌有轴承241，所述第四指段设有限位缺口242，限位缺口242长度为第四指段24横截面圆的1/6。所述第一指段21、第二指段22、第三指段23以及第四指段24的连接处均固接；所述触果件3具有一弧形的触果面和设置在触果面内侧的压力传感器，在触果件夹持果实的状态下，触果面与果实表面接触，同时压力传感器获取到果实表面的硬底数据并将该数据传输至所述控制系统，所述控制系统通过对应的数据对电动伸缩杆进行控制。

本实施例中，所述的转动组件包括设置在底座12上的两个轴承台121、轴承122、限位块123、扭簧124、承台柱115以及设置在第一指段21上的柱形突起211，两个轴承台121间隔设置，所述柱形突起211通过轴承122安装在轴承台121的孔内，所述扭簧124为张角180°，且扭簧124套设在承台柱115上并安装在两个轴承台121之间，扭簧124的两个自由端分别嵌于第一指段21的槽212和底座12上的槽116内以使得指杆2处于张开的状态，所述第一指段21朝向底座12边缘的一侧面上还固定连接有限位块213，通过限位块213与限位块123配合来限制指杆2向外张开的角度。

所述触果件3包括支撑杆31、外壳32、触果面33和压力传感器；其中，所述支撑杆31通过轴承241安装在第四指段24的中空孔内，所述外壳32为弧面结构，所述触果面33包括两侧的侧触果面331以及中部的正压触果面332，正压触果面表面形状为弧形的凹状结构，压力传感器设在外壳32和触果面33之间；当触果面抓取果实时，压力传感器获取果实表面的硬度数据并将该数据传输给控制系统112；所述触果面33即侧触果面331和正压触果面332构成梯形且连接处为弧形，所述触果面33紧贴在外壳32内部，正压触果面332表面形状设置为弧形的凹状结构是为了在触碰到果实后避免硬质材料对过失造成机械损伤，在凹状表面上同时设置有网状凸起结构，进一步在接触果实时减少对果实的机械损伤。所述触果面33的TPE材质，经过加料、塑化、注塑、凝固、脱模和拼接等过程完成，厚度为4mm；所述的触果件3上设有与所述限位缺口相配合的限位块34，触果件3安装在指杆2上时所述限位块34位于限位缺口242内以约束触果件3的转动范围。

所述聚合式类球形单果采摘机械手，其控制方法参照如下步骤：

步骤一、初始状态下，控制盘113在第二指段22处，由于扭簧124作用，使指杆2张开，直至限位块123与限位块213接触，指杆2呈张开状态且张开角度固定，该机械手静止；

步骤二、当开始抓取果实时，目标果实位于四个触果件3正中心，由电源供电，控制系统控制电动伸缩杆111伸出，从而带动控制盘113前进，控制盘113经过第二指段22，然后开始接触第三指段23，此过程中，第二指段22起缓冲作用，避免控制盘113直接接触第三指段23导致指段2突然聚合发生抖动现象和造成机械损伤；当控制盘113接触到第三指段23时，且电动伸缩杆111带动控制盘113继续前进，此时由于轴承122作用，第一指段21与轴承台121发生相对转动，扭簧124发生压缩，使得第三指段23外侧紧贴控制盘113的孔洞外侧，同时第一指段21转动方向指向内侧，进而带动第二指段22、第三指段23、第四指段24向内侧转动，进而带动触果件3向内侧转动，逐渐靠近果实；

步骤三、控制系统继续控制电动伸缩杆111伸出，从而继续带动控制盘113前进，当触果面33开始触碰到果实时，如果正压触果面332正好接触到果实表面，由于正压触果面332为凹状面，能贴合果实不发生位移与相对转动；如果侧触果面331接触到果实表面，由于接触面积不大，在力的作用下，此时支撑杆31与在轴承241内部发生转动，进而使得触果件2与第四指段24发生相对转动，使接触果实的面由侧触果面331转到正压触果面332，目的是通过自适应方法增大机械手与果实的接触面积，减少机械损伤，降低机械手的复杂度，与此同时为避免重力与复杂环境干扰带来的影响，设置限位缺口242和限位块34，使得触果件3能在限定范围内转动，仅使触果面33的侧触果面331和正压触果面332能接触到果实，此时压力传感器因触碰到果实开始采集压力数据；

步骤四、控制系统继续控制电动伸缩杆111伸出，从而继续带动控制盘113前进，进而四指不断往中心聚合，使得正压触果面332与果实间压力不断增大，压力传感器所采集的数据不断增大，当压力传感器采集的数据达到抓取果实但未损伤果实时，控制系统控制电动伸缩杆111停止伸出，从而带动控制盘113停止，之后通过额外施加的机械臂使果蒂分离，从而实现采摘；

步骤五、果蒂分离后，控制系统控制电动伸缩杆111缩回，从而带动控制盘113缩回，往第二指段22运动，此时控制经过第三指段23，由于轴承122、扭簧124的作用，指杆2不断张开，但第三指段23始终紧贴着控制盘113孔洞的外侧，与此同时，随着指杆2的不断张开，触果件3间的距离不断增大，使得果实与正压触果面33分离，果实在机械手上脱落，果实采摘成功；当控制盘113离开第三指段23时，限位块123与限位块213接触，指杆2停止张开，指杆2恢复到初始状态；控制系统控制电动伸缩杆111继续缩回，从而带动控制盘113继续缩回，到达第二指段22初始位置停止，机械手恢复到初始状态。

此时单果采摘动作一个周期完成。往复运动，可实现下一果实采摘。

应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可以有其他的多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种聚合式类球形单果采摘机械手，其特征在于：包括基座、若干个活动设置在基座上的指杆以及触果件；所述基座包括外壳和设置在外壳上端的底座，在外壳内部设有电动伸缩杆和用于控制电动伸缩杆动作的控制系统，电动伸缩杆的一端经底座上的孔伸出外部并连接控制盘；

所述控制盘上设有与指杆数量相等的孔洞，并通过孔洞套设在所述指杆上，若干个指杆沿底座一周均匀分布，每一个指杆与底座之间还设有用于使指杆处于张开状态的扭簧，所述指杆由依次固定连接的第一指段、第二指段、第三指段以及第四指段组成，各个连接处均呈圆弧过渡，所述第一指段通过转动组件连接所述底座，所述第二指段呈弧形的凹状结构且其凹底朝向底座中心位置弯曲，所述第三指段呈弧形的凹状结构且其凹底朝向底座边缘位置弯曲；所述触果件转动连接在所述第四指段的末端，所述触果件具有一弧形的触果面和设置在触果面内侧的压力传感器，在触果件夹持果实的状态下，触果面与果实表面接触，压力传感器将检测的数据传输至所述控制系统；

所述触果件包括支撑杆、壳体、压力传感器以及触果面，所述支撑杆通过轴承转动设置在所述第四指段的中空结构内，所述压力传感器设置在触果面和壳体内腔之间，在触果件夹持果实的状态下，触果面与果实表面接触，压力传感器检测获取果实的硬度数据参数并将数据传输至控制系统；

所述触果面包括两侧的侧触果面以及中部的正压触果面，正压触果面表面形状为弧形的凹状结构，在凹状表面上设有网状凸起。

2.根据权利要求1所述的一种聚合式类球形单果采摘机械手，其特征在于：所述指杆设有四个，并均匀分布在所述底座的四个角处，所述控制盘对应设有四个孔洞，控制盘通过其孔洞套设在指杆上并位于所述的第二指段处，通过电动伸缩杆带动控制盘向上移动，控制盘沿指杆的弧形面上移并带动四个指杆向内聚拢。

3.根据权利要求2所述的一种聚合式类球形单果采摘机械手，其特征在于：所述的转动组件包括设置在底座上的轴承台、轴承、扭簧、承台柱以及设置在第一指段上的柱形突起，所述柱形突起通过轴承安装在轴承台的孔内，所述扭簧套设在承台柱上并安装在轴承台之间，扭簧的两端分别嵌于第一指段和底座上的槽内。

4.根据权利要求3所述的一种聚合式类球形单果采摘机械手，其特征在于：所述第一指段朝向底座边缘的一侧面上还固定连接有限位块，通过限位块限制指杆向外张开的角度。

5.根据权利要求1所述的一种聚合式类球形单果采摘机械手，其特征在于：所述第四指段内部具有工字型中空结构，在工字型中空结构内嵌有轴承，所述触果件的支撑杆安装在轴承内。

6.根据权利要求5所述的一种聚合式类球形单果采摘机械手，其特征在于：所述第四指段上还设有限位缺口，限位缺口长度为第四指段横截面的1/6。

7.根据权利要求6所述的一种聚合式类球形单果采摘机械手，其特征在于：所述的触果件上设有与所述限位缺口相配合的限位块，触果件安装在指杆上时所述限位块位于限位缺口内以约束触果件的转动范围。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种聚合式类球形单果采摘机械手的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、将机械手安装在全方位移动装置上，机械手初始状态下，控制盘处于第二指段处，多个指杆在扭簧作用下处于极限的张开状态；

S2、移动装置带动机械手移动至目标果实处于多个触果件的中心位置处，控制系统驱动电动伸缩杆动作，控制盘经第二指段的弧形面向上移动并会逐步接触第三指段，第二指段的弧形结构起缓冲作用，当控制盘接触到第三指段时，扭簧发生压缩，使得第三指段外侧紧贴控制盘的孔洞外侧，同时第一指段向内侧转动，进而带动第二指段、第三指段、第四指段向内侧转动，进而带动触果件向内侧转动，逐渐靠近果实；

S3、控制系统继续控制电动伸缩杆带动控制盘前进，当触果面开始触碰到果实时，如正压触果面正好接触到果实表面，由于正压触果面为凹状面，能贴合果实不发生位移与相对转动；如侧触果面接触到果实表面，由于接触面积不大，在力的作用下，此时触果件上的支撑杆发生转动，进而使得触果件与第四指段发生相对转动，使接触果实的面由侧触果面转到正压触果面，此时压力传感器因触碰到果实开始采集压力数据；控制盘继续移动，压力传感器所采集的数据不断增大，当压力传感器采集的数据达到抓取果实但未损伤果实时，控制系统控制电动伸缩杆停止伸出，从而带动控制盘停止，之后移动装置带动机械手动作使果蒂分离；

S4、果蒂分离后，移动装置带动机械手移动至指定位置，控制系统控制电动伸缩杆缩回，带动控制盘缩回，往第二指段运动，指杆在扭簧的作用力下不断张开，果实在机械手上脱落，从而实现采摘。

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