CN114731835B - 一种串番茄粒采机械手及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及果蔬自动化采摘技术领域，涉及一种串番茄粒采机械手及方法。串番茄粒采机械手通过竖直布置的安装架安装于番茄采摘机器人的机械臂的手腕法兰上，通过双目识别相机和控制系统获取采摘对象的空间位置；双目识别相机通过螺钉固接在安装架上，用于采集采摘场景的图像并发送至控制系统，由控制系统计算得到采摘对象的空间位置，再驱动串番茄粒采机械手执行相关采摘动作；串番茄粒采机械手包括丝杠螺母、丝杠、限位套筒、拉杆连接盘、手腕连接盘、预紧螺旋弹簧、主动轴、气缸和抓持手爪；抓持手爪包括三个抓持手指，抓持手指包括弹性钢片、手指拉杆和软胶指腹。本发明实现对串番茄果粒的柔性抓持，减少对果粒的损伤，提高采摘效率和可靠性。

Description

一种串番茄粒采机械手及方法

技术领域

本发明涉及果蔬自动化采摘技术领域，尤其涉及一种串番茄粒采机械手。

背景技术

番茄是世界上重要的农作物之一，我国也是种植番茄面积广泛的国家。在番茄大面积种植的情况下，通常采用温室大棚或者高架种植的方式种植。这样种植出的番茄产量更高、灌溉和施肥更加方便快捷、阳光的利用率也能有效提高。然而在番茄成熟时需要耗费大量的劳动力才能顺利完成采摘，机械化、自动化的程度不足，目前的人工采摘方法已经无法满足我国现在番茄产业化的发展需求。研究番茄自动化采摘装备，能够有效提高番茄采收的效率，减少了劳动力的消耗，对扩大种植规模、建立高效的产业模式具有良好的促进作用。要想提高劳动生产率，大面积解放手工采摘的现状，采摘机械化势在必行。

现有的串番茄采摘装置多采用按整串采摘的方式；但由于光照等问题，整串串番茄的每个果粒不能同时成熟，因此按粒单采方式可以保证收获成熟度一致的串番茄果粒。而且按整串采摘方法主要是通过视觉的方式检测果梗的位置和姿态，但被剪切的果梗部分较短，尺寸较小，对识别相机的硬件要求较高，果梗不易检测，且果粒位于主茎的前侧和后侧时，果梗并不能完全检测到，严重影响串番茄采摘的准确性和效率。

现有的粒采执行末端，还存在着会损伤果粒、采摘效率比较低等问题，因此，亟需一种高效低损伤率的串番茄粒采机械手。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种串番茄粒采机械手及方法，实现对串番茄果粒的柔性抓持，减少对果粒的损伤，提高采摘效率和可靠性。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种串番茄粒采机械手，通过竖直布置的安装架1安装于番茄采摘机器人的机械臂14的手腕法兰上，通过双目识别相机9和控制系统获取采摘对象的空间位置；所述双目识别相机9通过螺钉固接在安装架1上，用于采集采摘场景的图像并发送至控制系统，由控制系统计算得到采摘对象的空间位置，再驱动串番茄粒采机械手执行相关采摘动作。

所述串番茄粒采机械手包括丝杠螺母2、丝杠3、限位套筒5、拉杆连接盘6、手腕连接盘7、预紧螺旋弹簧8、主动轴10、气缸13和抓持手爪。

所述气缸13固定安装于安装架1的后端，气缸13的气缸轴12通过联轴器11与主动轴10连接；所述丝杠螺母2通过螺钉固接在安装架1的前端面上；所述丝杠3螺纹连接在丝杠螺母2内部，构成丝杠副；所述手腕连接盘7通过螺钉固接在丝杠3的前端面上；所述丝杠螺母2与手腕连接盘7之间安装有预紧螺旋弹簧8；所述限位套筒5通过螺钉固接在手腕连接盘7的前端面上，限位套筒5的筒壁上均匀设有三个与其轴向平行的滑槽；所述拉杆连接盘6布置在限位套筒5内，拉杆连接盘6与依次穿过安装架1、丝杠螺母2、丝杠3、手腕连接盘7并插入限位套筒5内的主动轴10的前端固接；拉杆连接盘6设有三个与限位套筒5的滑槽一一对应的安装耳，所述安装耳位于滑槽内，并能够自由滑动。

所述抓持手爪包括三个抓持手指4，所述抓持手指4包括弹性钢片41、手指拉杆42和软胶指腹43；所述弹性钢片41的末端固接在手腕连接盘7上，所述软胶指腹43的末端固接在限位套筒5的前端，所述弹性钢片41的首端与软胶指腹43的首端固接；所述手指拉杆42的两端分别与弹性钢片41的中部和拉杆连接盘6的安装耳铰接。

所述滑槽的长度为限位套筒5的长度的2/3。

所述联轴器11由两个半圆筒组成，通过螺钉连接，联轴器11的后端能够将气缸轴12抱紧，联轴器11的前端与主动轴10为间隙配合，同时通过台阶面进行轴向限位，使主动轴10随气缸轴12做轴向运动的同时存在相对转动。

所述气缸轴12完全收缩的过程中，丝杠3相对于丝杠螺母2旋转一周。

一种利用所述的串番茄粒采机械手的串番茄粒采方法，包括如下步骤：

S1、通过串番茄粒采机械手上方的双目深度相机9实时拍摄前方图像，并实时向控制系统传输数据，控制系统通过图像识别和定位确定采摘果粒目标，并驱动机械臂14将串番茄粒采机械手运动到目标番茄果粒的前方，使目标番茄果粒位于三个抓持手指4的形成的包围区域中央；

S2、气缸13的气缸轴12收缩，联轴器11、主动轴10带动拉杆连接盘6也随之向后运动。开始时由于受预紧螺旋弹簧8预紧力的作用，手腕连接盘7保持不动，拉杆连接盘6相对于手腕连接盘7向后运动，从而带动手指拉杆42向后运动，手指拉杆42拉动弹性钢片41向内弯曲，最后使软胶指腹43向轴向方向收拢，实现对番茄果粒的包裹、抓持；

S3、气缸轴12继续收缩，拉杆连接盘6触碰到手腕连接盘7后带动手腕连接盘7向后运动，进而压缩螺旋弹簧8，驱使丝杠3相对丝杠螺母2做轴向和旋转运动，进而带动手腕连接盘7、限位套筒5、拉杆连接盘6、主动轴10和抓持手爪旋转，从而实现对番茄果粒的牵引和拧动，把番茄果粒从植株上采摘下来；

S4、控制系统驱动机械臂14将果粒移动到指定的释放位，气缸13的气缸轴12伸出，预紧螺旋弹簧8复位，驱动抓持手爪反向旋转并伸展复位，完整一次番茄果粒采摘。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用按果粒/单果采摘的方式，采用弹性钢片与软胶相结合的弹性手指，以便于对果粒更好的包裹，实现了对果粒的柔性抓持，减少对果粒的损伤；实现单个直线气缸完成抓持-牵引-旋转的采摘复合动作，实现对果粒的仿人手采摘，简化了机械结构和降低控制协调性要求，提高了采摘效率和可靠性。

附图说明

图1为本发明的串番茄粒采机械手的结构示意图；

图2为本发明的串番茄粒采机械手的局部剖视图；

图3为本发明的采机械手采摘抓持状态示意图。

其中的附图标记为：

1、安装架 2、丝杠螺母

3、丝杠 4、抓持手指

41、弹性钢片 42、手指拉杆

43、软胶指腹 5、限位套筒

6、拉杆连接盘 7、手腕连接盘

8、预紧螺旋弹簧 9、双目深度相机

10、主动轴 11、联轴器

12、气缸轴 13、气缸

14、机械臂

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本发明的一种串番茄粒采机械手，通过竖直布置的安装架1安装于番茄采摘机器人的机械臂14(图1仅显示部分机械臂)的手腕法兰上，通过双目识别相机9和控制系统获取采摘对象的空间位置。所述双目识别相机9通过螺钉固接在安装架1上，用于采集采摘场景的图像并发送至控制系统，由控制系统计算得到采摘对象的空间位置，再驱动串番茄粒采机械手执行相关采摘动作。

如图1和图2所示，所述串番茄粒采机械手包括丝杠螺母2、丝杠3、限位套筒5、拉杆连接盘6、手腕连接盘7、预紧螺旋弹簧8、主动轴10、气缸13和抓持手爪；

所述气缸13固定安装于安装架1的后端，气缸13的气缸轴12通过联轴器11与主动轴10连接；所述丝杠螺母2通过螺钉固接在安装架1的前端面上；所述丝杠3螺纹连接在丝杠螺母2内部，构成丝杠副；所述手腕连接盘7通过螺钉固接在丝杠3的前端面上；所述丝杠螺母2与手腕连接盘7之间安装有预紧螺旋弹簧8；所述限位套筒5通过螺钉固接在手腕连接盘7的前端面上，限位套筒5的筒壁上均匀设有三个与其轴向平行的滑槽；所述拉杆连接盘6布置在限位套筒5内，拉杆连接盘6与依次穿过安装架1、丝杠螺母2、丝杠3、手腕连接盘7并插入限位套筒5内的主动轴10的前端固接；拉杆连接盘6设有三个与限位套筒5的滑槽一一对应的安装耳，所述安装耳位于滑槽内，并能够自由滑动。

所述滑槽的长度为限位套筒5的长度的2/3。

所述联轴器11由两个半圆筒组成，通过螺钉连接，联轴器11的后端能够将气缸轴12抱紧，联轴器11的前端与主动轴10为间隙配合，同时通过台阶面进行轴向限位，可使主动轴10随气缸轴12做轴向运动的同时可存在相对转动。

如图3所示，所述抓持手爪包括三个抓持手指4，所述抓持手指4包括弹性钢片41、手指拉杆42和软胶指腹43；所述弹性钢片41的末端固接在手腕连接盘7上，所述软胶指腹43的末端固接在限位套筒5的前端，所述弹性钢片41的首端与软胶指腹43的首端固接；所述手指拉杆42的两端分别与弹性钢片41的中部和拉杆连接盘6的安装耳铰接。

通过丝杠副带动手腕连接盘7、限位套筒5、拉杆连接盘6、主动轴10和抓持手爪做旋转运动。

所述气缸轴12完全收缩的过程中，丝杠3相对于丝杠螺母2旋转一周。

本发明的工作过程如下：

采摘作业时，首先将本发明的串番茄粒采机械手通过安装架1采用螺纹连接安装于番茄采摘机器人的机械臂14的手腕法兰上，通过串番茄粒采机械手上方的双目深度相机9实时拍摄前方图像，并实时向控制系统传输数据，控制系统通过图像识别和定位确定采摘果粒目标，并驱动机械臂14将串番茄粒采机械手运动到目标番茄果粒的前方，使目标番茄果粒位于三个抓持手指4的形成的包围区域中央，然后开始目标抓持采摘动作。

工作开始，气缸13的气缸轴12收缩，联轴器11、主动轴10带动拉杆连接盘6也随之向后运动。开始时由于受预紧螺旋弹簧8预紧力的作用，手腕连接盘7保持不动，拉杆连接盘6相对于手腕连接盘7向后运动，从而带动手指拉杆42向后运动，手指拉杆42拉动弹性钢片41向内弯曲，最后使软胶指腹43向轴向方向收拢，实现对番茄果粒的包裹、抓持。

气缸轴12继续收缩，拉杆连接盘6触碰到手腕连接盘7后带动手腕连接盘7向后运动，进而压缩螺旋弹簧8，驱使丝杠3相对丝杠螺母2做轴向和旋转运动，进而带动手腕连接盘7、限位套筒5、拉杆连接盘6、主动轴10和抓持手爪旋转，从而实现对番茄果粒的牵引和拧动，把番茄果粒从植株上采摘下来。根据丝杠导程的设计，可使气缸轴12完全收缩的过程中，丝杠3相对于丝杠螺母2旋转一周(360°)。

之后控制系统驱动机械臂14将果粒移动到指定的释放位，气缸13的气缸轴12伸出，预紧螺旋弹簧8复位，驱动抓持手爪反向旋转并伸展复位，完整一次番茄果粒采摘。重复上述过程即可实现对多个果粒的连续采摘。

Claims (5)

1.一种串番茄粒采机械手，通过竖直布置的安装架(1)安装于番茄采摘机器人的机械臂(14)的手腕法兰上，通过双目识别相机(9)和控制系统获取采摘对象的空间位置；所述双目识别相机(9)固接在安装架(1)上，用于采集采摘场景的图像并发送至控制系统，由控制系统计算得到采摘对象的空间位置，再驱动串番茄粒采机械手执行相关采摘动作，其特征在于，

所述串番茄粒采机械手包括丝杠螺母(2)、丝杠(3)、限位套筒(5)、拉杆连接盘(6)、手腕连接盘(7)、预紧螺旋弹簧(8)、主动轴(10)、气缸(13)和抓持手爪；

所述气缸(13)固定安装于安装架(1)的后端，气缸(13)的气缸轴(12)通过联轴器(11)与主动轴(10)连接；所述丝杠螺母(2)固接在安装架(1)的前端面上；所述丝杠(3)螺纹连接在丝杠螺母(2)内部，构成丝杠副；所述手腕连接盘(7)固接在丝杠(3)的前端面上；所述丝杠螺母(2)与手腕连接盘(7)之间安装有预紧螺旋弹簧(8)；所述限位套筒(5)固接在手腕连接盘(7)的前端面上，限位套筒(5)的筒壁上均匀设有三个与其轴向平行的滑槽；所述拉杆连接盘(6)布置在限位套筒(5)内，拉杆连接盘(6)与依次穿过安装架(1)、丝杠螺母(2)、丝杠(3)、手腕连接盘(7)并插入限位套筒(5)内的主动轴(10)的前端固接；拉杆连接盘(6)设有三个与限位套筒(5)的滑槽一一对应的安装耳，所述安装耳位于滑槽内，并能够自由滑动；

所述抓持手爪包括三个抓持手指(4)，所述抓持手指(4)包括弹性钢片(41)、手指拉杆(42)和软胶指腹(43)；所述弹性钢片(41)的末端固接在手腕连接盘(7)上，所述软胶指腹(43)的末端固接在限位套筒(5)的前端，所述弹性钢片(41)的首端与软胶指腹(43)的首端固接；所述手指拉杆(42)的两端分别与弹性钢片(41)的中部和拉杆连接盘(6)的安装耳铰接。

2.根据权利要求1所述的串番茄粒采机械手，其特征在于，所述滑槽的长度为限位套筒(5)的长度的2/3。

3.根据权利要求1所述的串番茄粒采机械手，其特征在于，所述联轴器(11)由两个半圆筒组成，通过螺钉连接，联轴器(11)的后端能够将气缸轴(12)抱紧，联轴器(11)的前端与主动轴(10)为间隙配合，同时通过台阶面进行轴向限位，使主动轴(10)随气缸轴(12)做轴向运动的同时存在相对转动。

4.根据权利要求1所述的串番茄粒采机械手，其特征在于，所述气缸轴(12)完全收缩的过程中，丝杠(3)相对于丝杠螺母(2)旋转一周。

5.一种利用权利要求1-4任一项所述的串番茄粒采机械手的串番茄粒采方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过串番茄粒采机械手上方的双目深度相机(9)实时拍摄前方图像，并实时向控制系统传输数据，控制系统通过图像识别和定位确定采摘果粒目标，并驱动机械臂(14)将串番茄粒采机械手运动到目标番茄果粒的前方，使目标番茄果粒位于三个抓持手指(4)的形成的包围区域中央；

S2、气缸(13)的气缸轴(12)收缩，联轴器(11)、主动轴(10)带动拉杆连接盘(6)也随之向后运动；开始时由于受预紧螺旋弹簧(8)预紧力的作用，手腕连接盘(7)保持不动，拉杆连接盘(6)相对于手腕连接盘(7)向后运动，从而带动手指拉杆(42)向后运动，手指拉杆(42)拉动弹性钢片(41)向内弯曲，最后使软胶指腹(43)向轴向方向收拢，实现对番茄果粒的包裹、抓持；

S3、气缸轴(12)继续收缩，拉杆连接盘(6)触碰到手腕连接盘(7)后带动手腕连接盘(7)向后运动，进而压缩螺旋弹簧(8)，驱使丝杠(3)相对丝杠螺母(2)做轴向和旋转运动，进而带动手腕连接盘(7)、限位套筒(5)、拉杆连接盘(6)、主动轴(10)和抓持手爪旋转，从而实现对番茄果粒的牵引和拧动，把番茄果粒从植株上采摘下来；

S4、控制系统驱动机械臂(14)将果粒移动到指定的释放位，气缸(13)的气缸轴(12)伸出，预紧螺旋弹簧(8)复位，驱动抓持手爪反向旋转并伸展复位，完整一次番茄果粒采摘。

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