CN114747368B - 一种水果采摘机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水果采摘机器人，包括载具、机械臂、机械爪、爪座和爪驱动组件；机械臂安装在载具上，爪座安装在机械臂上，机械爪包括驱动轴，驱动轴插在爪座内，爪驱动组件包括套管、传动机构、驱动器、横管、拨杆和弹簧，所述套管与驱动轴同心，驱动器通过传动机构驱动套管旋转，套管的内壁设置有连续的波浪形隆起部，横管固定在驱动轴的径向，弹簧和拨杆均位于横管内，在弹簧的作用下拨杆的一端位于波浪形隆起部的波峰之间，本发明的水果采摘机器人通过波浪形隆起部和拨杆实现套管与驱动轴之间的传动，当机械爪抓握水果之后，拨杆自动缩回，无需控制驱动器也能精确控制机械爪的抓握动作和抓握力量，整体结构简单且控制精确高。

Description

一种水果采摘机器人

技术领域

本发明涉及农业机械领域，尤其涉及一种水果采摘机器人。

背景技术

水果不仅味道甜美，而且营养元素丰富，是人们日常必不可少的食品。2020年世界水果产量超过4亿吨，水果产业遍布世界的每一个角落，涉及产业人员不计其数。水果产业本身属于典型的劳动密集型产业，其中以收获环节占用劳动力比例最大，对于苹果、梨子、柑橘、桃子等这类长在树上的水果而言，收获环节的投入成本占到了生产成本的50％以上。为了提高水果采摘效率，现有技术中出现了一些水果采摘机械，这类采摘机械主要采用机械臂配合机械爪在果园内采摘水果，为了避免机械爪的抓握力量伤害水果，采摘机械都需要设计机械爪的力量控制系统；现有技术的做法是在机械爪中添加传感器，通过传感器的数据精确控制电机行程；这种做法的缺陷是：1.传感器和控制芯片增加了设备的复杂程度和成本，传感器等电子部件在野外高温、潮湿、多尘的恶劣环境下使用寿命较低，整个采摘设备的可靠性差；2.这类设备本质上是通过电机的精确行程来控制机械爪，对电机的要求很高，一旦因成本因素采用了质量稍次的电机或者电机工作精度下降，就会导致机械爪的实际效果大打折扣，很容易导致采摘的水果表面留下损伤痕迹。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术的水果采摘机械可靠性差且容易损伤水果。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种水果采摘机器人，包括载具、机械臂、机械爪、爪座和爪驱动组件；

所述机械臂安装在载具上，爪座安装在机械臂上，机械臂用于实现爪座以及安装在爪座上的机械爪的空间移动，机械爪用于抓握待采摘的水果；为了保持机械臂的稳定，防止机械臂受到载具颠簸的影响，也可以在载具上额外配置一个稳定云台，然后将机械臂布置在稳定云台上，确保机械臂平稳工作；

所述机械爪包括驱动轴，驱动轴插在爪座内，驱动轴用于驱动机械爪实现抓握动作；所述爪驱动组件包括套管、传动机构、驱动器、横管、拨杆和弹簧，所述套管与驱动轴同心，驱动器通过传动机构驱动套管旋转，套管的内壁设置有连续的波浪形隆起部，所述横管固定在驱动轴的径向，弹簧和拨杆均位于横管内，在弹簧的作用下拨杆的一端位于波浪形隆起部的波峰之间，拨杆的端头一般设置为球形；

当驱动器启动之后，套管以及套管内的波浪形隆起部开始旋转，由于拨杆的一端位于波浪形隆起部的波峰之间，套管将通过拨杆带着驱动轴一同旋转，实现机械爪的抓握动作；当机械爪抓住水果之后，驱动轴受阻难以旋转，此时拨杆的端头与波浪形隆起部之间的作用力增加，使得拨杆向横管内回缩，在弹簧和波浪形隆起部的共同作用下，拨杆在横管内不断来回振动；此时的套管依然保持旋转，但是驱动轴则保持基本静止；机械爪施加在水果上的作用力的大小与弹簧的弹力正相关；

很显然，在本发明中，机械爪对水果的作用力大小不受水果的具体尺寸影响，机械爪的控制不依赖驱动器；一般情况下采用电机作为驱动器，本发明对电机无行程控制需求，机械爪在抓握住水果之后，电机也不需要停止。

进一步的，水果采摘机器人还包括内调节杆，所述内调节杆位于驱动轴内部并且与驱动轴同心，所述弹簧的一端抵住拨杆，另一端抵住内调节杆；所述内调节杆上设置有多个不同直径的圆形调节段；通过升降内调节杆，使得弹簧接触不同的圆形调节段就可以改变弹簧对拨杆的弹力大小，进而改变机械爪与水果之间的作用力大小。

进一步的，所述内调节杆上还设置有椭圆形调节段，如果将弹簧的端头与椭圆形调节段接触，那么在驱动轴转动的过程中，弹簧对拨杆的弹力大小会发生变化，这意味着机械爪对水果的作用力能够随着机械爪的姿态产生变化；这一设计的用途是实现机械爪与水果之间的零作用力，这一功能的使用要求所有待采摘的水果大小基本固定，并且机械爪本身能够包裹水果而不需要夹住水果；

本发明提供了一种能够配合上述设计的机械爪，所述机械爪包括第一抱臂、第一连杆、第二连杆、第二抱臂和第三连杆，第一连杆的一端连接驱动轴，另一端铰接第一抱臂，第二连杆的一端铰接第一抱臂，另一端铰接爪座；第二抱臂与第一抱臂结构一致，第二抱臂通过第三连杆固定在第一抱臂之下；

每个爪座上安装两个机械爪，所述第一连杆上设置有齿，两个机械爪的第一连杆上的齿彼此啮合；每个爪座上有两个机械爪，共四个抱臂，实现水果的环绕包裹，四个抱臂无需夹住水果也可以实现水果采摘；

第一连杆上的齿结构用于实现两个机械爪之间的联动，这意味着爪驱动组件只需要驱动一个机械爪的驱动轴即可。

具体的，所述传动机构为传动齿轮组。

进一步的，所述载具上还设置有蓄电池和收集框，蓄电池为驱动器供电，收集框用于收集采摘下来的水果。

进一步的，所述机械臂上设置有指向机械爪的相机，相机用于辅助拍摄机械爪的采摘画面。

有益效果：(1)本发明的水果采摘机器人通过波浪形隆起部和拨杆实现套管与驱动轴之间的传动，当机械爪抓握水果之后，拨杆自动缩回，无需控制驱动器也能精确控制机械爪的抓握动作和抓握力量，整体结构简单且控制精确高。(2)本发明的水果采摘机器人对机械爪的动作控制不依赖驱动器，相比于传统的采摘机械无需高精度电机，成本更低。(3)本发明的水果采摘机器人在内调节杆上配置了椭圆形调节段，能够实现机械爪的定位停止，配合四个抱臂结构的机械爪实现了水果抓握的同时不对水果产生夹紧力，显著降低对水果的损伤。

附图说明

图1是实施例1水果采摘机器人的立体图。

图2是实施例1中机械臂和机械爪的立体图。

图3是实施例1中机械臂和机械爪的主视图。

图4是实施例1中机械臂和机械爪的俯视图。

图5是图3的A-A剖面图。

图6是图5的A放大图。

图7是图6的B-B剖面图。

图8是实施例1中内调节杆的主视图。

图9是图8的C-C剖面图。

图10是内调节杆的工作原理图。

其中：100、载具；200、机械臂；300、机械爪；310、驱动轴；320、第一抱臂；330、第一连杆；340、第二连杆；350、第二抱臂；360、第三连杆；400、爪座；500、爪驱动组件；510、套管；511、波浪形隆起部；520、传动齿轮组；530、电机；540、横管；550、拨杆；560、弹簧；600、内调节杆；610、圆形调节段；620、椭圆形调节段；700、蓄电池；800、收集框；900、相机。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1至图5所示，本实施例的水果采摘机器人包括载具100、机械臂200、机械爪300、爪座400、爪驱动组件500、内调节杆600、蓄电池700、收集框800和相机900；

机械臂200、蓄电池700和收集框800均安装在载具100上，相机900和爪座400均安装在机械臂200上，机械臂200用于实现爪座400以及安装在爪座400上的机械爪300的空间移动，机械爪300用于抓握待采摘的水果；相机900用于辅助拍摄机械爪300的采摘画面；

如图2所示，爪座400上安装左右两个结构一致的机械爪300，机械爪300包括驱动轴310、第一抱臂320、第一连杆330、第二连杆340、第二抱臂350和第三连杆360，第一连杆330的一端连接驱动轴310，另一端铰接第一抱臂320，第二连杆340的一端铰接第一抱臂320，另一端铰接爪座400；第二抱臂350与第一抱臂320结构一致，第二抱臂350通过第三连杆360固定在第一抱臂320之下；第一连杆330上设置有齿，左右两个机械爪300的第一连杆330上的齿彼此啮合；如图5所示，驱动轴310插在爪座400内，驱动轴310用于驱动机械爪300实现抓握动作；具体动作如图2所示，当驱动轴310旋转后，第一连杆330旋转，再带动第一抱臂320和第二抱臂350旋转，左右两个机械爪300的第一连杆330联动，所以，左右两个机械爪300的第一抱臂320和第二抱臂350也会镜像旋转，实现对水果的抓握；

如图5至图7所示，爪驱动组件500包括套管510、传动齿轮组520、电机530、横管540、拨杆550和弹簧560，套管510与驱动轴310同心，电机530通过传动齿轮组520驱动套管510旋转，套管510的内壁设置有连续的波浪形隆起部511，横管540固定在驱动轴310的径向，弹簧560和拨杆550均位于横管540内，在弹簧560的作用下拨杆550的球形端头位于波浪形隆起部511的波峰之间；内调节杆600位于驱动轴310内部并且与驱动轴310同心，弹簧560的一端抵住拨杆550，另一端抵住内调节杆600；如图8和图9所示，内调节杆600上设置有多个不同直径的圆形调节段610和一个椭圆形调节段620；如图6所示，升降内调节杆600，可以使得弹簧560接触不同直径的圆形调节段610；如图7所示，不同直径的圆形调节段610使得弹簧560的初始压缩程度不同，弹簧560对拨杆550的初始弹力大小不同，初始弹力的大小与最终机械爪300对水果的夹紧力正相关。

本实施例水果采摘机器人的基本工作原理是：

(1)操作如图2所示的机械臂200进行空间移动，使得待采摘的水果位于左右两个机械爪300之间；

(2)启动如图5所示的电机530，电机530驱动如图7所示的套管510以及套管510内的波浪形隆起部511开始旋转，由于拨杆550的一端位于波浪形隆起部511的波峰之间，套管510将通过拨杆550带着驱动轴310一同旋转，驱动轴310驱动如图2所示的两个机械爪300进行抓握动作；

(3)当第一抱臂320和第二抱臂350触碰到水果之后，如图7所示的驱动轴310受阻无法继续旋转，此时拨杆550的端头与波浪形隆起部511之间的作用力增加，使得拨杆550向横管540内回缩，在弹簧560和波浪形隆起部511的共同作用下，拨杆550在横管540内不断来回振动；此时的套管510依然保持旋转，但是驱动轴310则保持基本静止；这意味着第一抱臂320和第二抱臂350在触碰到水果之后会自动停止并抱紧水果。

很显然，第一抱臂320和第二抱臂350对水果压力大小与弹簧560对拨杆550的初始弹力正相关，用户可以根据实际采摘情况升降内调节杆600，调节第一抱臂320和第二抱臂350对水果的夹紧力。

如图10所示，用户也可以升降内调节杆600，使得内调节杆600的椭圆形调节段620与弹簧560接触，在这种模式下，随着驱动轴310的旋转，弹簧560的初始压缩量会发生变化，在驱动轴310旋转了一定角度之后(例如70°)，弹簧560可能不再对拨杆550施加压力，这意味着如图2所示的第一抱臂320和第二抱臂350在旋转一定角度后会自动停止旋转(无需触碰到水果)；这种模式主要适用于采摘苹果等表皮容易损伤且自身尺寸较为恒定的水果，在这种模式下，如图2所示的第一抱臂320和第二抱臂350将水果完全包裹却又不直接压迫水果表皮。

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种水果采摘机器人，其特征在于：包括载具、机械臂、机械爪、爪座、爪驱动组件和内调节杆；

所述机械臂安装在载具上，爪座安装在机械臂上；

所述机械爪包括驱动轴，驱动轴插在爪座内；所述爪驱动组件包括套管、传动机构、驱动器、横管、拨杆和弹簧，所述套管与驱动轴同心，驱动器通过传动机构驱动套管旋转，套管的内壁设置有连续的波浪形隆起部，所述横管固定在驱动轴的径向，弹簧和拨杆均位于横管内，在弹簧的作用下拨杆的一端位于波浪形隆起部的波峰之间；

所述内调节杆位于驱动轴内部并且与驱动轴同心，所述弹簧的一端抵住拨杆，另一端抵住内调节杆；所述内调节杆上设置有多个不同直径的圆形调节段；

所述内调节杆上还设置有椭圆形调节段。

2.根据权利要求1所述的水果采摘机器人，其特征在于：所述机械爪包括第一抱臂、第一连杆和第二连杆，第一连杆的一端连接驱动轴，另一端铰接第一抱臂，第二连杆的一端铰接第一抱臂，另一端铰接爪座。

3.根据权利要求2所述的水果采摘机器人，其特征在于：每个爪座上安装两个机械爪，所述第一连杆上设置有齿，两个机械爪的第一连杆上的齿彼此啮合。

4.根据权利要求3所述的水果采摘机器人，其特征在于：所述机械爪还包括第二抱臂和第三连杆，第二抱臂与第一抱臂结构一致，第二抱臂通过第三连杆固定在第一抱臂之下。

5.根据权利要求1所述的水果采摘机器人，其特征在于：所述传动机构为传动齿轮组。

6.根据权利要求1所述的水果采摘机器人，其特征在于：所述驱动器为电机。

7.根据权利要求1所述的水果采摘机器人，其特征在于：所述载具上还设置有蓄电池和收集框，蓄电池为驱动器供电。

8.根据权利要求1所述的水果采摘机器人，其特征在于：所述机械臂上设置有指向机械爪的相机。

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