CN115250743A - 一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器和一种荔枝采摘机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器，包括采摘刀片、驱动部件、夹紧部件、刀架、末端机体；左刀片和右刀片均通过一个刀架与末端机体的前端转动式连接；驱动部件驱动左刀片和右刀片做剪刀式开合运动；刚性夹子固定在右刀片，柔性夹子固定在左刀片，柔性夹子包括压板、柔性夹子架、弹簧，柔性夹子架与左刀片固定连接，压板的后端与左刀片转动式连接，将压板往内侧顶的弹簧设置在压板和柔性夹子架之间；刚性夹子和压板的内侧均为直边，直边上设有锯齿，刚性夹子和压板的锯齿相互啮合。还涉及一种荔枝采摘机器人。本发明可提供较大的夹持力，避免枝干松脱，防止果串采摘下来后掉落，减少损伤，属于水果采摘设备技术领域。

Description

一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器和一种荔枝采摘机器人

技术领域

本发明涉及水果采摘设备，具体涉及一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器，还涉及一种荔枝采摘机器人。

背景技术

荔枝采摘期较短，如果成熟荔枝得不到及时采摘，荔枝的含水量将逐渐下降，表皮发生褐变。因此，对成熟荔枝的及时、无损、高效地采收至关重要。

目前荔枝采摘以人工手动采摘为主，劳动量大，采收用工成本较高，作业危险性高且采摘效率低，因此发展机械化采收具有较强的实用价值和现实意义。机械化采收克服了传统采摘劳动强度大、人工成本高、采摘效率低、工作环境差等缺陷，是将来果实采摘的发展趋势。目前，市场上出现了各种采摘式机械，例如：机械推摇式采摘机、机械撞击式采摘机、气力振摇式采摘机、采摘机械手，但是针对荔枝采摘设计采摘机械较少，尤其是对于荔枝果实的夹持定位。

其中采摘机械的末端执行器是与果实或果实串直接接触的机构，末端采摘器的设计直接决定了果实的品相，因此末端采摘器的利用率和采摘后手爪对果实的损伤程度都是限制采摘机械大规模使用的主要原因。无损采摘是末端执行器所面临的首要难题，其次需要满足适用范围广、采摘效率高、环境影响小等要求。在农业从业人数不断减少和老龄化不断加大的趋势下，荔枝采摘机械的开发和推广利用将具有巨大经济效益和广阔的市场前景。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器和一种荔枝采摘机器人，切断树枝后可对带荔枝的断枝进行有效夹紧、不会松脱，有效保护荔枝果实。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器，包括采摘刀片、驱动部件、夹紧部件、刀架、末端机体；采摘刀片包括左刀片和右刀片，左刀片和右刀片均通过一个刀架与末端机体的前端转动式连接；驱动部件驱动左刀片和右刀片相对于末端机体做剪刀式开合运动；夹紧部件包括刚性夹子和柔性夹子，刚性夹子固定在右刀片的一侧随右刀片同步开合，柔性夹子固定在左刀片的一侧随左刀片同步开合；柔性夹子包括压板、柔性夹子架、弹簧，柔性夹子架与左刀片固定连接，压板的后端与左刀片转动式连接，将压板往内侧顶的弹簧设置在压板和柔性夹子架之间；左刀片、右刀片的内侧均为直线型；刚性夹子和压板的内侧均为直边，直边上设有锯齿，当左刀片和右刀片合上时，刚性夹子和压板的锯齿相互啮合。

作为一种优选，柔性夹子架内设有容纳弹簧和压板的空腔，柔性夹子架通过螺栓固定在左刀片上；压板包括安装部和锯齿部，安装部的后端与位于后端的螺栓转动式连接，安装部的前端顶在位于前端的螺栓的外侧，锯齿部位于安装部的内侧，锯齿部和安装部之间设有用于安装弹簧的条形槽；弹簧一端安装在安装部上，另一端安装在柔性夹子架上，多根弹簧沿着前后方向依次排列。

作为一种优选，驱动部件包括步进电机、丝杆、丝杆螺母、推杆、电机架；两个刀架的内侧均与末端机体的前端铰接，末端机体的后端与电机架固定连接，步进电机安装在电机架内，步进电机驱动丝杆转动，丝杆带动丝杆螺母前后平移，丝杆螺母的左右两端各与一根推杆铰接，两推杆的前侧各与一个刀架的外侧铰接；丝杆和丝杆螺母位于末端机体内。

作为一种优选，电机架的前端装有感应丝杆螺母位置从而控制步进电机启停的金属限位开关。

作为一种优选，一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器，还包括连接部件和视觉系统部件，末端机体、连接部件、视觉系统部件从前往后依次设置。

作为一种优选，连接部件包括从前往后依次设置的电机架连接件、铝型材、铝型材连接件，铝型材为方管，四面均设有前后贯穿的安装槽；电机架连接件套接在铝型材的前端，电机架连接件的四面均设有开槽，开槽从电机架连接件的中部延伸至后边缘，螺钉穿过开槽插入安装槽，将电机架连接件和铝型材固定连接；铝型材连接件套接在铝型材的后端，铝型材连接件的四面均设有开槽，开槽从铝型材连接件的中部延伸至前边缘，螺钉穿过开槽插入安装槽，将铝型材连接件和铝型材固定连接。

作为一种优选，视觉系统部件包括从上往下依次设置的小双目相机、大双目相机、相机机架、相机机座，相机机座与连接部件相接；小双目相机用于在远处识别荔枝果串，大双目相机用于在近处对荔枝果串采摘点进行定位。

作为一种优选，采摘刀片的刃口角度为20°，厚度为3mm。

作为一种优选，驱动部件中，采用带丝杆的57步进电机。

一种荔枝采摘机器人，安装有一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器。

本发明具有如下优点：

1.采用摆动式柔性夹子结构，夹剪时，柔性夹子的压板向外侧摆动留出枝干的装夹空间，压板摆动过程中以转动中心作为固定的摆动支点，配合弹簧的作用力，可提供较大的夹持力，避免枝干松脱。采用锯齿结构，能避免在采摘过程中果枝滑出采摘刀片刃口无法采摘的情况，提高采摘成功率。由此，可实现有效夹紧，防止果串采摘下来后掉落，减少损伤。

2.本末端执行器的动力源只需一个步进电机，并采用了丝杆传动，无需齿轮，结构简单，传动比大且稳定，小巧轻便，结构紧凑。

3.本发明采用的非标零件少，且加工简单，拆卸及更换方便，末端的工作区域灵活，便于适应各种复杂的环境。

4.本发明的视觉系统部件，能够通过视觉检测对荔枝果串进行精准定位，因此具有高智能全自动的特点。

5.采用17kg·cm的57步进电机，控制方便且准确，通过丝杆为采摘部件提供驱动力，传动力矩大且稳定，能轻易剪断6mm粗的荔枝果枝。

6.本发明的连接部件，易于拆卸和安装，还能选取任意长度的铝型材，使得末端的工作区域灵活，便于适应各种复杂的环境。

7.采摘刀片、驱动部件、刀架、末端机体、连接部件、视觉系统部件均采用左右对称式结构，保证操作时无偏心，对位准确。

8.具有先夹后剪的特点，是夹剪一体的结构，剪断后依旧能夹持果枝，在采摘荔枝果串时，可避免果实掉落，减少果实损伤。

附图说明

图1是一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器的立体图。

图2是一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器的前端的示意图。

图3是左刀片和柔性夹子的立体图。

图4是左刀片和柔性夹子的仰视图。

图5是右刀片和刚性夹子的立体图。

图中标号名称如下：

1.	小双目相机	2.	大双目相机
				3.	相机机架	4.	相机机座
5.	铝型材连接件	6.	3030铝型材
				7.	电机架连接件	8.	57步进电机
9.	电机架	10.	左刀片
				11.	柔性夹子架	12.	刀架
13.	刚性夹子	14.	推杆
				15.	丝杆螺母	16.	金属限位开关
17.	末端机体	18.	弹簧
				19.	压板	20.	柔性夹子
21.	刀架支撑块	22.	右刀片

具体实施方式

下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器，包括采摘刀片、驱动部件、夹紧部件、刀架、末端机体、连接部件、视觉系统部件。驱动部件与采摘刀片相连接，采摘刀片与夹紧部件相配合连接，通过采摘刀片的开合带动夹紧部件实行夹紧动作。

采摘刀片包括左刀片和右刀片，左刀片和右刀片均通过一个刀架与末端机体的前端(即刀架支撑块)转动式连接。驱动部件驱动左刀片和右刀片相对于末端机体做剪刀式开合运动。采摘刀片的刃口角度为20°，厚度为3mm。

驱动部件包括步进电机、丝杆、丝杆螺母、推杆、电机架；两个刀架的内侧均与末端机体的前端铰接，末端机体的后端与电机架固定连接，步进电机安装在电机架内，步进电机驱动丝杆转动，丝杆带动丝杆螺母前后平移，丝杆螺母的左右两端各与一根推杆铰接，两推杆的前侧各与一个刀架的外侧铰接；丝杆和丝杆螺母位于末端机体内。驱动部件中，采用带丝杆的57步进电机。

夹紧部件包括刚性夹子和柔性夹子，刚性夹子固定在右刀片的一侧随右刀片同步开合，柔性夹子固定在左刀片的一侧随左刀片同步开合；柔性夹子包括压板、柔性夹子架、弹簧，柔性夹子架与左刀片固定连接，压板的后端与左刀片转动式连接，将压板往内侧顶的弹簧设置在压板和柔性夹子架之间；左刀片、右刀片的内侧均为直线型；刚性夹子和压板的内侧均为直边，直边上设有锯齿，当左刀片和右刀片合上时，刚性夹子和压板的锯齿相互啮合。柔性夹子架内设有容纳弹簧和压板的空腔，柔性夹子架通过螺栓固定在左刀片上；压板包括安装部和锯齿部，安装部的后端与位于后端的螺栓转动式连接，安装部的前端顶在位于前端的螺栓的外侧，锯齿部位于安装部的内侧，锯齿部和安装部之间设有用于安装弹簧的条形槽；弹簧一端安装在安装部上，另一端安装在柔性夹子架上，多根弹簧沿着前后方向依次排列。

连接部件包括从前往后依次设置的电机架连接件、铝型材、铝型材连接件，铝型材为方管，四面均设有前后贯穿的安装槽；电机架连接件套接在铝型材的前端，电机架连接件的四面均设有开槽，开槽从电机架连接件的中部延伸至后边缘，螺钉穿过开槽插入安装槽，将电机架连接件和铝型材固定连接；铝型材连接件套接在铝型材的后端，铝型材连接件的四面均设有开槽，开槽从铝型材连接件的中部延伸至前边缘，螺钉穿过开槽插入安装槽，将铝型材连接件和铝型材固定连接。

电机架的前端装有感应丝杆螺母位置从而控制步进电机启停的金属限位开关。

视觉系统部件包括从上往下依次设置的小双目相机、大双目相机、相机机架、相机机座，相机机座与连接部件相接；小双目相机用于在远处识别荔枝果串，大双目相机用于在近处对荔枝果串采摘点进行定位。

一种荔枝采摘机器人，安装有一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器。

在使用时，如图1所示的小双目相机1在远处识别荔枝果串，获得荔枝果串大概位置即末端执行器所在底盘中心与荔枝串的相对位置，末端执行器所在机器人底盘则运动到相应位置；此时本末端执行器与荔枝串的相对距离较近，大双目相机2识别荔枝串获得荔枝串与机械臂的相对位置，从大双目相机获得的图像中通过算法计算出合适的采摘点；从而实现人工智能自动识别及定位荔枝果串。

在获得荔枝果串采摘后，如图2所示采摘刀片则在机械臂的驱动下移动到采摘点。采摘部件初始状态为张开，当采摘刀片移动到采摘点时，采摘点应当处于刃口中间，此时57步进电机8通电并收到使采摘部件闭合的信号，通过丝杆传动使丝杆螺母15做往复运动，从而推动推杆14往复运动，在推杆的推动下，采摘刀片闭合，从而将荔枝串果枝剪断。

在荔枝串果枝剪断后为了避免果串掉落，夹紧部件起到关键作用，其基本运作如下：

如图3、图4所示，在采摘刀片将果枝剪断前，刚性夹子13和柔性夹子20 同时也受到压力，而柔性夹子将压力传递到压板19，压板受到的压力使弹簧18 压缩，从而使得柔性夹子往弹簧压缩方向移动，即压板绕着带孔端的螺钉往弹簧压缩方向旋转，弹簧18因此产生的弹力将带有荔枝的果串牢牢夹紧，因此避免了果串掉落。

为了便于编程，本发明在电机架上设置一个金属限位开关，当采摘刀片张开时，丝杆螺母15底部往靠近步进电机方向运动，当靠近金属限位开关时，金属限位开关感应到金属，指示灯亮，为系统返回一个信号，电机的驱动板则输出一个低电平，电机则停止运作。此时采摘刀片为张开，并且此时的状态应当为末端的常态。

运行过程如下：

第一步：小双目相机从远处检测荔枝果串，获取果串与底盘相对位置，底盘运动到相应位置。

第二步：大双目相机从近处识别荔枝果串，获取采摘点，末端执行器移动到采摘点。

第三步：采摘刀片到达采摘点后，57步进电机驱动进行采摘。

第四步：将采摘下来的荔枝串放到收集果实的果框。放好果实后，进行下一次采摘。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器，包括采摘刀片、驱动部件、夹紧部件、刀架、末端机体；采摘刀片包括左刀片和右刀片，左刀片和右刀片均通过一个刀架与末端机体的前端转动式连接；驱动部件驱动左刀片和右刀片相对于末端机体做剪刀式开合运动；夹紧部件包括刚性夹子和柔性夹子，刚性夹子固定在右刀片的一侧随右刀片同步开合，柔性夹子固定在左刀片的一侧随左刀片同步开合，其特征在于：柔性夹子包括压板、柔性夹子架、弹簧，柔性夹子架与左刀片固定连接，压板的后端与左刀片转动式连接，将压板往内侧顶的弹簧设置在压板和柔性夹子架之间；左刀片、右刀片的内侧均为直线型；刚性夹子和压板的内侧均为直边，直边上设有锯齿，当左刀片和右刀片合上时，刚性夹子和压板的锯齿相互啮合。

2.按照权利要求1所述的一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器，其特征在于：柔性夹子架内设有容纳弹簧和压板的空腔，柔性夹子架通过螺栓固定在左刀片上；压板包括安装部和锯齿部，安装部的后端与位于后端的螺栓转动式连接，安装部的前端顶在位于前端的螺栓的外侧，锯齿部位于安装部的内侧，锯齿部和安装部之间设有用于安装弹簧的条形槽；弹簧一端安装在安装部上，另一端安装在柔性夹子架上，多根弹簧沿着前后方向依次排列。

3.按照权利要求1所述的一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器，其特征在于：驱动部件包括步进电机、丝杆、丝杆螺母、推杆、电机架；两个刀架的内侧均与末端机体的前端铰接，末端机体的后端与电机架固定连接，步进电机安装在电机架内，步进电机驱动丝杆转动，丝杆带动丝杆螺母前后平移，丝杆螺母的左右两端各与一根推杆铰接，两推杆的前侧各与一个刀架的外侧铰接；丝杆和丝杆螺母位于末端机体内。

4.按照权利要求3所述的一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器，其特征在于：电机架的前端装有感应丝杆螺母位置从而控制步进电机启停的金属限位开关。

5.按照权利要求1所述的一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器，其特征在于：还包括连接部件和视觉系统部件，末端机体、连接部件、视觉系统部件从前往后依次设置。

6.按照权利要求5所述的一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器，其特征在于：连接部件包括从前往后依次设置的电机架连接件、铝型材、铝型材连接件，铝型材为方管，四面均设有前后贯穿的安装槽；电机架连接件套接在铝型材的前端，电机架连接件的四面均设有开槽，开槽从电机架连接件的中部延伸至后边缘，螺钉穿过开槽插入安装槽，将电机架连接件和铝型材固定连接；铝型材连接件套接在铝型材的后端，铝型材连接件的四面均设有开槽，开槽从铝型材连接件的中部延伸至前边缘，螺钉穿过开槽插入安装槽，将铝型材连接件和铝型材固定连接。

7.按照权利要求5所述的一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器，其特征在于：视觉系统部件包括从上往下依次设置的小双目相机、大双目相机、相机机架、相机机座，相机机座与连接部件相接；小双目相机用于在远处识别荔枝果串，大双目相机用于在近处对荔枝果串采摘点进行定位。

8.按照权利要求1所述的一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器，其特征在于：采摘刀片的刃口角度为20°，厚度为3mm。

9.按照权利要求3所述的一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器，其特征在于：驱动部件中，采用带丝杆的57步进电机。

10.一种荔枝采摘机器人，其特征在于：安装有权利要求1-9中任一项所述的一种夹剪一体荔枝采摘末端执行器。

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