CN115250747A - 一种复合式水果采收末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合式水果采收末端执行器，该末端执行器包括中空的柔性手指支撑架、柔性手指、升降滑块、动力环、动力源和旋转驱动机构，多个柔性手指通过对应的连接件限位连接在柔性手指支撑架的顶部、且同时多个柔性手指通过对应的连接件与固定在动力环上的升降滑块连接，动力环套置在柔性手指支撑架的上部圆筒外且固定在柔性手指支撑架上的动力源能够驱动动力环沿柔性手指支撑架的轴向升降，动力环上升能够带动柔性手指相互靠近闭合以抓取水果、或者下降带动柔性手指相互远离张开以放开水果；柔性手指支撑架的底部法兰盘设置在旋转驱动机构的输出端以驱动柔性手指支撑架旋转拧掉水果。本发明的末端执行器的采摘效率高、适用性强且精度高。

Description

一种复合式水果采收末端执行器

技术领域

本发明涉及水果采收设备技术领域，具体地说是一种集气吸和旋拧为一体的复合式水果采收末端执行器。

背景技术

现有水果采摘按照水果分离的方式主要有两种，一种是剪切的方式，另一种是通过“拽”，“拧”方式。对于剪切这种采摘方式来说对识别的精度要求较高，容易对采摘的对象造成损伤，比较适合果柄较为明显的果实采摘。对于“拽”，“拧”方式的采摘方法，识别精度要求不是很高，但是这种采摘方式有要求有较高的自由度，采摘效率较低。同时在材料上末端执行器有刚性与柔性的，刚性材料对水果的损伤较大，现大多数的末端执行器材料上都采用柔性材料来减小采摘过程对水果的损伤。现有的采摘机器人大多采摘与收集过程是分离的，影响采摘的效率。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种集气吸和旋拧为一体的复合式水果采收末端执行器。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种复合式水果采收末端执行器，其特征在于：该末端执行器包括中空的柔性手指支撑架、柔性手指、升降滑块、动力环、动力源和旋转驱动机构，多个柔性手指通过对应的连接件限位连接在柔性手指支撑架的顶部构成转动连接副、且同时多个柔性手指通过对应的连接件与固定在动力环上的升降滑块连接并构成能够升降的转动连接副，动力环套置在柔性手指支撑架的上部圆筒外且固定在柔性手指支撑架上的动力源能够驱动动力环沿柔性手指支撑架的轴向升降，动力环上升能够带动柔性手指相互靠近闭合以抓取水果、或者下降带动柔性手指相互远离张开以放开水果；柔性手指支撑架的底部法兰盘固定设置在旋转驱动机构的输出端，旋转驱动机构能够驱动柔性手指支撑架旋转以拧掉柔性手指抓取的水果。

所述柔性手指的内侧壁上开有负压孔，负压孔通过柔性手指横梁上的负压通道与柔性手指的外侧壁上连接的气管相连接。

所述柔性手指支撑架的顶部设有多个连接座，任一连接座通过相应的连接件与对应连杆Ⅲ的下端转动连接、连杆Ⅲ的上端从相应连杆Ⅳ的内部穿出并通过相应的连接件与对应连杆Ⅱ的下端转动连接，带有滑槽的连杆Ⅱ的上端通过相应的连接件与对应柔性手指的下端内侧转动连接，该柔性手指的下端外侧通过相应的连接件与对应连杆Ⅰ的上端转动连接、连杆Ⅰ的下端通过相应的连接件与对应连杆Ⅳ的上端转动连接且连杆Ⅰ和对应连杆Ⅳ的连接件位于相应连杆Ⅱ的滑槽内，连杆Ⅳ的下端通过相应的连接件与对应的升降滑块转动连接；所述的动力环上升时，动力环推动升降滑块向上运动，任一连杆Ⅳ基于升降滑块的动作以升降滑块为圆心向上转动、且连杆Ⅳ的上端在连杆Ⅱ的滑槽内转动带动连杆Ⅰ以连杆Ⅰ和对应连杆Ⅳ的连接件为圆心向上转动，连杆Ⅲ基于连杆Ⅳ的动作以柔性手指支撑架上的连接件为圆心向上转动、且连杆Ⅲ带动连杆Ⅱ以连杆Ⅱ和连杆Ⅲ的连接件为圆心向下转动，连杆Ⅰ的上端带动柔性手指的下端外侧上升且连杆Ⅱ的上端带动柔性手指的下端内侧相对下端外侧下降使得柔性手指向内转动，多个柔性手指同时向内转动完成水果夹持动作。

所述连杆Ⅲ的中部通过相应的连接件与对应的连杆Ⅳ转动连接。

所述的连接件为销轴和开口销的组合。

所述柔性手指支撑架上的连接座的单侧或两侧设置有用于安装滑轨的通孔，升降滑块套置在滑轨上、使得升降滑块能够沿滑轨的设置方向滑动。

所述的动力源设置在柔性手指支撑架中部向外延伸的支脚外壁上，且动力源的输出端与动力环的外伸支脚通过十字圆柱螺钉固定连接。

所述的旋转驱动机构安装在中空的固定架上，该旋转驱动机构包括电机和动力传递机构，其中电机安装在固定架下端的法兰盘上，动力传递机构中的主动传递件设置在电机的输出端、被动传递件套置在固定架的筒体上且能够相对固定架的筒体旋转，柔性手指支撑架的底部法兰盘固定设置在被动传递件的顶部。

所述的动力传递机构包括作为主动传递件的齿轮和作为被动传递件的外齿式回转支承轴承，齿轮固定设置在电机的输出端且外齿式回转支承轴承套置在固定架的筒体上；所述的动力传递机构包括作为主动传递件的主动摩擦轮和作为被动传递件的被动摩擦轮，主动摩擦轮固定设置在电机的输出端且被动摩擦轮套置在固定架的筒体上。

所述固定架的筒体下沿连接有承接已采收水果的输送管道，在输送管道上的滤网处设置有真空泵、以使得输送管道构成负压管道。

本发明相比现有技术有如下优点：

本发明的复合式水果采收末端执行器能够升降抓取水果和旋转拧摘水果，且采摘下来的水果在柔性手指松开水果的同时，即被负压吸入通向果箱的输送管道，该执行器将水果的收集与采摘一体，提高了采摘工作的效率。

本发明的柔性手指指肚中的负压孔通过与其连通的气管一起建立负压后，与输送管道中的负压气流一起对果实姿态的调整作用更强，能够较为准确的使得果实的尾端朝向输送管道方向，使得通过旋转拧下果实时的旋转轴线与果柄近似同轴，降低了视觉识别系统对果实位置与姿态的识别精度要求，减少了因采摘动作对相邻果实、果枝的扰动造成的对视觉识别系统的干扰；从果柄至果实尾端的果实轴线与多个手指包络面轴线/多个手指的旋转轴线/输送管道轴线近似同轴，能够提高采摘的成功率。

本发明的复合式水果采收末端执行器的柔性手指能够降低采摘过程对水果的损伤，高姿态适应性，对于不同姿态水果的都有较好的采摘适应性；通用性强，对于如苹果般的水果都可实现采摘。

附图说明

附图1为本发明的复合式水果采收末端执行器的立体结构示意图；

附图2为本发明的复合式水果采收末端执行器的平面结构示意图之一；

附图3为本发明的复合式水果采收末端执行器的保护壳内部结构示意图；

附图4为本发明的复合式水果采收末端执行器的动力环的结构示意图；

附图5为本发明的复合式水果采收末端执行器的柔性手指支撑架的结构示意图；

附图6为本发明的复合式水果采收末端执行器与输送管道连接时的结构示意图；

附图7为本发明的复合式水果采收末端执行器的平面结构示意图之二

其中：1—柔性手指；2—气管；3—连杆Ⅰ；4—连杆Ⅱ；5—连杆Ⅲ；6—连杆Ⅳ；7—升降滑块；8—动力环；9—动力源；10—保护壳；11—固定架；12—电机；13—十字圆柱螺钉；14—滑轨；15—柔性手指支撑架；16—销轴；17—开口销；18—外齿式回转支承轴承；19—齿轮；20—主动摩擦轮；21—被动摩擦轮；22—输送管道；23—滤网；24—负压孔。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-7所示：一种复合式水果采收末端执行器，该末端执行器包括中空的柔性手指支撑架15、柔性手指1、升降滑块7、动力环8、动力源9和旋转驱动机构，多个柔性手指1通过对应的连接件限位连接在柔性手指支撑架15的顶部并构成转动连接副、且同时多个柔性手指1通过对应的连接件与固定在动力环8上的升降滑块7连接并构成能够升降的转动连接副，动力环8套置在柔性手指支撑架15的上部圆筒外且固定在柔性手指支撑架15上的动力源9能够驱动动力环8沿柔性手指支撑架15的轴向升降，动力环8上升能够带动柔性手指1相互靠近闭合以抓取水果、或者下降带动柔性手指1相互远离张开以放开水果；柔性手指支撑架15的底部法兰盘固定设置在旋转驱动机构的输出端，旋转驱动机构能够驱动柔性手指支撑架15旋转以拧掉柔性手指1抓取的水果；另外在柔性手指1的内侧壁上开有负压孔24，负压孔24通过柔性手指1横梁上的负压通道与柔性手指1的外侧壁上连接的气管2相连接。

如图1-7所示：在柔性手指支撑架15的顶部设有多个连接座（成对凸起），任一连接座通过相应的连接件与对应连杆Ⅲ5的下端转动连接、连杆Ⅲ5的上端从相应连杆Ⅳ6的内部穿出并通过相应的连接件与对应连杆Ⅱ4的下端转动连接，带有滑槽的连杆Ⅱ4的上端通过相应的连接件与对应柔性手指1的下端内侧转动连接，该柔性手指1的下端外侧通过相应的连接件与对应连杆Ⅰ3的上端转动连接、连杆Ⅰ3的下端通过相应的连接件与对应连杆Ⅳ6的上端转动连接且连杆Ⅰ3和对应连杆Ⅳ6的连接件位于相应连杆Ⅱ4的滑槽内，连杆Ⅳ6的下端通过相应的连接件与对应的升降滑块7转动连接；连杆Ⅲ5的中部通过相应的连接件与对应的连杆Ⅳ6转动连接；连接件为销轴16和开口销17的组合，另外在柔性手指支撑架15上的连接座的单侧或两侧设置有用于安装滑轨14的通孔，升降滑块7套置在滑轨14上、使得升降滑块7能够沿滑轨14的设置方向滑动。

如图1-3、6-7所示：动力源9设置在柔性手指支撑架15中部向外延伸的支脚外壁上，且动力源9的输出端与动力环8的外伸支脚通过十字圆柱螺钉13固定连接。当动力环8在动力源9（可采用气缸）的作用下上升时，动力环8推动升降滑块7向上运动，任一连杆Ⅳ6基于升降滑块7的动作以升降滑块7为圆心向上转动、且连杆Ⅳ6的上端在连杆Ⅱ4的滑槽内转动带动连杆Ⅰ3以连杆Ⅰ3和对应连杆Ⅳ6的连接件为圆心向上转动，连杆Ⅲ5基于连杆Ⅳ6的动作以柔性手指支撑架15上的连接件为圆心向上转动、且连杆Ⅲ5带动连杆Ⅱ4以连杆Ⅱ4和连杆Ⅲ5的连接件为圆心向下转动，连杆Ⅰ3的上端带动柔性手指1的下端外侧上升且连杆Ⅱ4的上端带动柔性手指1的下端内侧相对下端外侧下降使得柔性手指1向内转动，多个柔性手指1同时向内转动完成水果夹持动作。

如图1-3、6-7所示：旋转驱动机构安装在中空的固定架11上，该旋转驱动机构包括电机12和动力传递机构，其中电机12安装在固定架11下端的法兰盘上，动力传递机构中的主动传递件设置在电机12的输出端、被动传递件套置在固定架11的筒体上且能够相对固定架11的筒体旋转，柔性手指支撑架15的底部法兰盘固定设置在被动传递件的顶部。旋转驱动机构可采用多种形式，本申请现提供以下两种结构：一是动力传递机构包括作为主动传递件的齿轮19和作为被动传递件的外齿式回转支承轴承18（如图3所示），齿轮19固定设置在电机12的输出端且外齿式回转支承轴承18套置在固定架11的筒体上；二是动力传递机构包括作为主动传递件的主动摩擦轮20和作为被动传递件的被动摩擦轮21（如图7所示），主动摩擦轮20固定设置在电机12的输出端且被动摩擦轮21套置在固定架11的筒体上。

如图6所示：在固定架11的筒体下沿连接有承接已采收水果的输送管道22，在输送管道22上的滤网23处设置有真空泵。

在本发明提供的复合式水果采收末端执行器中，柔性手指支撑架15中间的通孔可以根据采摘物体的实际需要改变其半径；动力源9根据采摘实际需要可以选择不同的动力源如气缸等以配合采摘；连杆与滑轨14、以及连杆的尺寸与个数，能够通过改变尺寸使柔性手指1完成不同程度地变化角度；电机12根据不同的水果采摘需要可以改变型号；在旋转的方式上还可以采用将外齿式回转支承轴承18和电机12上的齿轮19更换为主动摩擦轮20和被动摩擦轮21的方式来代替传动，如图7所示，通过这种方式，在采摘的总体上不改变，但是在整体的机构上能够有效的降低整体的重量。

实施例

如图1-7所示，一种复合式水果采收末端执行器，主要由柔性手指1、气管2、连杆Ⅰ3、连杆Ⅱ4、连杆Ⅲ5、连杆Ⅳ6、升降滑块7、动力环8、作为动力源9的气缸、保护壳10、固定架11、电机12、十字圆柱螺钉13、滑轨14、柔性手指支撑架15、销轴16、开口销17、外齿式回转支承轴承18、齿轮19、输送管道22、滤网23、负压孔24组成。

如图1-3、6-7所示：柔性手指1总共有三个、相互之间间隔120°，柔性手指1的整体结构呈现为三角形、内部有多根横梁，在柔性手指1的正面开有负压孔24且背面接有气管2，中间的横梁通有孔道以连通负压孔24和气管2、接入负压，负压在采摘过程有能够起到辅助作用，有助与提高采摘的精度，柔性手指1的整体为柔性，在柔性手指1与连杆的连接部分采用刚性材料便于固定，柔性手指1采摘时不易对水果造成损害。

如图5所示：柔性手指支撑架15的主体呈现圆形，在柔性手指支撑架15的顶部有三对作为连接座的凸起，凸起相互之间分布120°，用于与柔性手指1进行连接、中间通过销连接形成转动副，柔性手指支撑架15中间开有通孔用于水果的收集，在凸起旁边开有两个小圆孔用于安装滑轨14，总共有三对孔、相互之间间隔120°。柔性手指支撑架15的中部圆形部件上亦通有三对孔，用于与上方的三对孔对应、配合安装滑轨14；在圆形部件上向外延伸的三个支脚分别与动力源支撑板通过螺栓相连，整体呈120°分布，动力源支撑板与柔性手指支撑架15之间安装有垫片和孔用于减振和定位。

如图1-3、7所示：连接件为销轴16和开口销17的组合，任一连接座通过相应的连接件与对应连杆Ⅲ5的下端转动连接、连杆Ⅲ5的上端从相应连杆Ⅳ6的内部穿出并通过相应的连接件与对应连杆Ⅱ4的下端转动连接，带有滑槽的连杆Ⅱ4的上端通过相应的连接件与对应柔性手指1的下端内侧转动连接，该柔性手指1的下端外侧通过相应的连接件与对应连杆Ⅰ3的上端转动连接、连杆Ⅰ3的下端通过相应的连接件与对应连杆Ⅳ6的上端转动连接且连杆Ⅰ3和对应连杆Ⅳ6的连接件位于相应连杆Ⅱ4的滑槽内，连杆Ⅳ6的下端通过相应的连接件与对应的升降滑块7转动连接；连杆Ⅲ5的中部通过相应的连接件与对应的连杆Ⅳ6转动连接。

如图1-3、7所示：在固定架11的底部开有通孔用于与外部机械臂通过螺钉固定相连且输送管道22通过螺钉与固定架11固定，保护壳10开有通孔用于与固定架11和电机12相连，电机12与固定架11相连，其中电机10上安装上垫圈减缓工作中产生的振动；输送管道22上的滤网23下方接入真空泵用以产生负压以协助采收，滤网的安装是为了防止水果采摘过程中其他物体堵塞负压口。

如图1-4、7所示：在动力环8的中间开有通孔用于与气缸相连、同时与升降滑块7相连，通过气缸的驱动完成柔性手指1的动作。

如图3所示：外齿式回转支承轴承18的外环即含有齿形部分上面开头通孔用于与柔性手指支撑架15的底部相连、外齿式回转支承轴承18的外齿轮完成与电机12输出轴上的齿轮19配合啮合传动，使柔性手指支撑架15完成旋转。

本发明提供的复合式水果采收末端执行器使用时，采摘机器人的识别系统引导本装置到达水果附近时，首先驱动动力源9，使动力环8在滑轨10上向上滑动，带动连杆动作最终带动柔性手指1夹持水果，接着电机12启动，通过柔性手指支撑架15带动柔软手指1旋转，从而将水果与果树分离；完成采摘的水果从柔性手指支撑架15的中间通孔经固定架11的中间通孔进入输送管道22、然后进入果箱即可完成收集。

本发明的复合式水果采收末端执行器能够高采摘效率，该执行器集收集与采摘一体避免了收集与采摘的分离，能够提高采摘效率。

本发明的复合式水果采收末端执行器能够高采摘精度，在柔性手指1的横梁中的孔道可以在采摘过程中产生一定吸引力，使水果朝向柔性手指1方向，在柔性手指1夹持时，能够提高采摘的精度。

本发明的复合式水果采收末端执行器具备高姿态适应性，对于不同姿态的水果都有较好的采摘适应性，由于柔性手指1与横梁内管道负压辅助作用存在能够更好的摘取水果。

本发明的复合式水果采收末端执行器对水果有一定的通用性，因为柔性手指1主体为为柔性材料，在采摘时对水果有一定保护作用且对于不同类型的水果有一定通用性且不易损坏水果。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种复合式水果采收末端执行器，其特征在于：该末端执行器包括中空的柔性手指支撑架（15）、柔性手指（1）、升降滑块（7）、动力环（8）、动力源（9）和旋转驱动机构，多个柔性手指（1）通过对应的连接件限位连接在柔性手指支撑架（15）的顶部构成转动连接副、且同时多个柔性手指（1）通过对应的连接件与固定在动力环（8）上的升降滑块（7）连接并构成能够升降的转动连接副，动力环（8）套置在柔性手指支撑架（15）的上部圆筒外且固定在柔性手指支撑架（15）上的动力源（9）能够驱动动力环（8）沿柔性手指支撑架（15）的轴向升降，动力环（8）上升能够带动柔性手指（1）相互靠近闭合以抓取水果、或者下降带动柔性手指（1）相互远离张开以放开水果；柔性手指支撑架（15）的底部法兰盘固定设置在旋转驱动机构的输出端，旋转驱动机构能够驱动柔性手指支撑架（15）旋转以拧掉柔性手指（1）抓取的水果。

2.根据权利要求1所述的复合式水果采收末端执行器，其特征在于：所述柔性手指（1）的内侧壁上开有负压孔（24），负压孔（24）通过柔性手指（1）横梁上的负压通道与柔性手指（1）的外侧壁上连接的气管（2）相连接。

3.根据权利要求1所述的复合式水果采收末端执行器，其特征在于：所述柔性手指支撑架（15）的顶部设有多个连接座，任一连接座通过相应的连接件与对应连杆Ⅲ（5）的下端转动连接、连杆Ⅲ（5）的上端从相应连杆Ⅳ（6）的内部穿出并通过相应的连接件与对应连杆Ⅱ（4）的下端转动连接，带有滑槽的连杆Ⅱ（4）的上端通过相应的连接件与对应柔性手指（1）的下端内侧转动连接，该柔性手指（1）的下端外侧通过相应的连接件与对应连杆Ⅰ（3）的上端转动连接、连杆Ⅰ（3）的下端通过相应的连接件与对应连杆Ⅳ（6）的上端转动连接且连杆Ⅰ（3）和对应连杆Ⅳ（6）的连接件位于相应连杆Ⅱ（4）的滑槽内，连杆Ⅳ（6）的下端通过相应的连接件与对应的升降滑块（7）转动连接；所述的动力环（8）上升时，动力环（8）推动升降滑块（7）向上运动，任一连杆Ⅳ（6）基于升降滑块（7）的动作以升降滑块（7）为圆心向上转动、且连杆Ⅳ（6）的上端在连杆Ⅱ（4）的滑槽内转动带动连杆Ⅰ（3）以连杆Ⅰ（3）和对应连杆Ⅳ（6）的连接件为圆心向上转动，连杆Ⅲ（5）基于连杆Ⅳ（6）的动作以柔性手指支撑架（15）上的连接件为圆心向上转动、且连杆Ⅲ（5）带动连杆Ⅱ（4）以连杆Ⅱ（4）和连杆Ⅲ（5）的连接件为圆心向下转动，连杆Ⅰ（3）的上端带动柔性手指（1）的下端外侧上升且连杆Ⅱ（4）的上端带动柔性手指（1）的下端内侧相对下端外侧下降使得柔性手指（1）向内转动，多个柔性手指（1）同时向内转动完成水果夹持动作。

4.根据权利要求3所述的复合式水果采收末端执行器，其特征在于：所述连杆Ⅲ（5）的中部通过相应的连接件与对应的连杆Ⅳ（6）转动连接。

5.根据权利要求1、3、4任一所述的复合式水果采收末端执行器，其特征在于：所述的连接件为销轴（16）和开口销（17）的组合。

6.根据权利要求1或3所述的复合式水果采收末端执行器，其特征在于：所述柔性手指支撑架（15）上的连接座的单侧或两侧设置有用于安装滑轨（14）的通孔，升降滑块（7）套置在滑轨（14）上、使得升降滑块（7）能够沿滑轨（14）的设置方向滑动。

7.根据权利要求1所述的复合式水果采收末端执行器，其特征在于：所述的动力源（9）设置在柔性手指支撑架（15）中部向外延伸的支脚外壁上，且动力源（9）的输出端与动力环（8）的外伸支脚通过十字圆柱螺钉（13）固定连接。

8.根据权利要求1所述的复合式水果采收末端执行器，其特征在于：所述的旋转驱动机构安装在中空的固定架（11）上，该旋转驱动机构包括电机（12）和动力传递机构，其中电机（12）安装在固定架（11）下端的法兰盘上，动力传递机构中的主动传递件设置在电机（12）的输出端、被动传递件套置在固定架（11）的筒体上且能够相对固定架（11）的筒体旋转，柔性手指支撑架（15）的底部法兰盘固定设置在被动传递件的顶部。

9.根据权利要求8所述的复合式水果采收末端执行器，其特征在于：所述的动力传递机构包括作为主动传递件的齿轮（19）和作为被动传递件的外齿式回转支承轴承（18），齿轮（19）固定设置在电机（12）的输出端且外齿式回转支承轴承（18）套置在固定架（11）的筒体上；所述的动力传递机构包括作为主动传递件的主动摩擦轮（20）和作为被动传递件的被动摩擦轮（21），主动摩擦轮（20）固定设置在电机（12）的输出端且被动摩擦轮（21）套置在固定架（11）的筒体上。

10.根据权利要求8所述的复合式水果采收末端执行器，其特征在于：所述固定架（11）的筒体下沿连接有承接已采收水果的输送管道（22），在输送管道（22）上的滤网（23）处设置有真空泵、以使得输送管道（22）构成负压管道。

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