CN115529938A - 一种西瓜智能采摘机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种西瓜智能采摘机器人。机架、控制柜和收集装置安装在移动载具的顶面，机械臂安装在机架上，末端执行器通过旋转机构安装在机械臂的底部；控制柜电连接移动载具、机械臂、旋转机构和末端执行器；控制柜内布置有电源和控制主板，电源电连接控制主板，控制主板电连接移动载具、机械臂、旋转机构和末端执行器。本发明采摘机器人整体结构简单，控制精确，使用方便，适应性强，稳定性好，提高了工作效率，适用于大规模西瓜种植的机械化采收。

Description

一种西瓜智能采摘机器人

技术领域

本发明涉及了一种采摘机器人，具体涉及一种西瓜智能采摘机器人。

背景技术

西瓜具有在食用性上清爽解渴、味甜多汁，在种植性上生产适应性强、栽培周期短，在效益性上需求量大、增收效果显著等特点。但是，目前西瓜主要依靠人工进行收获，由于种植面积大，并且需要一个一个进行剪蔓采摘，采摘工作费时费力，人力消耗巨大，自动化程度低。此外，在西瓜地进行采摘西瓜时，采摘人员的进入还会导致破坏和踩踏西瓜的藤蔓，从而间接的影响了未熟西瓜的生长。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种西瓜智能采摘机器人，以实现人力的降低和劳动效率的提高。

本发明采用的技术方案是：

本发明采摘机器人包括移动载具、机架、控制柜、机械臂、收集装置、旋转机构和末端执行器，机架、控制柜和收集装置安装在移动载具的顶面，机械臂安装在机架上，末端执行器通过旋转机构安装在机械臂的底部；控制柜电连接移动载具、机械臂、旋转机构和末端执行器；所述的控制柜内布置有电源和控制主板，电源电连接控制主板，控制主板电连接移动载具、机械臂、旋转机构和末端执行器。控制主板具体为英伟达Jetson Xavier NX。

所述的移动载具具体为双履带式移动机构，双履带式移动机构两侧的履带式移动机构之间不相接触并留有间隔，机架安装在两个履带式移动机构的顶面，控制柜和收集装置分别安装在两个履带式移动机构的顶面，收集装置的顶面开口；机架上还安装有全局相机，全局相机朝向两个履带式移动机构之间的地面。

所述的机械臂装置包括两个X轴机械臂、Y轴机械臂、Z轴机械臂、Z轴驱动机构、连接轴和若干安装底板，两个X轴机械臂通过若干安装底板水平安装在机架顶部的相对两侧并垂直于移动载具的前进方向，两个X轴机械臂相互平行并不相接触，两个X轴机械臂的相同一端通过连接轴固定连接；其中一个X轴机械臂和Y轴机械臂均为同步带模组并电连接控制主板，Y轴机械臂水平布置并垂直于两个X轴机械臂，Y轴机械臂的两侧底面分别滑动安装在两个X轴机械臂的顶面，Y轴机械臂沿两个X轴机械臂的长度方向滑动；Z轴机械臂竖直布置并通过Z轴驱动机构滑动安装在Y轴机械臂的一侧面，Z轴机械臂和Z轴驱动机构沿Y轴机械臂的长度方向滑动，Z轴驱动机构电连接控制主板；Z轴机械臂的底端连接旋转机构的顶面，旋转机构的底面安装有末端执行器。

机械臂装置采用三轴直角坐标构型；Y轴机械臂具体通过两个X轴滑块滑动安装在两个X轴机械臂的顶面，其中一个X轴机械臂的X轴伺服电机驱动X轴滑块沿两个X轴机械臂的长度方向滑动，带动Y轴机械臂整体沿两个X轴机械臂的长度方向滑动；Z轴驱动机构具体通过Y轴滑块滑动安装在Y轴机械臂的一侧面，Y轴机械臂的Y轴伺服电机驱动Y轴滑块沿Y轴机械臂的长度方向滑动，带动Z轴驱动机构以及Z轴机械臂沿Y轴机械臂的长度方向滑动。

所述的Z轴机械臂的一侧面沿自身的长度方向设有齿轮齿条结构，Z轴机械臂的另外三个侧面均沿自身的长度方向设有线性导轨，Z轴机械臂的主题为铝型材；所述的Z轴驱动机构包括伺服电机、伺服电机座和驱动板架，驱动板架套装在Z轴机械臂上，伺服电机的机身通过伺服电机座安装在驱动板架的一外侧面，伺服电机正对齿轮齿条结构，伺服电机水平穿过驱动板架并同步连接齿轮齿条结构的齿轮的中心轴，伺服电机的输出轴旋转驱动齿轮齿条结构的齿轮带动驱动板架整体沿竖直方向移动；驱动板架靠近Z轴机械臂的三个线性导轨的三个内侧面均滑动连接三个线性导轨；驱动板架的底面滑动安装在Y轴机械臂的一侧面；驱动板架的底面与Z轴机械臂不相接触；伺服电机电连接控制主板。

驱动板架包括齿轮连接板、导轨连接板、两个导轨连接侧板和升降底板，齿轮连接板和导轨连接板竖直正对平行布置，两个导轨连接侧板竖直正对平行布置，齿轮连接板、导轨连接板和两个导轨连接侧板围成矩形空心桶状作为驱动板架的四个侧面，升降底板水平布置并安装在齿轮连接板、导轨连接板和两个导轨连接侧板的底面作为驱动板架的底面；齿轮连接板的一侧安装有伺服电机座，另一侧连接齿轮齿条结构，导轨连接板和两个导轨连接侧板滑动连接三个线性导轨；升降底板滑动安装在Y轴机械臂的一侧面。

所述的旋转机构包括旋转步进电机、旋转电机座、小齿轮、回转支承大齿轮和旋转台，旋转电机座水平布置，旋转电机座的顶面中心连接Z轴机械臂的底端；回转支承大齿轮包括中心连接轴和空心大齿轮，中心连接轴活动穿设过空心大齿轮的中心，中心连接轴的上端固定连接旋转电机座的底面中心，中心连接轴的下端活动连接旋转台的顶面中心，空心大齿轮的顶面不连接旋转电机座的顶面，空心大齿轮的底面固定连接旋转台的顶面，回转支承大齿轮的空心大齿轮和小齿轮相啮合；旋转步进电机的机身安装在旋转电机座的顶面的一侧，旋转步进电机的输出轴竖直向下穿设过旋转电机座并同步连接小齿轮的中心；旋转台的底面固定连接末端执行器；旋转步进电机的输出轴旋转依次带动小齿轮和回转支承大齿轮绕自身中心轴线旋转，回转支承大齿轮的底面带动旋转台旋转进而带动末端执行器绕回转支承大齿轮的中心轴线旋转；旋转步进电机电连接控制主板。旋转电机座的侧面还安装有旋转挡板。

所述的末端执行器包括夹持机构和剪切机构，剪切机构安装在夹持机构的一侧；夹持机构包括三个夹持爪、基座、若干导杆、升降平台、固定底座、夹持剪切连接板、步进电机座、丝杆步进电机和第一丝杠，基座、升降平台和固定底座自下而上依次水平布置，固定底座的顶面固定连接旋转机构的旋转台的底面；基座的顶面和固定底座的底面通过若干竖直布置的导杆相连接，升降平台活动套装在各个导杆上；丝杆步进电机的机身通过步进电机座固定在基座的顶面中心，丝杆步进电机的输出轴竖直朝上同步连接竖直布置的第一丝杠的底端，第一丝杠的顶端活动连接固定底座的底面中心，升降平台的中心螺纹套装在第一丝杠上；三个夹持爪的根端沿周向均匀间隔铰接升降平台的侧面，三个夹持爪的中部沿周向均匀间隔铰接基座的底面外侧，三个夹持爪的末端朝下；夹持剪切连接板竖直安装在固定底座和基座的一侧，夹持剪切连接板远离第一丝杠的一侧面安装有剪切机构。

所述的每个夹持爪包括末端指节、中指节、手指连杆、根端指节、升降手指连接杆、第一连杆、第二连杆、第三连杆、连接块、两个扭簧和压力传感器，根端指节的根端铰接在基座的底面外侧，根端指节的末端铰接中指节的根端，中指节的末端铰接末端指节的根端，末端指节的末端朝下；升降手指连接杆的一端铰接升降平台的侧面，升降手指连接杆的另一端铰接第一连杆的一端，升降手指连接杆和第一连杆的铰接处铰接第二连杆的一端，第二连杆的另一端铰接根端指节的根端；手指连杆为三角板结构，手指连杆的第一个端点铰接第一连杆的另一端，手指连杆的第二个端点铰接根端指节和中指节的铰接处，手指连杆的第三个端点铰接第三连杆的一端，第三连杆的另一端铰接连接块，连接块固定在末端指节的指背面；末端指节的指腹面安装有压力传感器；根端指节和中指节的铰接处以及中指节和末端指节的铰接处分别安装有一个扭簧。

夹持爪的铰接处均通过销轴铰接；扭簧起到限制位移的作用，当手指接触果实时，扭簧会驱动下一指节转动，从而更好地抓住果实；根端指节、中指节和末端指节的指腹面均为橡胶材料，可以增加与果实的摩擦力，提高夹持的稳定性。夹持机构的构型为欠驱动手指，利用机械限位约束和电机驱动实现模拟人手的包络动作，具有强适应性。

所述的剪切机构包括剪切丝杆步进电机、剪切电机座、剪切导轨、螺母连接片、两个推拉旋转连接片、第一旋转片、第二旋转片、剪切丝杆螺母、剪切轴承座和剪切底板；剪切底板为L形板状，剪切底板包括一段竖直板和一段水平板，剪切底板的竖直板的一侧面固定安装在夹持剪切连接板远离第一丝杠的一侧面，剪切底板的竖直板的另一侧面安装有竖直布置的剪切导轨和第二丝杠，剪切导轨和第二丝杠相互平行并不相接触，剪切底板的竖直板的另一侧面的顶部还通过剪切电机座安装有剪切丝杆步进电机的机身，剪切丝杆步进电机的输出轴竖直向下同步连接第二丝杠的上端，第二丝杠的下端通过剪切轴承座活动连接剪切底板的水平板的顶面，剪切导轨的上端和下端分别固定连接剪切丝杆步进电机的机身的底面和剪切底板的水平板的顶面；剪切丝杆螺母活动套装在剪切导轨上并且螺纹套装在第二丝杠上，剪切丝杆螺母上远离剪切底板的竖直板的一侧面上安装有螺母连接片，螺母连接片的下端铰接两个推拉旋转连接片的一端，两个推拉旋转连接片的另一端分别铰接第一旋转片和第二旋转片的一端，第一旋转片和第二旋转片的一端同时铰接在剪切底板的水平板的侧面的相对两侧，第一旋转片和第二旋转片共同构成剪刀结构。剪切机构为怀抱式旋转切割，能剪切不同位姿的西瓜藤

所述的剪切底板的水平板的底面还安装有固定刀槽，固定刀槽的槽口朝下；所述的第二旋转片靠近第一旋转片的一侧安装有旋转刀片，第一旋转片和第二旋转片绕自身的一端旋转叠合后靠近固定刀槽处，第二旋转片的旋转刀片嵌入固定刀槽的槽口内。

所述的移动载具移动至西瓜地的上方，全局相机采集移动载具正下方的西瓜图像并传输到控制柜的控制主板中，控制主板调用视觉识别算法解算西瓜图像中各个西瓜的三维位置坐标，控制主板根据各个西瓜的三维位置坐标，控制机械臂装置的Y轴机械臂沿两个X轴机械臂的长度方向滑动，Z轴机械臂和Z轴驱动机构沿Y轴机械臂的长度方向滑动，从而带动末端执行器移动至每个西瓜的正上方，针对每个西瓜，控制主板控制旋转步进电机带动旋转机构旋转，进而带动末端执行器旋转，使得末端执行器的剪切机构旋转至西瓜的西瓜藤的正上方，此时末端执行器的夹持机构处于张开状态，控制主板控制伺服电机带动Z轴机械臂沿竖直方向移动，使得西瓜位于夹持机构的三个夹持爪中间，西瓜的西瓜藤位于剪切机构的第一旋转片和第二旋转片之间，此时控制主板控制丝杆步进电机驱动升降平台向下运动，驱动三个夹持爪合拢，在末端指节碰到西瓜并达到各个扭簧的限制力后，末端指节与中指节以及中指节和根端指节的铰接处在扭簧的作用下相继产生相对转动，使夹持机构实现包络动作，达到压力传感器的压力阈值后，停止丝杆步进电机并保持状态；控制主板控制剪切机构的剪切丝杆步进电机的输出轴旋转带动剪切丝杆螺母和螺母连接片向上移动，进而带动两个推拉旋转连接片拉动第一旋转片和第二旋转片绕自身的铰接处旋转并相互叠合剪切，西瓜的西瓜藤经过第二旋转片的旋转刀片在固定刀槽的槽口内被切断；控制主板控制剪切丝杆步进电机反转，第一旋转片和第二旋转片相互远离，恢复到张开状态；控制主板控制机械臂将西瓜从收集装置的顶面放置到收集装置内，控制主板控制丝杆步进电机反转，夹持机构的各个夹持爪张开，完成一个西瓜的采摘，重复上述操作继续进行后续的西瓜采摘。

本发明的有益效果是：

本发明西瓜智能采摘机器人，极大地提高了西瓜采摘的自动化和智能化水平。履带式移动机构能适应大部分地形，直角坐标型机械臂速度快，精度高，控制简单。旋转机构使得末端执行器能实现不同位姿的西瓜的采摘。末端执行器实现了对不同尺寸的西瓜的自适应采摘和不同位姿的西瓜藤的剪切。本发明采摘机器人整体结构简单，控制精确，使用方便，适应性强，稳定性好，提高了工作效率，适用于大规模西瓜种植的机械化采收。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为本发明机架和机械臂装置示意图；

图3为本发明Z轴机械臂局部示意图；

图4为本发明旋转机构示意图；

图5为末端执行器夹持机构示意图；

图6为本发明末端执行器剪切机构张开时示意图；

图7为本发明末端执行器剪切机构合拢时示意图；

图中：1、移动载具，2、机架，3、控制柜，4、全局相机，5、机械臂装置，501、X轴机械臂，502、Y轴机械臂，503、Z轴机械臂，50301、伺服电机，50302、伺服电机座，50303、齿轮连接板，50304、齿轮齿条结构，50305、铝型材，50306、线性导轨，50307、导轨连接板，50308、导轨连接侧板，50309、升降底板，504、X轴滑块，505、Y轴伺服电机，506、连接轴，507、X轴伺服电机，508、安装底板，6、收集装置，7、旋转机构，701、旋转步进电机，702、旋转电机座，703、旋转挡板，704、小齿轮，705、回转支承大齿轮，706、旋转台，8、末端执行器，801、末端指节，802、中指节，803、手指连杆，804、根端指节，805、基座，806、导杆，807、升降平台，808、固定底座，809、夹持剪切连接板，810、步进电机座，811、丝杆步进电机，812、升降手指连接杆，813、销轴，814、扭簧，815、压力传感器，816、剪切丝杆步进电机，817、剪切电机座，818、剪切导轨，819、螺母连接片，820、推拉旋转连接片，821、第一旋转片，822、第二旋转片，823、剪切丝杆螺母，824、剪切轴承座，825、剪切底板，826、固定刀槽，827、旋转刀片。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明西瓜智能采摘机器人包括移动载具1、机架2、控制柜3、机械臂5、收集装置6、旋转机构7和末端执行器8，机架2、控制柜3和收集装置6安装在移动载具1的顶面，机械臂5安装在机架2上，末端执行器8通过旋转机构7安装在机械臂5的底部；控制柜3电连接移动载具1、机械臂5、旋转机构7和末端执行器8；所述的控制柜3内布置有电源和控制主板，电源电连接控制主板，控制主板电连接移动载具1、机械臂5、旋转机构7和末端执行器8。控制主板具体为英伟达Jetson Xavier NX。

移动载具1具体为双履带式移动机构，双履带式移动机构两侧的履带式移动机构之间不相接触并留有间隔，机架2安装在两个履带式移动机构的顶面，控制柜3和收集装置6分别安装在两个履带式移动机构的顶面，收集装置6的顶面开口；机架上还安装有全局相机4，全局相机4朝向两个履带式移动机构之间的地面。

如图2所示，机械臂装置5包括两个X轴机械臂501、Y轴机械臂502、Z轴机械臂503、Z轴驱动机构、连接轴506和若干安装底板508，两个X轴机械臂501通过若干安装底板508水平安装在机架2顶部的相对两侧并垂直于移动载具1的前进方向，两个X轴机械臂501相互平行并不相接触，两个X轴机械臂501的相同一端通过连接轴506固定连接；其中一个X轴机械臂501和Y轴机械臂502均为同步带模组并电连接控制主板，Y轴机械臂502水平布置并垂直于两个X轴机械臂501，Y轴机械臂502的两侧底面分别滑动安装在两个X轴机械臂501的顶面，Y轴机械臂502沿两个X轴机械臂501的长度方向滑动；Z轴机械臂503竖直布置并通过Z轴驱动机构滑动安装在Y轴机械臂502的一侧面，Z轴机械臂503和Z轴驱动机构沿Y轴机械臂502的长度方向滑动，Z轴驱动机构电连接控制主板；Z轴机械臂503的底端连接旋转机构7的顶面，旋转机构7的底面安装有末端执行器8。

机械臂装置5采用三轴直角坐标构型；Y轴机械臂502具体通过两个X轴滑块504滑动安装在两个X轴机械臂501的顶面，其中一个X轴机械臂501的X轴伺服电机507驱动X轴滑块504沿两个X轴机械臂501的长度方向滑动，带动Y轴机械臂502整体沿两个X轴机械臂501的长度方向滑动；Z轴驱动机构具体通过Y轴滑块滑动安装在Y轴机械臂502的一侧面，Y轴机械臂502的Y轴伺服电机505驱动Y轴滑块沿Y轴机械臂502的长度方向滑动，带动Z轴驱动机构以及Z轴机械臂503沿Y轴机械臂502的长度方向滑动。

如图3所示，Z轴机械臂503的一侧面沿自身的长度方向设有齿轮齿条结构50304，Z轴机械臂503的另外三个侧面均沿自身的长度方向设有线性导轨50306，Z轴机械臂503的主题为铝型材50305；Z轴驱动机构包括伺服电机50301、伺服电机座50302和驱动板架，驱动板架套装在Z轴机械臂503上，伺服电机50301的机身通过伺服电机座50302安装在驱动板架的一外侧面，伺服电机50301正对齿轮齿条结构50304，伺服电机50301水平穿过驱动板架并同步连接齿轮齿条结构50304的齿轮的中心轴，伺服电机50301的输出轴旋转驱动齿轮齿条结构50304的齿轮带动驱动板架整体沿竖直方向移动；驱动板架靠近Z轴机械臂503的三个线性导轨50306的三个内侧面均滑动连接三个线性导轨50306；驱动板架的底面滑动安装在Y轴机械臂502的一侧面；驱动板架的底面与Z轴机械臂503不相接触；伺服电机50301电连接控制主板。

驱动板架包括齿轮连接板50303、导轨连接板50307、两个导轨连接侧板50308和升降底板50309，齿轮连接板50303和导轨连接板50307竖直正对平行布置，两个导轨连接侧板50308竖直正对平行布置，齿轮连接板50303、导轨连接板50307和两个导轨连接侧板50308围成矩形空心桶状作为驱动板架的四个侧面，升降底板50309水平布置并安装在齿轮连接板50303、导轨连接板50307和两个导轨连接侧板50308的底面作为驱动板架的底面；齿轮连接板50303的一侧安装有伺服电机座50302，另一侧连接齿轮齿条结构50304，导轨连接板50307和两个导轨连接侧板50308滑动连接三个线性导轨50306；升降底板50309滑动安装在Y轴机械臂502的一侧面。

如图4所示，旋转机构7包括旋转步进电机701、旋转电机座702、小齿轮704、回转支承大齿轮705和旋转台706，旋转电机座702水平布置，旋转电机座702的顶面中心连接Z轴机械臂503的底端；回转支承大齿轮705包括中心连接轴和空心大齿轮，中心连接轴活动穿设过空心大齿轮的中心，中心连接轴的上端固定连接旋转电机座702的底面中心，中心连接轴的下端活动连接旋转台706的顶面中心，空心大齿轮的顶面不连接旋转电机座702的顶面，空心大齿轮的底面固定连接旋转台706的顶面，回转支承大齿轮705的空心大齿轮和小齿轮704相啮合；旋转步进电机701的机身安装在旋转电机座702的顶面的一侧，旋转步进电机701的输出轴竖直向下穿设过旋转电机座702并同步连接小齿轮704的中心；旋转台706的底面固定连接末端执行器8；旋转步进电机701的输出轴旋转依次带动小齿轮704和回转支承大齿轮705绕自身中心轴线旋转，回转支承大齿轮705的底面带动旋转台706旋转进而带动末端执行器8绕回转支承大齿轮705的中心轴线旋转；旋转步进电机701电连接控制主板。旋转电机座702的侧面还安装有旋转挡板703。

如图5所示，末端执行器8包括夹持机构和剪切机构，剪切机构安装在夹持机构的一侧；夹持机构包括三个夹持爪、基座805、若干导杆806、升降平台807、固定底座808、夹持剪切连接板809、步进电机座810、丝杆步进电机811和第一丝杠，基座805、升降平台807和固定底座808自下而上依次水平布置，固定底座808的顶面固定连接旋转机构7的旋转台706的底面；基座805的顶面和固定底座808的底面通过若干竖直布置的导杆806相连接，升降平台807活动套装在各个导杆806上；丝杆步进电机811的机身通过步进电机座810固定在基座805的顶面中心，丝杆步进电机811的输出轴竖直朝上同步连接竖直布置的第一丝杠的底端，第一丝杠的顶端活动连接固定底座808的底面中心，升降平台807的中心螺纹套装在第一丝杠上；三个夹持爪的根端沿周向均匀间隔铰接升降平台807的侧面，三个夹持爪的中部沿周向均匀间隔铰接基座805的底面外侧，三个夹持爪的末端朝下；夹持剪切连接板809竖直安装在固定底座808和基座805的一侧，夹持剪切连接板809远离第一丝杠的一侧面安装有剪切机构。

每个夹持爪包括末端指节801、中指节802、手指连杆803、根端指节804、升降手指连接杆812、第一连杆、第二连杆、第三连杆、连接块、两个扭簧814和压力传感器815，根端指节804的根端铰接在基座805的底面外侧，根端指节804的末端铰接中指节802的根端，中指节802的末端铰接末端指节801的根端，末端指节801的末端朝下。

升降手指连接杆812的一端铰接升降平台807的侧面，升降手指连接杆812的另一端铰接第一连杆的一端，升降手指连接杆812和第一连杆的铰接处铰接第二连杆的一端，第二连杆的另一端铰接根端指节804的根端；手指连杆803为三角板结构，手指连杆803的第一个端点铰接第一连杆的另一端，手指连杆803的第二个端点铰接根端指节804和中指节802的铰接处，手指连杆803的第三个端点铰接第三连杆的一端，第三连杆的另一端铰接连接块，连接块固定在末端指节801的指背面；末端指节801的指腹面安装有压力传感器815；根端指节804和中指节802的铰接处以及中指节802和末端指节801的铰接处分别安装有一个扭簧814。

夹持爪的铰接处均通过销轴813铰接；扭簧814起到限制位移的作用，当手指接触果实时，扭簧804会驱动下一指节转动，从而更好地抓住果实；根端指节804、中指节802和末端指节801的指腹面均为橡胶材料，可以增加与果实的摩擦力，提高夹持的稳定性。夹持机构的构型为欠驱动手指，利用机械限位约束和电机驱动实现模拟人手的包络动作，具有强适应性。

如图6和图7所示，剪切机构包括剪切丝杆步进电机816、剪切电机座817、剪切导轨818、螺母连接片819、两个推拉旋转连接片820、第一旋转片821、第二旋转片822、剪切丝杆螺母823、剪切轴承座824和剪切底板825；剪切底板825为L形板状，剪切底板825包括一段竖直板和一段水平板，剪切底板825的竖直板的一侧面固定安装在夹持剪切连接板809远离第一丝杠的一侧面，剪切底板825的竖直板的另一侧面安装有竖直布置的剪切导轨818和第二丝杠，剪切导轨818和第二丝杠相互平行并不相接触，剪切底板825的竖直板的另一侧面的顶部还通过剪切电机座817安装有剪切丝杆步进电机816的机身，剪切丝杆步进电机816的输出轴竖直向下同步连接第二丝杠的上端，第二丝杠的下端通过剪切轴承座824活动连接剪切底板825的水平板的顶面，剪切导轨818的上端和下端分别固定连接剪切丝杆步进电机816的机身的底面和剪切底板825的水平板的顶面；剪切丝杆螺母823活动套装在剪切导轨818上并且螺纹套装在第二丝杠上，剪切丝杆螺母823上远离剪切底板825的竖直板的一侧面上安装有螺母连接片819，螺母连接片819的下端铰接两个推拉旋转连接片820的一端，两个推拉旋转连接片820的另一端分别铰接第一旋转片821和第二旋转片822的一端，第一旋转片821和第二旋转片822的一端同时铰接在剪切底板825的水平板的侧面的相对两侧，第一旋转片821和第二旋转片822共同构成剪刀结构。剪切机构为怀抱式旋转切割，能剪切不同位姿的西瓜藤。

剪切底板825的水平板的底面还安装有固定刀槽826，固定刀槽826的槽口朝下；所述的第二旋转片822靠近第一旋转片821的一侧安装有旋转刀片726，第一旋转片821和第二旋转片822绕自身的一端旋转叠合后靠近固定刀槽826处，第二旋转片822的旋转刀片726嵌入固定刀槽826的槽口内。

本发明的具体实施方式如下：

移动载具1移动至西瓜地的上方，全局相机4采集移动载具1正下方的西瓜图像并传输到控制柜3的控制主板中，控制主板调用视觉识别算法解算西瓜图像中各个西瓜的三维位置坐标，控制主板根据各个西瓜的三维位置坐标，控制机械臂装置5的Y轴机械臂502沿两个X轴机械臂501的长度方向滑动，Z轴机械臂503和Z轴驱动机构沿Y轴机械臂502的长度方向滑动，从而带动末端执行器8移动至每个西瓜的正上方，针对每个西瓜，控制主板控制旋转步进电机701带动旋转机构7旋转，进而带动末端执行器8旋转，使得末端执行器8的剪切机构旋转至西瓜的西瓜藤的正上方，此时末端执行器8的夹持机构处于张开状态，控制主板控制伺服电机50301带动Z轴机械臂503沿竖直方向移动，使得西瓜位于夹持机构的三个夹持爪中间，西瓜的西瓜藤位于剪切机构的第一旋转片821和第二旋转片822之间，此时控制主板控制丝杆步进电机811驱动升降平台807向下运动，驱动三个夹持爪合拢，在末端指节801碰到西瓜并达到各个扭簧814的限制力后，末端指节801与中指节802以及中指节802和根端指节804的铰接处在扭簧814的作用下相继产生相对转动，使夹持机构实现包络动作，达到压力传感器815的压力阈值后，停止丝杆步进电机811并保持状态；控制主板控制剪切机构的剪切丝杆步进电机816的输出轴旋转带动剪切丝杆螺母823和螺母连接片819向上移动，进而带动两个推拉旋转连接片820拉动第一旋转片821和第二旋转片822绕自身的铰接处旋转并相互叠合剪切，西瓜的西瓜藤经过第二旋转片822的旋转刀片726在固定刀槽826的槽口内被切断；控制主板控制剪切丝杆步进电机816反转，第一旋转片821和第二旋转片822相互远离，恢复到张开状态；控制主板控制机械臂5将西瓜从收集装置6的顶面放置到收集装置6内，控制主板控制丝杆步进电机811反转，夹持机构的各个夹持爪张开，完成一个西瓜的采摘，重复上述操作继续进行后续的西瓜采摘。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，上述方式旨在举例说明。本发明可通过编程控制改变参数改变运动步骤，实现不同种满足需求的运动组合。

Claims (10)

1.一种西瓜智能采摘机器人，其特征在于：包括移动载具(1)、机架(2)、控制柜(3)、机械臂(5)、收集装置(6)、旋转机构(7)和末端执行器(8)，机架(2)、控制柜(3)和收集装置(6)安装在移动载具(1)的顶面，机械臂(5)安装在机架(2)上，末端执行器(8)通过旋转机构(7)安装在机械臂(5)的底部；控制柜(3)电连接移动载具(1)、机械臂(5)、旋转机构(7)和末端执行器(8)；所述的控制柜(3)内布置有电源和控制主板，电源电连接控制主板，控制主板电连接移动载具(1)、机械臂(5)、旋转机构(7)和末端执行器(8)。

2.根据权利要求1所述的一种西瓜智能采摘机器人，其特征在于：所述的移动载具(1)具体为双履带式移动机构，双履带式移动机构两侧的履带式移动机构之间不相接触并留有间隔，机架(2)安装在两个履带式移动机构的顶面，控制柜(3)和收集装置(6)分别安装在两个履带式移动机构的顶面，收集装置(6)的顶面开口；机架上还安装有全局相机(4)，全局相机(4)朝向两个履带式移动机构之间的地面。

3.根据权利要求2所述的一种西瓜智能采摘机器人，其特征在于：所述的机械臂装置(5)包括两个X轴机械臂(501)、Y轴机械臂(502)、Z轴机械臂(503)、Z轴驱动机构、连接轴(506)和若干安装底板(508)，两个X轴机械臂(501)通过若干安装底板(508)水平安装在机架(2)顶部的相对两侧并垂直于移动载具(1)的前进方向，两个X轴机械臂(501)相互平行并不相接触，两个X轴机械臂(501)的相同一端通过连接轴(506)固定连接；其中一个X轴机械臂(501)和Y轴机械臂(502)均为同步带模组并电连接控制主板，Y轴机械臂(502)水平布置并垂直于两个X轴机械臂(501)，Y轴机械臂(502)的两侧底面分别滑动安装在两个X轴机械臂(501)的顶面，Y轴机械臂(502)沿两个X轴机械臂(501)的长度方向滑动；Z轴机械臂(503)竖直布置并通过Z轴驱动机构滑动安装在Y轴机械臂(502)的一侧面，Z轴机械臂(503)和Z轴驱动机构沿Y轴机械臂(502)的长度方向滑动，Z轴驱动机构电连接控制主板；Z轴机械臂(503)的底端连接旋转机构(7)的顶面，旋转机构(7)的底面安装有末端执行器(8)。

4.根据权利要求3所述的一种西瓜智能采摘机器人，其特征在于：所述的Z轴机械臂(503)的一侧面沿自身的长度方向设有齿轮齿条结构(50304)，Z轴机械臂(503)的另外三个侧面均沿自身的长度方向设有线性导轨(50306)；

所述的Z轴驱动机构包括伺服电机(50301)、伺服电机座(50302)和驱动板架，驱动板架套装在Z轴机械臂(503)上，伺服电机(50301)的机身通过伺服电机座(50302)安装在驱动板架的一外侧面，伺服电机(50301)正对齿轮齿条结构(50304)，伺服电机(50301)水平穿过驱动板架并同步连接齿轮齿条结构(50304)的齿轮的中心轴，伺服电机(50301)的输出轴旋转驱动齿轮齿条结构(50304)的齿轮带动驱动板架整体沿竖直方向移动；驱动板架靠近Z轴机械臂(503)的三个线性导轨(50306)的三个内侧面均滑动连接三个线性导轨(50306)；驱动板架的底面滑动安装在Y轴机械臂(502)的一侧面；伺服电机(50301)电连接控制主板。

5.根据权利要求1所述的一种西瓜智能采摘机器人，其特征在于：所述的旋转机构(7)包括旋转步进电机(701)、旋转电机座(702)、小齿轮(704)、回转支承大齿轮(705)和旋转台(706)，旋转电机座(702)水平布置，旋转电机座(702)的顶面中心连接Z轴机械臂(503)的底端；回转支承大齿轮(705)包括中心连接轴和空心大齿轮，中心连接轴活动穿设过空心大齿轮的中心，中心连接轴的上端固定连接旋转电机座(702)的底面中心，中心连接轴的下端活动连接旋转台(706)的顶面中心，空心大齿轮的顶面不连接旋转电机座(702)的顶面，空心大齿轮的底面固定连接旋转台(706)的顶面，回转支承大齿轮(705)的空心大齿轮和小齿轮(704)相啮合；旋转步进电机(701)的机身安装在旋转电机座(702)的顶面的一侧，旋转步进电机(701)的输出轴竖直向下穿设过旋转电机座(702)并同步连接小齿轮(704)的中心；旋转台(706)的底面固定连接末端执行器(8)；旋转步进电机(701)的输出轴旋转依次带动小齿轮(704)和回转支承大齿轮(705)绕自身中心轴线旋转，回转支承大齿轮(705)的底面带动旋转台(706)旋转进而带动末端执行器(8)绕回转支承大齿轮(705)的中心轴线旋转；旋转步进电机(701)电连接控制主板。

6.根据权利要求1所述的一种西瓜智能采摘机器人，其特征在于：所述的末端执行器(8)包括夹持机构和剪切机构，剪切机构安装在夹持机构的一侧；夹持机构包括三个夹持爪、基座(805)、若干导杆(806)、升降平台(807)、固定底座(808)、夹持剪切连接板(809)、步进电机座(810)、丝杆步进电机(811)和第一丝杠，基座(805)、升降平台(807)和固定底座(808)自下而上依次水平布置，固定底座(808)的顶面固定连接旋转机构(7)的旋转台(706)的底面；基座(805)的顶面和固定底座(808)的底面通过若干竖直布置的导杆(806)相连接，升降平台(807)活动套装在各个导杆(806)上；丝杆步进电机(811)的机身通过步进电机座(810)固定在基座(805)的顶面中心，丝杆步进电机(811)的输出轴竖直朝上同步连接竖直布置的第一丝杠的底端，第一丝杠的顶端活动连接固定底座(808)的底面中心，升降平台(807)的中心螺纹套装在第一丝杠上；三个夹持爪的根端沿周向均匀间隔铰接升降平台(807)的侧面，三个夹持爪的中部沿周向均匀间隔铰接基座(805)的底面外侧，三个夹持爪的末端朝下；夹持剪切连接板(809)竖直安装在固定底座(808)和基座(805)的一侧，夹持剪切连接板(809)远离第一丝杠的一侧面安装有剪切机构。

7.根据权利要求6所述的一种西瓜智能采摘机器人，其特征在于：所述的每个夹持爪包括末端指节(801)、中指节(802)、手指连杆(803)、根端指节(804)、升降手指连接杆(812)、第一连杆、第二连杆、第三连杆、连接块、两个扭簧(814)和压力传感器(815)，根端指节(804)的根端铰接在基座(805)的底面外侧，根端指节(804)的末端铰接中指节(802)的根端，中指节(802)的末端铰接末端指节(801)的根端，末端指节(801)的末端朝下；

升降手指连接杆(812)的一端铰接升降平台(807)的侧面，升降手指连接杆(812)的另一端铰接第一连杆的一端，升降手指连接杆(812)和第一连杆的铰接处铰接第二连杆的一端，第二连杆的另一端铰接根端指节(804)的根端；手指连杆(803)为三角板结构，手指连杆(803)的第一个端点铰接第一连杆的另一端，手指连杆(803)的第二个端点铰接根端指节(804)和中指节(802)的铰接处，手指连杆(803)的第三个端点铰接第三连杆的一端，第三连杆的另一端铰接连接块，连接块固定在末端指节(801)的指背面；末端指节(801)的指腹面安装有压力传感器(815)；根端指节(804)和中指节(802)的铰接处以及中指节(802)和末端指节(801)的铰接处分别安装有一个扭簧(814)。

8.根据权利要求6所述的一种西瓜智能采摘机器人，其特征在于：所述的剪切机构包括剪切丝杆步进电机(816)、剪切电机座(817)、剪切导轨(818)、螺母连接片(819)、两个推拉旋转连接片(820)、第一旋转片(821)、第二旋转片(822)、剪切丝杆螺母(823)、剪切轴承座(824)和剪切底板(825)；剪切底板(825)为L形板状，剪切底板(825)包括一段竖直板和一段水平板，剪切底板(825)的竖直板的一侧面固定安装在夹持剪切连接板(809)远离第一丝杠的一侧面，剪切底板(825)的竖直板的另一侧面安装有竖直布置的剪切导轨(818)和第二丝杠，剪切导轨(818)和第二丝杠相互平行并不相接触，剪切底板(825)的竖直板的另一侧面的顶部还通过剪切电机座(817)安装有剪切丝杆步进电机(816)的机身，剪切丝杆步进电机(816)的输出轴竖直向下同步连接第二丝杠的上端，第二丝杠的下端通过剪切轴承座(824)活动连接剪切底板(825)的水平板的顶面，剪切导轨(818)的上端和下端分别固定连接剪切丝杆步进电机(816)的机身的底面和剪切底板(825)的水平板的顶面；剪切丝杆螺母(823)活动套装在剪切导轨(818)上并且螺纹套装在第二丝杠上，剪切丝杆螺母(823)上远离剪切底板(825)的竖直板的一侧面上安装有螺母连接片(819)，螺母连接片(819)的下端铰接两个推拉旋转连接片(820)的一端，两个推拉旋转连接片(820)的另一端分别铰接第一旋转片(821)和第二旋转片(822)的一端，第一旋转片(821)和第二旋转片(822)的一端同时铰接在剪切底板(825)的水平板的侧面的相对两侧，第一旋转片(821)和第二旋转片(822)共同构成剪刀结构。

9.根据权利要求8所述的一种西瓜智能采摘机器人，其特征在于：所述的剪切底板(825)的水平板的底面还安装有固定刀槽(826)，固定刀槽(826)的槽口朝下；所述的第二旋转片(822)靠近第一旋转片(821)的一侧安装有旋转刀片(726)，第一旋转片(821)和第二旋转片(822)绕自身的一端旋转叠合后靠近固定刀槽(826)处，第二旋转片(822)的旋转刀片(726)嵌入固定刀槽(826)的槽口内。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种西瓜智能采摘机器人的采摘方法，其特征在于：所述的移动载具(1)移动至西瓜地的上方，全局相机(4)采集移动载具(1)正下方的西瓜图像并传输到控制柜(3)的控制主板中，控制主板调用视觉识别算法解算西瓜图像中各个西瓜的三维位置坐标，控制主板根据各个西瓜的三维位置坐标，控制机械臂装置(5)的Y轴机械臂(502)沿两个X轴机械臂(501)的长度方向滑动，Z轴机械臂(503)和Z轴驱动机构沿Y轴机械臂(502)的长度方向滑动，从而带动末端执行器(8)移动至每个西瓜的正上方，针对每个西瓜，控制主板控制旋转步进电机(701)带动旋转机构(7)旋转，进而带动末端执行器(8)旋转，使得末端执行器(8)的剪切机构旋转至西瓜的西瓜藤的正上方，此时末端执行器(8)的夹持机构处于张开状态，控制主板控制伺服电机(50301)带动Z轴机械臂(503)沿竖直方向移动，使得西瓜位于夹持机构的三个夹持爪中间，西瓜的西瓜藤位于剪切机构的第一旋转片(821)和第二旋转片(822)之间，此时控制主板控制丝杆步进电机(811)驱动升降平台(807)向下运动，驱动三个夹持爪合拢，在末端指节(801)碰到西瓜并达到各个扭簧(814)的限制力后，末端指节(801)与中指节(802)以及中指节(802)和根端指节(804)的铰接处在扭簧(814)的作用下相继产生相对转动，使夹持机构实现包络动作，达到压力传感器(815)的压力阈值后，停止丝杆步进电机(811)并保持状态；控制主板控制剪切机构的剪切丝杆步进电机(816)的输出轴旋转带动剪切丝杆螺母(823)和螺母连接片(819)向上移动，进而带动两个推拉旋转连接片(820)拉动第一旋转片(821)和第二旋转片(822)绕自身的铰接处旋转并相互叠合剪切，西瓜的西瓜藤经过第二旋转片(822)的旋转刀片(726)在固定刀槽(826)的槽口内被切断；控制主板控制剪切丝杆步进电机(816)反转，第一旋转片(821)和第二旋转片(822)相互远离，恢复到张开状态；控制主板控制机械臂(5)将西瓜从收集装置(6)的顶面放置到收集装置(6)内，控制主板控制丝杆步进电机(811)反转，夹持机构的各个夹持爪张开，完成一个西瓜的采摘，重复上述操作继续进行后续的西瓜采摘。

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