CN116235703B - 一种甜椒采摘装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种甜椒采摘装置及控制方法。采摘装置，包括伺服电动双指平行夹持器模块、剪切模块、触觉传感模块、果实收集装置和步进电机丝杠滑台。本发明采用夹持甜椒果梗和剪切果梗的方式进行采摘，夹持模块采用舵机进行驱动结构小巧，模拟电推剪式切割果梗，夹持末端和剪切锯片在厚度上为1.2cm左右，由于末端很薄，在采摘过程中更灵活，能够适应不同长短果梗进行采摘，提高采摘成功率。另外夹持模块末端装有触觉传感器能精确感知果梗位置进行精确切割。末端装置还有果实回收装置，能够显著提高单果的采摘时间，提高采摘效率。

Description

一种甜椒采摘装置及控制方法

技术领域

本发明属于农业采摘机器人技术领域，涉及到一种甜椒采摘装置及控制方法。

背景技术

人工智能和传感器技术的飞速发展正在赋能数字农业与农业机器人，这使得农业机器人的应用领域不断扩大，为人们的工作和生活提供了便利。随着农业劳动力的减少，农业机器人将成为未来农业采摘的核心，智慧农业已成为当今世界现代农业发展的大趋势。甜椒是我国设施园艺中种植面积较大的果蔬品种之一，我国的甜椒种植在收获阶段基本上是依靠人工完成。人工采摘甜椒工作量大、劳动强度高，需要大量劳动力，采摘环节劳动力的使用量占整个生产过程中劳动力使用量的40％～50％。我国由于劳动力高龄化和大量青壮年劳动力流向非农行业，导致农业劳动力资源紧缺，劳动力成本骤升。

采摘机器人的研究和应用，对于降低劳动力成本，提高采摘效率和甜椒产业利润具有重要意义。农业采摘场景是一个非结构化的环境，果实大小和果梗的长短不一，因此末端执行器需要小巧灵活，并且具有一定的适应性和智能性。现有末端执行器CN201720691317.3的凸轮锯齿片安装在夹持模块旁边，导致末端结构庞大不灵活，易与植株发生碰撞，另外凸轮锯齿片在步进电机的带动下是360度旋转，采摘过程中很容易对植株造成损坏。现有末端执行器CN201610844364.7和CN201911309182.X采用剪夹一体化，导致夹持和剪切模块集成在一起，厚度较厚对于果梗较短的果蔬无法完成采摘。另外，当发生采摘失败时如夹持器末端发生滑动，视觉识别算法产生的误差以及机械臂采摘果实时果实产生的振荡导致末端执行器夹空等，机械臂无法感知，仍然会执行放置果实到采摘篮中的动作，浪费能量不具有智能性。另外上述专利也没有考虑果实的回收问题，采摘果实后需要把果实放置到篮子中，采摘效率低。

发明内容

本发明为了克服上述现有采摘机器人末端执行器弊端，提高采摘效率，针对甜椒的采收，提供了一种甜椒采摘装置与控制方法。

为了实现上述发明目的，本发明解决技术问题采用的方案如下：

一种甜椒采摘装置，包括伺服电动双指平行夹持器模块、剪切模块、触觉传感模块、果实收集装置和步进电机丝杠滑台。

所述伺服电动双指平行夹持器模块，由舵机安装架，舵机控制线安装接口槽、舵机、推杆、从动推杆和夹持连杆组成，夹持连杆末端表面附着有软体材料能够避免损伤甜椒果梗，两个推杆一端安装在两个舵机上，另外一端和夹持连杆通过光轴连接，两个从动推杆一端和舵机安装架表面凸起圆柱连接，另外一端和夹持连杆通过光轴连接。

所述剪切模块由锯片，电机、机壳、垫片和输出轴构成。模拟电推剪式切割，通过电机带动与输出轴相连的锯片做往复运动，摆动幅度为3度。

所述触觉传感模块由三个触觉传感器构成，触觉传感器为圆形，直径为1cm，安装在夹持连杆的末端，以感知甜椒果梗的位置。触觉传感器模块上附着有软体材料，能够保护甜椒果梗不受损坏。

所述果实收集装置包括支撑杆，圆形采集桶、锡纸波纹管和阻挡柱，两个支撑杆一端和机械臂法兰进行连接固定，另外一端和圆形采集桶进行连接，圆形采集桶安装在夹持连杆的下方，采摘过程中如果圆形采集桶的位置在夹持甜椒果梗的正下方，采摘过程中圆形收集桶易与植株发生碰撞，降低采摘成功率，因此圆形采集桶与三个阻挡柱进行连接，圆形采集桶中心位置在夹持甜椒果梗的正下方前面3-5cm。甜椒采摘完成后，伺服电动双指平行夹持器张开，果实沿着三个阻挡柱进入到圆形采集桶最后进入锡纸波纹管完成果实收集。

所述步进电机丝杠滑台包括步进电机，丝杠、滑台底座、丝杠支撑座、电机固定座、联轴器、滑块、矩形支撑板、三角支撑板和法兰，滑块通过螺栓和下轴套相连接。下轴套和上轴套通过螺栓连接，用于固定剪切模块电机。滑台底座和矩形支撑板通过螺栓连接，达到支撑的效果。两个三角支撑板上方通过螺栓与矩形支撑板相连接。两个三角支撑板和矩形支撑板通过螺栓与法兰相连接。

所述一种甜椒采摘装置的控制方法，包括以下步骤：

1)所述装置伺服电动双指平行夹持器张开，夹持连杆的距离为4～5cm，以一定姿态移动到甜椒果梗处。

2)伺服电动双指平行夹持器闭合，夹持甜椒果梗，触觉传感模块感知果梗的位置，计算出剪切模块向前移动的距离L。

3)末端装置控制器控制继电器打开，启动剪切模块，同时驱动步进电机丝杠滑台，步进电机带动丝杠做逆时针转动带动滑块，滑块通过上轴套和下轴套带动剪切模块水平向前运动距离L剪切果梗，完成甜椒的采摘。

4)伺服电动双指平行夹持器打开，果实沿着阻挡柱进入圆形采集桶，然后进入锡纸波纹管，完成果实的收集，步进电机带动丝杠做顺时针转动带动滑块，滑块通过上轴套和下轴套带动剪切模块水平向后运动距离L，回到初始位置。

5)步骤2中伺服电动双指平行夹持器闭合夹持甜椒果梗过程中，如果三个触觉传感器被全部触发，判断采摘过程发生失败，不在执行后面的动作，伺服电动双指平行夹持器张开返回到初始位置，重新进行采摘。

与现有技术相比，本发明甜椒采摘装置采用夹持甜椒果梗和剪切果梗的方式进行采摘，夹持模块采用舵机进行驱动结构小巧，模拟电推剪式切割果梗，夹持末端和剪切锯片在厚度上为1.2cm左右，由于末端很薄，在采摘过程中更灵活，能够适应不同长短果梗进行采摘，提高采摘成功率。另外夹持模块末端装有触觉传感器能精确感知果梗位置进行精确切割，传统末端执行器发生采摘失败时，夹爪闭合，采摘机械臂感知不到采摘失败，误认为抓取到了果实，会执行把果实放回到采摘蓝子的动作然后回到初始位置，与此相比当发生采摘失败时，夹爪闭合三个触觉传感器会被全部触发，通过触觉传感器的信号，判断此次抓取失败，不会再执行放置果实到篮子的动作，节省能量提高采摘机械臂的效率。末端装置上了果实回收装置，能够显著提高单果的采摘时间，提高采摘效率。结构上能够防止回收装置与植株发生碰撞，避免损坏植株。

附图说明

图1为本发明的甜椒采摘装置的示意图。

图2为伺服电动双指平行夹持器模块的示意图。

图3为伺服电动双指平行夹持器模块的正视图。

图4为伺服电动双指平行夹持器模块的俯视图。

图5为剪切模块的正视图。

图6为收集装置的示意图。

图7为收集装置去掉锡纸波纹管后的正视图。

图8为收集装置去掉锡纸波纹管后的俯视图。

图9为步进电机丝杠滑台的正视图。

图10为步进电机丝杠滑台的俯视图。

图11为步进电机丝杠滑台的右视图。

图中：1推杆；2夹持连杆；3从动推杆；4舵机安装架；5阻挡柱；6锡纸波纹管；7支撑杆；8圆形采集桶；9锯片；10垫片；11输出轴；12机壳；13电机；14上轴套；15步进电机；16矩形支撑板；17滑块；18联轴器；

19丝杠；20下轴套；21三角支撑板；22法兰；23触觉传感模块；

24电机固定座；25丝杠支撑座；26滑台底座；27凸起圆柱；28舵机；

29舵机控制线安装接口槽；30末端执行器安装孔。

具体实施方式

如图1所示，一种甜椒采摘装置，包括伺服电动双指平行夹持器模块、剪切模块、触觉传感模块、果实收集装置和步进电机丝杠滑台。剪切模块安装在双指平行夹持模块的上方，通过轴套与步进电机丝杠滑台相连接。

如图2，3，4所示，伺服电动双指平行夹持器模块包括舵机安装架4，舵机控制线安装接口槽29、舵机28、凸起圆柱27、推杆1、从动推杆3和夹持连杆2组成。舵机28安装在舵机安装架4上的凹槽中，推杆1一端安装固定在舵机28上，另外一端与夹持连杆2通过光轴进行连接。从动推杆3一端安装固定在凸起圆柱27上，另外一端通过光轴与夹持连杆2相连接。如图5所示剪切模块由锯片9，电机13、机壳12、垫片10和输出轴11构成。剪切模块通过上轴套14和下轴套20固定电机13，并通过下轴套20连接到步进电机丝杠滑台的滑块17上。

如图6,7,8所示，果实收集装置包括支撑杆7，圆形采集桶8、锡纸波纹管6和阻挡柱5，两个支撑杆7通过螺栓与法兰22相连接，支撑杆7下方与圆形采集桶8通过螺栓进行固定。圆形采集桶8与三个阻挡柱5相连接，下方与锡纸波纹管6相连接。

如图9,10,11所示，步进电机丝杠滑台由步进电机15，丝杠19、滑台底座26、丝杠支撑座25、电机固定座24、联轴器18、滑块17、矩形支撑板16、三角支撑板21和法兰22组成，滑台底座26与矩形支撑板16通过螺栓固定，矩形支撑板16用于支撑滑台和剪切模块的重力，矩形支撑板16与三角支撑板21和法兰22通过螺栓进行固定，三角支撑板21与法兰22通过螺栓相连接，法兰22通过末端执行器安装孔30固定到机械臂的末端。

所述的一种甜椒采摘装置的控制方法，包括以下步骤：

1、在移动靠近甜椒果梗的过程中，整个伺服电动双指平行夹持器处于图2这个状态，该状态下推杆1带动从动推杆3和夹持连杆2保持当前状态，两端夹持连杆的水平距离在4-5cm。

2、到达甜椒果梗采摘点后，伺服电动双指平行夹持器中的两个舵机分别带动两个推杆1，推杆1带动从动推杆3和夹持连杆2运动，完成果梗的夹持。触觉传感模块23感知果梗的位置，触觉传感模块23上安装有3个圆形触觉传感器，根据传感器被触发的位置，感知甜椒果梗的位置，计算出剪切模块需要向前移动的距离L，完成果梗的精确切割。剪切模块的启动通过继电器的开合来控制。剪切模块向前移动的距离通过步进电机丝杠滑台上的滑块17带动剪切模块水平向前运动。

3、末端装置控制器控制继电器打开，启动剪切模块，电机13带动与输出轴11相连接的锯片9做往复运动，模拟电推剪式切割，摆动幅度为3度，同时驱动步进电机15带动丝杠19和滑块17，步进电机15带动丝杠19做逆时针转动带动滑块17，滑块17通过上轴套14和下轴套20带动剪切模块水平向前运动距离L，剪切果梗，完成甜椒的采摘。

4、伺服电动双指平行夹持器打开，该状态下推杆1带动从动推杆3和夹持连杆2运动，果实沿着阻挡柱5进入圆形采集桶，然后进入锡纸波纹管6完成果实的收集，步进电机15带动丝杠19做顺时针转动带动滑块17，滑块17通过上轴套14和下轴套20带动剪切模块水平向后运动距离L，回到初始位置。

5、步骤2中伺服电动双指平行夹持器闭合夹持甜椒果梗过程中，当发生采摘失败时，例如，夹持器末端发生滑动，视觉识别算法产生的误差以及机械臂采摘果实时果实产生的振荡导致末端执行器夹空等，当出现这类情况时安装在末端的三个触觉传感器会被全部触发，判断采摘过程出现抓取失败，不在执行步骤3和步骤4，伺服电动双指平行夹持器打开恢复到图2这个状态，重新进行采摘，提高采摘机器人的效率和智能性。

Claims (3)

1.一种甜椒采摘装置，其特征在于，包括伺服电动双指平行夹持器模块、剪切模块、触觉传感模块、果实收集装置和步进电机丝杠滑台；

所述伺服电动双指平行夹持器模块，由舵机安装架、舵机控制线安装接口槽、舵机、推杆、从动推杆和夹持连杆组成；夹持连杆末端表面附着有软体材料能够避免损伤甜椒果梗，两个推杆一端安装在两个舵机上，另外一端和夹持连杆通过光轴连接，两个从动推杆一端和舵机安装架表面凸起圆柱连接，另外一端和夹持连杆通过光轴连接；

所述剪切模块由锯片、电机、机壳、垫片和输出轴构成；模拟电推剪式切割，通过电机带动与输出轴相连的锯片做往复运动，摆动幅度为3度；

所述触觉传感模块由三个触觉传感器构成，触觉传感器为圆形，直径为1cm，安装在夹持连杆的末端，以感知甜椒果梗的位置；

所述果实收集装置包括支撑杆、圆形采集桶、锡纸波纹管和阻挡柱，两个支撑杆一端和机械臂法兰进行连接固定，另外一端和圆形采集桶进行连接，圆形采集桶安装在夹持连杆的下方；圆形采集桶与三个阻挡柱进行连接，圆形采集桶中心位置在夹持甜椒果梗的正下方前面3-5cm；甜椒采摘完成后，夹持连杆张开，果实沿着三个阻挡柱进入到圆形采集桶最后进入锡纸波纹管完成果实收集；

所述步进电机丝杠滑台包括步进电机、丝杠、滑台底座、丝杠支撑座、电机固定座、联轴器、滑块、矩形支撑板、三角支撑板和法兰，滑块通过螺栓和下轴套相连接；下轴套和上轴套通过螺栓连接，用于固定剪切模块电机；滑台底座和矩形支撑板通过螺栓连接，达到支撑的效果；两个三角支撑板上方通过螺栓与矩形支撑板相连接；两个三角支撑板和矩形支撑板通过螺栓与法兰相连接。

2.根据权利要求1所述的一种甜椒采摘装置，其特征还在于，触觉传感器模块上附着有软体材料，能够保护甜椒果梗不受损坏。

3.权利要求1或2所述一种甜椒采摘装置的控制方法，其特征在于以下步骤：

1)所述夹持连杆张开，夹持连杆的距离为4～5cm，以一定姿态移动到甜椒果梗处；

2)夹持连杆闭合，夹持甜椒果梗，触觉传感模块感知果梗的位置，计算出剪切模块向前移动的距离L；

3)启动剪切模块，同时驱动步进电机丝杠滑台，步进电机带动丝杠做逆时针转动带动滑块，滑块通过上轴套和下轴套带动剪切模块水平向前运动距离L剪切果梗，完成甜椒的采摘；

4)夹持连杆打开，果实沿着阻挡柱进入圆形采集桶，然后进入锡纸波纹管，完成果实的收集，步进电机带动丝杠做顺时针转动带动滑块，滑块通过上轴套和下轴套带动剪切模块水平向后运动距离L，回到初始位置；

5)步骤2)中夹持连杆闭合夹持甜椒果梗过程中，如果三个触觉传感器被全部触发，判断采摘过程发生失败，不在执行后面的动作，夹持连杆张开返回到初始位置，重新进行采摘。