CN117999962B - 一种用于自主采摘的末端执行器及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于自主采摘的末端执行器及控制系统，包括安装套筒；所述安装套筒内伸缩设置有吸附机构，吸附机构连接气路控制系统，所述安装套筒的吸附机构伸缩端设置有剪切机构，吸附机构和剪切机构采样同一驱动机构驱动；当吸附机构伸出安装套筒，所述剪切机构处于张开状态；当吸附机构缩回安装套筒，所述剪切机构处于闭合状态；吸附机构吸附果实后缩回安装套筒内，最后利用剪切机构切除与果实连接的茎，最大程度上保护柔软果实不被损坏。

Description

一种用于自主采摘的末端执行器及控制系统

技术领域

本发明属于采摘机械技术领域，具体涉及自主采摘的末端执行器及控制系统。

背景技术

农作物采摘通常需要耗费大量的人力，以此来保证被采摘农作物的完整性与成熟度。但人力采摘的效率不高，劳动强度大，对于大型农场无疑提升了种植成本，因此需要大力研究开发采摘型机器。

目前主流采摘机器由机器视觉，机械臂，移动底盘和末端执行器组成，其中末端执行器将直接影响果蔬采摘的最终效果。目前末端执行器先利用夹具夹取或真空吸盘吸附果实，然后通过机械扭断或利刃切割将果实与农作物根茎分离。

但是因为各类农作物外果皮对果实的保护程度不同，一些果实的果皮柔软，一些果实的果皮较坚硬，相同果实不同生长状态的外表形状差异也较大、果梗坚韧程度不一，机械扭断或利刃切割将果实与农作物根茎分离过程中容易造成果实的损伤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于自主采摘的末端执行器及控制系统，以解决采摘过程中容易造成果实的损伤的技术问题。

为达到上述目的，第一方面本发明所采用的技术方案是：

一种用于自主采摘的末端执行器，包括安装套筒；

所述安装套筒内伸缩设置有吸附机构，吸附机构连接气路控制系统，所述安装套筒的吸附机构伸缩端设置有剪切机构，吸附机构和剪切机构采样同一驱动机构驱动；

当吸附机构伸出安装套筒，所述剪切机构处于张开状态；当吸附机构缩回安装套筒，所述剪切机构处于闭合状态。

优选的，所述吸附机构包括滑动壳体；所述安装套筒沿轴向滑动连接所述滑动壳体，并且滑动壳体设置于安装套筒内；吸盘通过弹簧支架设置于滑动壳体上；所述吸盘与气路控制系统管路连接。

优选的，气路控制系统包括第一电磁阀、支路一和支路二；所述吸盘与所述第一电磁阀之间设有第一过滤器；所述吸盘通过第一电磁阀管路连接支路一和支路二；

所述支路一上依次设置有第一消音器、节流阀和气源；所述第一消音器与所述第一电磁阀管路连接；

所述支路二上依次设置有第二消音器、单向阀、气压表、减压阀、第二电磁阀和气泵，并且所述气泵通过第二电磁阀依次连接第二过滤器和气源；

当吸盘需要吸附时，所述第一电磁阀动作切换所述吸盘与支路二连通，所述气泵工作为吸盘提供负压；当吸盘需要释放时，所述第一电磁阀动作切换所述吸盘与支路一连通，所述吸盘与气源连通卸去所述吸盘内的负压。

优选的，所述驱动机构包括伺服电机、齿轮和齿条；所述伺服电机设置于所述安装套筒；所述伺服电机驱动所述齿轮转动，所述齿轮和齿条啮合，所述齿条设置于所述滑动壳体上。

优选的，所述剪切机构包括第一切割组件、第二切割组件和剪叉结构；所述第一切割组件和第二切割组件通过剪叉结构与驱动机构传动连接；所述剪切机构处于张开状态，所述第一切割组件和第二切割组件分离；所述剪切机构处于闭合状态，所述第一切割组件和第二切割组件贴合。

优选的，两组剪叉结构对称设置于安装套筒两侧；所述剪叉结构包括交叉设置的连杆A和连杆B；所述连杆A和连杆B交叉处通过固定轴转动连接；所述固定轴设置于所述安装套筒上；所述驱动机构驱动所述连杆A和连杆B绕连接轴转动；

所述两组剪叉结构中的连杆A分别转动连接于第一切割组件两端；所述两组剪叉结构中的连杆B分别转动连接于第二切割组件两端；所述第一切割组件和第二切割组件上均转动连接有拉杆；所述拉杆与安装套筒转动连接。

优选的，一组剪叉结构中的连杆A与第一短杆转动连接，连杆B与第二短杆转动连接，第一短杆和第二短杆之间通过连接轴转动连接，所述连接轴传动连接至所述滑动壳体或齿条上；

另一组剪叉结构中的连杆A和连杆B之间设置有氮气弹簧；所述氮气弹簧通过剪叉结构驱动剪切机构由闭合状态转换至张开状态；所述滑动壳体或齿条滑动驱动剪切机构由张开状态转换至闭合状态。

优选的，所述安装套筒上设置有至少一个导向座；所述导向座上设置有导向孔；所述导向孔内滑动设置有导向杆；所述导向杆一端与所述连接轴连接；所述导向杆另一端通过拉链与所述滑动壳体或齿条连接。

优选的，所述第一切割组件和第二切割组件包括活动架、定锯齿和动锯齿；所述活动架转动连接于所述剪叉结构和拉板；所述定锯齿设置于所述活动架；所述定锯齿上设置有滑槽；所述动锯齿上设置有限位凸起；所述限位凸起沿所述滑槽滑动；

所述活动架上设有切割电机；所述切割电机的输出轴与曲柄连接；所述曲柄与动齿连杆转动连接；所述动齿连杆与所述动锯齿转动连接；所述切割电机驱动所述动锯齿沿滑槽滑动。

优选的，所述安装套筒侧壁上设置有开口，所述开口与输送软管连接；

所述伺服电机驱动所述齿轮转动，所述齿轮通过齿条带动滑动壳体伸出安装套筒外，所述氮气弹簧通过剪叉结构驱动剪切机构由闭合状态转换至张开状态，所述第一切割组件和第二切割组件分离，所述气路控制系统动作控制吸盘吸附果实；

所述伺服电机驱动所述齿轮转动，所述齿轮通过齿条带动滑动壳体缩回安装套筒内，同时滑动壳体拉动所述剪叉结构运动，所述剪叉结构驱动所述剪切机构由张开状态转换为闭合状态，所述第一切割组件和第二切割组件贴合对果实的根茎进行剪切；

当伺服电机驱动所述滑动壳体滑动使所述吸盘与开口相对，所述气路控制系统动作控制吸盘释放果实后果实落入输送软管内。

第二方面本发明提供了一种控制系统，用于控制第一方面所述末端执行器，包括控制芯片、气压计模块、电磁阀控制模块、伺服电机控制模块、切割电机控制模块、DC-DC模块和LDO模块；所述控制芯片、气压计模块、电磁阀控制模块、伺服电机控制模块和切割电机控制模块通过DC-DC模块和LDO模块电性连接电源；控制芯片通过电磁阀控制模块控制吸附机构；控制芯片通过伺服电机控制模块控制驱动机构；控制芯片通过切割电机控制模块控制第一切割组件和第二切割组件；气压表通过气压计模块电性连接控制芯片。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明所述安装套筒内伸缩设置有吸附机构，吸附机构连接气路控制系统，所述安装套筒的吸附机构伸缩端设置有剪切机构，吸附机构和剪切机构采样同一驱动机构驱动；当吸附机构伸出安装套筒，所述剪切机构处于张开状态；当吸附机构缩回安装套筒，所述剪切机构处于闭合状态；与利用夹爪抓取果实相比吸附机构吸附果实，更够一定程度上避免挤压损伤果实；吸附机构吸附果实后缩回安装套筒内，能够避免剪切过程中损伤到果实最后利用剪切机构切除与果实连接的茎，能够较大程度上保护柔软果实不被损坏。

附图说明

图1是本实施例1提供的自主采摘的末端执行器的结构图；

图2是本实施例1提供的气路控制系统的结构图；

图3是本实施例1提供的剪切机构的结构图；

图4是本实施例1提供的末端执行器与传输软管的结构图；

图5是本实施例1提供的末端执行器与输送软管的轴测图；

图6是本实施例1提供的末端执行器与输送软管的主视图；

图7是本实施例1提供的末端执行器的动作展示图；

图8是本实施例1提供的末端执行器的仰视图；

图9是本实施例1提供的动锯齿的结构图；

图10是本实施例1提供的定锯齿的结构图；

图中，1安装套筒、11安装法兰盘、12安装杆、13开口；

2吸附机构、21吸盘、22弹簧支架、23滑动壳体；

3剪切机构、31剪叉结构、311固定轴、312连杆A、313连杆B、32第一切割组件、33第二切割组件、34活动架、35定锯齿、351滑槽、36动锯齿、361限位凸起、37拉杆、371安装座、38切割电机、381曲柄、382动齿连杆；

4驱动机构、41伺服电机、42氮气弹簧、43齿轮、44齿条、45导向座、46导向杆、47第二短杆、48第一短杆、49拉链；

5气路控制系统、51第一过滤器、52第一电磁阀、53第一消音器、54节流阀、55气源、56第二消音器、57单向阀、58气压表、59减压阀、510第二电磁阀、511气泵、512第二过滤器；

6输送软管、61连接法兰；7果实。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例1

如图1至图10所示，一种用于自主采摘的末端执行器，包括安装套筒1；所述安装套筒1通过安装杆12固定连接安装法兰盘11，所述安装法兰盘11固定安装于机械臂，从而将末端执行器安装在机械臂末端；所述安装套筒1内伸缩设有用于吸附农作物果实的吸附机构2，所述安装套筒1的吸附机构伸缩端设置有用于剪切农作物根茎的剪切机构3；

所述吸附机构2包括滑动壳体23；所述安装套筒1沿轴向滑动连接所述滑动壳体23，并且滑动壳体23设置于安装套筒1内；吸盘21通过弹簧支架22设置于滑动壳体23上，本实施中所述吸盘21设置为柔性吸盘；驱动机构4驱动所述滑动壳体23滑动；驱动机构4包括伺服电机41、齿轮43和齿条44；所述伺服电机41设置于所述安装套筒1；所述伺服电机41驱动所述齿轮43转动，所述齿轮43和齿条44啮合，所述齿条44设置于所述滑动壳体23上；

所述吸盘21与气路控制系统5管路连接；气路控制系统5包括第一电磁阀52、支路一和支路二；所述吸盘21通过第一电磁阀52管路连接支路一和支路二，吸盘21与所述第一电磁阀52之间管路连接有第一过滤器51；

所述支路一上依次设置有第一消音器53、节流阀54和气源55；所述第一消音器53与所述第一电磁阀52管路连接；

所述支路二上依次设置有第二消音器56、单向阀57、气压表58、减压阀59、第二电磁阀510和气泵511，并且第二电磁阀510依次连接第二过滤器512和气源55；所述单向阀57保证局部气路中，气泵511断开后，稳定吸盘21的气压，防止吸盘21已经被吸附的果实掉落；第一消音器53和第二消音器56用于减少当气泵511断开后重新吸附时，气流进入产生的噪音；减压阀59用于控制吸盘21吸力大小，防止吸盘21损伤果实。

当吸盘21需要吸附时，所述第一电磁阀52动作切换所述吸盘21与支路二连通，所述气泵511工作为吸盘21提供负压；当吸盘21需要释放时，所述第一电磁阀52动作切换所述吸盘21与支路一连通，所述吸盘21与气源55连通卸去所述吸盘21内的负压，当遇到进行情况时，第二电磁阀510动作切换气泵511与气源55连通。

所述剪切机构3包括第一切割组件32、第二切割组件33和剪叉结构31；两组剪叉结构31对称设置于安装套筒1两侧；所述剪叉结构31包括交叉设置的连杆A312和连杆B313；所述连杆A312和连杆B313交叉处通过固定轴311转动连接；所述固定轴311设置于所述安装套筒1上；

所述两组剪叉结构31中的连杆A312分别转动连接于第一切割组件32两端；所述两组剪叉结构中的连杆B313分别转动连接于第二切割组件33两端；所述第一切割组件32和第二切割组件33上均转动连接有拉杆37；所述拉杆37与安装套筒1通过安装座371转动连接；本实施中所述第一切割组件32和安装套筒1、第二切割组件33与安装套筒1之间设置有多个拉杆37。

一组剪叉结构31中的连杆A312与第一短杆48转动连接，连杆B313与第二短杆47转动连接，第一短杆48和第二短杆47之间通过连接轴转动连接，所述安装套筒1上设置有至少一个导向座45；所述导向座45上设置有导向孔；所述导向孔内滑动设置有导向杆46；所述导向杆46一端与所述连接轴连接；所述导向杆46另一端通过拉链49与所述滑动壳体23或齿条44连接。

另一组剪叉结构31中的连杆A312和连杆B313之间设置有氮气弹簧42；所述驱动机构4驱动所述连杆A312和连杆B313绕连接轴转动；所述氮气弹簧42通过剪叉结构驱动剪切机构3由闭合状态转换至张开状态；所述滑动壳体23或齿条44滑动驱动剪切机构3由张开状态转换至闭合状态；当所述剪切机构3处于张开状态，所述第一切割组件32和第二切割组件33分离；当所述剪切机构3处于闭合状态，所述第一切割组件32和第二切割组件33贴合。

所述第一切割组件32和第二切割组件33的尺寸大小不同，内部结构相同；所述第一切割组件32和第二切割组件33包括活动架34、定锯齿35和动锯齿36；所述活动架34转动连接于所述剪叉结构31和拉板37；所述定锯齿35设置于所述活动架34；所述定锯齿35上设置有滑槽351；所述动锯齿36上设置有限位凸起361；所述限位凸起361沿所述滑槽351滑动；

所述活动架34上设有切割电机38；所述切割电机38的输出轴与曲柄381连接；所述曲柄381与动齿连杆382转动连接；所述动齿连杆382与所述动锯齿36转动连接；所述切割电机38驱动所述动锯齿36沿滑槽351滑动。

所述安装套筒1侧壁上设置有开口13，所述开口13与输送软管6对接；所述输送软管6通过连接法兰61与所述安装套筒1连接；所述输送软管6采用铝箔软管，在接口处填充柔软材料，防止果实下落过程中的损坏。

本实施例通过吸附与剪切两种方式结合有效的解决由于不同果实自身的脆弱性不易夹取，易破碎的问题，柔性吸盘的运用让各个果实独立起来，避免了在采摘的过程中夹取多个果实以及由于形状各异不好吸附的问题。另外利用剪切机构与柔性吸盘联动，在吸附是收缩后剪切农作物根茎，保证了采摘后果实的完整性。柔性吸盘可根据采摘的果实进行替换不同的材料，以适应不同种类果实的不规则形状，同时柔性吸盘吸力的大小可以根据果实果皮的柔软程度进行相应的调整大小，使得柔性吸盘能够在不损害果实完整性的情况下将果实固定的更牢固。最后在利用定锯齿和动锯齿的配合下切除与果实连接的果梗，相较于激光烧结、机械扭断和利刃切割的方法，本申请能够最大程度保证柔软的果实的完整性。

实施例2

本实施例提供了实施例1所述末端执行器的控制系统，控制系统包括：控制芯片、气压计模块、电磁阀控制模块、伺服电机控制模块、切割电机控制模块、DC-DC模块和LDO模块；所述控制芯片、气压计模块、电磁阀控制模块、伺服电机控制模块和切割电机控制模块通过DC-DC模块和LDO模块电性连接电源；

吸附机构中的第一电磁阀和第二电磁阀通过电磁阀控制模块电性连接控制芯片；驱动机构中的伺服电机通过伺服电机控制模块电性连接控制芯片；剪切机构中的切割电机通过切割电机控制模块电性连接控制芯片；气压表通过气压计模块电性连接控制芯片。

控制芯片通过电磁阀控制模块控制吸附机构；控制芯片通过伺服电机控制模块控制驱动机构；控制芯片通过切割电机控制模块控制第一切割组件和第二切割组件。

工作过程为：末端执行器处于初始状态，所述滑动壳体23位于所述安装套筒1的最前端，所述剪切机构3处于张开状态；

气泵511工作，所述气压计模块通过气压表读取支路二的气压信号，当气压信号达到预设的启动气压值后发送信号至控制芯片；

待识别到目标后，机械臂带动末端执行器运动至目标位置，所述控制芯片通过电磁阀控制模块控制第一电磁阀52动作，所述第一电磁阀52动作切换所述吸盘21与支路二连通，所述气泵511为吸盘21提供负压，所述吸盘21吸附果实；

待支路二的气压值稳定后，所述控制芯片通过伺服电机控制模块控制伺服电机正转设定圈数，伺服电机驱动所述滑动壳体23和齿条44滑动，所述齿条44带动剪切机构3由张开状态转换至闭合状态；第一切割组件32和第二切割组件33贴合实现对农作物根茎的夹持，第一切割组件32和第二切割组件33的定锯齿35对农作物根茎进行剪切，所述控制芯片通过切割电机控制模块控制切割电机38转动；所述切割电机38驱动所述动锯齿36沿滑槽351往复运动，所述动锯齿36对农作物根茎进行切割；

当所述滑动壳体23滑动使所述吸盘21与开口13相对，所述控制芯片通过电磁阀控制模块控制第一电磁阀52动作，所述第一电磁阀52动作切换所述吸盘21与支路一连通，所述吸盘21与气源55连通卸去所述吸盘21内的负压，所述吸盘21释放果实后果实落入输送软管6内；所述控制芯片通过伺服电机控制模块控制伺服电机反转设定圈数，所述伺服电机驱动滑动壳体23返回初始位置，所述氮气弹簧42通过剪叉结构驱动剪切机构3由闭合状态转换至张开状态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于自主采摘的末端执行器，其特征在于，包括安装套筒；所述安装套筒内伸缩设置有吸附机构，吸附机构连接气路控制系统，所述安装套筒的吸附机构伸缩端设置有剪切机构，吸附机构和剪切机构采样同一驱动机构驱动；

所述吸附机构包括滑动壳体；所述安装套筒沿轴向滑动连接所述滑动壳体，并且滑动壳体设置于安装套筒内；吸盘通过弹簧支架设置于滑动壳体上；所述吸盘与气路控制系统管路连接；

所述驱动机构包括伺服电机、齿轮和齿条；所述伺服电机设置于所述安装套筒；所述伺服电机驱动所述齿轮转动，所述齿轮和齿条啮合，所述齿条设置于所述滑动壳体上；

所述剪切机构包括第一切割组件、第二切割组件和剪叉结构；所述第一切割组件和第二切割组件通过剪叉结构与驱动机构传动连接；所述剪切机构处于张开状态，所述第一切割组件和第二切割组件分离；所述剪切机构处于闭合状态，所述第一切割组件和第二切割组件贴合；

两组剪叉结构对称设置于安装套筒两侧；所述剪叉结构包括交叉设置的连杆A和连杆B；所述连杆A和连杆B交叉处通过固定轴转动连接；所述固定轴设置于所述安装套筒上；所述驱动机构驱动所述连杆A和连杆B绕连接轴转动；

所述两组剪叉结构中的连杆A分别转动连接于第一切割组件两端；所述两组剪叉结构中的连杆B分别转动连接于第二切割组件两端；所述第一切割组件和第二切割组件上均转动连接有拉杆；所述拉杆与安装套筒转动连接；

一组剪叉结构中的连杆A与第一短杆转动连接，连杆B与第二短杆转动连接，第一短杆和第二短杆之间通过连接轴转动连接，所述连接轴传动连接至所述滑动壳体或齿条上；

另一组剪叉结构中的连杆A和连杆B之间设置有氮气弹簧；所述氮气弹簧通过剪叉结构驱动剪切机构由闭合状态转换至张开状态；所述滑动壳体或齿条滑动驱动剪切机构由张开状态转换至闭合状态；

当吸附机构伸出安装套筒，所述剪切机构处于张开状态；当吸附机构缩回安装套筒，所述剪切机构处于闭合状态；

所述第一切割组件和第二切割组件包括活动架、定锯齿和动锯齿；所述活动架转动连接于所述剪叉结构和拉板；所述定锯齿设置于所述活动架；所述定锯齿上设置有滑槽；所述动锯齿上设置有限位凸起；所述限位凸起沿所述滑槽滑动；

所述活动架上设有切割电机；所述切割电机的输出轴与曲柄连接；所述曲柄与动齿连杆转动连接；所述动齿连杆与所述动锯齿转动连接；所述切割电机驱动所述动锯齿沿滑槽滑动；

所述安装套筒侧壁上设置有开口，所述开口与输送软管连接；

所述伺服电机驱动所述齿轮转动，所述齿轮通过齿条带动滑动壳体伸出安装套筒外，所述氮气弹簧通过剪叉结构驱动剪切机构由闭合状态转换至张开状态，所述第一切割组件和第二切割组件分离，所述气路控制系统动作控制吸盘吸附果实；

所述伺服电机驱动所述齿轮转动，所述齿轮通过齿条带动滑动壳体缩回安装套筒内，同时滑动壳体拉动所述剪叉结构运动，所述剪叉结构驱动所述剪切机构由张开状态转换为闭合状态，所述第一切割组件和第二切割组件贴合对果实的根茎进行剪切；

当伺服电机驱动所述滑动壳体滑动使所述吸盘与开口相对，所述气路控制系统动作控制吸盘释放果实后果实落入输送软管内。

2.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，气路控制系统包括第一电磁阀、支路一和支路二；所述吸盘与所述第一电磁阀之间设有第一过滤器；所述吸盘通过第一电磁阀管路连接支路一和支路二；

所述支路一上依次设置有第一消音器、节流阀和气源；所述第一消音器与所述第一电磁阀管路连接；

所述支路二上依次设置有第二消音器、单向阀、气压表、减压阀、第二电磁阀和气泵，并且所述气泵通过第二电磁阀依次连接第二过滤器和气源；

当吸盘需要吸附时，所述第一电磁阀动作切换所述吸盘与支路二连通，所述气泵工作为吸盘提供负压；当吸盘需要释放时，所述第一电磁阀动作切换所述吸盘与支路一连通，所述吸盘与气源连通卸去所述吸盘内的负压。

3. 一种控制系统，其特征在于，用于控制权利要求1 至2任一项所述末端执行器；包括控制芯片、气压计模块、电磁阀控制模块、伺服电机控制模块、切割电机控制模块、DC-DC模块和LDO模块；所述控制芯片、气压计模块、电磁阀控制模块、伺服电机控制模块和切割电机控制模块通过DC-DC模块和LDO模块电性连接电源；所述第一电磁阀和第二电磁阀通过电磁阀控制模块电性连接控制芯片；所述伺服电机通过伺服电机控制模块电性连接控制芯片；所述切割电机通过切割电机控制模块电性连接控制芯片；所述气压表通过气压计模块电性连接控制芯片。