CN218680166U - 一种猕猴桃采摘机器人 - Google Patents

Abstract

一种适用于猕猴桃果实采摘的机器人,属于农业机械领域。本实用新型解决了现有猕猴桃采摘机器人在收获作业时存在的采摘效率低、果实易损伤的问题。机器人采用履带式底盘，通过巡回导航系统对果园果树进行识别定位，机械臂在控制系统作用下将末端执行器送到适宜采摘区域，当末端执行器通过传感器识别出果实位置时，机械臂停止移动，夹持机构在升降机构的作用下以预设的夹持力范围在适当区域夹持住果实，再由剪切机构剪断果梗，完成上述动作后，机械臂远离果实，升降机构复位，夹持手爪松开，果实通过安装有多级缓冲垫的软体管道落入收集箱中，结束一个单果采摘。本实用新型提高了采摘效率，保证了果实的收获质量。

Description

一种猕猴桃采摘机器人

技术领域

本实用新型专利属于农业机械领域，尤其涉及一种猕猴桃采摘机器人。

背景技术

猕猴桃营养价值极为丰富，被誉为“水果之王”，在国内外均具有非常高的市场需求。在林果生产过程中，采摘作业是最重要的环节，同时也是最费力的环节之一，劳动力成本占整个生产过程的35％～45％，采摘作业质量的好坏直接影响到后续的加工和储藏。中国是世界上称猴桃种植面积最大的国家，但由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低，目前国内猕猴桃采摘基本都是依靠人工采摘。

猕猴桃为藤本植物，现阶段猕猴桃多采用棚架式结构栽培，生长环境标准，果实垂直生长于藤蔓下面，底部空间较大，不受枝干、树叶、果实等干扰，有利于采摘动作的实施。但是现有的农业果实采摘机械多为人工采摘或手工操作的简单机构采摘，通常仅适宜小范围内作业，很难适应规模采摘要求。因此研究称猴桃采摘机器人，实现称猴桃采摘作业的机械化、自动化、智能化具有重要的现实意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种猕猴桃果实采摘机器人，具体就是针对自然生长环境下采用棚架种植方式的猕猴桃进行采摘，旨在解决人工采摘劳动强度大、效率低的问题，实现猕猴桃采摘作业的机械化、自动化和智能化。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：一种猕猴桃采摘机器人，包括机械执行系统和控制系统。所述机械执行系统包括车体、极坐标机械臂、采摘末端执行器和收集装置；所述车体底盘结构为履带式，可以任意方向自由行驶，在车体内部设置有小车驱动装置，所述的极坐标机械臂的转动基座通过螺栓固定安装在车体上平面，其转动基座上方设置有机械臂驱动装置，所述收集装置包括果实收集箱和果实传送软体管道，所述车体的后侧面设置有果实收集箱，所述末端执行器安装在极坐标机械臂末端，所述末端执行器底板下面安装一个适当大小的套环，将软体管道通过套环与果实收集箱相连接，所述车体表面安装一个巡回导航系统装置，其车体前面安装有一个导航摄像头。

进一步地，所述极坐标机械臂包括转动基座、一级臂、二级臂、旋转轴承和机械臂驱动装置，其中：所述转动基座包括旋转直流电机和旋转机体，旋转直流电机通过螺栓连接安装在极坐标机械臂安装架上。

进一步地，所述采摘末端执行器包括剪切机构、夹持机构、升降机构、传感器系统、上板、底板、左侧板、右侧板、后板。

进一步地，所述剪切机构包括轴承、六角螺钉、剪切机构底板、剪切刀片、支撑柱、直齿轮、锥齿轮和剪切步进电机。

进一步地，所述支撑柱上端通过六角螺钉与上板固定，下端通过六角螺钉与剪切底板固定，所述的轴承两端通过六角螺钉分别安装在上板和剪切机构底板上，直齿轮和剪切刀片安装在轴承上，剪切刀片通过六角螺钉固定在直齿轮上，直齿轮相互啮合，所述的锥齿轮一个安装在左侧靠近末端执行器侧板的轴承上，另一个锥齿轮安装在剪切步进电机上，所述步进电机安装在末端执行器侧板上，两个锥齿轮相互啮合。

进一步地，所述夹持机构包括滚珠丝杠Ⅰ、六连杆、夹持固定板、六角螺钉、丝杠滑块、夹持步进电机、机械手爪。

进一步地，其中所述夹持步进电机固定在后板，所述夹持固定板通过六角螺钉与后板固定，所述六连件通过六角螺钉与夹持固定板固定，所述滚珠丝杠Ⅰ与六连接杆相连接，滚珠丝杠Ⅰ末端通过电机座与夹持步进电机连接，六连杆前端通过六角螺钉与机械手爪固定连接，机械手爪由弧形平板和支撑柱组成，结构为“合抱式”仿生弧面形，所述丝杠滑块安装在夹持固定板上，对六连杆进行限位。

进一步地，所述升降机构包括滑轨、滚珠丝杠Ⅱ、联轴器、固定架、升降步进电机。

进一步地，其中所述固定架通过六角螺钉固定在下板上平面上，联轴器安装在固定架内部，所述导轨上端与上板固定连接，下端与固定架固定连接，所述滚珠丝杠Ⅱ上端与上板固定连接，下端与联轴器固定连接，所述升降步进电机固定在下板下平面上，电机轴通过联轴器与滚珠丝杠Ⅱ连接。

进一步地，所述传感器系统包括红外传感器和压力传感器。所述压力传感器安装在机械手爪的内侧，所述红外传感器安装在夹持固定板前端机械手爪正下方平行位置。

进一步地，所述控制系统包括单片机、导航摄像头、小车驱动装置、机械臂驱动装置、红外传感器、压力传感器、剪切步进电机、夹持步进电机和升降步进电机，所述单片机和小车驱动装置位于车体内部。

本实用新型所达到的效果为：

1)本实用新型针对“旋拧式”、“拉扯式”采摘末端执行器在果梗分离时容易造成果实损坏的问题，在末端执行器内部设置了一种剪切机构，用于采摘手爪抓取果实后对果梗进行剪切分离，降低了果梗分离时果实损伤率。

2)本实用新型设置了一个果实收集机构，在末端执行器正下方安装一个固定套环，将与果实收集箱相连接的软体传送管道输送端固定到该套环中，这样设计的优点在于，末端执行器每采摘一个单果，手爪松开，果实会在重力作用下自动通过传送管道落入收集箱中，不需要末端执行器再执行将果实放到指定收集箱的动作，可以实现果实采摘连续作业的目的。

3)本实用新型在夹持机构中设有升降装置，可以调节采摘手爪夹持果实的位置，以适应不同大小形状果实的夹持需求，避免因夹持果实不充分造成果实脱落。

4)本实用新型采用模块化设计理念，集成度高，采用履带底盘作为移动机构，在面对坑洼不平整的果园路面时，履带底盘接地面积较大，抓地能力强，通过性能好于轮式底盘，有助于提高机器人的环境适应能力和工作效率。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图；

图2为本实用新型极坐标机械臂示意图；

图3为本实用新型采摘末端执行器结构示意图；

图4为本实用新型剪切机构示意图；

图5为本实用新型夹持机构示意图；

图6为本实用新型升降机构立体示意图；

图7为本实用新型的控制系统的主要功能模块构成示意图；

图中零件名称与附图编号的对应关系为：

1-履带小车；2-转动基座；3-极坐标机械臂；4-采摘末端执行器；5-左侧板；6-导航摄像头；7-软体管道；8-果实收集箱；9-机械臂驱动装置；10-一级臂；11-二级臂；12-旋转轴承；13-上板；14-后板；15-底板；16-升降机构；17-右侧板；18-夹持机构；19-剪切机构；20-剪切步进电机；21-轴承；22-六角螺钉；23-支撑柱；24-剪切机构底板；25-剪切刀片；26-标准直齿轮；27-锥齿轮；28-夹持步进电机；29-夹持固定板；30-丝杠滑块；31-红外传感器；32-六连杆；33-机械手爪；34-滚珠丝杠Ⅰ；35-滑轨；36-固定架；37-升降步进电机；38-联轴器；39-滚珠丝杠Ⅱ；

具体实施方式：

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

所述机械执行系统包括车体1、极坐标机械臂3、采摘末端执行器4和收集装置；所述车体1底盘结构为履带式，可以任意方向自由行驶，在车体1内部设置有小车移动驱动装置，所述的极坐标机械臂3的转动基座2通过螺栓固定安装在车体1上平面，在转动基座2上方设置有机械臂驱动装置9，所述收集装置包括果实收集箱8和果实传送软体管道7，所述车体1的后侧面设置有果实收集箱8，所述采摘末端执行器4安装在极坐标机械臂3末端，所述采摘末端执行器底板15下面安装一个适当大小的套环，将软体管道7通过套环与果实收集箱8相连接，所述车体1表面安装一个巡回导航系统装置，其车体1前面安装有一个导航摄像头6。

所述极坐标机械臂3包括转动基座2、一级臂10、二级臂11、旋转轴承12和机械臂驱动装置9，其中：所述转动基座2包括旋转直流电机和旋转机体，旋转直流电机通过螺栓连接安装在极坐标机械臂3安装架上。

所述采摘末端执行器4包括剪切机构19、夹持机构18、升降机构16、传感器系统、上板13、底板15、左侧板5、右侧板17、后板14。

所述剪切机构19包括轴承21，六角螺钉22，剪切机构底板24、剪切刀片25、支撑柱23、直齿轮26、锥齿轮27和剪切步进电机20。

所述支撑柱23上端通过六角螺钉22与上板13固定，下端通过六角螺钉22与剪切机构底板24固定，所述的轴承21两端通过六角螺钉22分别安装在上板13和剪切机构底板24上，一对标准直齿轮26和一对剪切刀片25安装在轴承21上，剪切刀片25通过六角螺钉22固定在标准直齿轮26上，标准直齿轮26相互啮合，所述的一个锥齿轮27安装在左侧靠近末端执行器右侧板17的轴承21上，所述的另一个锥齿轮27安装在剪切步进电机20上，所述剪切步进电机20安装在末端执行器右侧板17上，锥齿轮27相互啮合。

所述夹持机构包括六连杆32、滚珠丝杠Ⅰ34、夹持固定板29、丝杠滑块30、夹持步进电机28和机械手爪33。

其中所述夹持步进电机28固定在后板14，所述夹持固定板29通过六角螺钉与后板14固定，所述六连件32通过六角螺钉与夹持固定板29固定，所述滚珠丝杠Ⅰ34与六连接杆32相连接，滚珠丝杠Ⅰ34末端通过电机座与夹持步进电机28连接，六连杆32前端通过六角螺钉与机械手爪33固定连接，机械手爪33由弧形平板和支撑柱组成，结构为“合抱式”仿生弧面形，所述丝杠滑块30安装在夹持固定板29上，对六连接杆32进行限位。

所述升降机构16包括滑轨35、固定架36、升降步进电机37、联轴器38和滚珠丝杠Ⅱ39。

其中所述固定架36通过六角螺钉固定在底板15上平面上，联轴器38安装在固定架36内部，所述滑轨35上端与上板13固定连接，下端与固定架36固定连接，所述滚珠丝杠Ⅱ39上端与上板13固定连接，下端与联轴器38固定连接，所述升降步进电机37固定在底板15下平面上，电机轴通过联轴器38与滚珠丝杠Ⅱ39连接。

所述传感器系统包括红外传感器31和压力传感器。所述压力传感器安装在机械手爪33的内侧，所述红外传感器31安装在夹持固定板29前端机械手爪33正下方平行位置。

所述控制系统包括单片机、导航摄像头6、小车驱动装置、机械臂驱动装置9、红外传感器31、压力传感器、剪切步进电机20、夹持步进电机18和升降步进电机37，所述单片机和小车驱动装置位于车体1内部。

工作原理：本实施例的一种适用于猕猴桃采摘的机器人，工作时启动整机开关，单片机对控制系统各个装置发送指令，小车1通过巡回导航系统沿设定的路线移动，导航摄像头6进行实时左右方向循环的扫描采集，当检测到果园里猕猴桃果树时，单片机向小车驱动装置发送小车停止前进指令，然后单片机向极坐标机械臂驱动装置9发送驱动指令，机械臂3将采摘末端执行器4送到适宜采摘空间区域，当采摘末端执行器4通过红外传感器31检测到果实位置时，单片机向机械臂驱动装置9发送停止移动指令，夹持机构18在升降机构16的作用下以手爪内部压力传感器预设的夹持力范围在适当区域夹持果实，接着剪切机构19通过剪切刀片25剪切果柄，完成上述动作后，机械臂3远离果实，升降机构16复位，机械手爪33打开，果实在自身重力的作用下通过安装有多级缓冲垫的软体管道7落入果实收集箱8中，结束一个单果采摘，接着末端执行器4重复上述采摘动作，直至该区域果实采摘完成。

虽然本实用新型所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本实用新型的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本实用新型所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种猕猴桃采摘机器人，其特征在于：包括车体(1)、极坐标机械臂(3)、采摘末端执行器(4)、收集装置和控制系统；

所述车体(1)底盘结构为履带式，可以任意方向自由行驶，在车体(1)内部设置有小车驱动装置，所述的极坐标机械臂(3)的转动基座(2)通过螺栓固定安装在车体(1)上平面，在转动基座(2)上方设置有机械臂驱动装置(9)，所述收集装置包括果实收集箱(8)和果实传送软体管道(7)，所述车体(1)的后侧面设置有果实收集箱(8)，所述采摘末端执行器(4)安装在极坐标机械臂(3)末端，所述采摘末端执行器底板(15)下面安装一个适当大小的套环，将软体管道(7)通过套环与果实收集箱(8)相连接，所述车体(1)表面安装一个巡回导航系统装置，其车体(1)前面安装有一个导航摄像头(6)。

2.根据权利要求1所述的一种猕猴桃采摘机器人，其特征在于：所述极坐标机械臂(3)包括转动基座(2)、一级臂(10)、二级臂(11)、旋转轴承(12)和机械臂驱动装置(9)，其中：所述转动基座(2)包括旋转直流电机和旋转机体，旋转直流电机通过螺栓连接安装在极坐标机械臂(3)安装架上。

3.根据权利要求1所述的一种猕猴桃采摘机器人，其特征在于：所述采摘末端执行器(4)包括剪切机构(19)、夹持机构(18)、升降机构(16)、传感器系统、上板(13)、底板(15)、左侧板(5)、右侧板(17)、后板(14)。

4.根据权利要求3所述的一种猕猴桃采摘机器人，其特征在于：所述剪切机构(19)包括轴承(21)，六角螺钉(22)，剪切机构底板(24)、剪切刀片(25)、支撑柱(23)、标准直齿轮(26)、锥齿轮(27)和剪切步进电机(20)，其中所述支撑柱(23)上端通过六角螺钉(22)与上板(13)固定，下端通过六角螺钉(22)与剪切机构底板(24)固定，所述的轴承(21)两端通过六角螺钉(22)分别安装在上板(13)和剪切机构底板(24)上，标准直齿轮(26)和剪切刀片(25)安装在轴承(21)上，剪切刀片(25)通过六角螺钉(22)固定在标准直齿轮(26)上，标准直齿轮(26)相互啮合，所述的一个锥齿轮(27)安装在左侧靠近末端执行器右侧板(17)的轴承(21)上，所述的另一个锥齿轮(27)安装在剪切步进电机20上，所述剪切步进电机(20)安装在末端执行器右侧板(17)上，锥齿轮(27)相互啮合。

5.根据权利要求3所述的一种猕猴桃采摘机器人，其特征在于：所述夹持机构包括六连杆(32)、滚珠丝杠Ⅰ(34)、夹持固定板(29)、丝杠滑块(30)、夹持步进电机(28)和机械手爪(33)，其中所述夹持步进电机(28)固定在后板(14)，所述夹持固定板(29)通过六角螺钉与后板(14)固定，所述六连杆(32)通过六角螺钉与夹持固定板(29)固定，所述滚珠丝杠Ⅰ(34)与六连杆(32)相连接，滚珠丝杠Ⅰ(34)末端通过电机座与夹持步进电机(28)连接，六连杆(32)前端通过六角螺钉与机械手爪(33)固定连接，机械手爪(33)由弧形平板和支撑柱组成，结构为“合抱式”仿生弧面形，所述丝杠滑块(30)安装在夹持固定板(29)上，对六连杆(32)进行限位。

6.根据权利要求3所述的一种猕猴桃采摘机器人，其特征在于：所述升降机构(16)包括滑轨(35)、固定架(36)、升降步进电机(37)、联轴器(38)和滚珠丝杠Ⅱ(39)，其中所述固定架(36)通过六角螺钉固定在底板(15)上平面上，联轴器(38)安装在固定架(36)内部，所述滑轨(35)上端与上板(13)固定连接，下端与固定架(36)固定连接，所述滚珠丝杠Ⅱ(39)上端与上板(13)固定连接，下端与联轴器(38)固定连接，所述升降步进电机(37)固定在底板(15)下平面上，电机轴通过联轴器(38)与滚珠丝杠Ⅱ(39)连接。

7.根据权利要求1所述的一种猕猴桃采摘机器人，其特征在于：所述控制系统包括单片机、导航摄像头(6)、小车驱动装置、机械臂驱动装置(9)、红外传感器(31)、压力传感器、剪切步进电机(20)、夹持步进电机(28)和升降步进电机(37)，所述单片机和小车驱动装置位于车体(1)内部。

Images