類圓果蔬采摘末端執行器、方法及機器人的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種類圓果蔬采摘末端執行器、方法及機器人，所述末端執行器包括箱體、夾持機構以及剪切機構，所述箱體內設有電磁鐵和電機；所述夾持機構包括彈性運動組件、固定塊、左爪機械手指、右爪機械手指以及用于控制左爪機械手指和右爪機械手指張開角度的滑動約束圓盤，所述左爪機械手指和右爪機械手指穿過滑動約束圓盤，并分別通過銷與固定塊連接，所述固定塊的兩邊分別設有使左爪機械手指和右爪機械手指活動的缺口；所述彈性運動組件的一端穿過電磁鐵中心，另一端穿過固定塊并與滑動約束圓盤固定連接，所述電機與剪切機構連接。本發明的末端執行器結構簡單、使用方便，具有一定的果蔬采摘通用性，也體現了機械化發展的輕量化目的。
【專利說明】類圓果蔬采摘末端執行器、方法及機器人
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種果蔬采摘的末端執行器，尤其是一種類圓果蔬采摘末端執行器、方法及機器人，屬于果蔬采摘領域。
【背景技術】
[0002]近年來農業機械自動化技術的發展迅速，而發展動力在于為提高原有農業作業的效率、降低農業生產的勞動強度和降低農業產品生產的成本。果蔬收獲機器人是發展現代化農業生產的主要手段之一，而采摘機器人的末端執行器是直接作用于作業對象，因此采摘機器人的末端執行器必須能直接、有效地實現果蔬的摘取功能。然而，相對于當前水果種植業的迅速發展，國內外對采摘機器人的研究所取得的成果仍然比較少，而存在研究成果主要為一些簡易的采摘機械手，其通用性較差，而體積較大、結構復雜，這樣不僅存在機械手定制成本高的問題，還存在采摘時效低下等問題。而對于采摘機器人來說，與采用通用的末端執行器相比，對應各種作業選用專門的末端執行器可以大幅度減少成本、方便控制和簡化結構。
[0003]而目前對采摘機器人的研究多處于理論仿真階段或實驗室的試驗階段，沒有得到實際應用，這成為制約采摘機器人走向應用的瓶頸問題，而這也對采摘機器人機械自動化技術以及其末端執行器的研究提出了更高的要求。
【發明內容】
[0004]本發明的第一個目的是為了解決上述現有技術的缺陷，提供一種結構簡單、使用方便，具有一定的果蔬采摘通用性的類圓果蔬采摘末端執行器。
[0005]本發明的第二個目的在于提供一種基于上述末端執行器的類圓果蔬采摘方法。
[0006]本發明的第三個目的在`于提供一種類圓果蔬采摘機器人。
[0007]本發明的第一個目的可以通過采取如下技術方案達到:
[0008]類圓果蔬采摘末端執行器，其特征在于:包括箱體、夾持機構以及剪切機構，所述箱體內設有電磁鐵和電機；所述夾持機構包括彈性運動組件、固定塊、左爪機械手指、右爪機械手指以及用于控制左爪機械手指和右爪機械手指張開角度的滑動約束圓盤，所述左爪機械手指和右爪機械手指穿過滑動約束圓盤，并分別通過銷與固定塊連接，所述固定塊的兩邊分別設有使左爪機械手指和右爪機械手指活動的缺口 ；所述彈性運動組件的一端穿過電磁鐵中心，另一端穿過固定塊并與滑動約束圓盤固定連接，所述電機與剪切機構連接。
[0009]作為一種優選方案，所述彈性運動組件包括主軸、平行軸和聯軸器，所述主軸套設有復位彈簧，所述主軸的一端穿過電磁鐵中心，另一端通過聯軸器與平行軸的一端連接，所述平行軸的另一端穿過固定塊并與滑動約束圓盤中心垂直焊接成一個整體。
[0010]作為一種優選方案，所述剪切機構包括曲柄、搖桿和鐮狀刀具，所述鐮狀刀具通過曲柄和搖桿與箱體的頂部連接，所述搖桿位于鐮狀刀具的中后部，所述曲柄位于鐮狀刀具的后部并與電機的電機軸連接。[0011 ] 作為一種優選方案，所述鐮狀刀具采用弧形鋸齒刀刃。
[0012]作為一種優選方案，所述左爪機械手指和右爪機械手指均為采用鋁合金加工而成的網狀半球形結構。
[0013]作為一種優選方案，所述左爪機械手指和右爪機械手指的內側設有軟橡膠套。
[0014]作為一種優選方案，所述主軸和聯軸器位于箱體內，所述平行軸和固定塊從箱體內延伸至箱體外，所述左爪機械手指和右爪機械手指的一端分別通過銷與固定塊在箱體外的部分連接，另一端在穿過滑動約束圓盤后整體形成用于夾持果蔬的結構。
[0015]作為一種優選方案，所述箱體一側設有開孔，所述電磁鐵安裝在箱體內的底板上，所述電機安裝在箱體內的頂板上，所述電磁鐵和電機的導線穿過箱體一側的開孔后與外部電源連接。
[0016]本發明的第二個目的可以通過采取如下技術方案達到:
[0017]類圓果蔬采摘方法，其特征在于包括以下步驟:
[0018]I)將平行于主軸和平行軸中線方向設為X軸方向，與箱體內的底板平行且與X軸方向垂直的方向設為Y軸方向，垂直于X軸、Y軸的方向設為Z軸方向；
[0019]2)電磁鐵通電后，其產生的電磁引力拉動聯軸器沿X軸負方向運動，使左爪機械手指和右爪機械手指分別張開，將待采摘的圓形或類圓形果蔬納入左爪機械手指和右爪機械手指內；
[0020]3)電磁鐵斷電后，其產生的電磁引力消失，此時復位彈簧處于壓縮狀態，從而推動聯軸器沿X軸正方向運動，使左`爪機械手指和右爪機械手指交叉合攏將圓形或類圓形果蔬夾緊，露出與圓形或類圓形果蔬相接的果梗；
[0021]4)電機通電后，帶動曲柄在X軸、Y軸構成的XY平面上做震蕩運動，從而帶動鐮狀刀具來回運動對果梗進行切割。
[0022]本發明的第三個目的可以通過采取如下技術方案達到:
[0023]類圓果蔬采摘機器人，包括機器人本體結構以及固定在機器人本體結構上的雙目攝像機構，其特征在于:所述機器人本體結構的機械手上安裝有類圓果蔬采摘末端執行器。
[0024]本發明相對于現有技術具有如下的有益效果:
[0025]1、本發明的類圓果蔬采摘末端執行器結構簡單、使用方便，具有一定的果蔬采摘通用性，也體現了機械化發展的輕量化目的。
[0026]2、本發明的類圓果蔬采摘末端執行器的滑動約束圓盤，能有效控制左爪機械手指和右爪機械手指作業時的張開角度，而電磁鐵又能有效控制夾持果蔬時整個末端執行器的速度和力度，做到更安全的采摘果蔬，相比傳統的機械末端執行器，有更容易控制、更安全的優點。
[0027]3、本發明的類圓果蔬采摘末端執行器的左爪機械手指和右爪機械手指均為采用由鋁合金加工而成的網狀半球形結構，且內側設有軟橡膠套，能有效采摘圓形或類圓形果蔬，同時能避免機械接觸果蔬造成損傷。
[0028]4、本發明的類圓果蔬采摘末端執行器的鐮狀刀具采用的是弧形鋸齒刀刃，相比普通的直型刀刃，能在任何形狀和任何角度的作業目標果梗的情況下，切斷果梗來達到目的。
【專利附圖】
【附圖說明】[0029]圖1為本發明類圓果蔬采摘末端執行器立體結構示意圖。
[0030]圖2為本發明類圓果蔬采摘末端執行器側面結構示意圖。
[0031]圖3為本發明類圓果蔬采摘末端執行器正面結構示意圖。
[0032]圖4為本發明類圓果蔬采摘末端執行器的鐮狀刀具結構示意圖。
[0033]圖5為本發明類圓果蔬采摘機器人在進行實驗時的結構示意圖。
[0034]其中，1-箱體，2-電磁鐵，3-電機，4-開孔，5-固定塊，6_左爪機械手指，7_右爪機械手指，8-滑動約束圓盤，9-主軸，10-平行軸，11-聯軸器，12-缺口，13-曲柄，14-搖桿，15-鍵狀刀具，16-果蔬，17-果梗，18-機器人本體結構，19-雙目攝像機構，20-試驗平臺。【具體實施方式】
[0035]實施例1:
[0036]如圖1-圖3所示，本實施例的類圓果蔬采摘末端執行器，包括箱體1、夾持機構以及剪切機構，所述箱體I內的底板安裝有電磁鐵2，頂板安裝有電機3，所述箱體I 一側設有開孔4，所述電磁鐵2和電機3的導線穿過箱體I 一側的開孔4后與外部電源連接；所述夾持機構包括彈性運動組件、固定塊5、左爪機械手指6、右爪機械手指7以及滑動約束圓盤8，所述彈性運動組件包括主軸9、平行軸10和聯軸器11，所述主軸9套設有復位彈簧，所述主軸9的一端穿過電磁鐵2中心，另一端通過聯軸器11與平行軸10的一端連接，所述平行軸10的另一端穿過固定塊5并與滑動約束圓盤8中心垂直焊接成一個整體；所述主軸9和聯軸器11位于箱體I內，所述平行軸10和固定塊5從箱體I內延伸至箱體I外，所述左爪機械手指6和右爪機械手指7的一端分別通過銷與固定塊5在箱體I外的部分連接，另一端在穿過滑動約束圓盤8后整體形成用于夾持果蔬16的結構，所述固定塊5的兩邊分別設有使左爪機械手指6和右爪機械手指7活動的缺口 12 ;所述剪切機構包括曲柄13、搖桿14和鐮狀刀具15，所述鐮狀刀具15通過搖桿14和曲柄13與箱體I的頂部連接，所述搖桿14位于鐮狀刀具15的中后部，所述曲柄13位于鐮狀刀具15的后部并與電機3的電機軸連接。
[0037]在本實施例中，將平行于主軸9和平行軸10中線方向設為X軸方向，與箱體I內的底板平行且與X軸方向垂直的方向設為Y軸方向，垂直于X軸、Y軸的方向設為Z軸方向。
[0038]所述箱體I用于支撐整個末端執行器，并且起到保護機械末端執行器重要部件的作用。
[0039]所述電磁鐵2用于通過主軸9拉動或推動聯軸器11，使左爪機械手指6和右爪機械手指7張開或合攏，并保持預定的頻率，能有效控制夾持果蔬16時整個末端執行器的速度和力度，做到更安全的采摘果蔬16。
[0040]所述電機3用于帶動曲柄13在在X軸、Y軸構成的XY平面上做震蕩運動，從而帶動鐮狀刀具15來回運動切割果梗17。
[0041]所述固定塊5是用于穩定平行軸10，以保證平行軸10可以進行平穩的伸縮工作并且在長時間作業后不會與箱體I有相對位移。
[0042]所述左爪機械手指6和右爪機械手指7均為采用鋁合金加工而成的網狀半球形結構，用于夾持作業目標果蔬16，并且在夾持的過程中保證其原有形狀，左爪機械手指6和右爪機械手指7的內側(即與果蔬16接觸處)設有軟橡膠套，可以使采摘到的果蔬16不受損傷，很好地保護了易損、嬌嫩果實。[0043]所述滑動約束圓盤8用于控制左爪機械手指6和右爪機械手指7張開角度(即夾持果蔬16時的運動角度)，在可調整角度的情況下保持最佳夾持效果。
[0044]所述主軸9套設的復位彈簧用于在左爪機械手指6和右爪機械手指7作業結束后，聯動主軸9使左爪機械手指6和右爪機械手指7穩定的夾持住果蔬16，并還原主軸9在夾持果蔬16前的狀態。
[0045]所述平行軸10固定在滑動約束圓盤8上，用于使左爪機械手指6和右爪機械手指7在作業的伸縮移動中保持預定軌跡。
[0046]所述聯軸器11用于固定主軸9和平行軸10，使主軸9和平行軸10協調工作，保持作業頻率。
[0047]所述曲柄13用于連接鐮狀刀具15，使鐮狀刀具15與電機3形成聯動作用；所述搖桿14用于支撐鐮狀刀具15，使鐮狀刀具15保持正常位置工作。
[0048]如圖4所示，所述鐮狀刀具15用于切割果梗17，其采用弧形鋸齒刀刃，相比普通的豎型刀刃，能在任何形狀和任何角度的作業目標果梗17的情況下，切斷果梗17來達到目的。
[0049]如圖1-圖3所示，本實施例的類圓果蔬采摘末端執行器的工作原理，如下:
[0050]I)電磁鐵2通電后,其產生的電磁引力拉動聯軸器11沿X軸負方向運動,使左爪機械手指6和右爪機械手指7分別張開，將待采摘的圓形或類圓形果蔬16納入左爪機械手指6和右爪機械手指7內；
[0051]2)電磁鐵2斷電后，其產生的電磁引力消失，此時復位彈簧處于壓縮狀態，從而推動聯軸器11沿X軸正方向運動，使左爪機械手指6和右爪機械手指7交叉合攏將圓形或類圓形果蔬16夾緊，這樣能達到適形夾持的效果，露出與圓形或類圓形果蔬16相接的果梗17 ；
[0052]3)電機3通電后，帶動曲柄13在X軸、Y軸構成的XY平面上做震蕩運動,從而帶動鐮狀刀具15來回運動對果梗17進行切割。
[0053]實施例2:
[0054]如圖5所示，本實施例的類圓果蔬采摘機器人包括機器人本體結構18以及固定在機器人本體結構18上的雙目攝像機構19，所述機器人本體結構18的機械手上安裝有上述實施例1的末端執行器，現對試驗平臺20上的圓形果蔬16進行抓取和切割實驗。
[0055]本實施例的類圓果蔬采摘機器人進行實驗過程中的工作原理為:
[0056]為了實現對不同類型的圓形果實16進行準確抓住和摘取，通過將圓形果蔬16放置在試驗平臺20上，然后利用雙目攝像機構19采集試驗平臺20上的果蔬16圖像，通過視覺定位確定目標果蔬16質心的空間坐標，反饋給機器人本體結構18，機器人本體結構18通過機械手運動到定位的位置，利用末端執行器進行果實16的抓取和果梗17的切割。
[0057]本發明的末端執行器給采摘機器人在自然環境下進行不同類型的圓形果蔬的抓取和采摘提供技術手段；同時該末端執行器為工業機器人、野外作業機器人對圓形目標的抓取實現機構的輕量化提供了理論指導和技術支持。
[0058]以上所述，僅為本發明專利較佳的實施例，但本發明專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明專利所公開的范圍內，根據本發明專利的技術方案及其發明專利構思加以等同替換或改變，都屬于本發明專利的保護范圍。
【權利要求】
1.類圓果蔬采摘末端執行器，其特征在于:包括箱體、夾持機構以及剪切機構，所述箱體內設有電磁鐵和電機；所述夾持機構包括彈性運動組件、固定塊、左爪機械手指、右爪機械手指以及用于控制左爪機械手指和右爪機械手指張開角度的滑動約束圓盤，所述左爪機械手指和右爪機械手指穿過滑動約束圓盤，并分別通過銷與固定塊連接，所述固定塊的兩邊分別設有使左爪機械手指和右爪機械手指活動的缺口 ；所述彈性運動組件的一端穿過電磁鐵中心，另一端穿過固定塊并與滑動約束圓盤固定連接，所述電機與剪切機構連接。
2.根據權利要求1所述的類圓果蔬采摘末端執行器，其特征在于:所述彈性運動組件包括主軸、平行軸和聯軸器,所述主軸套設有復位彈簧,所述主軸的一端穿過電磁鐵中心，另一端通過聯軸器與平行軸的一端連接，所述平行軸的另一端穿過固定塊并與滑動約束圓盤中心垂直焊接成一個整體。
3.根據權利要求1所述的類圓果蔬采摘末端執行器，其特征在于:所述剪切機構包括曲柄、搖桿和鐮狀刀具，所述鐮狀刀具通過曲柄和搖桿與箱體的頂部連接，所述搖桿位于鐮狀刀具的中后部，所述曲柄位于鐮狀刀具的后部并與電機的電機軸連接。
4.根據權利要求1所述的類圓果蔬采摘末端執行器，其特征在于:所述鐮狀刀具采用弧形鋸齒刀刃。
5.根據權利要求1所述的類圓果蔬采摘末端執行器，其特征在于:所述左爪機械手指和右爪機械手指均為采用鋁合金加工而成的網狀半球形結構。
6.根據權利要求1所述的類圓果蔬采摘末端執行器，其特征在于:所述左爪機械手指和右爪機械手指的內側設有軟橡膠套。
7.根據權利要求2所述的類圓果蔬采摘末端執行器，其特征在于:所述主軸和聯軸器位于箱體內，所述平行軸和固定塊從箱體內延伸至箱體外，所述左爪機械手指和右爪機械手指的一端分別通過銷與固定塊在箱體外的部分連接，另一端在穿過滑動約束圓盤后整體形成用于夾持果蔬的結構。
8.根據權利要求1所述的類圓果蔬采摘末端執行器，其特征在于:所述箱體一側設有開孔，所述電磁鐵安裝在箱體內的底板上，所述電機安裝在箱體內的頂板上，所述電磁鐵和電機的導線穿過箱體一側的開孔后與外部電源連接。
9.類圓果蔬采摘方法，其特征在于包括以下步驟: .1)將平行于主軸和平行軸中線方向設為X軸方向，與箱體內的底板平行且與X軸方向垂直的方向設為Y軸方向，垂直于X軸、Y軸的方向設為Z軸方向； .2)電磁鐵通電后，其產生的電磁引力拉動聯軸器沿X軸負方向運動，使左爪機械手指和右爪機械手指分別張開，將待采摘的圓形或類圓形果蔬納入左爪機械手指和右爪機械手指內； .3)電磁鐵斷電后，其產生的電磁引力消失，此時復位彈簧處于壓縮狀態，從而推動聯軸器沿X軸正方向運動，使左爪機械手指和右爪機械手指交叉合攏將圓形或類圓形果蔬夾緊，露出與圓形或類圓形果蔬相接的果梗； .4)電機通電后，帶動曲柄在X軸、Y軸構成的XY平面上做震蕩運動，從而帶動鐮狀刀具來回運動對果梗進行切割。
10.類圓果蔬采摘機器人，包括機器人本體結構以及固定在機器人本體結構上的雙目攝像機構，其特征在于:所述機器人本體結構的機械手上安裝有類圓果蔬采摘末端執行器。
【文檔編號】A01D46/24GK103548496SQ201310495296
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月21日 優先權日:2013年10月21日
【發明者】熊俊濤, 孫寶霞, 鄒湘軍, 林桂潮, 王廣記, 鐘偉奇, 陳景興, 黎垣昌 申請人:華南農業大學