CN110972716A - 一种水果采摘机器人自动化末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于快速自动化采摘机器的末端执行器，涉及机械自动化技术领域。本装置解决了自动化采摘机器采摘果实时定位慢，摘取速度慢，易损伤果实、能耗高等问题。该末端执行器由机体、感应控制模块，机械传递模块和反馈调节模块组成。本装置通过果实的位置来触发感应控制模块并立即得到果梗的位置，实现了果梗的快速精准定位及控制电机启动；采用机械传动模块将电机的做功变换及放大，并传递给刀具，实现了快速剪切；采用反馈调节模块使得每次采摘水果刀具都能回归原位，为下一次自动采摘做准备。本发明能够实现采摘不同生长状态下的多种水果，且在采摘过程中充分保护水果，结构简单紧凑，成本低，采摘效率高。

Description

一种水果采摘机器人自动化末端执行器

技术领域

本发明涉及机械自动化技术领域，尤其涉及一种用于水果采摘机器人的末端执行器。

背景技术

中国是世界上最大的水果出产国，居全球13个产量超1000万吨的国家之首。水果采收作为果园生产全过程中的一个重要环节，具有季节性强和劳动密集型的特点，所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的35％～45％，并且人工采摘劳动强度大。采用自动化采摘机械采收能减轻人们的劳动强度、节省成本、提高效率，并提供更多利润。加之未来人口老龄化趋势，人工成本必会上升，因此自动化采摘具有巨大的经济效益和广泛的应用前景。采摘的智能化与自动化是农业现代化的一种必然和趋势，发展采摘机器人可明显改善农业生产环境、弥补农村劳动力不足，对加速农业现代化具有重要意义。

近年来，具有高度自动化的农业机械以及更智能化的水果采摘机器人发展迅速。在自动化水果采摘机器中，最为关键的技术一是机器视觉识别技术，二是末端执行器的执行机构。机器视觉识别技术能够让末端执行器有效的检测到水果的位置。末端执行器则是快速的将检测到的水果快速的采摘下来。

目前，机器视觉识别技术逐渐成熟，近年来一些高校和科研院所在运用机器视觉技术进行水果采摘机器人的研究中取得一些成果，但这些机器人大多无法满足精准、高效的水果采摘要求，主要是其末端执行器成本高昂，机械结构复杂，专用化并具有一定的局限性，生产效率不高，能耗较高，且对果实的保护程度不够。这也成为制约水果采摘机器人进一步研究应用的瓶颈问题。因此，在提高水果采摘机器人智能化、可靠性的同时，降低制造成本也是突破水果采摘机器人现实应用瓶颈的重要努力方向。

发明内容

鉴于目前大多自动化采摘机器末端执行器的几点缺陷，一是结构复杂，生产成本高；二是不能有效的保护果实；三是采摘效率低下，具有一定的采摘水果局限性。对此本发明的目的是提供一种结构简单，能够快速定位并剪切水果的果梗，且对果实有较好保护性的末端执行器，能够安全、可靠、快速的采摘水果。

为解决以上问题，本发明装置除机体外，主要包含三大模块，即感应控制模块，机械动力模块和反馈调节模块，也可分为硬件采摘结构和软件控制两部分。

（1）机体

机体主要结构为上下端开口的中空仿圆筒型壳体。上端开口用于水果进入壳体，下端开口用于采摘后果实的离开和收集。整个机体结构安装在具有机器视觉识别功能的机械臂上。圆筒型壳体外部承载控制电路和机械结构等元器件，圆筒型壳体内部为果实下落通道，含有隐藏式圆弧形刀具，能与外壳精准贴合，采摘过程不触碰水果。

采摘过程中，通过机器人的视觉识别技术，末端执行器能够快速有效的接近水果，并使水果进入到其壳体内部。圆筒形壳体能够将本集群的水果进行分离以便实现单个水果采摘，除此之外，在采摘过程中也具有保护水果不受其他外力影响的作用。

（2）感应控制模块

依靠目前的机器视觉识别技术，只能识别到果实的初步位置，能够让果实精准的进入壳体内部通道，却不能具体的识别果实的果梗位置，因此需要通过感应控制模块对果实进行复定位，在确定果实的果梗位置时，启动机械动力传递模块来剪切果梗。

感应控制模块主要结构为红外线传感器、主控板及继电器。红外线传感器安装在壳体外部的上端部分，且其红外发射器和接受器通过外壳壁上的开孔能够检测到内部的果实，通过检测果实底部的位置来确定其果梗的位置。

采摘过程中，果实进入壳体内部通道，到达合适位置时，果实底部会遮住红外线传感器，从而触发红外线传感器。红外线传感器触发后，即意味着果梗到达合适位置，于是主控板和继电器控制电机驱动刀具开始剪切果梗，而不至于剪切到果实，实现了剪切过程中对果实的复定位和保护。对于不同种类的水果，可通过调节传感器的位置来确定其果梗的的位置，实现了多种水果的采摘定位。

（3）机械动力模块

目前采摘水果的方式主要为剪切和拉拽。针对于柑橘类水果，由于其果梗韧性高，无法拉断，其只能采用剪切方式，且剪切方式适合大多数水果，效率高效。因此本末端执行器采用剪切果梗方式采摘水果。

机械动力模块主要由电池、电机、锥齿轮、正弦机构、变支点杠杆机构和刀具体组成。其中电机为减速电机，具有较大的转矩，能够提供较大的剪切力，锥齿轮起电机动力换向作用。正弦机构将电机的循环旋转运动变为推杆的往复直线运动，变支点杠杆机构将推杆的直线运动变为两个相向且可变速的往复旋转运动。

刀具体分为外刀具和内刀具，两者分别安装在变支点杠杆的两杠杆末端，并隐藏在壳体内壁。剪切时实现相向运动，剪切完成后实现相反运动。且根据机构的运动变换，在刀具剪切运动的同时，其运动速度由快而慢，剪切力由小变大。该装置能够将刀具的转矩在即将剪切时，相对于减速电机的转矩扩大一百倍以上。该装置在刀具远离果梗时快速运动，迅速到达果梗位置，接近果梗位置后，速度减慢但剪切力迅速增大，且电机每旋转一周即可剪切一个果实。不仅实现了水果采摘的高效化，也大大降低了水果采摘器的能耗。

采摘过程中，电机旋转，正弦机构做往复执行运动。变支点杠杆机构做往复旋转运动，带动内外刀具做相向旋转剪切。电机旋转半周后，剪切完成，电机继续旋转半周，刀具回归初试位置，为下一次剪切做准备。

（4）反馈调节模块

通过感应控制模块负责电机的启动，通过反馈调节模块负责电机的停止。反馈调节模块主要由红外线传感器与推杆组成。推杆随电机轴旋转运动做直线运动，当剪切完成后，通过红外线传感器识别推杆的位置来确认刀具的位置，当推杆到达指定位置后，触发红外线传感器，电机停止旋转，刀具回归初始位置附近，为下一次采摘做准备。

附图说明

图1为本发明的整体示意图；

图2为本发明的背面示意图；

图3为本发明的A-A剖面图；

图4为本发明的传动示意图；

图5为本发明的控制流程图；

其中，1为外壳壳体，2为外壳罩，3为内刀具体，4为外刀具体，5为壳体壁槽口，6为推杆圆柱销，7为推杆，8为电机支架，9为曲柄，10为被动锥齿轮，11为旋转轴，12为主动锥齿轮，13为电机，14为主控板，15为继电器，16为停止用红外线传感器，17为启动用红外线传感器，18为壳体壁开孔，19为螺纹孔，20为轴承，21为外螺纹圆柱销，22为外刀具槽口，23为内刀具槽口，24为推杆槽口，25为曲柄圆柱销。

具体实施方式

结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，机体主要组成部分为外壳壳体1、外壳罩2和电机支架9组成。其中外壳壳体1为中空结构，其外部与机械臂相连，内部在水果剪切完成后可做水果下落通道。外壳罩2安装在外壳壳体上，且可将刀具体包含在其内部，如图4所示，在果实通过外壳罩口径时防止刀具与果实接触。电机支架9通过螺栓安装在外壳壳体上。

刀具部分由内刀具体3和外刀具体4组成，刀具体形状如图3所示，刃口部分为弧形，刀具体两端支持架分别开有槽口22和23。螺纹孔19在外壳壳体正面背面均有一组。外螺纹圆柱销31安装在螺纹孔19中，刀具体支架末端开有孔径且与外螺纹圆柱销21相连，因此内外刀具体均能够以圆柱销21轴线为旋转中心相向旋转进行剪切。

如图1和图3所示，动力传递模块主要由电源（外部供电）、电机13、主动锥齿轮12、被动锥齿轮10、曲柄9、推杆7、推杆圆柱销6、内刀具体3和外刀具体4组成。锥齿轮12固定在电机轴上。锥齿轮10和曲柄9都固定在旋转轴11上，旋转轴11安装在轴承20上，轴承20安装在电机支架8上。曲柄圆柱销25固定在曲柄9上，且与推杆槽口24相互配合。推杆圆柱销6固定在推杆7上，且与壳体壁槽口5、外刀具槽口22，内刀具槽口23相互配合。由于推杆7有两个圆柱销都与槽口5相配合，因此推杆只沿竖直方向做直线运动，曲柄9与推杆7组成正弦机构。推杆7与刀具体3、刀具体4组成变支点杠杆机构，如图4所示。

当电机轴旋转时，主动锥齿轮12带动被动锥齿轮10旋转，因此旋转轴11和曲柄9也进行旋转运动。曲柄9和推杆7共同组成正弦机构，曲柄9进行旋转运动时，推杆7实现竖直方向往复运动。内刀具体3和外刀具体4以及推杆圆柱销6组成变支点杠杆结构。当推杆圆柱销6向上竖直运动时，内刀具体3和外刀具体4做相向旋转运动，即刀具闭合剪切。当推杆圆柱销6向下竖直运动时，内刀具体3和外刀具体4做远离的旋转运动，即刀具张开。因此，当推杆7实现一个周期的竖直方向往复运动，刀具体也实现一个周期的闭合和张开。

当电机轴以恒定速度和恒定转矩旋转时，在经过正弦机构和变支点杠杆机构的转换后，刀具体可实现在一个周期内，启动时转速较慢，转矩较大的目的；在刀具无剪切过程中，速度由慢变快，实现刀具的快速进给；在将剪切时，刀具体速度由快变慢，转矩由小变大；在剪切时，速度缓慢趋近于零，其力矩快速增大至无穷大；剪切过程完成后，刀具体速度由慢到快再到慢，迅速归位，为下一次剪切做好准备。

控制电路如图1与图2所示，控制电路部分为主控板14、继电器15、停止用红外线传感器16和启动用红外线传感器17。整个控制过程如下：外部机械臂控制该末端装置从果实底部接近果实，果实上部口径逐渐进入到中空外壳内部通道。以该末端装置为参考系，果实做竖直向下运动，当启动红外线传感器17检测到果实底部时，传感器触发，信号传递给主控板14，主控板14控制继电器15接通，电机13做旋转运动，推杆向上运动，刀具体3和4做剪切运动，剪切完成后果实下落进入收集袋。此时电机继续旋转，推杆向下运动，刀具体3和4做归位运动，当推杆下降到一定位置时，停止用红外线传感器16触发，信号传递给主控板14，主控板14控制继电器15断开，电机13停止旋转，刀具体3和4归位，为下一次剪切运动做准备，刀具体归位如图3所示。

Claims (7)

1.一种水果采摘机器人自动化末端执行器，包括机体，感应控制模块、机械动力模块、反馈调节模块，其特征在于：所述机体包括外壳（1），外壳罩（2），电机支架（8）；外壳罩（2）安装于外壳（1）上端口径，电机支架（8）安装在外壳（1）正向平面上；所述感应控制模块包括主控板（14）、继电器（15）、启动用红外线传感器（17）；主控板（14）安装在外壳（1）正向平面上，与电机支架（8）相接触；继电器（15）安装在外壳（1）正向平面上，启动用红外线传感器（17）安装在外壳（1）背向平面上，所述机械动力模块包括电机（13）、主动锥齿轮（12）、旋转轴（11）、轴承（20）、被动锥齿轮（10）、曲柄（9）、推杆（7）、推杆圆柱销（6）、外刀具体（4）、内刀具体（5）；所述反馈调节模块包括主控板（14）、继电器（15）、停止用红外线传感器（16）、推杆（7）。

2.如权利要求书1所述的一种水果采摘机器人自动化末端执行器 ，其特征在于：外壳（1）为上下端开口的中空结构，外壳罩（2）开有适合于果实通过的大圆口径。

3.如权利要求书1所述的一种水果采摘机器人自动化末端执行器 ，其特征在于：主控板（14）分别与继电器（15）、启动用红外线传感器（17）、停止用红外线传感器（16）相连接导线，继电器（15）与电机（13）相连接导线。

4.如权利要求书1所述的一种水果采摘机器人自动化末端执行器 ，其特征在于：主动锥齿轮（12）与被动锥齿轮（10）相互啮合；旋转轴（11）通过轴承（20）安装在电机支架（8）上，被动锥齿轮（10）安装在旋转轴（11）一端，曲柄（9）安装在旋转轴（11）另一端。

5.如权利要求书1所述的一种水果采摘机器人自动化末端执行器 ，其特征在于：曲柄（9）、曲柄圆柱销（25）及推杆（7）共同组成正弦机构。

6.如权利要求书1所述的一种水果采摘机器人自动化末端执行器 ，其特征在于：推杆圆柱销（6）、外刀具体（4）及内刀具体（5）共同组成变支点杠杆机构，推杆圆柱销（6）固定在推杆（7）上，且与刀具体槽口和壳体壁槽口(5)相配合。

7.如权利要求书1所述的一种水果采摘机器人自动化末端执行器 ，其特征在于内外刀具体侧面开有槽口，且刀具体安装在外壳上，可绕其固定点旋转。

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