采摘手爪的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种采摘手爪，用于自动采摘水果，属于农业智能装备【技术领域】。该采摘手爪包括果实吸附器，用于吸附目标果实；果实夹持器，与所述果实吸附器连接并与所述果实吸附器配合，用于夹持所述目标果实；果实旋拧器，与所述果实夹持器连接，并与所述果实吸附器、果实夹持器配合，用于旋拧所述目标果实，使得所述目标果实与作物分离。本发明的采摘手爪采用旋拧式果实分离方法，有效解决了以番茄为代表的簇生短柄类果实果柄姿态各异无法准确定位，不能准确切割分离的问题。同时，本采摘手爪结构简洁、制造成本低、控制简单。
【专利说明】米?向手爪
【技术领域】
[0001]本发明涉及农业智能装备【技术领域】，尤其涉及一种用于自动采摘水果的采摘手爪。
【背景技术】
[0002]为了降低果蔬采摘劳动强度，提高生产效率，人们开始研究开发采摘机器人。采摘手爪作为采摘机器人的关键部件之一，功能在于将目标果实夹持后将其从果上与作物分离开来。然而由于采摘手爪操作对象为生长于作物茎杆的成熟果实，普遍具有姿态形状各异、表皮柔嫩易损以及果实簇状聚集等特点，要求采摘手爪需具备柔性夹持和可适应对不同大小和姿态果实操作的特征，在技术开发角度需要对采摘手爪构型设计、自动控制以及材料应用等方面进行综合研究。
[0003]目前采摘机器人采用的采摘手爪从夹持方式区分主要有两类:果实夹持和果柄夹持。果实夹持和主要通过一对可张合的手指对球形果实进行夹持，
[0004]手指内侧装有橡胶垫以防止果实被夹伤。果柄夹持主要针对果实表皮柔嫩易损的果实(如草莓)采用夹持其果柄的方式，对果实进行操作，防止对果实的刚性损伤。还有采用橡胶手指在高压气源作用下弯曲的方式，实现对果实(如黄瓜)的果体夹持。果实分离方式多采用切割果柄，利用激光、电热丝以及刀片等手段将果实与作物连接处的果柄切断，实现将果实分离出来。
[0005]上述的采摘手爪只能采摘某一类果实，对于某些生长特性特殊的果实，便无法很好地使用上述采摘手爪，如番茄。
[0006]番茄果实具有簇生短柄的特征，主要表现为其多为2-5个大小不一的果实相互接触、聚集成串，姿态各异，且其果柄较短容易被果实遮挡，无法对果柄精确定位。果实之间相互接触，上述中手指型夹持方式，由于目标果实周围没有足够空间容纳手指，因此不适用于对番茄采摘。此外番茄果柄无法准确定位，果柄切割的分离方式也不适用于番茄采摘。然而成熟番茄果柄与果实结合处形成的离层组织，有利于通过旋拧的方式对其进行采摘。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种用于自动采收番茄等果实的采摘手爪，以实现对簇状生长果实的旋拧式采摘操作。
[0008]为了实现上述目的，本发明的采摘手爪包括:
[0009]果实吸附器，用于吸附目标果实；
[0010]果实夹持器，与所述果实吸附器连接并与所述果实吸附器配合，用于夹持所述目标果实；
[0011]果实旋拧器，与所述果实夹持器连接，并与所述果实吸附器、果实夹持器配合，用于旋拧所述目标果实，使得所述目标果实与作物分离。
[0012]优选地，所述果实夹持器包括:伸缩气缸，所述伸缩气缸的活塞杆自由端与一用于包覆所述目标果实的套筒连接。
[0013]优选地，所述筒底部对称安装有一对轴承座，轴承座内嵌入直线轴承。
[0014]优选地，所述果实夹持器还包括导向杆，所述导向杆一端穿过所述套筒底部与一用于固定所述果实吸附器的支撑件连接，另一端与一大齿轮连接，所述导向杆与所述直线轴承配合，用于引导所述套筒在所述导向杆上滑动。
[0015]优选地，所述套筒内设置有多组气囊结构，所述气囊结构均匀分布在所述套筒的内壁上。
[0016]优选地,所述果实旋抒器包括旋抒电机，所述旋抒电机的输出轴端部设有一小齿轮，所述小齿轮与所述大齿轮啮合，所述大齿轮设置在所述伸缩气缸上。
[0017]优选地，所述大齿轮与所述伸缩气缸之间设置有一轴承。
[0018]优选地，所述轴承上靠近所述伸缩气缸的一面设置有轴承端盖，背离所述伸缩气缸的一面设置有压盖，所述轴承端盖与所述压盖通过螺钉连接，实现对所述大齿轮和所述轴承的轴向定位，所述伸缩气缸通过其自身前段安装螺纹与所述轴承端盖固定。
[0019]优选地，还包括一安装法兰结构，所述安装法兰结构用于固定该采摘手爪。
[0020]本发明的采摘手爪采用旋拧式果实分离方法，有效解决了以番茄为代表的簇生短柄类果实果柄姿态各异无法准确定位，不能准确切割分离的问题。通过气囊包覆方式实现对果实表面的柔性夹持，既可以防止刚性夹持对果实表皮的损伤，同时气囊可以对不同外形的果实充分施加相同的挤压力，提高了采摘手爪的通用性和安全性。本发明的采摘手爪结构简洁、制造成本低、控制简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明实施例的采摘手爪的套筒伸出状态图；
[0022]图2为本发明实施例的采摘手爪轴向剖视图；
[0023]图3为本发明实施例的采摘手爪的套筒收缩状态图。
【具体实施方式】
[0024]为使发明型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明型实施例中的附图，对发明型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0025]以下以采摘番茄为例，来具体介绍本发明的采摘手爪的结构及工作原理。针对番茄等果实簇生、短柄的特征，本发明采用套筒旋拧式采摘方式，实现对番茄果实柔性夹持和分离。本发明的采摘手爪主要包括果实吸附器、果实夹持器和果实旋拧器三个部件。其中，果实吸附器，用于吸附目标果实；果实夹持器，与所述果实吸附器连接并与所述果实吸附器配合，用于夹持所述目标果实；果实旋拧器，与所述果实夹持器连接，并与所述果实吸附器、果实夹持器配合，用于旋拧所述目标果实，使得所述目标果实与作物分离。
[0026]图1为本发明实 施例的采摘手爪的套筒伸出状态图；图2为本发明实施例的采摘手爪轴向剖视图；图3为本发明实施例的采摘手爪的套筒收缩状态图。参照图1至图3，所述果实吸附器包括真空吸盘14，真空吸盘14固定在一支撑件16上，该支撑件16为一横梁结构。真空吸盘14通过一气管9与远端真空发生器连通。
[0027]果实夹持器包括伸缩气缸I及导向杆8。其中，伸缩气缸I的活塞杆10的自由端与一用于包覆目标果实18的套筒13连接。真空吸盘14置于该套筒13内。套筒13内设置有气囊17，气囊17贴合在套筒14的内壁上。套筒13底部对称安装有一对轴承座12，轴承座12内嵌入直线轴承11。
[0028]导向杆8 一端穿过套筒13底部后与支撑件16连接，另一端与大齿轮6连接，所述导向杆8用于引导套筒13在导向杆8上滑动。
[0029]果实旋抒器包括旋抒电机2,旋抒电机2的输出轴端部设有一小齿轮19,小齿轮19与大齿轮6哨合,大齿轮6设置在伸缩气缸I上。
[0030]该采摘手爪接近果实后，在真空发生器的作用下，果实吸附器上的真空吸盘14吸附果实表面将其从簇状果实串中分离出来，然后活塞杆10驱动套筒13伸出，直至果实整体容纳套筒13内部，接通气囊12的高压气源，使气囊17膨胀对果实表面施加压力，从而将果实夹紧。此时果实旋拧器中的旋拧电机2旋转，通过小齿轮19与大齿轮6的啮合，带动套筒13旋转以实现对果实的旋拧，使其果柄与果体分离完成采摘。
[0031]本发明的采摘手爪采用旋拧式果实分离方法，有效解决了以番茄为代表的簇生短柄类果实果柄姿态各异无法准确定位，不能准确切割分离的问题。同时通过气囊包覆方式实现对果实表面的柔性夹持，既可以防止刚性夹持对果实表皮的损伤，同时气囊可以对不同外形的果实充分施加相同的挤压力，提高了采摘手爪的通用性和安全性。
[0032]优选地，真空吸盘14通过气管9与远端真空发生器联接，真空发生器上设置有电磁阀，真空发生器压力气源联接受电磁阀控制。电磁阀闭合时，真空发生器产生负压气流，使得真空吸盘14的吸口具有负压吸附力产生。其中真空发生器与电磁阀在图中未体现。
[0033]真空吸盘14气管穿过支撑件16中心通孔，两侧由螺钉挤压气管，从而实现对支撑件16的安装定位。支撑件16通过软质气管9定位的优点在于，其可以通过气管弯曲，调整自身姿态以适应果实表面形态，从而真空吸盘14的吸口可以与果实表面充分贴合，有效提高对果实的吸附能力。
[0034]如图1、图2所示，果实夹持器包括伸缩气缸1、套筒13、直线轴承11、导向杆8以及气囊17等。真空吸盘14及支撑件16设置于该套筒13内。套筒与活塞杆10的杆端由螺母固定连接，可随活塞杆10的伸缩而运动。
[0035]伸缩气缸I驱动活塞杆10伸缩，进而带动套筒13伸缩。随着套筒13伸缩，直线轴承11在导向杆8上滑动，从而实现对套筒13伸缩运动的导向约束。套筒13的内壁有三组相同的气囊17，均匀分布在套筒13的内壁上。气囊17为聚氨酯橡胶(TPU)软质薄膜，通过气囊管171联接减压阀与高压气源联接，充气后气囊膨胀挤压果实表面，同时调节加压阀输出压力可以改变气囊对果实表面的挤压力。
[0036]结合图2，果实旋拧器包括旋拧电机2、大齿轮6、小齿轮19以及轴承4等。小齿轮19中心轴孔与旋抒电机2的输出轴配合安装。大、小齿轮相互哨合，大齿轮6上固定连接有导向杆8，导向杆8通过定位螺栓5固定在大齿轮6上。大齿轮6的中心孔容纳所述活塞杆10。当旋拧电机2旋转时通过小齿轮19驱动大齿轮6旋转，并由一对导向杆8带动套筒13旋转。
[0037]大齿轮6与伸缩气缸I之间设置有轴承4。在轴承4上靠近伸缩气缸I的一面设置有轴承端盖3，背离伸缩气缸I的一面设置有压盖7。轴承端盖3以及压盖7通过螺钉连接，实现对大齿轮6和轴承4的轴向定位。伸缩气缸I通过其自身前段安装螺纹与轴承端盖3固定。
[0038]本发明的采摘手爪还包括安装法兰结构15，安装法兰结构15用于固定该采摘手爪，其上设置有多个用于固定安装法兰结构15的安装孔151。其中，轴承端盖3、压盖7以及安装法兰结构15通过螺钉连接彼此贴合。
[0039]本发明提供的采摘手爪作为自动采摘机器人的重要组成部分，其安装于机器人采摘机械臂末端，由机械臂对其进行空间定位以接近目标果实，并通过吸附、夹持以及旋拧等操作实现对目标果实的自动采摘。
[0040]综上所述，本发明的采摘手爪采用旋拧式果实分离方法，有效解决了以番茄为代表的簇生短柄类果实果柄姿态各异无法准确定位，不能准确切割分离的问题。
[0041]通过气囊包覆方式实现对果实表面的柔性夹持，既可以防止刚性夹持对果实表皮的损伤，同时气囊可以对不同外形的果实充分施加相同的挤压力，提高了采摘手爪的通用性和安全性。
[0042]本发明的采摘手爪结构简洁、制造成本低、控制简单，有利于实际农业生产推广应用。
[0043]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施 例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
【权利要求】
1.一种采摘手爪，用于自动采摘水果，其特征在于，包括: 果实吸附器，用于吸附目标果实； 果实夹持器，与所述果实吸附器连接并与所述果实吸附器配合，用于夹持所述目标果实； 果实旋拧器，与所述果实夹持器连接，并与所述果实吸附器、果实夹持器配合，用于旋拧所述目标果实，使得所述目标果实与作物分离。
2.根据权利要求1所述的采摘手爪，其特征在于，所述果实夹持器包括:伸缩气缸，所述伸缩气缸的活塞杆自由端与一用于包覆所述目标果实的套筒连接。
3.根据权利要求1所述的采摘手爪，其特征在于，所述筒底部对称安装有一对轴承座，轴承座内嵌入直线轴承。
4.根据权利要求3所述的采摘手爪，其特征在于，所述果实夹持器还包括导向杆，所述导向杆一端穿过所 述套筒底部与一用于固定所述果实吸附器的支撑件连接，另一端与一大齿轮连接，所述导向杆与所述直线轴承配合，用于引导所述套筒在所述导向杆上滑动。
5.根据权利要求2所述的采摘手爪，其特征在于，所述套筒内设置有多组气囊结构，所述气囊结构均匀分布在所述套筒的内壁上。
6.根据权利要求1至5所述的采摘手爪，其特征在于，所述果实旋拧器包括旋拧电机，所述旋拧电机的输出轴端部设有一小齿轮，所述小齿轮与所述大齿轮啮合，所述大齿轮设置在所述伸缩气缸上。
7.根据权利要求6所述的采摘手爪，其特征在于，所述大齿轮与所述伸缩气缸之间设置有一轴承。
8.根据权利要求7所述的采摘手爪，其特征在于，所述轴承上靠近所述伸缩气缸的一面设置有轴承端盖，背离所述伸缩气缸的一面设置有压盖，所述轴承端盖与所述压盖通过螺钉连接，实现对所述大齿轮和所述轴承的轴向定位，所述伸缩气缸通过其自身前段安装螺纹与所述轴承端盖固定。
9.根据权利要求1所述的采摘手爪，其特征在于，还包括一安装法兰结构，所述安装法兰结构用于固定该采摘手爪。
【文档编号】A01D46/30GK103782725SQ201410028409
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月21日 优先权日:2014年1月21日
【发明者】冯青春, 王秀, 马伟, 邹伟, 范鹏飞 申请人:北京农业智能装备技术研究中心