一种果实采摘机器人末端执行器及采摘方法与流程

本发明涉及一种果实采摘机器人末端执行器，属于农业机械技术领域。

背景技术：

农业机械化和自动化是大势所趋，而农业机器人是农业机械化和自动化重要的组成部分。采摘机器人末端执行器对采摘机器人来说又是非常重要的一部分，目前有很多对采摘机器人末端执行器的研究，末端执行器根据切割方式可分为机械式、激光切割两种，机械式目前应用最广，但是激光切割因其独特的优势也越来越多的应用在采摘机器人末端执行器。

公开日为2013-7-17、公开号为CN203057880U的专利文件公开了一种夹剪一体式采摘机器人末端执行器，由单电机传动系统和夹剪一体指端结构组成。电机通过锥齿轮传动带动双向螺杆转动，从而经左旋螺母、右旋螺母和两滑套带动两摆杆摆动，使左刀刃、左夹持面和右刀刃、右夹持面合拢。当左夹持面与右夹持面接触果梗后，两弹簧受到压缩，使左夹持面相对左刀刃向后平移，左夹持面与右夹持面夹紧果梗的同时，左刀刃和右刀刃继续相对合拢完成对果梗的切断。仅通过单电机的驱动，实现果梗夹持和切断的一体作业，保证果实的采摘与回收，结构简单小巧，大大降低了控制难度并增强了实用性。但是该结构切割和夹取为一体式，无法保证切割后能成功夹取果梗，具有一定局限性。

公开日为2012-8-01、公开号为CN102612925A的专利文件公开了一种用于水果采摘机器人的末端执行器，涉及机械自动化技术领域。所述末端执行器包括：套筒单元和气囊单元；所述套筒单元为前后端开口的筒状结构；所述气囊单元设置在所述套筒单元的内部，利用自身的充放气过程实现对果实的采摘。所述用于水果采摘机器人的末端执行器，主要包括套筒单元和气囊单元，其结构简单、成本低廉，并且在使用过程中其自身既不会划伤果实，也不会被果树划伤，可以安全可靠地实现对水果的采摘作业，具有广泛的应用前景。但是该末端执行器通用性较差。

公开日为2017-3-08、公开号为CN106472006A的专利文件公开了一种果蔬采摘机器人的末端执行器，包括抓取系统、切割系统、传感系统、外壳等，抓取系统是利用五个高速旋转的橡胶滚筒在高速旋转带有巨大摩擦力而将水果拽到执行器内腔，实现抓取水果的动作；切割系统是丝杆驱动菱形框架前后伸缩移动，推动电磁机构和锯片前后伸缩移动，使用电磁机构高速反复驱动锯齿刀片对枝条进行切割；传感系统由压力传感器、微型视觉传感器等组成，在抓取果实、切割果柄的过程中起到连接动作和控制过程的作用。该发明控制难度及成本低，能大幅提高智能采摘机器人的采摘速度，可满足球状采摘机器人的需要，对提高果实采摘机器人采摘速度及对该类型机器人的实用化和商品化大有裨益。但是该末端执行器结构相对复杂，通用性也不高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种夹取切割机构，以解决现有果实采摘机器人末端执行器结构复杂，较难控制和通用型低等问题。

本发明的技术方案是：一种果实采摘机器人末端执行器，采摘执行器包括外壳、第一转动电机、第二转动电机、 第一摄像头、第二摄像头、第一转动架、第二转动架、 第一支架、第二支架、切刀、夹紧辊、压力传感器、带轮、传输带、驱动电机、切割螺母、夹取螺母、切割双向丝杠、同步轮、同步带和夹取双向丝杆，在采摘执行器腔体内部不同高度同向设置有夹取双向丝杆和切割双向丝杆，其中，在夹取双向丝杆上配合连接有两个夹取螺母，两个夹取螺母的侧端面分别与一夹紧辊连接，在切割双向丝杆上配合连接有两个切割螺母，两个切割螺母的侧端面分别与一切刀连接；所述切刀的切口、夹紧辊的夹持部位延伸出采摘执行器腔体；所述夹取双向丝杆与切割双向丝杆通过同步带和同步轮连接，构成同步运动；所述夹取双向丝杆的螺距大于切割双向丝杆的螺距；所述夹取双向丝杆和切割双向丝杆通过带轮和传输带与驱动电机连接；在与所述切刀、夹紧辊运动方向垂直的方向的外壳中间上下部位分别设置有一第一摄像头和第二摄像头，所述第一摄像头通过第一转动架铰接在第一支架上，支架第一连接在外壳上，第一转动架与设置在第一支架一侧的第一转动电机连接；所述第二摄像头通过第二转动架铰接在第二支架上，第二支架连接在外壳上，第二转动架与设置在第二支架一侧的第二转动电机连接；所述夹紧辊的夹持内壁设置有压力传感器。

本发明还提供一种所述果实采摘机器人末端执行器的采摘方法，包括以下步骤：

1）通过第一转动电机调节第一转动架的转动角度，以调整第一摄像头的摄像角度，以及通过第二转动电机调节第二转动架的转动角度，以调整第二摄像头的摄像角度，获取目标果实初步的三维坐标；

（2）在采摘执行器靠近目标果实时，控制第一摄像头角度的第一转动电机转动和控制第二摄像头角度的第二转动电机转动，实时检测果梗的位置，调整位姿使果梗进入夹紧辊，然后，夹紧辊和切刀的驱动电机转动，陆续完成果实果梗夹紧和切割。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明具有如下优点：其一：本发明涉及零部件较少，并且都为简单部件，具有结构简单、控制简单等特点。其二：本发明夹取目标为果实果梗，因此适用于大部分具有坚硬果梗的果实，采摘不会受果实外形和颜色的影响，因此具有较好的通用性。其三：本发明可根据不同需要更换不同的机械手，满足不同需要，实用性较好。其四：本发明利用双目视觉技术可以快速完成目标三维坐标的计算，并可调整两个摄像头的角度实现对果梗的位置实时检测并反馈给控制系统，调整执行器位置，提高识别精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明的侧视图；

图4是切刀的结构示意图；

图5是夹紧辊的结构示意图；

图6是双向丝杆的结构示意图；

图中：1、外壳，2、连接板，3、第一转动电机，3’、第二转动电机，4、第一摄像头，4’、第二摄像头，5、第一转动架，5’、第二转动架，6、第一支架，6’、第二支架，7、切刀，8、夹紧辊，9、压力传感器，10、带轮，11、传输带，12、支撑杆，13、驱动电机，14、切割螺母，15、切割双向丝杆，16、轴承，17、同步轮，18、同步带，19、夹取螺母，20、夹取双向丝杆，21、切口，22、安装座，23、夹持部，24、固定座，25、安装孔。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对发明进行进一步介绍：

参考图1至图6，本发明实施例一种果实采摘机器人末端执行器，采摘执行器具有执行敞口腔的外壳1，在执行敞口腔内壁不同高度同向安装有夹取双向丝杆20和切割双向丝杆15。

其中，在夹取双向丝杆20上配合连接有两个夹取螺母19，两个夹取螺母19的侧端面分别通过螺栓与一夹紧辊8连接，当夹取双向丝杆20正反转时，夹取丝杆可带动两夹取螺母19移动并作相互靠近或远离动作。所述切刀7的夹紧辊8的夹持部23位延伸出执行敞口腔。夹取双向丝杆20的两端通过轴承16设置在外壳1两侧壁上。在执行敞口腔内壁后部设置第一支撑杆12，将夹取双向丝杆20的固定座24上的孔套在第一支撑杆12上，以限制夹取双向丝杆20及夹取螺母19的转动，使其作左右移动。

在切割双向丝杆15上配合连接有两个切割螺母14，两个切割螺母14的侧端面分别通过螺栓与一切刀7连接，当切割双向丝杆15正反转时，切割丝杆可带动两切割螺母14移动并作相互靠近或远离动作；所述切刀7的切口21延伸出执行敞口腔。切割双向丝杆15的两端通过轴承16设置在外壳1两侧壁上。在执行敞口腔内壁后部设置第二支撑杆12，将切割双向丝杆15的安装座22上的孔套在该第二支撑杆12上，以限制切割双向丝杆15及切割螺母14的转动，使其作左右移动。

夹取双向丝杆20与切割双向丝杆15的同一侧端部通过同步带18和同步轮17连接，构成同步运动，此时可用夹取双向丝杆20或切割双向丝杆15的另一侧端部通过带轮10和传输带11与驱动电机13连接，可实现仅用一个驱动电机13即能带动夹取双向丝杆20和切割双向丝杆15作相对运动的功能。为了使本实施例机构在使用时能够先行夹住果梗，再作切割动作，可限制双向丝杆的螺距大于切割双向丝杆15的螺距，此时夹取辊比切刀7运动更快，能够实现先夹住果梗的功能。

另外，本发明实施例中的夹取双向丝杆20和切割双向丝杆15可以分别与一电机连接，由各自的电机驱动运转。

所述切刀7可以设置在夹取辊上方，也可设置在夹取辊下方，根据实际所以夹取切割的对象而定。

所述夹紧辊8的夹持部23内壁面的安装孔25内设置有压力传感器9，以检测压紧力的大小以防止夹紧力过大，夹断果梗。

在与所述切刀7、夹紧辊8运动方向垂直的方向的外壳1上下部位分别安装有一摄像头4和第二摄像头4’，其中第一摄像头4通过第一转动架5铰接在第一支架6上，第一支架6连接在外壳1上，第一转动架5与设置在第一支架6一侧的第一转动电机3连接，通过第一转动电机3可调节第一转动架5的转动角度，实现第一摄像头4摄像角度的调整；第二摄像头4’通过第二转动架5’铰接在第二支架6’上，第二支架6’连接在外壳1上，第二转动架5’与设置在第二支架6’一侧的第二转动电机3’连接，通过第二转动电机3’可调节第二转动架5的转动角度，实现第二摄像头4’摄像角度的调整。通过第一摄像头4和第二摄像头4’对目标三维坐标的初步获取，在执行器靠近目标时，控第一制摄像头4角度的第一转动电机3转动以及控制第二摄像头4’角度的第二转动电机3’转动，实时检测果梗的位置，调整位姿使果梗进入夹紧辊8，然后，夹紧辊8和切刀7的驱动电机13转动，陆续完成果实果梗夹紧和切割。

本发明实施例中的上述采摘执行器可应用于果实采摘机器手中，具体可在外壳1后部设置一连接板2，将其与机器手连接即可。

本发明实施例中的上述采摘执行器还可作为零部件安装在所有需要进行夹取切割的机器人中使用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。