一种全自动猕猴桃采摘机械手及方法

本发明涉及水果采摘领域，尤其涉及一种全自动猕猴桃采摘机械手及方法。

背景技术：

水果行业逐渐形成了一个巨大的产业。由于人均水果消费量逐年增多，这种增长带来的动力，正在推动水果企业不断采用新技术和新方法提高生产效率，降低生产成本，以适应水果需求量的变化。随着自动化技术的不断发展，各行各业普遍产生了一种机器人代替人工的趋势。

传统的猕猴桃采摘机械手有的使用现有的两爪机械手或者三爪机械手作为采摘机械手，这种机械手难以顺利的卸下果实，不能实现采摘一体化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种全自动猕猴桃采摘机械手及方法，旨在解决现有设备不能实现采摘收集一体化的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种全自动猕猴桃采摘机械手，包括采摘头、采集机械臂和控制器，所述采集机械臂与所述采摘头连接，所述控制器与所述采集机械臂连接；

所述采摘头包括外壳、圆柱形腔体、收集软管接头、卡花、金属棒和气动推杆，所述圆柱形腔体与所述外壳滑动连接，并位于所述外壳内，所述卡花的两瓣转动设置在所述圆柱形腔体的一侧，并相对设置，所述收集软管接头与所述圆柱形腔体连通，并位于所述圆柱形腔体侧面，所述金属棒与所述圆柱形腔体固定连接，并位于所述圆柱形腔体远离所述卡花的一侧，所述气动推杆的伸缩杆与所述金属棒固定连接，并位于所述外壳的一侧。

其中，所述采摘头还包括拉伸弹簧，所述拉伸弹簧设置在所述圆柱形腔体和所述气动推杆之间，且位于所述外壳内。

在所述拉伸弹簧作用下会抬起所述圆柱形腔体以打开所述卡花，从而使得可以松开所述猕猴桃方便其滑落。

其中，所述卡花每瓣的内表面附着有薄膜压力传感器。

通过所述薄膜压力传感器可以检测与猕猴桃接触时产生的压力而对所述圆柱形腔体的移动位置进行调整，避免压坏猕猴桃。

其中，所述气动推杆包括推杆本体、第一气动撑杆气嘴和第二气动撑杆气嘴，所述第一气动撑杆气嘴和第二气动撑杆气嘴与所述推杆本体连通，并位于所述推杆本体的两侧。

通过所述第一气动撑杆气嘴和所述第二气动撑杆气嘴可以往所述推杆本体中送入气体，使得可以进行控制。

其中，所述采集机械臂包括第一连杆、第二连杆和水平移动臂，所述第一连杆与所述外壳转动连接，并位于所述采摘头的一侧，所述第二连杆与所述第一连杆转动连接，并位于所述第一连杆远离所述外壳的一侧，所述水平移动臂包括第一步进电机和底座，所述底座与所述第二连杆固定连接，并位于所述第二连杆远离所述第一连杆的一侧，所述第一步进电机输出端与所述底座固定连接。

通过所述第二连杆支撑所述第一连杆转动，所述第二连杆与底座固定，然后底座可以在所述第一步进电机的带动下转动，从而可以带动所述采摘头转动以调整位置。

其中，所述采集机械臂还包括纵向移动臂，所述纵向移动臂包括杠杆连接头、第一拉杆、第二步进电机和第一转盘，所述杠杆连接头与所述第一连杆固定连接，并位于靠近所述第二连杆的一侧，所述第一转盘与所述第二连杆转动连接，并位于所述第二连杆靠近所述底座的一侧，所述第一拉杆与所述杠杆连接头转动连接，并与所述第一转盘转动连接，所述第二步进电机的输出端与所述第一转盘固定连接。

所述纵向移动臂中转动所述第二步进电机可以带动所述第一转盘转动，第一转盘转动可以带动所述第一拉杆运动，从而借助所述杠杆连接头带动所述第一连杆转动而调整所述采摘头的高度。

其中，所述采集机械臂还包括采摘头移动臂，所述采摘头移动臂包括第二拉杆、直角杠杆、第三拉杆、第二转盘和第三步进电机，所述直角杠杆与所述第二连杆转动连接，并位于所述第二连杆靠近所述第一连杆的一侧，所述第二拉杆与所述直角杠杆转动连接，并与所述外壳转动连接，所述第二转盘与所述第二连杆转动连接，并位于所述第一转盘的一侧，所述第三拉杆与所述直角杠杆转动连接，并与所述第二转盘转动连接，所述第三步进电机输出端与所述第二转盘固定连接。

通过转动所述第三步进电机带动所述第二转盘转动，从而可以带动所述第三拉杆，通过所述直角杠杆带动所述第二拉杆移动，从而可以拉动所述采摘头转动而掰断猕猴桃。

其中，所述控制器包括微处理器、wifi模块、显示模块、adc模块、开关模块和电机驱动模块，所述wifi模块与所述微处理器连接，所述显示模块与所述微处理器连接，所述adc模块与所述微处理器连接，所述开关模块与所述微处理器连接，所述电机驱动模块与所述微处理器连接。

通过所述wifi模块可以和上位机进行通讯，通过所述显示模块可以显示控制信息，所述adc模块可以采集所述薄膜压力传感器的压力信号；所述微处理器用于对上位机下发的轨迹进行解析，然后驱动所述电机驱动模块控制电机转动以控制机械臂运动。

第二方面，本发明还提供一种全自动猕猴桃采摘机械手的采摘方法，包括：

上位机用摄像头识别并且确定猕猴桃的位置，然后上位机下发轨迹给控制器，控制器控制采集机械臂运动到指定位置；

气动推杆向下拉动，卡花的两瓣受到外壳的挤压力的作用以夹紧猕猴桃；

第三步进电机运动，第三拉杆拉动第二拉杆，第二拉杆拉动采摘头转动掰断猕猴桃；

卡花回到准备状态，猕猴桃沿着收集软管接头回收；

判断采摘任务是否完成，如果采摘任务完成就结束任务，如果采摘任务没有完成，那么再次进入抓取状态，进行下一次采摘，直到任务完成。

本发明的一种全自动猕猴桃采摘机械手及方法，所述圆柱形腔体可以在所述外壳内上下滑动，两个所述卡花由硬度较小的材料制成，可以相对所述圆柱形腔体向上移动而打开，然后可以在所述外壳支撑下合拢，用于夹住并掰下猕猴桃，所述收集软管接头设置在所述圆柱形腔体的侧面，在再次推动所述圆柱形腔体松开猕猴桃，使得掰下的猕猴桃可以通过所述收集软管接头滑落进入到收集器中进行收集，通过所述气动推杆和所述金属棒连接控制所述圆柱形腔体的移动，从而可以方便地对猕猴桃进行采摘并进行收集，从而解决现有设备不能实现采摘收集一体化的问题。另外采摘头的内部的卡花采用柔软型材料制成，并且放有压力传感器控制卡花两瓣内壁对猕猴桃果实的压力，使猕猴桃最小的拉力情况下与果梗分离，由于采摘的拉力受控，这样就可以最大程度上减少采摘过程中对猕猴桃的损坏。

采摘机械手轻量化设计大大节约了能耗。在设计过程中猕猴桃采摘机械手的电机均安装在采摘机械手的底部，由镂空结构的拉杆拉动机械臂的关节，减少了机械臂两个连杆的质量；机械臂连杆采用三毫米的铝合金金属管制成，减少了质量。在保证结构强度的同时大大减少了整个机械臂的质量，从而减小整个机械臂的质量，增加了运行速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的猕猴桃采摘受力分析图；

图2是本发明的一种全自动猕猴桃采摘机械手的前部结构图；

图3是本发明的一种全自动猕猴桃采摘机械手的顶部结构图；

图4是本发明的一种全自动猕猴桃采摘机械手的侧面结构图；

图5是本发明的卡花的结构图；

图6是本发明的局部零件结构图；

图7是本发明的采摘头的结构图

图8是本发明的控制器的结构图；

图9是本发明的控制器的电路结构图；

图10是本发明的一种全自动猕猴桃采摘机械手的采摘方法的流程图。

1-采摘头、2-采集机械臂、3-控制器、11-外壳、12-圆柱形腔体、13-收集软管接头、14-卡花、15-金属棒、16-气动推杆、17-拉伸弹簧、21-第一连杆、22-第二连杆、23-水平移动臂、24-纵向移动臂、25-采摘头移动臂、31-微处理器、32-wifi模块、33-显示模块、34-adc模块、35-开关模块、36-电机驱动模块、141-薄膜压力传感器、161-推杆本体、162-第一气动撑杆气嘴、163-第二气动撑杆气嘴、231-第一步进电机、232-底座、241-杠杆连接头、242-第一拉杆、243-第二步进电机、244-第一转盘、251-第二拉杆、252-直角杠杆、253-第三拉杆、254-第二转盘、255-第三步进电机。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

第一方面，请参阅图1～图9，本发明提供一种全自动猕猴桃采摘机械手，包括：

采摘头1、采集机械臂2和控制器3，所述采集机械臂2与所述采摘头1连接，所述控制器3与所述采集机械臂2连接；

所述采摘头1包括外壳11、圆柱形腔体12、收集软管接头13、卡花14、金属棒15和气动推杆16，所述圆柱形腔体12与所述外壳11滑动连接，并位于所述外壳11内，所述卡花14的两瓣转动设置在所述圆柱形腔体12的一侧，并相对设置，所述收集软管接头13与所述圆柱形腔体12连通，并位于所述圆柱形腔体12侧面，所述金属棒15与所述圆柱形腔体12固定连接，并位于所述圆柱形腔体12远离所述卡花14的一侧，所述气动推杆16的伸缩杆与所述金属棒15固定连接，并位于所述外壳11的一侧。

在本实施方式中，所述圆柱形腔体12可以在所述外壳11内滑动，所述卡花14由硬度较小的材料制成，其两瓣可以相对所述圆柱形腔体12向上移动而打开，然后可以在所述外壳11支撑下合拢，用于夹住并掰下猕猴桃，所述收集软管接头13设置在所述圆柱形腔体12的侧面，在再次推动所述圆柱形腔体12松开猕猴桃，使得掰下的猕猴桃可以通过所述收集软管接头13滑落进入到收集器中进行收集，通过所述气动推杆16和所述金属棒15连接控制所述圆柱形腔体12的移动，从而可以方便地对猕猴桃进行采摘并进行收集，从而解决现有设备不能实现采摘收集一体化的问题。

进一步的，所述采摘头1还包括拉伸弹簧17，所述拉伸弹簧17设置在所述圆柱形腔体12和所述气动推杆16之间。

在本实施方式中，当采集完成猕猴桃后，所述气动推杆16卸力后，在所述拉伸弹簧17作用下会抬起所述圆柱形腔体12以打开所述卡花14，从而使得可以松开所述猕猴桃方便滑落。

进一步的，所述卡花14每瓣的内表面附着有薄膜压力传感器141。

在本实施方式中，通过所述薄膜压力传感器141可以检测与猕猴桃接触时产生的压力而对所述圆柱形腔体12的移动位置进行调整，避免压坏猕猴桃。

进一步的，所述气动推杆16包括推杆本体161、第一气动撑杆气嘴162和第二气动撑杆气嘴163，所述第一气动撑杆气嘴162和第二气动撑杆气嘴163与所述推杆本体161连通，并位于所述推杆本体161的两侧。

在本实施方式中，通过所述第一气动撑杆气嘴162和所述第二气动撑杆气嘴163可以往所述推杆本体161中送入气体，使得可以进行控制。

进一步的，所述采集机械臂2包括第一连杆21、第二连杆22和水平移动臂23，所述第一连杆21与所述外壳11转动连接，并位于所述采摘头1的一侧，所述第二连杆22与所述第一连杆21转动连接，并位于所述第一连杆21远离所述外壳11的一侧，所述水平移动臂23包括第一步进电机231和底座232，所述底座232与所述第二连杆22固定连接，并位于所述第二连杆22远离所述第一连杆21的一侧，所述第一步进电机231输出端与所述底座232固定连接；所述采集机械臂2还包括纵向移动臂24，所述纵向移动臂24包括杠杆连接头241、第一拉杆242、第二步进电机243和第一转盘244，所述杠杆连接头241与所述第一连杆21固定连接，并位于靠近所述第二连杆22的一侧，所述第一转盘244与所述第二连杆22转动连接，并位于所述第二连杆22靠近所述底座232的一侧，所述第一拉杆242与所述杠杆连接头241转动连接，并与所述第一转盘244转动连接，所述第二步进电机243的输出端与所述第一转盘244固定连接；所述采集机械臂2还包括采摘头移动臂25，所述采摘头移动臂25包括第二拉杆251、直角杠杆252、第三拉杆253、第二转盘254和第三步进电机255，所述直角杠杆252与所述第二连杆22转动连接，并位于所述第二连杆22靠近所述第一连杆21的一侧，所述第二拉杆251与所述直角杠杆252转动连接，并与所述外壳11转动连接，所述第二转盘254与所述第二连杆22转动连接，并位于所述第一转盘244的一侧，所述第三拉杆253与所述直角杠杆252转动连接，并与所述第二转盘254转动连接，所述第三步进电机255输出端与所述第二转盘254固定连接。

在本实施方式中，通过所述第二连杆22支撑所述第一连杆21转动，所述第二连杆22与底座232固定，然后底座232可以在所述第一步进电机231的带动下转动，从而可以带动所述采摘头1转动以调整位置；而所述纵向移动臂24中转动所述第二步进电机243可以带动所述第一转盘244转动，第一转盘244转动可以带动所述第一拉杆242移动，从而借助所述杠杆连接头241带动所述第一连杆21转动而调整所述采摘头1的高度；在接触猕猴桃后，可以通过转动所述第三步进电机255带动所述第二转盘254转动，从而可以带动所述第三拉杆253，通过所述直角杠杆252带动所述第二拉杆251动作，从而可以拉动所述采摘头1摆动而掰断猕猴桃。

进一步的，所述控制器3包括微处理器31、wifi模块32、显示模块33、adc模块34、开关模块35和电机驱动模块36，所述wifi模块32与所述微处理器31连接，所述显示模块33与所述微处理器31连接，所述adc模块34与所述微处理器31连接，所述开关模块35与所述微处理器31连接，所述电机驱动模块36与所述微处理器31连接。

在本实施方式中，通过所述wifi模块32可以和上位机进行通讯，通过所述显示模块33可以显示控制信息，所述adc模块34可以采集所述薄膜压力传感器141的压力信号，经过公式(1)-(3)获取猕猴桃整体受力情况；在保证猕猴桃受力小于自身平均额定受力的情况下，保证猕猴桃中轴线与猕猴桃果梗成60度时，实现最小采摘力采摘；所述微处理器31采用32位mcu，用于对上位机下发的轨迹进行解析，然后驱动所述电机驱动模块36控制电机转动以控制机械臂运动，所述电机驱动模块36可以采用drv8825。

在采摘过程中安装在卡花14每一瓣的内表面的薄膜力传感器检测到卡花14作用于猕猴桃的压力，控制器3对比猕猴桃断裂时所需的拉力，结合猕猴桃的摩擦力，从而判断出猕猴桃果梗是否完全断裂如图7所示。设卡花14对猕猴桃的压力为fn，猕猴桃的重力为g，猕猴桃的果梗的拉力为fl。此时拉力与猕猴桃中轴的夹角β，猕猴桃重力与猕猴桃中轴的夹角为α。根据科学论证所知，当β为60度时，猕猴桃底部与果梗断裂时fl最小。由下式可以得出fn与和fl的关系。

flcosβ+gcosα＝ff(1)

gsinα+fn＝flsinβ(2)

μfn＝ff(3)

第二方面，请参阅图10，本发明还提供一种全自动猕猴桃采摘机械手的采摘方法，包括：

s101上位机用摄像头识别并且确定猕猴桃的位置，然后上位机下发轨迹给微处理器31，微处理器31控制采集机械臂2运动到指定位置；

整个猕猴桃采摘流程为：准备、抓取、掰断、准备。

准备状态：定义采摘头1的中轴线与猕猴桃果实的中轴线重合且采摘头1所在侧平面垂直于猕猴桃果实底部所在平面为采摘头1的初始状态。

抓取：定义机械臂向上运动使采摘头1以初始状态的向上运动，气动推杆16拉动，使卡花14向下运动，采摘头1的卡花14夹住猕猴桃为抓取状态；

掰断：定义采摘头1运动后，使猕猴桃的中轴线与果梗成60度夹角时，为掰断状态。

回收状态：定义检测到猕猴桃果梗断裂，机械臂同时运动使采摘头1回复到准备转态，与此同时气动推杆16失能，弹簧推动圆柱形腔体12使卡花14松动，猕猴桃受重力，沿管道向下滑落，掉入收集器中为回收状态。

s102气动推杆16向下拉动，卡花14受到外壳11的挤压力的作用以夹紧猕猴桃；

在抓取阶段，气动推杆16向下拉动，卡花14受到外壳11的挤压力的作用，从而夹紧猕猴桃，猕猴桃采摘机械手进入掰断状态。

s103第三步进电机255运动，第三拉杆253拉动第二拉杆251，第二拉杆251拉动采摘头1转动掰断猕猴桃；

在接触猕猴桃后，可以通过转动所述第三步进电机255带动所述第二转盘254转动，从而可以带动所述第三拉杆253，通过所述直角杠杆252带动所述第二拉杆251运动，从而可以拉动所述采摘头1转动而掰断猕猴桃。在掰断状态下确保猕猴桃果梗断裂所需要的力最小，因此猕猴桃的果梗在拉力最小的情况下发生断裂。

s104卡花14回到准备状态，猕猴桃沿着收集软管接头13回收；

s105判断采摘任务是否完成，如果采摘任务完成就结束任务，如果采摘任务没有完成，那么再次进入准备状态，进行下一次采摘，直到任务完成。

本发明的工作原理及使用流程：请参阅图1和图2，所述采摘头1位于猕猴桃的底部，所述卡花14的两瓣相对连接，所述卡花14的两瓣组成的整体伸出采摘头1外壳11一段距离，所述卡花14的两瓣舒张；所述第一步进电机231和所述第二步进电机243转动，使采摘头1继续正对猕猴桃向上运动，直到卡花14组成的整体套住猕猴桃，即猕猴桃正好位于卡花14的两瓣的中间。采摘头1继续运动，所述气动推杆16拉动圆柱形腔体12，卡花14向下运动，由于卡花14为椎体，卡花14向下运动的过程中卡花14受到外壳11的向内的压力，卡花14的两瓣收紧以致夹住猕猴桃；卡花14夹住猕猴桃，所述第三步进电机255转动，通过第二拉杆251和第三拉杆253拉动采摘头1，直到猕猴桃中轴线与猕猴桃果梗成60度时，因为这样采摘时拉力最小；持续拉动采摘头1，直到猕猴桃果梗断裂。猕猴桃果梗断裂后，气动推杆16失能，所述圆柱形腔体12受到弹簧向上的弹力，回复到初始状态，这时卡花14向上运动，卡花14松动，猕猴桃沿着收集软管接头13通过塑料管掉落到收集器中，完成一次采摘，进入下一次采摘过程。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。