12与后齿条5上实现齿条运动的直线导向功能。另外前齿条连接板13、前加强板14、右手指架板15、右手指16、后加强板42、左手指架板31与左手指21均选用铝合金(型号2Α12)为毛坯料，在保证强度要求的前提下，重量尽量轻，具体实施中可在左手指橡胶层43与右手指橡胶层17内部添加海绵层以增加弹性与缓冲功能。
[0027]如图3所示的是本发明的一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器的气动转刀组件直线导向架体部分结构示意图，双作用气缸IIll固定设置于后齿条连接板8上，双作用气缸IIll的活塞杆通过旋紧螺母与气缸顶块37固定联接，气缸顶块37、同步带连接板32与直线滑块36通过螺纹固定连接在一起，后同步轮轴35与同步带张紧轴28分别固定设置在左手指架板31上；同步带压块33与同步带连接板32通过连接螺钉进行连接，通过旋紧同步带压块33与同步带连接板32的连接螺钉将圆弧齿同步带27压牢，防止圆弧齿同步带27相对同步带连接板32打滑；前圆弧齿同步轮26通过十字槽螺钉25与刀架连接板23固定联接，刀架折弯板22上开有长条孔，使得其与刀架连接板23的相互重叠连接长度可调，即刀片的旋转半径可调，这样在一定程度上扩大了采摘果实大小的范围；压刀片18采用十字槽螺钉固定设置在所述刀架折弯板22上，压刀片18通过两排紧定螺钉20将刀片19压紧在刀架折弯板22上，刀片19包括一前一后两片刀片。
[0028]下面针对气动转刀组件在具体实施中相应的结构选材与选型做具体说明:经过实验测试与计算，双作用气缸IIll仍然选用MI_16x50_U_0_(缸径16mm，行程50mm，附磁石)；直线滑块36、直线导轨30选用微型直线滑块线轨组件(型号MNG C7);圆弧齿同步带27、前圆弧齿同步轮26与后圆弧齿同步轮34齿形选用圆弧齿(型号HTD3M);张紧轮29在具体实施中直接选用3个型号为MR148的深沟球轴承40并排安装；刀架连接板23与刀架折弯板22均选用2_厚冷轧板经激光切割下料后折弯制成；利用四颗十字槽螺钉将刀架折弯板22与压刀片18固定在一起，在两者之间的结合缝槽的前后方向分别插入两片高强度硬质合金刀片，用两排紧定螺钉20将刀片挤紧固定。
[0029]本发明的工作原理如下:(I)夹持与松放果实；当双作用气缸14通入相应方向的工作气压的气体后，活塞杆会带动后齿条5在后导轨块38的直线导向作用下作直线平移运动，即左手指21发生直线平移运动；同时齿轮7转动，前齿条12同时在前导轨块44的导向作用下做与后齿条5方向相反的直线运动，所以最终实现用双作用气缸14驱动左手指21与右手指16的直线夹持与松放果实的动作功能，并利用左手指橡胶层43与右手指橡胶层17的弹性缓冲与工作气体气压的可调性灵活设定抓握果实的夹持力，保证两手指在不损伤果实的前提下的抓牢果实，两手指的开合间距由双作用气缸14活塞动作行程确定，比电机驱动控制行程位置的系统更简洁；(2)切断果柄；当双作用气缸IIll动作时，活塞杆在直线滑块36与直线导轨30的直线导向作用下，将直线运动传递给圆弧齿同步带27，圆弧齿同步带27又带动前圆弧齿同步轮26与后圆弧齿同步轮34转动，从而最终使得刀片19绕左手指21做旋转切割运动，实现在两手指夹牢果实后的切断果柄的动作功能，其中刀片旋转的角度可由双作用气缸IIll的动作行程决定，从而省掉了电机驱动刀片时所需限制旋转角度的行程开关；刀片旋转切断扭矩可由双作用气缸IIll的工作气体的压强决定，相比电机传动切割的方式控制更简单，且驱动系统的整体重量更轻。
[0030]利用本发明提出的一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器进行采摘时，具体分为四步:
(1)首先果实采摘机器人通过双目视觉传感器捕捉果实三维图像，经过图像采集处理分析得到果实的视觉坐标系中的空间三维坐标位置，然后由机器人工控上位机计算通过坐标转换得出该点在机器人坐标系中的位置，并计算出采摘点相应的机器人关节角度反解，通过下位机及关节伺服驱动机械臂各关节联动，带动本发明运动到采摘位置点上，在此过程中本发明的气动平移夹持组件处于待采摘状态，即:双作用气缸14的活塞杆保持伸出状态，左手指21与右手指16处在间距最大，保证果实能够顺利进入；
(2)当目标果实进入左手指21与右手指16之间时，即末端执行器到达指定采摘点，通过控制双作用气缸14的电磁换向阀改变通气方向，驱动其活塞杆回缩，通过齿条与齿轮传动，左手指21与右手指16迅速相向平移夹牢果实；
(3)控制双作用气缸IIll的活塞杆开始动作，经过直线滑块线轨组件的导向和同步带与同步轮的传动，最终带动刀片19相对果柄发生旋转将其割断，在此过程中，双作用气缸14保持通气方向不变，左手指21与右手指[16]保持夹持状态；
(4)果实采摘机器人带动本发明运动到果实收集装置处，双作用气缸14通气方向发生改变，左手指21与右手指16张开，果实随即落入果实收集装置内，至此，末端执行器完成了对一个果实采摘的全部过程。
[0031]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器，其特征在于，包括气动平移夹持组件和气动转刀组件，所述气动平移夹持组件包括基板(1)、双作用气缸I (4)、气缸顶片(6)、后齿条连接板(8)、后齿条(5)、后导轨块(38)、后导轨条(39)、前齿条(12)、前导轨块(44)、前导轨条(45)、前齿条连接板(13)、前加强板(14)、右手指架板(15)、右手指(16)、后加强板(42)、左手指架板(31)、左手指(21)，所述气动转刀组件包括双作用气缸II (11)、气缸顶块(37)、同步带连接板(32)、直线滑块(36)、直线导轨(30)、同步带压块(33)、圆弧齿同步带(27)、前圆弧齿同步轮(26)、后圆弧齿同步轮(34)、后同步轮轴(35)、同步带张紧轴(28)、张紧轮(29)、刀架连接板(23)、刀架折弯板(22)、刀片(19)、压刀片(18)。
2.根据权利要求1所述的一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器，其特征在于，所述双作用气缸1(4)通过气缸支架(3 )固定设置在所述基板(I)上，所述双作用气缸I (4)的活塞杆与所述气缸顶片(6)采用螺母旋紧固定联接。
3.根据权利要求2所述的一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器，其特征在于，所述后加强板(42)、所述左手指架板(31)、所述左手指(21)、所述气缸顶片(6)、所述后齿条连接板(8)、所述后齿条(5)与所述后导轨条(39)通过螺纹联接为一整体构件，所述前齿条(12)、所述前导轨条(45)、所述前齿条连接板(13)、所述前加强板(14)、所述右手指架板(15)与所述右手指(16)通过螺纹联接为另一整体构件。
4.根据权利要求3所述的一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器，其特征在于，所述左手指(21)与所述右手指(16)的形状为球凹形，所述左手指(21)内侧的球凹面上胶接固定有左手指橡胶层(43)，所述右手指(16)内侧的球凹面上胶接固定有右手指橡胶层(17)。
5.根据权利要求4所述的一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器，其特征在于，所述前齿条(12)与所述后齿条(5 )通过齿轮(7 )联接，所述齿轮(7 )内部设置有相啮合的齿轮轴(10)，所述齿轮(7)与所述齿轮轴(10)之间设置有平键(9)进行联接。
6.根据权利要求1所述的一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器，其特征在于，所述基板(I)上还设置有轴承座(41)，所述轴承座(41)内部设置有两个深沟球轴承(40)，用来平稳支撑齿轮轴(10)的转动。
7.根据权利要求1所述的一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器，其特征在于，所述基板(I)上还固定设置有机械臂连接板(2)，所述机械臂连接板(2)上开有与机械臂腕部联接的螺纹孔及螺纹间隙孔，用来方便后期末端执行器与机械臂的对接组装。
8.根据权利要求1所述的一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器，其特征在于，所述双作用气缸II (11)固定设置于所述后齿条连接板(8)上，所述双作用气缸II (11)的活塞杆通过旋紧螺母与所述气缸顶块(37)固定联接，所述气缸顶块(37)、所述同步带连接板(32)与所述直线滑块(36)通过螺纹固定连接在一起，所述后同步轮轴(35)与所述同步带张紧轴(28)分别固定设置在所述左手指架板(31)上。
9.根据权利要求8所述的一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器，其特征在于，所述同步带压块(33)与所述同步带连接板(32)通过连接螺钉进行连接；通过旋紧所述同步带压块(33)与所述同步带连接板(32)的连接螺钉将所述圆弧齿同步带(27)压牢，防止所述圆弧齿同步带(27)相对所述同步带连接板(32)打滑。
10.根据权利要求9所述的一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器，其特征在于，所述前圆弧齿同步轮(26)通过十字槽螺钉(25)与所述刀架连接板(23)固定联接，所述刀架折弯板(22)上开有长条孔，使得其与所述刀架连接板(23)的相互重叠连接长度可调，即刀片的旋转半径可调，这样在一定程度上扩大了采摘果实大小的范围。
11.根据权利要求10所述的一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器，其特征在于，所述压刀片(18)采用十字槽螺钉固定设置在所述刀架折弯板(22)上，所述压刀片(18)通过两排紧定螺钉(20)将所述刀片(19)压紧在所述刀架折弯板(22)上，所述刀片(19)包括一前一后两片刀片。
【专利摘要】本发明公开了一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器，属于农业果蔬自动化采摘末端执行器开发技术领域。本发明包括气动平移夹持组件和气动转刀组件，所述气动平移夹持组件用来保证凹球面型夹持手指在双作用气缸的驱动下能够进行平移的相背和相向运动，实现对果实的夹持和松放的作业；气动转刀组件用来通过在一侧手指上安装带有气动驱动的旋转刀架，当两手指抱紧柑橘果实之后，刀片可以绕手指外廓进行270度左右的转动从而切断果柄。本发明具有结构简单、通用性强、构件轻、无污染的优点。
【IPC分类】A01D46-30
【公开号】CN104584785
【申请号】CN201510005950
【发明人】杨文亮, 冯虎, 郁汉琪, 史建俊, 童桂, 刘桂芝, 徐有峰
【申请人】南京工程学院
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月7日