专利名称：球形果实采摘机器人末端执行器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及采摘机器人领域，特别涉及一种球形果实采摘机器人末端执行器及其控制方法。
背景技术：
一般苹果、柑橘、番茄等球形果实的机械化采摘，用振动使植株上的果实掉落，甚至大面积拔除的方法，无法针对果实的具体成熟、大小等差异，致使果实的品质受到很大损害。利用采摘机器人进行自动采摘中，必须由与机器人的机械手腕部相连的末端执行器执行果实的采摘任务，国外在这一领域开展了一定研究，如日本N.Kondo等在“End-Effectors forTomato Harvesting Robot”(Artificial Intelligence Review 1211-25，1998.)一文中介绍了番茄采摘机器人末端执行器，可以抓住番茄并扭断果梗，但扭断果梗时手指对果实的夹持力较大，往往造成果实的损伤甚至破裂，且其只能用于番茄的采摘。日本D.M.Bulanon等在“DETERMINING THE 3-D LOCATION OF THE APPLE FRUIT DURING HARVEST.”(Proceedings of the ASAE 7-8 October 2004 Conference91-97.)一文中介绍的苹果采摘机器人末端执行器，用两指抓住并扭断苹果的梗，但没有反馈控制，无法适应不同果实与梗的连接力变化，只能适用于特定生长期苹果的采摘。
由于不同果实的形状、尺寸、物理特性差异明显，以上所见采摘机器人末端执行器都是为了特定果实的采摘而设计，其机械本体结构具有明显的专用性特征，控制系统采用特定的控制器，专用和封闭性极强，很难通用和扩展。果蔬种植的品种丰富，收获季节性较强，造成每一专用型采摘机器人末端执行器利用效率较低，而收获不同果蔬必须设计和更换相应的末端执行器，对生产者而言造成极大的成本负担。
发明内容
为了克服现有采摘方法和装置的不足，本发明提供一种球形果实采摘机器人末端执行器及其控制方法，可以实现球形果实的采摘。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是由真空发生器产生真空，通过齿轮齿条机构带动真空波纹吸盘吸住目标果实并拉动其脱离果束；由双向螺旋机构完成两夹持手指的开合，通过手指中央设置的通槽引导果梗进入激光聚焦透镜的聚焦方位，由激光器和聚焦透镜完成果梗的切断。由基于笔记本电脑和多轴运动控制卡的开放式控制系统实现对末端执行器的控制。
本发明的有益效果是，作为采摘机器人的末端执行装置，结构新颖，控制系统轻便灵活，开放型强，易于扩展，可以顺利实现番茄、苹果、柑橘等球形果实的采摘，具有很好的通用性。
图1为球形果实采摘机器人末端执行器执行系统的结构示意图，图2为上部手指的导槽结构图，图3为控制系统示意图。
图1中1.橡胶，2.上部手指，3.双向螺杆，4.激光聚焦透镜，5.固定夹，6.导向杆，7.光纤耦合半导体激光器，8.真空发生器，9.电机，10.锥齿轮，11.锥齿轮，12.齿条，13.齿轮，14.电机，15.下部手指，16.吸盘。
具体实施例方式
球形果实采摘机器人末端执行器由执行系统和控制系统组成，其中执行系统(如图1)包括真空吸盘机构、手指夹持机构和激光切断机构。真空吸盘机构包括真空发生器(8)、吸盘(16)、电机(14)、齿轮(13)和齿条(12)，吸盘(16)固定于齿条(12)前端，并通过真空管与真空发生器(8)相连，齿轮(13)安装于电机(14)轴上。
手指夹持机构包括上部手指(2)、下部手指(15)、橡胶(1)、双向螺杆(3)、导向杆(6)、电机(9)、锥齿轮(10)和锥齿轮(11)，上部手指(2)、下部手指(15)为圆弧面，内侧贴有橡胶(1)，以稳定可靠地抓取果实；双向螺杆(3)上具有左旋和右旋两段螺纹，分别与上部手指(1)和下部手指(15)组成螺旋传动；上部手指(2)和橡胶(1)上开有图2所示通槽；上部手指(1)和下部手指(15)之间安装导向杆(6)，上部手指(1)和下部手指(15)沿导向杆(6)滑动，导向杆(6)对手指的平行运动起到导向和稳定作用；锥齿轮(11)安装于双向螺杆(3)的伸出端，锥齿轮(10)安装于电机(9)的轴上。
激光切断机构包括光纤耦合半导体激光器(7)、激光聚焦透镜(4)和固定夹(5)，激光聚焦透镜(4)由固定夹(5)固定于末端执行器的壳体上，并通过光纤与光纤耦合半导体激光器(7)相连。
由真空发生器(8)产生真空，电机(14)驱动齿轮(13)转动，使齿条(12)带动与之固定的吸盘(16)沿直线方向前进，吸住果实并后退一定距离，拉动果实脱离果束；电机(9)通过锥齿轮(10)、锥齿轮(11)的传动，带动双向螺杆(3)转动，从而使上部手指(2)和下部手指(15)合拢，抓住果实。上部手指(2)和橡胶(1)上的图2所示通槽，引导果梗进入激光聚焦透镜(4)的聚焦方位，从而使激光聚焦透镜(4)对准果梗。由光纤耦合半导体激光器(7)产生高能激光束，经激光聚焦透镜(4)聚焦于果梗上，将果梗切断。对于番茄、苹果、柑橘等球形果实，该执行系统具有较好的通用性。
以笔记本电脑+多轴运动控制卡为上位控制单元，构建开放式控制系统(图3)。与工控机和台式机相比，笔记本电脑占用空间小、重量轻，无需交流电源，更适合于移动采摘机器人和末端执行器的控制。笔记本电脑与多轴运动控制卡之间以USB方式进行通讯，方便连接和断开；多轴运动控制卡内置DSP数字信号处理器，与笔记本电脑CPU构成主从式双CPU控制模式，笔记本电脑CPU方便编程和实时监控，多轴运动控制卡可以脱开笔记本电脑，作为运动控制器独立运行，使采摘机器人及末端执行器工作更为简便、灵活。
在末端执行器的手指、腕部等部位分布有一定数量的传感器，所有传感器信号通过I/O口输入多轴运动控制卡，同时通过多轴运动控制卡的I/O口输出控制信号，构成反馈控制系统。传感器包括远(近)距离传感器、接近传感器、力传感器、光电开关等，用于实时采集末端执行器外部的信息，而压力传感器用于反馈真空吸盘机构的负压信息，电机编码器用于反馈电机(9)和电机(14)的位置和速度信息；输出控制信号通过驱动器的信号放大，用于电机(9)、电机(14)的控制，实现手指夹持机构和真空吸盘机构的力与运动的精确控制，并通过电磁阀控制真空发生器(8)的开闭、通过继电器控制光纤耦合半导体激光器(7)的开闭，按照一定的顺序执行动作，完成果实的采摘。
该控制系统开放、灵活、功能强大、易于扩展和与机器人本体控制器进行通讯。对于番茄、苹果、柑橘等球形果实，通过传感信息的反馈控制，可以适应番茄、苹果、柑橘等不同球形果实的采摘要求。
权利要求
1.一种球形果实采摘机器人末端执行器，其特征在于球形果实采摘机器人末端执行器由执行系统和控制系统组成，其中执行系统包括真空吸盘机构、手指夹持机构和激光切断机构。真空吸盘机构包括真空发生器(8)、吸盘(16)、电机(14)、齿轮(13)和齿条(12)，吸盘(16)固定于齿条(12)前端，并通过真空管与真空发生器(8)相连，齿轮(13)安装于电机(14)轴上；手指夹持机构包括上部手指(2)、下部手指(15)、双向螺杆(3)、电机(9)、锥齿轮(10)和锥齿轮(11)，上部手指(2)、下部手指(15)为圆弧面；双向螺杆(3)上具有左旋和右旋两段螺纹，分别与上部手指(1)和下部手指(15)组成螺旋传动；锥齿轮(11)安装于双向螺杆(3)的伸出端，锥齿轮(10)安装于电机(9)的轴上；激光切断机构包括光纤耦合半导体激光器(7)、激光聚焦透镜(4)和固定夹(5)，激光聚焦透镜(4)由固定夹(5)固定于末端执行器的壳体上，并通过光纤与光纤耦合半导体激光器(7)相连。
2.根据权利要求1所述的球形果实采摘机器人末端执行器，其特征在于手指内侧贴有橡胶(1)。
3.根据权利要求2所述的球形果实采摘机器人末端执行器，其特征在于上部手指(2)和橡胶(1)上开有示通槽；上部手指(1)和下部手指(15)之间安装导向杆(6)。
4.根据权利要求1所述的球形果实采摘机器人末端执行器，其特征在于上部手指导槽前端为锥形。
5.根据权利要求1所述的球形果实采摘机器人末端执行器的控制方法，其特征在于由开放式控制系统通过传感器信息的反馈，在果实的吸附拉动和加紧动作中，通过上部手指导槽引导进入激光聚焦透镜的聚焦方位，完成果梗的切断；其中开放式控制系统中由笔记本电脑和多轴运动控制卡组成上位控制单元，多轴运动控制卡完成所有传感器信号的采集和控制信号的输出，多轴运动控制卡与笔记本电脑以USB方式通讯。
全文摘要
一种球形果实采摘机器人末端执行器及其控制方法，涉及采摘机器人领域。两电机分别带动手指的开合和吸盘的进退，激光聚焦透镜通过固定夹与末端执行器壳体固定，通过手指中央设置的通槽引导果梗进入激光聚焦透镜的聚焦方位，由激光器和聚焦透镜完成果梗的切断。由基于笔记本电脑和多轴运动控制卡的开放式控制系统实现对末端执行器的控制，笔记本电脑与多轴运动控制卡之间以USB方式进行通讯，控制电机的运动和真空系统、激光系统的开闭。本发明结构新颖，控制系统轻便灵活，开放性强，易于扩展，可以顺利实现番茄、苹果、柑橘等球形果实的采摘，具有很好的通用性。
文档编号B25J9/10GK101019485SQ20071002050
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月6日 优先权日2007年3月6日
发明者刘继展, 李萍萍, 李智国, 尹建军, 毛罕平 申请人:江苏大学