类圆果蔬采摘末端执行器、方法及机器人的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种类圆果蔬采摘末端执行器、方法及机器人，所述末端执行器包括箱体、夹持机构以及剪切机构，所述箱体内设有电磁铁和电机；所述夹持机构包括弹性运动组件、固定块、左爪机械手指、右爪机械手指以及用于控制左爪机械手指和右爪机械手指张开角度的滑动约束圆盘，所述左爪机械手指和右爪机械手指穿过滑动约束圆盘，并分别通过销与固定块连接，所述固定块的两边分别设有使左爪机械手指和右爪机械手指活动的缺口；所述弹性运动组件的一端穿过电磁铁中心，另一端穿过固定块并与滑动约束圆盘固定连接，所述电机与剪切机构连接。本发明的末端执行器结构简单、使用方便，具有一定的果蔬采摘通用性，也体现了机械化发展的轻量化目的。
【专利说明】类圆果蔬采摘末端执行器、方法及机器人
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种果蔬采摘的末端执行器，尤其是一种类圆果蔬采摘末端执行器、方法及机器人，属于果蔬采摘领域。
【背景技术】
[0002]近年来农业机械自动化技术的发展迅速，而发展动力在于为提高原有农业作业的效率、降低农业生产的劳动强度和降低农业产品生产的成本。果蔬收获机器人是发展现代化农业生产的主要手段之一，而采摘机器人的末端执行器是直接作用于作业对象，因此采摘机器人的末端执行器必须能直接、有效地实现果蔬的摘取功能。然而，相对于当前水果种植业的迅速发展，国内外对采摘机器人的研究所取得的成果仍然比较少，而存在研究成果主要为一些简易的采摘机械手，其通用性较差，而体积较大、结构复杂，这样不仅存在机械手定制成本高的问题，还存在采摘时效低下等问题。而对于采摘机器人来说，与采用通用的末端执行器相比，对应各种作业选用专门的末端执行器可以大幅度减少成本、方便控制和简化结构。
[0003]而目前对采摘机器人的研究多处于理论仿真阶段或实验室的试验阶段，没有得到实际应用，这成为制约采摘机器人走向应用的瓶颈问题，而这也对采摘机器人机械自动化技术以及其末端执行器的研究提出了更高的要求。
【发明内容】
[0004]本发明的第一个目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种结构简单、使用方便，具有一定的果蔬采摘通用性的类圆果蔬采摘末端执行器。
[0005]本发明的第二个目的在于提供一种基于上述末端执行器的类圆果蔬采摘方法。
[0006]本发明的第三个目的在`于提供一种类圆果蔬采摘机器人。
[0007]本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0008]类圆果蔬采摘末端执行器，其特征在于:包括箱体、夹持机构以及剪切机构，所述箱体内设有电磁铁和电机；所述夹持机构包括弹性运动组件、固定块、左爪机械手指、右爪机械手指以及用于控制左爪机械手指和右爪机械手指张开角度的滑动约束圆盘，所述左爪机械手指和右爪机械手指穿过滑动约束圆盘，并分别通过销与固定块连接，所述固定块的两边分别设有使左爪机械手指和右爪机械手指活动的缺口 ；所述弹性运动组件的一端穿过电磁铁中心，另一端穿过固定块并与滑动约束圆盘固定连接，所述电机与剪切机构连接。
[0009]作为一种优选方案，所述弹性运动组件包括主轴、平行轴和联轴器，所述主轴套设有复位弹簧，所述主轴的一端穿过电磁铁中心，另一端通过联轴器与平行轴的一端连接，所述平行轴的另一端穿过固定块并与滑动约束圆盘中心垂直焊接成一个整体。
[0010]作为一种优选方案，所述剪切机构包括曲柄、摇杆和镰状刀具，所述镰状刀具通过曲柄和摇杆与箱体的顶部连接，所述摇杆位于镰状刀具的中后部，所述曲柄位于镰状刀具的后部并与电机的电机轴连接。[0011 ] 作为一种优选方案，所述镰状刀具采用弧形锯齿刀刃。
[0012]作为一种优选方案，所述左爪机械手指和右爪机械手指均为采用铝合金加工而成的网状半球形结构。
[0013]作为一种优选方案，所述左爪机械手指和右爪机械手指的内侧设有软橡胶套。
[0014]作为一种优选方案，所述主轴和联轴器位于箱体内，所述平行轴和固定块从箱体内延伸至箱体外，所述左爪机械手指和右爪机械手指的一端分别通过销与固定块在箱体外的部分连接，另一端在穿过滑动约束圆盘后整体形成用于夹持果蔬的结构。
[0015]作为一种优选方案，所述箱体一侧设有开孔，所述电磁铁安装在箱体内的底板上，所述电机安装在箱体内的顶板上，所述电磁铁和电机的导线穿过箱体一侧的开孔后与外部电源连接。
[0016]本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0017]类圆果蔬采摘方法，其特征在于包括以下步骤:
[0018]I)将平行于主轴和平行轴中线方向设为X轴方向，与箱体内的底板平行且与X轴方向垂直的方向设为Y轴方向，垂直于X轴、Y轴的方向设为Z轴方向；
[0019]2)电磁铁通电后，其产生的电磁引力拉动联轴器沿X轴负方向运动，使左爪机械手指和右爪机械手指分别张开，将待采摘的圆形或类圆形果蔬纳入左爪机械手指和右爪机械手指内；
[0020]3)电磁铁断电后，其产生的电磁引力消失，此时复位弹簧处于压缩状态，从而推动联轴器沿X轴正方向运动，使左`爪机械手指和右爪机械手指交叉合拢将圆形或类圆形果蔬夹紧，露出与圆形或类圆形果蔬相接的果梗；
[0021]4)电机通电后，带动曲柄在X轴、Y轴构成的XY平面上做震荡运动，从而带动镰状刀具来回运动对果梗进行切割。
[0022]本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0023]类圆果蔬采摘机器人，包括机器人本体结构以及固定在机器人本体结构上的双目摄像机构，其特征在于:所述机器人本体结构的机械手上安装有类圆果蔬采摘末端执行器。
[0024]本发明相对于现有技术具有如下的有益效果:
[0025]1、本发明的类圆果蔬采摘末端执行器结构简单、使用方便，具有一定的果蔬采摘通用性，也体现了机械化发展的轻量化目的。
[0026]2、本发明的类圆果蔬采摘末端执行器的滑动约束圆盘，能有效控制左爪机械手指和右爪机械手指作业时的张开角度，而电磁铁又能有效控制夹持果蔬时整个末端执行器的速度和力度，做到更安全的采摘果蔬，相比传统的机械末端执行器，有更容易控制、更安全的优点。
[0027]3、本发明的类圆果蔬采摘末端执行器的左爪机械手指和右爪机械手指均为采用由铝合金加工而成的网状半球形结构，且内侧设有软橡胶套，能有效采摘圆形或类圆形果蔬，同时能避免机械接触果蔬造成损伤。
[0028]4、本发明的类圆果蔬采摘末端执行器的镰状刀具采用的是弧形锯齿刀刃，相比普通的直型刀刃，能在任何形状和任何角度的作业目标果梗的情况下，切断果梗来达到目的。
【专利附图】
【附图说明】[0029]图1为本发明类圆果蔬采摘末端执行器立体结构示意图。
[0030]图2为本发明类圆果蔬采摘末端执行器侧面结构示意图。
[0031]图3为本发明类圆果蔬采摘末端执行器正面结构示意图。
[0032]图4为本发明类圆果蔬采摘末端执行器的镰状刀具结构示意图。
[0033]图5为本发明类圆果蔬采摘机器人在进行实验时的结构示意图。
[0034]其中，1-箱体，2-电磁铁，3-电机，4-开孔，5-固定块，6_左爪机械手指，7_右爪机械手指，8-滑动约束圆盘，9-主轴，10-平行轴，11-联轴器，12-缺口，13-曲柄，14-摇杆，15-键状刀具，16-果蔬，17-果梗，18-机器人本体结构，19-双目摄像机构，20-试验平台。【具体实施方式】
[0035]实施例1:
[0036]如图1-图3所示，本实施例的类圆果蔬采摘末端执行器，包括箱体1、夹持机构以及剪切机构，所述箱体I内的底板安装有电磁铁2，顶板安装有电机3，所述箱体I 一侧设有开孔4，所述电磁铁2和电机3的导线穿过箱体I 一侧的开孔4后与外部电源连接；所述夹持机构包括弹性运动组件、固定块5、左爪机械手指6、右爪机械手指7以及滑动约束圆盘8，所述弹性运动组件包括主轴9、平行轴10和联轴器11，所述主轴9套设有复位弹簧，所述主轴9的一端穿过电磁铁2中心，另一端通过联轴器11与平行轴10的一端连接，所述平行轴10的另一端穿过固定块5并与滑动约束圆盘8中心垂直焊接成一个整体；所述主轴9和联轴器11位于箱体I内，所述平行轴10和固定块5从箱体I内延伸至箱体I外，所述左爪机械手指6和右爪机械手指7的一端分别通过销与固定块5在箱体I外的部分连接，另一端在穿过滑动约束圆盘8后整体形成用于夹持果蔬16的结构，所述固定块5的两边分别设有使左爪机械手指6和右爪机械手指7活动的缺口 12 ;所述剪切机构包括曲柄13、摇杆14和镰状刀具15，所述镰状刀具15通过摇杆14和曲柄13与箱体I的顶部连接，所述摇杆14位于镰状刀具15的中后部，所述曲柄13位于镰状刀具15的后部并与电机3的电机轴连接。
[0037]在本实施例中，将平行于主轴9和平行轴10中线方向设为X轴方向，与箱体I内的底板平行且与X轴方向垂直的方向设为Y轴方向，垂直于X轴、Y轴的方向设为Z轴方向。
[0038]所述箱体I用于支撑整个末端执行器，并且起到保护机械末端执行器重要部件的作用。
[0039]所述电磁铁2用于通过主轴9拉动或推动联轴器11，使左爪机械手指6和右爪机械手指7张开或合拢，并保持预定的频率，能有效控制夹持果蔬16时整个末端执行器的速度和力度，做到更安全的采摘果蔬16。
[0040]所述电机3用于带动曲柄13在在X轴、Y轴构成的XY平面上做震荡运动，从而带动镰状刀具15来回运动切割果梗17。
[0041]所述固定块5是用于稳定平行轴10，以保证平行轴10可以进行平稳的伸缩工作并且在长时间作业后不会与箱体I有相对位移。
[0042]所述左爪机械手指6和右爪机械手指7均为采用铝合金加工而成的网状半球形结构，用于夹持作业目标果蔬16，并且在夹持的过程中保证其原有形状，左爪机械手指6和右爪机械手指7的内侧(即与果蔬16接触处)设有软橡胶套，可以使采摘到的果蔬16不受损伤，很好地保护了易损、娇嫩果实。[0043]所述滑动约束圆盘8用于控制左爪机械手指6和右爪机械手指7张开角度(即夹持果蔬16时的运动角度)，在可调整角度的情况下保持最佳夹持效果。
[0044]所述主轴9套设的复位弹簧用于在左爪机械手指6和右爪机械手指7作业结束后，联动主轴9使左爪机械手指6和右爪机械手指7稳定的夹持住果蔬16，并还原主轴9在夹持果蔬16前的状态。
[0045]所述平行轴10固定在滑动约束圆盘8上，用于使左爪机械手指6和右爪机械手指7在作业的伸缩移动中保持预定轨迹。
[0046]所述联轴器11用于固定主轴9和平行轴10，使主轴9和平行轴10协调工作，保持作业频率。
[0047]所述曲柄13用于连接镰状刀具15，使镰状刀具15与电机3形成联动作用；所述摇杆14用于支撑镰状刀具15，使镰状刀具15保持正常位置工作。
[0048]如图4所示，所述镰状刀具15用于切割果梗17，其采用弧形锯齿刀刃，相比普通的竖型刀刃，能在任何形状和任何角度的作业目标果梗17的情况下，切断果梗17来达到目的。
[0049]如图1-图3所示，本实施例的类圆果蔬采摘末端执行器的工作原理，如下:
[0050]I)电磁铁2通电后,其产生的电磁引力拉动联轴器11沿X轴负方向运动,使左爪机械手指6和右爪机械手指7分别张开，将待采摘的圆形或类圆形果蔬16纳入左爪机械手指6和右爪机械手指7内；
[0051]2)电磁铁2断电后，其产生的电磁引力消失，此时复位弹簧处于压缩状态，从而推动联轴器11沿X轴正方向运动，使左爪机械手指6和右爪机械手指7交叉合拢将圆形或类圆形果蔬16夹紧，这样能达到适形夹持的效果，露出与圆形或类圆形果蔬16相接的果梗17 ；
[0052]3)电机3通电后，带动曲柄13在X轴、Y轴构成的XY平面上做震荡运动,从而带动镰状刀具15来回运动对果梗17进行切割。
[0053]实施例2:
[0054]如图5所示，本实施例的类圆果蔬采摘机器人包括机器人本体结构18以及固定在机器人本体结构18上的双目摄像机构19，所述机器人本体结构18的机械手上安装有上述实施例1的末端执行器，现对试验平台20上的圆形果蔬16进行抓取和切割实验。
[0055]本实施例的类圆果蔬采摘机器人进行实验过程中的工作原理为:
[0056]为了实现对不同类型的圆形果实16进行准确抓住和摘取，通过将圆形果蔬16放置在试验平台20上，然后利用双目摄像机构19采集试验平台20上的果蔬16图像，通过视觉定位确定目标果蔬16质心的空间坐标，反馈给机器人本体结构18，机器人本体结构18通过机械手运动到定位的位置，利用末端执行器进行果实16的抓取和果梗17的切割。
[0057]本发明的末端执行器给采摘机器人在自然环境下进行不同类型的圆形果蔬的抓取和采摘提供技术手段；同时该末端执行器为工业机器人、野外作业机器人对圆形目标的抓取实现机构的轻量化提供了理论指导和技术支持。
[0058]以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
【权利要求】
1.类圆果蔬采摘末端执行器，其特征在于:包括箱体、夹持机构以及剪切机构，所述箱体内设有电磁铁和电机；所述夹持机构包括弹性运动组件、固定块、左爪机械手指、右爪机械手指以及用于控制左爪机械手指和右爪机械手指张开角度的滑动约束圆盘，所述左爪机械手指和右爪机械手指穿过滑动约束圆盘，并分别通过销与固定块连接，所述固定块的两边分别设有使左爪机械手指和右爪机械手指活动的缺口 ；所述弹性运动组件的一端穿过电磁铁中心，另一端穿过固定块并与滑动约束圆盘固定连接，所述电机与剪切机构连接。
2.根据权利要求1所述的类圆果蔬采摘末端执行器，其特征在于:所述弹性运动组件包括主轴、平行轴和联轴器,所述主轴套设有复位弹簧,所述主轴的一端穿过电磁铁中心，另一端通过联轴器与平行轴的一端连接，所述平行轴的另一端穿过固定块并与滑动约束圆盘中心垂直焊接成一个整体。
3.根据权利要求1所述的类圆果蔬采摘末端执行器，其特征在于:所述剪切机构包括曲柄、摇杆和镰状刀具，所述镰状刀具通过曲柄和摇杆与箱体的顶部连接，所述摇杆位于镰状刀具的中后部，所述曲柄位于镰状刀具的后部并与电机的电机轴连接。
4.根据权利要求1所述的类圆果蔬采摘末端执行器，其特征在于:所述镰状刀具采用弧形锯齿刀刃。
5.根据权利要求1所述的类圆果蔬采摘末端执行器，其特征在于:所述左爪机械手指和右爪机械手指均为采用铝合金加工而成的网状半球形结构。
6.根据权利要求1所述的类圆果蔬采摘末端执行器，其特征在于:所述左爪机械手指和右爪机械手指的内侧设有软橡胶套。
7.根据权利要求2所述的类圆果蔬采摘末端执行器，其特征在于:所述主轴和联轴器位于箱体内，所述平行轴和固定块从箱体内延伸至箱体外，所述左爪机械手指和右爪机械手指的一端分别通过销与固定块在箱体外的部分连接，另一端在穿过滑动约束圆盘后整体形成用于夹持果蔬的结构。
8.根据权利要求1所述的类圆果蔬采摘末端执行器，其特征在于:所述箱体一侧设有开孔，所述电磁铁安装在箱体内的底板上，所述电机安装在箱体内的顶板上，所述电磁铁和电机的导线穿过箱体一侧的开孔后与外部电源连接。
9.类圆果蔬采摘方法，其特征在于包括以下步骤: .1)将平行于主轴和平行轴中线方向设为X轴方向，与箱体内的底板平行且与X轴方向垂直的方向设为Y轴方向，垂直于X轴、Y轴的方向设为Z轴方向； .2)电磁铁通电后，其产生的电磁引力拉动联轴器沿X轴负方向运动，使左爪机械手指和右爪机械手指分别张开，将待采摘的圆形或类圆形果蔬纳入左爪机械手指和右爪机械手指内； .3)电磁铁断电后，其产生的电磁引力消失，此时复位弹簧处于压缩状态，从而推动联轴器沿X轴正方向运动，使左爪机械手指和右爪机械手指交叉合拢将圆形或类圆形果蔬夹紧，露出与圆形或类圆形果蔬相接的果梗； .4)电机通电后，带动曲柄在X轴、Y轴构成的XY平面上做震荡运动，从而带动镰状刀具来回运动对果梗进行切割。
10.类圆果蔬采摘机器人，包括机器人本体结构以及固定在机器人本体结构上的双目摄像机构，其特征在于:所述机器人本体结构的机械手上安装有类圆果蔬采摘末端执行器。
【文档编号】A01D46/24GK103548496SQ201310495296
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】熊俊涛, 孙宝霞, 邹湘军, 林桂潮, 王广记, 钟伟奇, 陈景兴, 黎垣昌 申请人:华南农业大学