串型水果采摘机器人的末端执行器的制作方法

本发明涉及水果采摘机器人领域，特别是涉及一种串型水果采摘机器人的末端执行器。

背景技术：

我国是葡萄、荔枝等串型水果的重要生产国，但目前这些鲜食水果的收获基本靠人工采摘，劳动强度大，且采摘费用约占生产成本的50％-70％。随着我国人口老龄化加剧和青壮年劳动力的减少，水果低损、及时采收成为果农面临的难题。机器人在采摘串型水果时，需先通过视觉等传感器将果串从复杂的果园环境中识别出来，然后再根据果实空间信息进行采摘。因串型水果通常是簇生，且体积和重量大而果梗杆茎小，如何能够在不损伤果实的前提下完成串型水果采摘是采摘机器人设计的一个难点，末端执行器作为采摘机器人与采摘目标直接接触的机构，被认为是采摘机器人的核心技术之一。

现在国内外对串型水果采摘机器人末端执行器的研发较少，而且制作成本较高，对环境的适应能力有限。另外，果串果肉脆弱柔软的特点对采摘机器人末端执行器的研发提出更高的要求。因此，开发和设计串型水果采摘机器人末端执行器对实现水果采摘作业的机械化、自动化和智能化以及改善农业生产环境、促进我国农业科技进步和加速农业现代化进程有着重大意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在不损伤果实的前提下完成串型水果采摘的机器人末端执行器。

为此，本发明的技术方案如下：

一种串型水果采摘机器人的末端执行器，包括一端开口的外壳、一端固装在该外壳内的剪断机构、一端固装在该外壳内的夹持机构以及安装在所述外壳下部的托举机构；所述夹持机构用于夹持所述串型水果的果梗，并在夹持果梗的压力达到能夹紧果串的预设值时，触发所述托举机构托住所述串型水果；所述托举机构根据其角度变化判断是否托举到位，并在成功托举串型水果启动所述剪断机构剪断串型水果的果梗。

所述剪断机构包括第1底座、安装在该第1底座上的剪刀支撑件、安装在剪刀支撑件上的一对相互啮合的不完全齿轮连接件、安装在一个所述不完全齿轮连接件上的舵盘、与所述舵盘传动连接的剪断舵机以及剪刀本体和一对剪刀连接件，所述剪刀本体由一对动刃组成，该对动刃的一端端部铰接在所述底座的边缘，另一端伸出于所述外壳，每个所述剪刀连接件的一端各与一个所述不完全齿轮连接件铰接，另一端各与一个所述动刃铰接，所述剪断舵机带动舵盘、不完全齿轮连接件和剪刀连接件转动，进而带动一对动刃进行旋转剪切运动。优选的是，在所述第1底座上安装有一舵机支架，所述剪断舵机安装在所述舵机支架上。

所述夹持机构包括第2底座、水平安装在第2底座前端面的导轨、间隔安装在导轨上的一对滑块、分别安装在每个滑块上的一个夹指连接件、中部铰接在该第2底座上的舵盘连接件、一对连接件、一对T形连接件、一对夹指以及夹持舵机，一对连接件的一端分别与舵盘连接件的两端铰接，另一端分别与一对T形连接件的一端铰接，所述一对T形连接件的另一端分别通过一夹指连接件固装在一滑块上；在一对所述夹指的相对一侧安装有用于检测夹持机构夹持果梗的压力的压力传感器；每个所述夹指的一端分别固装在一个夹指连接件上，所述夹持舵机带动舵盘连接件、连接件转动，进而带动T形连接件和夹指沿导轨做平移运动。

优选的是，在一对所述夹指的相对一侧各安装有一钢片，在每个所述钢片上各安装有一橡胶垫，所述压力传感器安装于所述钢片和夹指之间。另外，所述夹持舵机安装在第2底座的下部。

所述托举机构包括L形连接件、舵机底座连接件、舵机底座、托盘、舵机连接件、托举舵机和角度传感器，所述L形连接件的上端固装在所述外壳上，另一端与舵机底座连接件一端固装，舵机底座连接件的另一端固装在托举舵机上；所述舵机连接件的一端铰接在托举舵机上，舵机连接件的另一端上固装所述托盘；所述角度传感器的本体安装于连接件上，角度传感器的轴固装于托举舵机上；所述舵机带动所述舵机连接件，进而带动所述托盘做回转运动。

优选的是，所述外壳由上壳和下壳构成一端开口的盒状，所述第1底座和第2底座的一端分别通过螺栓固装在所述外壳内。

本发明的串型水果采摘机器人的末端执行器具有以下有益效果：

(1)该末端执行器具有托举机构，可以托住果串，从而阻止了果串的滑落，防止果串摔伤，保证采摘质量。

(2)该末端执行器的夹持机构使用联动连杆机构，带动滑块和夹指在导轨上做平移运动来实施夹持操作，其结构简单，噪音小，运动平稳。

(3)该末端执行器在夹指上安装有压力传感器来检测夹紧力，确保夹紧机构能夹紧果串，同时通过角度传感器感知托盘的托举位置，确保托盘能托住果串，通过使用多传感器、多机构协调联动作业实现了果串的无损采摘。

附图说明

图1为本发明串型水果采摘机器人末端执行器的结构示意图；

图2为本发明串型水果采摘机器人末端执行器的剪断机构的结构示意图；

图3为本发明串型水果采摘机器人末端执行器的夹持机构的结构示意图；

图4为本发明串型水果采摘机器人末端执行器的托举机构的结构示意图；

图5为本发明串型水果采摘机器人末端执行器的控制系统示意图。

图中，

1、外壳；2、剪断机构；3、夹持机构；4、托举机构；5、剪刀本体；6、剪刀连接件；7、舵机支架；8、不完全齿轮连接件；9、剪断舵机；10、舵盘；11、剪刀支撑件；12、连接件；13、T形连接件；14、夹指；15、钢片；16、橡胶垫；17、夹指连接件；18、滑块；19、导轨；20、夹持舵机；21、舵盘连接件；22、第2底座；23、L形连接件；24、舵机底座连接件；25、舵机底座；26、托盘；27、舵机连接件；28、托举舵机；29、角度传感器；30、第1底座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的串型水果采摘机器人的末端执行器的结构进行详细说明。

参见图1-图4，本发明的串型水果采摘机器人的末端执行器包括外壳1、剪断机构2、夹持机构3和托举机构4。

所述剪断机构2包括第1底座30、安装在第1底座30上的剪刀支撑件11、安装在剪刀支撑件11上的一对相互啮合的不完全齿轮连接件8、安装在一个不完全齿轮连接件8上的舵盘10、与舵盘10传动连接的剪断舵机9以及剪刀本体5和一对剪刀连接件6。所述剪刀本体5由一对动刃组成，该对动刃的一端端部铰接在第1底座30的边缘，另一端伸出于所述外壳1，每个所述剪刀连接件6的一端各与一个所述不完全齿轮连接件8铰接，另一端各与一个所述动刃铰接，所述剪断舵机9带动舵盘10、不完全齿轮连接件8和剪刀连接件6转动，进而带动一对动刃进行旋转剪切运动。

在第1底座30上安装有一舵机支架7，所述剪断舵机9安装在舵机支架7上。剪断机构2的一端置于外壳1内部，由剪断舵机9驱动不完全齿轮连接件8，带动连接件6运动，进而使外壳1外部的剪刀本体5做剪切运动。

所述夹持机构3包括第2底座22、水平安装在第2底座22前端面的导轨19、间隔安装在导轨19上的一对滑块18、分别安装在每个滑块18上的一个夹指连接件17、中部铰接在该第2底座31上的舵盘连接件21、一对连接件12、一对T形连接件13、一对夹指14以及夹持舵机20，一对连接件12的一端分别与舵盘连接件21的两端铰接，另一端分别与一对T形连接件13的一端铰接。

所述一对T形连接件13的另一端分别通过一夹指连接件17固装在一滑块18上；在一对夹指14的相对一侧安装有用于检测夹持机构夹持果梗的压力的压力传感器(图中未示)；每个所述夹指14的一端分别固装在一个夹指连接件17上。夹持舵机20带动舵盘连接件21、连接件12转动，进而带动T形连接件13和夹指14沿导轨19做平移运动。

如图所示，在一对夹指14的相对一侧各安装有一钢片15，在每个所述钢片15上各安装有一橡胶垫16，在每侧的钢片15和夹指14之间各安装有一压力传感器。在图中所示的实施例中，所述夹持舵机20安装在第2底座22的下部。

所述托举机构4包括L形连接件23、舵机底座连接件24、舵机底座25、托盘26、舵机连接件27、托举舵机28和角度传感器29。所述L形连接件23的上端固装在外壳1上，另一端与舵机底座连接件24一端固装，舵机底座连接件24的另一端固装在托举舵机28上；所述舵机连接件27的一端铰接在托举舵机28上，舵机连接件27的另一端上固装托盘26；所述角度传感器29本体安装于连接件27上，角度传感器29的轴固装于托举舵机28上，确切地说，角度传感器29的轴与连接件27的铰接轴安装在一起。舵机28带动舵机连接件27转动，进而带动托盘26做回转运动，在此过程中角度传感器感知转过的角度。

另外，外壳1由上壳和下壳构成一端开口的盒状，第1底座30和第2底座22的一端分别通过螺栓固装在外壳1内。

虽然图中所示托盘为带有边框的水平网状，可以理解，为了防止果串滑落，还可以在该托盘边框的四周增加围栏或挡板。

图5所示为本发明串型水果采摘机器人末端执行器的控制系统示意图。此系统以Arduino微处理器为中心，通过舵机驱动末端执行器工作。压力传感器用来检测夹持机构夹持果梗的压力，当夹紧力达到能夹住果串的预设值后，通过反馈控制电路驱动托举机构4工作；角度传感器29用于检测舵机28带动托盘26做回转运动时所转动的角度，用于控制托盘对果串的托举，当托盘运动至预设值以后，通过反馈控制电路驱动剪断机构2工作，将果梗剪断，完成果串采摘。

本发明的末端执行器中，各机构结构均可采用轻质的材料设计制造，以求有效减轻末端执行器的自身重量。

利用该执行器进行采摘的过程如下：

本发明使用Arduino微控制器对末端执行器进行控制。末端执行器安装在6自由度机械臂上，采摘时，夹持机构3中的夹持舵机20通电工作，驱动舵盘连接件21做旋转运动，带动连接件12运动，使T形连接件13、滑块18及夹指14在导轨19上做平移运动，使得夹指14夹紧果梗，夹持果梗时，压力传感器实时的检测夹持力，并将检测到的压力实时反馈Arduino微控制器。当达到预设夹紧压力时，停止夹持舵机20的工作，然后给托举舵机28供电，驱动其工作，舵机带动托盘26做回转运动，使得托盘从后下方托举果串，防止果串抖动并承担一定重力，这时角度传感器29实时检测舵机回转的角度，当托盘回转角度达到预设值时，即果串已被托举，此时舵机28停止，再给剪断舵机9供电，通过剪断舵机9驱动不完全齿轮联动连杆机构工作，带动剪刀连接件6运动，使外壳1外部的剪刀本体5做剪切运动，切断果梗，最终实现对果串的夹紧-托举-剪切作业，完成摘取作业。