采摘机器人末端执行器的制作方法

本涉及机器人技术领域，具体涉及一种采摘机器人末端执行器。

背景技术：

20世纪90年代以来，以日光温室为代表的、人工措施创造适宜作物生长所需光热条件、打破传统季节性限制的设施蔬菜在我国北方地区得到了迅速的普及，为蔬菜的提早或延后收获、全年无间歇收获以及农事活动的连续性提供了可能。日光温室的大范围推广，大幅度提高了土地的复种指数和财富贡献率，为确保蔬菜的淡季供应，蔬菜市场供求季节性波动、增加农民收入、提高人们生活水平提供了有效途径，在这其中设施茄子表现尤为明显，设施茄子作为设施蔬菜种植产品之一，得到了大范围种植。

农业生产过程中，作物果蔬的采摘是生产链中最耗时、费力的一个环节。采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高，因此保证农产品适时采收、降低收获作业费用是农业增收的重要途径。由于采摘作业过程较为复杂，涉及采摘对象的识别、图像处理、空间定位、路径规划以及所需的无损采摘等，其所需技术集成度和智能化要求较高，难度较大，目前国内作物采摘的自动化程度仍然很低，多采用人工采摘，采摘费用高达生产成本的50％-70％。

在实现本实用新型实施例的过程中，实用新型人发现目前在设施茄子收获过程中，机器人结构较复杂，成本较高，机器人灵活性不足，自动化程度有待提高。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本用以解决现有技术的机器人结构复杂、 成本较高，机器人灵活性不足，自动化程度较低的问题。

本提供了一种采摘机器人末端执行器，包括：机架以及安装在所述机架上的动力输出装置、动力传递装置和末端执行装置，其中：

所述动力传递装置包括：丝杆、丝杆螺母、导杆以及推杆；

所述丝杆的第一端与支架活动连接，第二端与所述动力输出装置的输出轴连接；所述丝杆螺母套设在所述丝杆上，所述导杆固定在所述丝杆螺母上，所述推杆与所述丝杆螺母连接；

所述末端执行装置包括：剪刀和连杆；

所述剪刀的转动支点固定在所述支架上，所述连杆分别与所述剪刀的剪柄和所述推杆连接。

可选的，所述连杆包括：第一连杆和第二连杆；

所述第一连杆的第一端与所述剪刀的第一剪柄铰接；

所述第二连杆的第一端与所述剪刀的第二剪柄铰接；

所述第一连杆和所述第二连杆的第二端均与所述推杆铰接。

可选的，所述第一连杆和所述第二连杆的第二端均铰接在所述推杆的同一位置。

可选的，当剪刀张开到限位位置时，所述第一连杆和所述第二连杆位于同一条直线上。

可选的，所述第一连杆和所述第二连杆结构相同。

可选的，所述剪刀的剪柄弧形。

可选的，所述动力输出装置包括：步进电机和联轴器；

所述步进电机的输出轴通过联轴器与所述丝杆连接。

可选的，所述丝杆上设置有螺纹部，所述丝杆螺母套设在所述螺纹部上。

可选的，所述剪刀张开或者闭合的限位小于所述螺纹部的长度。

可选的，所述丝杆为单线丝杆。

由上述技术方案可知，本提出的一种采摘机器人末端执行器结构 简单零件少，拆卸方便，大大方便了用户使用和降低用户使用成本，而且还具有采摘操作灵活性和采摘效率高的优点。。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本实用新型的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本实用新型进行任何限制，在附图中：

图1示出了本一实施例提供的一种采摘机器人末端执行器的结构示意图；

图2a和图2b示出了本一实施例提供的一种采摘机器人末端执行器的初步设计的结构示意图；

图3示出了本一实施例提供的末端执行装置的结构示意图；

图4示出了本一实施例提供的末端执行装置的阻力分析示意图；

图5示出了本一实施例提供的连杆对剪刀作用力分析示意图；

图6示出了本一实施例提供的动力传递装置的结构的简化示意图；

图7示出了本一实施例提供的单侧剪刀的受力分析示意图；

图8示出了本一实施例提供的推杆的受力分析示意图；

其中，1、剪刀；2、销轴；3、连杆；4、推杆；5、丝杆；6、导杆；7、丝杆螺母；8、联轴器；9、步进电机；10、机架。

具体实施方式

为使本实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本保护的范围。

图1示出了本一实施例提供的一种采摘机器人末端执行器的结构 示意图，参见图1，该执行器包括：机架10以及安装在所述机架上的动力输出装置、动力传递装置和末端执行装置，其中：

所述动力传递装置包括：丝杆5、丝杆螺母7、导杆6以及推杆4；

所述丝杆5的第一端与支架10活动连接，第二端与所述动力输出装置的输出轴连接；所述丝杆螺母7套设在所述丝杆5上，所述导杆6固定在所述丝杆螺母7上，所述推杆4与所述丝杆螺母7连接；

所述末端执行装置包括：剪刀1和连杆3；

所述剪刀1的转动支点固定在所述支架10上，所述连杆3分别与所述剪刀的剪柄和所述推杆4连接。

进一步地，连杆3包括：完全相同的第一连杆和第二连杆；

所述第一连杆的第一端与所述剪刀1的第一剪柄铰接；

所述第二连杆的第一端与所述剪刀1的第二剪柄铰接；

所述第一连杆和所述第二连杆的第二端均与所述推杆4铰接。

所述第一连杆和所述第二连杆的第二端均铰接在所述推杆4的同一位置。

进一步地，所述动力输出装置包括：步进电机9和联轴器8；

所述步进电机9的输出轴通过联轴器8与所述丝杆5连接。所述丝杆5上设置有螺纹部，所述丝杆螺母7套设在所述螺纹部上。

需要说明的是，当步进电机9接收到开启正向转动的信号后，输出轴正向转动，并通过联轴器带动丝杆5周向转动，进而丝杆螺母7在丝杆5的带动下，以及导杆6的限位作用下，沿丝杆5的轴向做直线运动，进而带动推杆4推着两个连杆沿着剪柄上的支点转动，进而控制剪刀1闭合或者张开；当步进电机9反向转动时，其过程与正向转动的过程相反，此处不再赘述。

可见，本结构简单零件少，拆卸方便，大大方便了用户使用和降 低用户使用成本，而且还具有采摘操作灵活性和采摘效率高的优点。

下面对本实用新型的结构进行详细说明：

该末端执行器适应于温室大棚内果实类蔬菜的收获，其主要零件包括有剪切手指(即剪刀1)、连杆3、推杆4、丝杆5及丝杆螺母7、导杆6、步进电机9，如图1所示。

其主体结构可分为末端执行装置、动力传递装置和动力输出装置三个部分：

1、末端执行装置

初步设计结构示意图参见图2a和图2b

参见图3，剪刀剪柄底部与机架9用销轴2连接，剪柄可围绕销旋转。两连杆3与剪柄的连接点在剪柄中部，连杆3与剪柄、连杆3与连杆3同样用销轴2连接。当连杆3被往前推动的时候，剪柄底部跨距不变，中部由于连杆3的推动作用间距将增大，剪柄将围绕销轴2转动，此时剪刀张开。反之，连杆3被往回拉动，剪柄就会反向旋转，此时剪刀将会闭合。为了使结构更加合理，使连杆施加在剪柄上的有效分力更多，将剪柄做成弧形。

设剪断茄子柄时对剪刀的阻力为F_阻，作用点位于剪刀刀刃中部。剪刀闭合时，对剪刀进行受力分析。

1)工作阻力对系统的作用，参见图4

工作阻力作用点与底部铰链距离为d₁，工作阻力对底部铰链的矩为M_阻＝F_阻·cosβ₁·d₁；

其中，F_阻为茄子柄对剪刀的阻力；β₁为阻力F阻垂直于作用点和底部铰链连线的夹角。

2)连杆对剪柄的拉力作用，参见图5

连杆拉力作用点与底部铰链距离为d₂，连杆拉力对底部铰链矩为M_连＝d₂·F_连·cosβ₂

其中，F_连为连杆对剪柄的拉力；β₂为连杆拉力F_连与拉力作用点和底部铰链连线的夹角，由静力平衡M_连＝M_阻可以得F_连。

2、动力传递装置

参见图6所示，动力传递装置由丝杆5、丝杆螺母7、导杆6以及推杆4组成。

此丝杆5为单线丝杆，仅在中间传动部分有螺纹，丝杆5的两个端部为光轴，这样不仅减少加工降低成本，而且便于丝杆5的安装。丝杆5一端安装于机架上，一端与步进电机9相连，使之沿轴向固定不动，可做周向旋转运动。在丝杆5有螺纹的部分配合安装有丝杆螺母7，丝杆螺母7上还装有一根光滑的导杆6，导杆6固定不动，这样可防止丝杆5转动时丝杆螺母7跟随转动，保证丝杆螺母7的运动为直线往复运动。丝杆螺母7与推杆4通过螺栓固定连接，这样在丝杆螺栓前后往复运动的时候，推杆4将同时跟随丝杆螺栓前后往复运动。而推杆5与两连杆用销轴连接，将运动和动力传递至末端执行装置。动力在传动装置上的传动路线为:丝杆5——丝杆螺母7——推杆4——连杆3。

1)丝杆受力分析及强度校核

对推杆进行受力分析，易得推杆受力为

其中，取公称直径为d的丝杆，丝杆所受轴向力等于推杆受力，即F_a＝F_推，螺纹危险断面的强度校核公式为.

式中[σ]——丝杆的许用应力，查机械设计手册可得。

2)销轴受力分析及强度校核

销轴直径为φ，材料用45钢，许用应力[τ]＝80MPa。

对单侧剪刀受力分析如图7所示，系统水平方向和竖直方向静力平衡。

水平方向：F_连·cos45°-F_阻-F_1水平＝0，水平向左。

竖直方向：F_连·cos45°-F_1竖直＝0，竖直向上。

销轴1：

销轴2：

故销轴1、2都满足强度要求。

3)对连杆与推杆相连的复合铰链进行受力分析如图8所示：

销轴3：

故销轴3也满足强度要求。

3、动力输出装置

由于末端执行装置的运动特性是张开、闭合相互交替，且要求易于受计算机系统的控制，因此本实用新型采用步进电动机来提供动力。采摘机器人的运动受计算机系统控制，而步进电动机能够将计算机系统发出的电脉冲激励信号转换成相应的角位移，每输入一个脉冲信号，步进电动机就进行一个相应动作。步进电动机还有一个特点就是可以根据计算机系统发出的指令信号方便的做出正转和反转，或者静止，这一特性非常符合本实用新型的末端执行装置的工作要求。同时步进电动机还没有累计误差，结构非常简单，使用维修方便，制造成本低，本身就非常适用于自动控制装置。

步进电动机作为动力输出装置，通过联轴器与动力传递装置中的丝杆相连，将动力往后输送。当步进电动机接受到正向转动的脉冲信号时，电机正向转动，将带动联轴器和丝杆正向旋转；当步进电动机接受到反向转动的脉冲信号时，电机反向转动，将带动联轴器和丝杆反向旋转；当步进电动机接受到停止转动的信号后将停止转动，联轴器和丝杆都将停止运动。

下面对步进电机旋转特性的控制进行详细说明：

本实用新型中，计算机系统直接控制步进电机的正反向旋进和停止，简单便于实现。通过计算可以确定末端执行器中剪刀张开时丝杆螺母对应的上限位和剪刀闭合时丝杆螺母对应的下限位，二者距离就是丝杆螺母的进给量，从而可算得步进电机的旋转方向和旋转角度，进而可得计算机系统对步进电动机发出的脉冲激励信号特性，这样步进电动机的转向和旋转角度控制起来十分方便可靠。

在剪刀闭合时，两铰链与推杆相连的复合铰链与剪柄底部铰链的竖直距离为L1。当剪刀张开到最大程度时，两连杆处于一条直线上，几何关系确定，可直接测得复合胶链与剪柄底部铰链的竖直距离为L2，即丝杆螺母的进给量为S＝L2-L1。

此丝杆为单线丝杆，丝杆导程取为P，则每次丝杆螺母由下限位运动到上限位时，丝杆对应的旋转角度为

式中，α为进给角度；s为进给量；p为丝杆导程。

步进电机的正向旋进：机械臂将末端执行器移动至指定位置后，计算机系统发出正转的脉冲信号，步进电机将正向启动。当步进电机正向转动时，与电机输出端相连的丝杆也正向转动，使丝杆上的丝杆螺母向后移动至下限位，即推杆向后转动至下限位，进而使剪刀闭合以剪断茄子柄。

步进电机的停止：剪断茄子柄后剪刀处于闭合状态时，丝杆螺 母处于下限位，此时计算机系统发出停止指令，步进电机停止转动使剪刀保持闭合状态，机械臂将末端执行器从植株间移出。

步进电机的反向旋进：将末端执行器移出后，计算机系统发出反转的脉冲信号，丝杆也跟着反向转动，使丝杆螺母向前移动，即推杆向前推动，进而使剪刀张开。

步进电机的停止：剪刀张开到最大程度后，丝杆螺母处于上限位，此时步进电机再次停止转动，机械臂再次将末端执行器移至下一目标处，进入下一采摘过程。

本实用新型的工作过程：本实用新型是一种设施茄子采摘机器人的末端执行器，机器人整体通过计算机控制，其中对于末端执行器的控制主要包括两个方面，一是末端执行器空间位置的控制，二是末端执行器执行采摘动作的控制。末端执行器空间位置的控制通过机械臂去实现，不在本实用新型考虑范围内。末端执行器处于不同的空间位置要完成不同的动作，完成这些动作的动力由步进电动机提供，然后经由各装置使执行装置完成动作，即计算机控制步进电动机以控制末端执行器的采摘动作。

起初末端执行器在设施茄子植株外，剪刀处于张开状态准备剪切，机器人发现目标茄子后，通过机械臂将末端执行器移动至计算机指定的茄子柄位置。剪刀到位后，机械臂静止，剪刀不动，然后计算机对步进电动机发出正转的脉冲信号，步进电动机正转，通过联轴器带动丝杆正转，使丝杆上的丝杆螺母向后移动，带动推杆向后移动，将连杆往后拉，剪刀剪柄将绕剪柄底部销轴转动，使剪刀刀刃靠拢，当丝杆螺母移动至下限位时，剪刀彻底闭合并剪断茄子柄。此过程可视为工作过程。剪断茄子柄后步进电动机停止转动，机械臂将末端执行器移出设施茄子植株。随后计算机系统对步进电动机发出反转的脉冲信号，步进电动机反转，带动丝杆反转，使丝杆螺母向前移动，带动推杆向前推动，将连杆往前进，剪刀剪柄绕 剪柄底部销轴转动，使剪刀刀刃分离，当丝杆螺母移动至上限位时，即两连杆处于一条直线上时，剪刀张度达到最大，此过程可视为复位过程。

综上所述，本实用新型具有如下优点；

1、本实用新型基于设施茄子的环境信息识别与表达，设计一种结构简单的设施茄子采摘机器人的末端执行器，并利用控制程序和步进电机搭建起智能控制平台，提高了设施茄子的采摘操作灵活性和采摘效率。

2、设计的装置，结构简单且合理，操作方便，具体如下：

(1)通过对步进电机进行正-反-停控制，步进电机给末端执行器提供动力，实现了动力提供的精确控制。一方面由于剪刀的工作行程为闭合行程，紧接着是张开行程，时间间隔短，步进电机的特性能很好的满足这种工作要求。另一方面在需要提供动力的时候步进电机工作，将动力输出给末端执行器，在不需要的动力的时候电机停止工作，避免电机持续空转浪费能量，提高资源利用率。

(2)采用丝杆和丝杆螺母来传递运动，二者将步进电机的正向和反向的圆周旋转运动转化为丝杆螺母的往复直线运动，这使后面的操作更加简便。丝杆螺母采用一根光滑导杆来限制其运动方式，避免丝杆螺母转动，使之只能做往复直线运动。同时由于丝杆与丝杆螺母之间采用螺纹传动，这一特殊的运动关系可将步进电机较快速的旋转运动转变为移动速度相对缓慢的平移，这样将大大减小传动误差，提高末端执行器的运动精度。

(3)末端执行器采用剪刀，结构简单零件少，质量轻。同时拆装方便，便于更换零件和将剪刀拆下来进行磨刃，出现故障检修非常方便，更换零件也只需更换单个独立小零件即可，将大大方便用户使用和降低用户使用成本。

虽然结合附图描述了本实用新型的实施方式，但是本领域技术人 员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。