一种面向簇状番茄采摘的机器人末端执行器的制作方法

本发明属于自动化技术领域，涉及一种机器人末端执行器，特别涉及一种面向簇状番茄采摘的机器人末端执行器。

背景技术：

截止目前，大田作物如水稻、小麦、玉米、油菜、大豆、花生、薯类等均可实现机械化收获，但是市售新鲜番茄的采收至今仍未能实现机械化。随着城市扩张和城镇人口剧增，新鲜番茄的市场需求量日益增大，温室番茄栽培的规模亦将进一步扩大。考虑到种植面积增加、采收时间短、劳动强度大、工作任务重、作业环境恶劣、人工采收成本高等不利因素，研发温室番茄采收机器人代替人工作业已成为当务之急。然而现有果蔬采摘机器人的单次作业任务主要针对番茄植株上的单个果实进行采收，采收效率较低，是制约其推广应用的主要原因。此外，针对单个果实采摘时，机器人的机械臂要求具有较高的定位精度，才能使末端执行器对果实完成精准的抓握操作，从而延长了机器人的决策过程和路径规划时间，降低了机器人的采摘作业效率。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面向簇状番茄采摘的机器人末端执行器，改变果蔬采摘机器人的采收作业方式，通过该末端执行器，在单次作业任务中可以同时采收一棵植株上的一簇若干个番茄果实，从而提高机器人的采摘作业效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种面向簇状番茄采摘的机器人末端执行器，包括外圆筒3、内圆筒6、簇状果实收集机构10、果实释放机构4和N个果梗旋转切割机构9，其特征在于：

所述内圆筒6固定在外圆筒3内部，外圆筒3的底部固定有下端盖1，内圆筒6的中心有一圆柱轴6-2；

所述簇状果实收集机构10位于内圆筒6中，包括直流减速电机10-1，限位开关一10-6、直流减速电机输出轴10-3与圆柱轴6-2同轴且位于其前端，直流减速电机输出轴10-3上安装旋转盘8，旋转盘8为圆形，其上分布N个中心对称的通孔，限位开关一10-6上有一个弹簧片10-7，当所有番茄从旋转盘8的通孔进入内圆筒6碰到限位开关一10-6上的弹簧片10-7后，直流减速电机10-1 通电开始转动；

所述果实释放机构4包括安装在外圆筒3外壁上的手柄4-1，在手柄4-1上有用于连接机械臂的法兰盘5，手柄4-1通过电磁装置实现对外圆筒3的抱紧或者释放；

所述N个果梗旋转切割机构9布置于外圆筒3和内圆筒6之间，沿内圆筒 6的中心均匀布置；

采摘时，番茄由旋转盘8的通孔进入内圆筒6，通过旋转盘8的转动使番茄果梗拧紧在一起，由果梗旋转切割机构9切割。

所述外圆筒3的内壁上侧固定有环形挡板7，所述内圆筒6中设置有N个挡板6-1，各挡板6-1的一侧连接于圆柱轴6-2，另一侧连接于内圆筒6的内壁，将内圆筒6均分为N个空间。

所述圆柱轴6-2的前端设置有带盖子10-5的发条盒10-2，直流减速电机10-1 固定在发条盒10-2下方，发条盒10-2的内壁和直流减速电机输出轴10-3上各有一个凸块，发条10-4上有两个凹槽，两个凸块分别安装在发条10-4的两个凹槽上，使得发条10-4分别与发条盒10-2和直流减速电机输出轴10-3固定连接，在直流减速电机10-1停止转动时，直流减速电机输出轴10-3和旋转盘8在发条 10-4的弹簧扭力作用下回到原始位置。

所述发条10-4上的两个凹槽分别位于其外圈和内圈，发条盒10-2内壁上的凸块安装在外圈的凹槽上，直流减速电机输出轴10-3上的凸块安装在内圈的凹槽上。

所述电磁装置为微型电磁制动器4-4，与圆柱轴6-2垂直的轴四4-2的一端安装在微型电磁制动器4-4的轴套上，另一端与手柄4-1固定连接，轴肩4-3分别与外圆筒3内壁和微型电磁制动器4-4相邻，以固定轴四4-2防止其轴向运动。

所述N个果梗旋转切割机构9的结构相同，包括带有轴承二9-4的轴二9-6，齿轮组2的小齿轮安装于轴二9-6的下端，轴三9-14位于轴二9-6的正上方，其下端连接抱爪装置，上端通过L型板9-11与切割刀片9-13连接，齿轮组2的大齿轮为中心齿轮，与各小齿轮啮合，大齿轮安装于内圆筒6外部底端，轴一 9-2的下端通过轴承一9-3连接在大齿轮的中心，上端通过联轴器9-1连接直流减速电机10-1的输出，外圆筒3的内壁上安装有直流推拉式电磁铁9-9，L型板 9-11安装在直流推拉式电磁铁9-9的伸出轴上，L型板9-11与切割刀片9-13之间连接有复位弹簧9-12，L型板9-11上安装有限位开关二9-10。

所述抱爪装置包括一对分别铰接在支撑块9-7两侧的抱爪9-5，支撑块9-7 安装于圆盘9-8上，圆盘9-8安装在轴三9-14上，圆盘9-8随支撑块9-7的转动而转动，两个连杆9-16的一端分别铰接在两个抱爪9-5上，另一端分别铰接在滑块9-15两侧，轴三9-14的下端穿过圆盘9-8和支撑块9-7与滑块9-15连接。

与现有技术相比，通过本发明末端执行器，在单次作业任务中可以同时采收一棵植株上的一簇若干个番茄果实，提高了机器人的采摘作业效率；该采摘方式下，机器人视觉系统不需要对果实位姿精准感知，降低了机械臂的定位精度要求，缩短了机器人的决策过程和路径规划时间，亦提高了机器人的采摘作业效率；旋转盘转动迫使簇状番茄的多根果梗聚合拧紧，从而使切割刀片的高速圆周运动可有效提高旋转切割装置的果梗分离成功率。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明簇状果实收集机构示意图。

图3为本发明果梗旋转切割机构示意图。

图4为本发明果实释放机构示意图。

图5为本发明供电系统示意图。

图6为本发明工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，一种面向簇状番茄采摘的机器人末端执行器，主要包括外圆筒3、内圆筒6、簇状果实收集机构10、果实释放机构4和3个果梗旋转切割机构9，其中：

内圆筒6通过螺钉固定在外圆筒3内部，二者同轴，外圆筒3的底部通过螺钉固定有下端盖1，下端盖1用于保护齿轮组2不受外界腐蚀。内圆筒6的中心有一圆柱轴6-2；外圆筒3的内壁上侧通过螺钉固定有环形挡板7，环形挡板 7用于阻止外部杂物进入外圆筒3内，保护果梗旋转切割机构9和果实释放机构 4。内圆筒6中设置有3个挡板6-1，各挡板6-1的一侧连接于圆柱轴6-2，另一侧连接于内圆筒6的内壁，将内圆筒6均分为3个空间，3个限位开关一10-6 通过螺钉安装在内圆筒6的内壁上。挡板6-1的作用是当番茄切割完成进入内圆筒6后，防止番茄在内圆筒6内相互碰撞产生损伤，限位开关一10-6的作用是当番茄进入内圆筒6后，碰到弹簧片10-7后，直流减速电机10-1通电开始转动，带动旋转盘转动，使得进入内圆筒6的簇状番茄果梗拧紧在一起。

簇状果实收集机构10位于内圆筒6中，如图2所示，其包括直流减速电机 10-1，圆柱轴6-2的前端设置有带盖子10-5的发条盒10-2，直流减速电机10-1 固定在发条盒10-2下方，发条盒10-2的内壁和直流减速电机输出轴10-3上各有一个凸块，发条10-4的外圈和内圈各有一个凹槽，发条盒10-2内壁上的凸块安装在外圈的凹槽上，直流减速电机输出轴10-3上的凸块安装在内圈的凹槽上，使得发条10-4分别与发条盒10-2和直流减速电机输出轴10-3固定连接。直流减速电机输出轴10-3与圆柱轴6-2同轴且位于其前端，直流减速电机输出轴10-3 上安装旋转盘8，旋转盘8为圆形，其上分布3个中心对称的通孔。

当直流减速电机10-1得电转动时，直流减速电机输出轴10-3带动发条10-4 和旋转盘8转动，当直流减速电机10-1失电停止转动时，直流减速电机输出轴 10-3和旋转盘8在发条10-4的弹簧扭力作用下回到原始位置，目的是为了防止旋转盘8转动停止后圆柱轴6-2出现在旋转盘8的通孔中，阻碍番茄从通孔进入内圆筒6。采摘时，番茄由旋转盘8的通孔进入内圆筒6，通过旋转盘8的转动使番茄果梗拧紧在一起，由果梗旋转切割机构9切割。

3个果梗旋转切割机构9的结构相同，布置于外圆筒3和内圆筒6之间，且沿内圆筒6的中心均匀布置。如图3所示，其包括带有轴承二9-4的轴二9-6，轴承二9-6安装在外圆筒6上，一个中心大齿轮和3个与该大齿轮的啮合的小齿轮组成了齿轮组2，轴二9-6的下端安装于一个小齿轮中，轴三9-14位于轴二 9-6的正上方，其下端连接抱爪装置，抱爪装置合抱时，抓紧轴二9-6。具体地，抱爪装置包括一对分别铰接在支撑块9-7两侧的抱爪9-5，支撑块9-7通过螺钉安装在圆盘9-8上，圆盘9-8安装在轴三9-14上，以支撑架支撑，圆盘9-8可随支撑块9-7的转动而转动，两个连杆9-16的一端分别铰接在两个抱爪9-5上，另一端分别铰接在滑块9-15两侧，轴三9-14的下端穿过圆盘9-8和支撑块9-7 与滑块9-15连接，轴三9-14的上端通过L型板9-11与切割刀片9-13连接。

齿轮组2的中心大齿轮安装于内圆筒6外部底端，轴一9-2的下端通过轴承一9-3连接在大齿轮的中心，上端通过联轴器9-1连接直流减速电机10-1的输出，轴承一9-3安装在内圆筒6上。

外圆筒3的内壁上通过螺钉安装有直流推拉式电磁铁9-9，L型板9-11安装在直流推拉式电磁铁9-9的伸出轴上，L型板9-11与切割刀片9-13之间连接有复位弹簧9-12，L型板9-11上安装有限位开关二9-10。当切割刀片9-13开始运动时，会拉动复位弹簧9-12一起运动，当切割刀片9-13通过圆周运动碰到限位开关二9-10后，切割刀片9-13会停止运动，在复位弹簧9-12的拉力作用下回到初始位置。

当直流减速电机10-1通电时，直流减速电机10-1通过联轴器9-1使得轴一 9-2转动，轴一9-2的转动带动齿轮组2转动，齿轮组2的转动带动轴二9-6转动；当直流推拉式电磁铁9-9通电时，直流推拉式电磁铁9-9的伸出轴向上运动，带动L型板9-11和轴三9-14向上运动，轴三9-14的向上运动拉动滑块9-15向上运动，滑块9-15的向上运动带动连杆9-16和抱爪9-5合拢，当抱爪9-5抓住正在转动的轴二9-6时，抱爪9-5、滑块9-15、连杆9-16、支撑块9-7、圆盘9-8、轴三9-14和切割刀片9-13会随着轴二9-6的转动而转动，同时切割刀片9-13 的转动会将番茄的果梗切下，使番茄进入内圆筒内部，当切割刀片9-13碰到限位开关二9-10后，直流推拉式电磁铁9-9和直流减速电机10-1就会断电，其伸出轴向下运动回到原位，抱爪9-5将会张开，使得抱爪9-5、滑块9-15、连杆9-16、支撑块9-7、圆盘9-8、轴三9-14和切割刀片9-13停止转动，切割刀片9-13在复位弹簧9-12的作用力下，回到初始位置。

如图4所示，果实释放机构4包括安装在外圆筒3外壁上的手柄4-1，在手柄4-1上有法兰盘5，手柄4-1通过电磁装置实现对外圆筒3的抱紧或者释放。

具体地，电磁装置为微型电磁制动器4-4，与圆柱轴6-2垂直的轴四4-2的一端安装在微型电磁制动器4-4的轴套上，另一端与手柄4-1通过螺钉固定连接，轴肩4-3分别与外圆筒3内壁和微型电磁制动器4-4相邻，其目的是为了固定轴四4-2，防止轴四4-2的轴向运动，法兰盘5通过螺钉与机械臂连接，使末端执行器安装在机械臂上。

采摘时，通过机器人本体的视觉识别系统，可以获取到要采摘番茄的数量，当末端执行器位于簇状番茄的正下方后，机械臂拖动其向上垂直运动，番茄由旋转盘8的通孔进入内圆筒6，然后通过旋转盘8的转动使番茄果梗旋转拧紧在一起，由于内圆筒内部的空间比番茄进入时的通孔大，所以在旋转盘8旋转的过程中通孔可以阻挡番茄被拉出，确保果梗旋转切割机构(9)进行切割。

当机械臂带动末端执行器接近番茄果实时，末端执行器的手柄4-1会随着机械臂的运动而运动，但外圆筒3会依靠自身重力作用始终垂直于地面，所以机器人视觉系统不需要对果实位姿精准感知，降低了机械臂的定位精度要求，缩短了机器人的决策过程和路径规划时间。当末端执行器完成采摘后，番茄会进入内圆筒6内，然后机械臂会带动末端执行器运动到番茄收集筐上方，然后微型电磁制动器4-4通电，微型电磁制动器4-4的通电会使得轴四4-3处于抱死状态，此时手柄4-1和末端执行器处于都处于固定状态，不会随着机械臂的运动而运动，机械臂翻转将末端执行器采摘的番茄通过旋转盘8的通孔倒入番茄收集筐，完成采摘和收集。

参考图5，本发明可采用蓄电池为直流减速电机10-1、直流推拉式电磁铁 9-9以及微型电磁制动器4-4供电，蓄电池通过限位开关一10-6和限位开关二 9-10分别与直流减速电机10-1和直流推拉式电磁铁并联，限位开关二9-10与直流推拉式电磁铁之间连接一个延时模块。其作用是延迟直流推拉式电磁铁的开启时间，蓄电池通过开关与微型电磁制动器连接；限位开关一10-6平时处于断开状态，限位开关二9-10平时处于闭合状态。

本发明的完整工作步骤如下：

工作时，机器人本体确定番茄数量之后，机械臂先将本发明末端执行器拖动至番茄正下方，之后拖动其向上垂直运动，使番茄从旋转盘8的通孔进入内圆筒6内部，当番茄碰到限位开关一10-6上的弹簧片10-7后，直流减速电机10-1 得电开始转动，同时带动旋转盘8和齿轮组2转动，旋转盘8的转动使得进入内圆筒6内部的番茄果梗旋转拧紧，经过两秒延时过程，直流推拉式电磁铁9-9 得电，该延时过程保证了旋转拧紧的角度，防止该过程中旋转角度过小或者过大而导致果梗无法拧紧或者番茄果实被拉出的问题，延时过程通过QF1023超长延时模块实现，直流推拉式电磁铁9-9的伸出轴向上运动使得抱爪9-5抓紧正在旋转的轴二9-6，抱爪9-5、滑块9-15、连杆9-16、支撑块9-7、圆盘9-8、轴三 9-14和弧形的切割刀片9-13随着轴二9-6的转动而转动，利用切割刀片9-13的转动将番茄果梗切下，使番茄掉落到内圆筒6内部，当切割刀片9-13碰到限位开关二9-10后，直流推拉式电磁铁9-9和直流减速电机10-1断电，伸出轴向下运动回到原位，抱爪9-5张开，抱爪9-5、滑块9-15、连杆9-16、支撑块9-7、圆盘9-8、轴三9-14和切割刀片9-13停止转动，切割刀片9-13在复位弹簧9-12 的作用力下，回到初始位置。然后机械臂带动末端执行器运动到番茄收集筐上方，该收集筐固定于机器人本体的移动平台上，依靠机械臂的固定运动路径即可准确完成该动作。微型电磁制动器4-4通电，使得轴四4-3处于抱死状态，此时手柄4-1和外圆筒3都处于固定状态，不会随着机械臂的运动而运动，机械臂翻转将末端执行器采摘的番茄通过旋转盘8的通孔倒入番茄收集筐，完成采摘和收集。

综上，本发明主要通过簇状果实收集机构带动旋转盘转动迫使簇状番茄的多根果梗聚合拧紧，然后通过果梗旋转切割机构将果梗切断；果实释放机构可将外圆筒与手柄固定，然后通过机械臂的翻转将番茄从内圆筒释放。本发明单次作业任务可以同时采收一棵植株上的一簇若干个番茄果实，提高机器人采摘效率；旋转盘转动迫使簇状番茄的多根果梗聚合拧紧，从而使切割刀片的高速圆周运动可有效提高旋转切割装置的果梗分离成功率。