基于柔性抓持与夹剪一体的果蔬采摘执行器及其采摘方法与流程

本发明涉及果蔬采摘技术领域，更具体地说，涉及一种基于柔性抓持与夹剪一体的果蔬采摘执行器及其采摘方法。

背景技术：

我国是荔枝、葡萄等串型水果的主要生产国，但在这些串型水果采摘过程中，我们依旧主要依靠人工采摘，劳动程度较大，占用一定的人工费用。而随着人口老龄化及劳动力的减少，水果的无损、及时采摘等问题也逐渐浮现。在机器人技术等智能工业的不断发展成熟、“工业4.0”的提出以及“中国制造2025”等政策的先后提出及深化的同时，制造业无不发生着深刻的变革，机器人正逐步取代人力劳动。若将机械手应用于串型水果采摘，则可以实现对水果的机械化、自动化和智能化采摘，有效地改善农业生产环境，促进农业科技的进步。

中国发明专利《串型水果采摘机器人的末端执行器》(公开号：cn106233938a)公开了一种串型水果采摘机器人的末端执行器，此执行器主要包括托举机构、夹持机构和剪断机构，通过夹持机构夹持果梗，当夹持力到达预设值时，启用托举机构，托举到位后启用剪断机构。但是该执行器的剪断机构采用舵机，在稍大的果梗直径下可能出现剪切力不够的情况。此外，该执行器的托举机构采用托盘方式对串果进行托举，串果落入托盘的过程中容易受到损伤，影响串果品质。

软体手指以柔性材料在特殊工艺下浇筑成型；通过气路向软体手指充气或吸气，在其柔性材料的特性下软体手指可实现对不同形状、尺寸的物体的自适应抓握。因此，软体手指是实现串果采摘过程中对串果进行承托的理想方案。但是，现有带有软体手指的柔性夹爪，手指基座固定，软体手指不能根据串果特性而灵活地变换位置，因此限制了软体手指托举串果时对串果的保护效果。

技术实现要素：

为克服现有技术中的缺点与不足，本发明的一个目的在于提供一种基于柔性抓持与夹剪一体、可提高工作效率、减少劳动成本、提高果蔬无损采摘率、提供足够剪切力剪断果梗的果蔬采摘执行器。本发明的另一个目的在于提供一种上述果蔬采摘执行器的采摘方法，该方法可提高工作效率，减少劳动成本，提高果蔬无损采摘率，提供足够剪切力剪断果梗。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种基于柔性抓持与夹剪一体的果蔬采摘执行器，其特征在于：包括夹剪机构和抓持机构；

所述夹剪机构包括相互铰接的剪刃一和剪刃二，以及联合轴；剪刃一开设有导向槽，剪刃二开设有活动槽；导向槽与活动槽成夹角，且导向槽与活动槽部分叠合；所述联合轴可活动地设置在导向槽与活动槽的叠合处；

所述剪刃一设有剪切驱动装置；联合轴与剪切驱动装置连接，以实现剪切驱动装置带动联合轴沿导向槽长度方向移动，从而联合轴带动剪刃二绕剪刃一与剪刃二铰接点转动实现剪合或打开；所述剪刃一靠近抓持机构的一侧设有夹持件一，剪刃二靠近抓持机构的一侧分别设有夹持件二；

所述抓持机构包括抓持基座和设置在抓持基座上的至少两个软体手指；抓持基座与剪刃一连接。

本发明果蔬采摘执行器的工作原理是：首先，通过视觉识别来获取果蔬形态和果蔬尺寸，从而得到果蔬抓持位置和果梗夹剪位置；果蔬形态和果蔬尺寸识别可采用现有技术；然后，抓持机构采用软体手指将果蔬进行抓持；之后，剪切驱动装置带动联合轴沿导向槽长度方向移动，联合轴带动剪刃二绕剪刃一与剪刃二铰接点转动使剪刃一与剪刃二剪合，实现果梗剪切；夹持件一和夹持件二随着剪刃一和剪刃二剪合而靠拢，因此在果梗被剪断后由夹持件一和夹持件二夹持。本发明果蔬采摘执行器可快速地进行果蔬采摘工作，提高工作效率，减少劳动成本；先采用软体手指对果蔬进行抓持再对果梗进行剪切和夹持，可提高果蔬无损采摘率。

由于导向槽的不同位置与铰接点之间的距离不同，因此联合轴在沿导向槽长度方向移动过程中与铰接点之间的距离发生变化，联合轴与剪刃二的连接处不能固定在同一位置，因此剪刃二开设有活动槽来匹配联合轴与铰接点之间距离的变化，使联合轴沿导向槽长度方向移动时实现与剪刃二联动；结构简单巧妙，有利于减轻果蔬采摘执行器的整体重量。采用剪切驱动装置驱动联合轴作直线运动，来联动剪刃二剪合，可提供足够的剪切力剪断果梗，加快采摘速度。

优选地，所述剪刃一的刃口带有内凹弧形；剪刃二的刃口带有外凸弧形。

优选地，夹持件一的夹持部分沿剪刃一的刃口方向设置，且夹持件一的夹持部分呈波浪凸台形状；夹持件二与夹持件一之间留有夹持间隙。当剪刃一与剪刃二快速剪断果梗的同时，夹持件一与夹持件二夹住果梗，可减缓剪切时刻果蔬受到的震动冲击，还可对剪断果梗后的果蔬进行支撑，尤其是对串型果实类果蔬，例如葡萄，可避免上部果实向下歪倒而造成果实损伤。

优选地，所述抓持基座包括安装座、固定爪安装架和至少两个旋转爪安装架；软体手指的数量为至少三个；各个软体手指分别连接在固定爪安装架和旋转爪安装架上；

所述固定爪安装架与安装座连接；各个旋转爪安装架分别通过旋转驱动机构与安装座连接，以实现旋转驱动机构带动旋转爪安装架转动，从而使与旋转爪安装架连接的软体手指转动实现位置调整。

该抓持机构的工作原理是：旋转驱动机构带动各个旋转爪安装架转动，使与旋转爪安装架连接的软体手指转动实现位置调整；所有软体手指形成多种抓持形态，使其适用于抓取更多类型的果蔬，提高设备的通用性，降低使用成本。

优选地，所述旋转爪安装架为两个；两个旋转爪安装架于同一铰接处与安装座铰接；所述旋转驱动机构包括连接在安装座上的直线运动驱动器，以及联动件；

直线运动驱动器与联动件连接，以实现直线运动驱动器带动联动件移动；两个旋转爪安装架分别与联动件可转动连接，且两个连接点位于运动轴线的两侧；所述运动轴线是指经过铰接点且平行于直线运动驱动器驱动方向的运动轴线。

直线运动驱动器带动联动件移动，联动件通过连接点分别带动两个旋转爪安装架绕所述铰接处相向转动以实现靠拢，或者是绕所述铰接处背向转动以实现分开；因此，旋转爪安装架和固定爪安装架连接的三个气动软体手指可形成并列式抓持形态或包裹式抓持形态；在包裹式抓持形态中，两个旋转爪安装架连接的气动软体手指还可调整到不同的位置，形成多种角度的包裹式抓持形态。该抓持机构可实现两个抓持形态方案的转变，扩大了抓持果蔬类型范围，更加安全，便捷，高效。该旋转驱动机构简单巧妙，有效使两个旋转爪安装架绕铰接处转动，实现气动软体手指位置调整。对于长度长且分布无规则体型的串型果实果蔬，优选采用包裹式抓持形态；对于长度短且倒锥规则体型的串型果实果蔬，或者是单果型果蔬，优选采用并列式抓持形态。

优选地，两个旋转爪安装架分别开设有转孔；所述联动件沿运动轴线方向开设有长形导向孔；所述安装座连接有连接件；通过连接件穿过旋转爪安装架的转孔和联动件的长形导向孔，将旋转爪安装架、联动件和安装座联接在一起。

优选地，所述联动件为凸轮件；所述旋转爪安装架设有与凸轮件边沿运动轨迹相匹配的导向位。凸轮件的设置，可使直线运动驱动器对凸轮件的直线驱动作用转化为凸轮件对旋转爪安装架的推动作用；旋转爪安装架除了受到与凸轮件连接点的带动力外，还受到凸轮件的推动力，可更好地将直线运动驱动器的直线运动转化成旋转爪安装架的转动。

优选地，所述软体手指分别可调整地与固定爪安装架和旋转爪安装架连接。该设置的好处是可根据抓取果蔬的尺寸大小和种类来调整各个气动软体手指的距离，使抓持机构可更好地与各种果蔬相匹配，进一步提高通用性。

优选地，所述抓持基座通过升降装置与剪刃一连接。升降装置可采用现有技术，例如气缸；可通过视觉识别判断，根据果蔬形状、尺寸和果梗保留长度，调整抓持机构与夹剪机构之间的距离，从而调整果蔬的抓持位置和果梗夹剪位置。

上述基于柔性抓持与夹剪一体的果蔬采摘执行器的采摘方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，通过视觉识别来获取果蔬形态和果蔬尺寸，从而得到果蔬抓持位置和果梗夹剪位置；根据果蔬形态调整抓持机构的抓持形态；根据果蔬抓持位置和果梗夹剪位置调整夹剪机构的高度，使夹剪机构与抓持机构之间的距离与果蔬抓持位置和果梗夹剪位置相匹配；

第二步，软体手指对果蔬进行柔性抓持；

第三步，剪切驱动装置使剪刃一与剪刃二剪合，实现果梗剪切；夹持件一和夹持件二随着剪刃一和剪刃二剪合而靠拢，在果梗被剪断后由夹持件一和夹持件二夹持；

第四步，通过软体手指柔性抓持果实、且夹持件一和夹持件二夹持果梗来将果蔬托举，并将果蔬移动到放置位置；

第五步，剪切驱动装置复位使夹持件一和夹持件二松开果梗；软体手指松开果蔬。

本发明采摘方法可快速地进行果蔬采摘工作，提高工作效率，减少劳动成本；先采用软体手指对果蔬进行抓持再对果梗进行剪切和夹持，可提高果蔬无损采摘率。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、本发明果蔬采摘执行器可快速地进行果蔬采摘工作，提高工作效率，减少劳动成本；可提高果蔬无损采摘率；

2、本发明果蔬采摘执行器的夹剪机构简单、轻便，剪刃一与剪刃二之间的起始张角可以打开较大角度，剪切前对位果梗的容错率较高，可降低对果梗定位剪切的精确度，加快果蔬采摘效率；采用剪切驱动装置驱动联合轴作直线运动，来联动剪刃二实现剪合，可提供足够的剪切力剪断果梗，加快采摘速度；

3、本发明果蔬采摘执行器采用夹持件一与夹持件二夹住果梗，可减缓剪切时刻果蔬受到的震动冲击，还可对剪断果梗后的果蔬进行支撑，可避免上部果实向下歪倒而造成果实损伤；

4、本发明果蔬采摘执行器的抓持机构所有软体手指可形成多种抓持形态，使其适用于抓取更多类型的果蔬，提高设备的通用性，降低使用成本；

5、本发明果蔬采摘执行器可调整抓持机构与夹剪机构之间的距离，从而调整果蔬的抓持位置和果梗夹剪位置。

附图说明

图1是本发明果蔬采摘执行器包裹式抓持形态下的结构示意图；

图2是本发明果蔬采摘执行器并列式抓持形态下的结构示意图；

图3是本发明果蔬采摘执行器中夹剪机构的结构示意图；

图4是本发明果蔬采摘执行器中抓持机构的爆炸图；

图5是本发明果蔬采摘执行器中另一种抓持机构的包裹式抓持形态下的结构示意图；

图6是本发明果蔬采摘执行器中另一种抓持机构的并列式抓持形态下的结构示意图；

图7是本发明果蔬采摘执行器中另一种抓持机构的爆炸图；

图8是本发明果蔬采摘执行器中另一种抓持机构的固定爪安装架、旋转爪安装架和联动件的爆炸图；

图9是本发明果蔬采摘执行器中另一种抓持机构包裹式抓持形态下的夹持示意图；

图10是本发明果蔬采摘执行器中另一种抓持机构包裹式抓持形态下的打开示意图；

图11是本发明果蔬采摘执行器中另一种抓持机构并列式抓持形态下的夹持示意图；

图12是本发明果蔬采摘执行器中另一种抓持机构并列式抓持形态下的打开示意图；

图13是本发明采摘方法的工作流程图；

其中，1为固定爪安装架、2为旋转爪安装架、3为联动件、4为用于驱动联动件的气缸、5为气缸安装架一、6为连接件、7为剪刃二、8为剪刃一、9为用于驱动联合轴的气缸、10为气缸安装架二、11a为夹持件一、11b为夹持件二、12为联合轴、13为软体手指、14为升降装置、15为安装座、16为长形导向孔、17为转孔、18为导向位、19为凸台、20为联动安装孔。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例

本实施例一种基于柔性抓持与夹剪一体的果蔬采摘执行器，其结构如图1至图12所示，包括夹剪机构和抓持机构。

夹剪机构包括相互铰接的剪刃一8和剪刃二7，以及联合轴12；剪刃一8开设有导向槽，剪刃二7开设有活动槽；导向槽与活动槽成夹角，且导向槽与活动槽部分叠合；联合轴12可活动地设置在导向槽与活动槽的叠合处；

剪刃一8设有剪切驱动装置；本实施例，剪切驱动装置采用现有技术，例如气缸9；联合轴12与气缸9连接，以实现气缸9带动联合轴12沿导向槽长度方向移动，从而联合轴12带动剪刃二7绕剪刃一8与剪刃二7铰接点转动实现剪合或打开；剪刃一8靠近抓持机构的一侧设有夹持件一11a，剪刃二7靠近抓持机构的一侧分别设有夹持件二11b。

剪刃一8的刃口带有内凹弧形；剪刃二7的刃口带有外凸弧形。夹持件一11a的夹持部分沿剪刃一8的刃口方向设置，且夹持件一11a的夹持部分呈波浪凸台19形状；夹持件二11b与夹持件一11a之间留有夹持间隙。

抓持机构包括抓持基座和设置在抓持基座上的至少两个软体手指13；软体手指13的数量可以为两个、三个、四个，或更多，能抓持果蔬即可。

抓持基座通过升降装置14与剪刃一8连接。本实施例，升降装置14可采用现有技术，例如气缸。可通过视觉识别判断，根据果蔬形状、尺寸和果梗保留长度，调整抓持机构与夹剪机构之间的距离，从而调整果蔬的抓持位置和果梗夹剪位置。

本实施例中，抓持基座包括安装座15、固定爪安装架1和至少两个旋转爪安装架2；各个软体手指13分别连接在固定爪安装架1和旋转爪安装架2上。软体手指13的数量为至少三个，例如三个、四个、五个或更多；旋转爪安装架的数量为至少两个，例如两个、三个、四个或更多。

固定爪安装架1与安装座15连接；各个旋转爪安装架2分别通过旋转驱动机构与安装座15连接，以实现旋转驱动机构带动旋转爪安装架2转动，从而使与旋转爪安装架2连接的软体手指13转动实现位置调整。

旋转驱动机构带动各个旋转爪安装架2转动，使与旋转爪安装架2连接的软体手指13转动实现位置调整；所有软体手指13形成多种抓持形态，使其适用于抓取更多类型的果蔬，提高设备的通用性，降低使用成本。

进一步的方案是：旋转爪安装架2为两个；两个旋转爪安装架2于同一铰接处与安装座15铰接；旋转驱动机构包括连接在安装座15上的直线运动驱动器，以及联动件3。直线运动驱动器可采用现有技术，例如气缸4。

本实施例抓持机构的一种方案是：固定爪安装架1与安装座15为一体结构，如图4所示；另一个方案是：固定爪安装架1与安装座15分开设计，如图5至12所示。

气缸4与联动件3连接，以实现气缸4带动联动件3移动；两个旋转爪安装架2分别与联动件3可转动连接，且两个连接点位于运动轴线的两侧；运动轴线是指经过铰接点且平行于气缸4驱动方向的运动轴线。

固定爪安装架1设有安装槽21；两个旋转爪安装架2分别贴合联动件3的上、下底面并与联动件3的上、下底面之间通过凸台19嵌入到联动安装孔20中实现可转动连接；两个旋转爪安装架2与联动件3连接处嵌设在安装槽21中，且两个旋转爪安装架2与联动件3连接处通过安装槽21两侧槽壁实现定位。固定爪安装架1与联动件3之间相互定位。

两个旋转爪安装架2分别开设有转孔17；联动件3沿运动轴线方向开设有长形导向孔16；安装座15连接有连接件6；通过连接件6穿过旋转爪安装架2的转孔17和联动件3的长形导向孔16，将旋转爪安装架2、联动件3和安装座15联接在一起。

直线运动驱动器带动联动件3移动，联动件3通过连接点分别带动两个旋转爪安装架2绕铰接处相向转动以实现靠拢，或者是绕铰接处背向转动以实现分开；因此，旋转爪安装架2和固定爪安装架1连接的三个气动软体手指13可形成并列式抓持形态或包裹式抓持形态；在包裹式抓持形态中，两个旋转爪安装架2连接的气动软体手指13还可调整到不同的位置，形成多种角度的包裹式抓持形态。该抓持机构可实现两个抓持形态方案的转变，扩大了抓持果蔬类型范围，更加安全，便捷，高效。该旋转驱动机构简单巧妙，有效使两个旋转爪安装架2绕铰接处转动，实现气动软体手指13位置调整。对于长度长且分布无规则体型的串型果实果蔬，优选采用包裹式抓持形态；对于长度短且倒锥规则体型的串型果实果蔬，或者是单果型果蔬，优选采用并列式抓持形态。

联动件3为凸轮件；旋转爪安装架2设有与凸轮件边沿运动轨迹相匹配的导向位18。凸轮件的设置，可使直线运动驱动器对凸轮件的直线驱动作用转化为凸轮件对旋转爪安装架2的推动作用；旋转爪安装架2除了受到与凸轮件连接点的带动力外，还受到凸轮件的推动力，可更好地将直线运动驱动器的直线运动转化成旋转爪安装架2的转动。

软体手指13分别可调整地与固定爪安装架1和旋转爪安装架2连接。该设置的好处是可根据抓取果蔬的尺寸大小和种类来调整各个气动软体手指13的距离，使抓持机构可更好地与各种果蔬相匹配，进一步提高通用性。

上述基于柔性抓持与夹剪一体的果蔬采摘执行器的采摘方法，如图13所示，包括如下步骤：

第一步，通过视觉识别来获取果蔬形态和果蔬尺寸，从而得到果蔬抓持位置和果梗夹剪位置；果蔬形态和果蔬尺寸识别可采用现有技术；根据果蔬形态调整抓持机构的抓持形态；根据果蔬抓持位置和果梗夹剪位置调整夹剪机构的高度，使夹剪机构与抓持机构之间的距离与果蔬抓持位置和果梗夹剪位置相匹配；

第二步，软体手指对果蔬进行柔性抓持；

第三步，剪切驱动装置使剪刃一与剪刃二剪合，实现果梗剪切；夹持件一和夹持件二随着剪刃一和剪刃二剪合而靠拢，在果梗被剪断后由夹持件一和夹持件二夹持；

第四步，通过软体手指柔性抓持果实、且夹持件一和夹持件二夹持果梗来将果蔬托举，并将果蔬移动到放置位置；

第五步，剪切驱动装置复位使夹持件一和夹持件二松开果梗；软体手指松开果蔬。

本发明采摘方法可快速地进行果蔬采摘工作，提高工作效率，减少劳动成本；先采用软体手指13对果蔬进行抓持再对果梗进行剪切和夹持，可提高果蔬无损采摘率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。