一种用于香蕉采摘的柔性夹持装置

1.本发明涉及一种农业自动化的夹具设备，尤其涉及一种用于取代人工参进行香蕉采摘的柔性夹持装置，以利于在水果种植业中自动化设备的推广应用。


背景技术：

2.香蕉是世界四大水果之一，国内外对香蕉的需求也随着生活质量的提高而大大增加，随着种植香蕉的人越来越多，香蕉产业的发展空间也愈加广阔。但在香蕉种植过程中，大部分地区的香蕉仍然使用人工来采摘。通常需要配备两个以上工人一起完成香蕉串采摘，其中一人负责背负或者抱合香蕉果串，另一人负责砍断果柄。由此可见，上述人工采摘的方式缺点很明显，即工人的劳动强度高、工作效率低，并且因工人抱合或抓握力失控，容易对香蕉造成损伤，大大降低香蕉的储存时间和质量，更有甚者影响香蕉的收获质量，降低了香蕉的市场价值。基于当前市场需求，高效率、低损耗的香蕉机械采摘装备成了很多人研究的重点。
3.近年来，轻简型辅助人工采摘装备和智能采摘机械手是香蕉采摘装备中最主要的手段。轻简型辅助人工采摘装备是半人工半机械的设计，主要在香蕉采摘中起辅助作用，劳动强度虽然得到了减弱，但仍是以人工为主。而且由于是机械设备刚性接触的原因，使香蕉果串的成品损耗大大增加。智能采摘机械手相比较另一种方式，作业过程中不需要人工参与，且采摘的精准度高，实用性也相对较高。但是香蕉果实过重，无法柔性采摘，也增加了推广难度。所以解决柔性采摘这个问题成为了此类自动化设备的重中之重，同时兼顾香蕉采摘的自动化水平，在柔性夹持角度寻求突破，将之与智能机械手进行搭配。


技术实现要素：

4.本发明的目的旨在提出一种用于香蕉采摘的柔性夹持装置及其控制方法，解决在保留自动化作业的前提下对香蕉等果皮脆弱且重量较大的水果进行柔性夹持，并以此提高收获质量的问题。
5.本发明实现上述一个目的的技术解决方案是，一种用于香蕉采摘的柔性夹持装置，其特征在于：由主控器、夹持定位机构和柔性夹持爪构成，其中所述柔性夹持爪装接于夹持定位机构的活动末端并随动调节空间定位及朝向，所述柔性夹持爪由安装底座、电动推杆和一对夹持爪臂组装成一体，其中夹持爪臂通过销轴枢接于安装底座两侧，以枢接点为分界，夹持爪臂的主体部为弧形设置并成开口幅度可调的环抱状，夹持爪臂的次接杆与电动推杆的两端相接并随动靠拢或增大间距，并且所述主体部的内侧设有检测夹紧香蕉果实程度的压力传感器，所述压力传感器、夹持定位机构的驱动端与电动推杆相接的限电流控制器均信号接入主控器。
6.上述用于香蕉采摘的柔性夹持装置，进一步地，所述柔性夹持爪基于安装底座设有沿香蕉果串竖立方向分布的两组电动推杆和两对夹持爪臂，其中靠上位的一对夹持爪臂的环抱直径大于靠下位的一对夹持爪臂的环抱直径，且每对夹持爪臂各设有压力传感器并
与对应装接的电动推杆独立随动。
7.上述用于香蕉采摘的柔性夹持装置，更进一步地，所述夹持爪臂包覆设有一层橡胶保护套，且压力传感器随夹持爪臂潜埋于橡胶保护套之中。
8.上述用于香蕉采摘的柔性夹持装置，进一步地，所述电动推杆定位固接于安装底座之中，且电动推杆两端的伸缩杆受控朝安装底座两侧同步推送、拉回。
9.上述用于香蕉采摘的柔性夹持装置，进一步地，所述夹持定位机构设有旋转平台及三轴滑动模组，所述旋转平台受驱在周向360
°
范围内转动可调、定位锁定，所述三轴滑动模组设有基于旋转平台组装的x轴滑轨和x轴滑台，基于x轴滑台组装的y轴滑轨和y轴滑台，基于y轴滑台组装的z轴滑轨和z轴滑台，且z轴滑台对接安装柔性夹持爪，各轴滑台的驱动端均接入并受控于主控器。
10.上述用于香蕉采摘的柔性夹持装置，更进一步地，各轴滑台设为电机驱动的滚珠丝杆线轨组件，各电机和旋转平台的驱动端接入主控器单独受控。
11.上述用于香蕉采摘的柔性夹持装置，更进一步地，所述z轴滑台基于夹持爪安装台装接有一个以上柔性夹持爪，且所述夹持爪安装台具有两种以上长度规格、可替换装接于z轴滑台。
12.本发明实现上述另一个目的的技术解决方案是，一种用于香蕉采摘的柔性夹持控制方法，基于权利要求1至7中任一项装置实现，其特征在于，对于任一香蕉果串的采摘过程包括：s1、通过夹持定位机构初步调整柔性夹持爪的位置至香蕉果串的生长位置，并驱动电动推杆收缩将夹持爪臂张开至最大的开口幅度；s2、通过夹持定位机构带动柔性夹持爪进位，使夹持爪臂的环抱中心与香蕉果串的竖向中轴相接近；s3、驱动电动推杆伸展使夹持爪臂收拢，根据设于夹持爪臂内侧的压力传感器反馈夹紧力，在反馈夹紧力未及主控器中夹紧香蕉果串预设力度范围时所述夹持爪臂缓步抱合，随反馈夹紧力接近预设力度范围逐渐降低抱合速度，当反馈夹紧力到达预设力度范围则锁定电动推杆中止抱合；s4、切割香蕉果柄使香蕉果串与树分离，若反馈夹紧力陡增超出预设力度范围，则驱动电动推杆收缩、以带动夹持爪臂缓步张开的方式使反馈夹紧力减弱至预设力度范围，再锁定电动推杆，若反馈夹紧力增加且未超出预设力度范围，则保持电动推杆锁定；s5、搬运及摆放位置释放过程中，所述夹持定位机构受主控器驱动带动柔性夹持爪移动，随香蕉果串本身移动加速度变化带来反馈夹紧力的波动，自适应调整夹持爪臂的抱合松紧程度，夹持定位机构在收集香蕉果串的摆放位置暂停，夹持爪臂张开并由夹持定位机构带动脱离香蕉果串。
13.进一步地，所述电动推杆通过内置集成的限电流控制器信号接入主控器，s3~s5通过基于力馈的电动推杆限电流控制方法瞬时响应，调节对香蕉果串的实际夹紧程度。
14.应用本发明的柔性夹持装置及其控制方法，较之于传统人工采摘和已有的采摘机械手，具备如下优点：该柔性夹持装置使用基于力馈的电动推杆限电流方法，自适应调整面向香蕉果串的夹紧力，在保持夹紧状态使之不掉落的同时，切实保障了脆弱果皮的防破损，提高了香蕉采摘的效率和收获质量，也减轻了人力投入。
附图说明
15.图1是本发明橡胶采摘的柔性夹持装置的总装结构示意图。
16.图2是图1所示柔性夹持装置中夹持定位机构的结构示意图。
17.图3是图1所示柔性夹持装置中柔性夹持爪的结构示意简图。
18.图4是本发明柔性夹持控制方法的流程示意图。
具体实施方式
19.以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。
20.在掌握了香蕉种植和生长特性的基础上，为实现对香蕉果串的定位及模拟人工采摘的动作，本发明提出了一种香蕉采摘的柔性夹持装置及其控制方法，有利于应用在香蕉自动化采摘的夹持定位，加强了与智能采摘装备协同作业的能力，同时减少了人力的劳动。
21.如图1至图3所示，本发明该柔性夹持装置的技术概述如下：由主控器、夹持定位机构1和柔性夹持爪2a、2b构成，其中该柔性夹持爪装接于夹持定位机构的活动末端并随动调节空间定位及朝向，满足对应香蕉树不同高度位置的果实寻找并定位摘取。而该柔性夹持爪由安装底座21、电动推杆22和一对夹持爪臂23组装成一体，其中夹持爪臂23通过销轴24枢接于安装底座21两侧，以枢接点为分界，夹持爪臂的主体部231为弧形设置并成开口幅度可调的环抱状，夹持爪臂的次接杆232与电动推杆22的两端相接并随动靠拢或增大间距，以销轴为杠杆点实现控制夹持爪臂张开和收拢。并且该主体部231的内侧设有检测夹紧香蕉果实程度的压力传感器，该压力传感器虽未图示并进行标记，其实际存在于该主体部与香蕉果串接触环中的任意点位。该压力传感器、夹持定位机构的驱动端与电动推杆相接的限电流控制器均信号接入主控器。
22.以上结构概述中，夹持定位机构作为本装置的组成部分之一，其主要作用是受主控器驱动进行三维空间高精度可控的位移并实施朝向调节，以使位于其活动末端的柔性夹持爪能更好地迎合所欲摘取的香蕉果串。其可调节行程范围根据香蕉果串和香蕉树的相关物理参数定制。例如通常香蕉果串的切割高度为2200～3000mm，香蕉果串在竖直方向上的横截面可以大概看成一规则的圆形，最大香蕉串直径参数700mm。作为本发明研发技改重点的另一组成部分，该柔性夹持爪在机械功能上实现了通过电动推杆受驱伸缩、传动夹持爪臂实施开合动作，以使其具备向香蕉果串实施抱合的功能；而从柔性夹持的优化控制上，其中夹持爪臂（尤其是主体部）设置压力传感器，实时反馈夹紧力，而电动推杆接设有限电流控制器，受主控器的输出型号实时响应调节伸缩状态和幅度。因此，使得机械设备得以模拟人手抱持香蕉果串且力度在果皮防损伤的预设范围内可控。无论在香蕉果柄切割前后或搬运、摆放过程中，都能自适应调节抱持的稳定性。
23.从更进一步细化特征来看，上述夹持爪臂23（主要是主体部所在部分）包覆设有一层橡胶保护套，且压力传感器随夹持爪臂潜埋于橡胶保护套之中。该橡胶保护套能进一步抵销夹持爪臂接触并向香蕉果串施加夹紧力时的冲力，更好地保障果皮的完整性和收获质量。为了该橡胶保护层定位的牢固性，在耐用性可靠、无需频繁换新的前提下可以使用强力胶水将之与夹持爪臂接合成一体。
24.上述电动推杆22定位固接于安装底座21之中，且电动推杆两端的伸缩杆受控朝安
装底座两侧同步推送、拉回。即该电动推杆朝向两侧夹持爪臂的传动是同步且等幅的，因而对前述外形描述的香蕉果串，在实施采摘夹持时是轴向均衡施力的。而且，图示可见为匹配杠杆传动的开合幅度，该次接杆的幅距较之于主体部的幅距显著缩小，由此则电动推杆只需极细微的伸缩幅度，即可满足夹持爪臂在所需的开口幅度下受控开合了，降低了该柔性夹持爪的结构复杂度和体积占比。
25.再者，上述夹持定位机构1设有旋转平台11及三轴滑动模组，该旋转平台受底部电机驱动可在周向360
°
范围内自由转动并在任意所需位置定位锁定，该三轴滑动模组设有基于旋转平台组装的x轴滑轨121和x轴滑台，基于x轴滑台组装的y轴滑轨122和y轴滑台，基于y轴滑台组装的z轴滑轨123和z轴滑台，且z轴滑台对接安装柔性夹持爪，各轴滑台的驱动端均接入并受控于主控器。其中各轴滑台设为电机驱动的滚珠丝杆线轨组件，各电机a、b、c和旋转平台的驱动端接入主控器单独受控，即每个电机仅受控负责模组内所在部位一方面位移的精确定位。为柔性夹持爪的空间定位提供了高精度、低运算需求的技术保障。而且上述z轴滑台还可以基于夹持爪安装台13装接有一个以上柔性夹持爪，且该夹持爪安装台具有两种以上长度规格，根据所需装接柔性夹持爪的个数可替换装接于z轴滑台。
26.优选实施例中，该柔性夹持爪的安装底座为扁体，整体厚度偏向于薄型设计，而夹持爪臂也为单组设置。然而该柔性夹持爪并不仅限于该种实施结构，考虑到香蕉果串的大重量，采用单组夹持爪臂进行抱持可能存在稳定性差，自适应控制夹紧力难度大的问题，在新的实施例中，可以将该安装底座沿香蕉果串轴向增厚，并基于该安装底座设有沿香蕉果串竖立方向分布的两组电动推杆和两对夹持爪臂，其中靠上位的一对夹持爪臂的环抱直径大于靠下位的一对夹持爪臂的环抱直径，且每对夹持爪臂各设有压力传感器并与对应装接的电动推杆独立随动。该实施例下，通过两组成对的夹持爪臂呈斗型果篮状环抱香蕉果串，切实提高了香蕉果串的防掉落能力，且通过分散对香蕉果串的夹持力作用位置，有利于提升夹持的柔性化程度。
27.在上述柔性夹持装置的结构介绍基础上，本发明还提出了对此装置的控制方法，以进一步合理化的操作实现香蕉的柔性夹持。通常香蕉采摘是一串一串进行的，作业存在较明显的重复性。因此，如图4所示，对于任一香蕉果串的采摘的单周期过程，详细介绍如下。
28.s1、在上位采摘机械手（主要用于切割香蕉果柄）完成香蕉果串定位之后，通过夹持定位机构初步调整柔性夹持爪的位置至香蕉果串的生长位置，并驱动电动推杆收缩将夹持爪臂张开至最大的开口幅度。这是一个采摘的准备阶段，其中夹持定位机构的位置调节可由人工操作主控器进行，也可以通过集成摄像头图像定位进行。这部分的技术实现对于本领域及相关领域的技术人员而言已相当成熟，且非本技术柔性夹持装置功能实现的必要特点，故省略详述。
29.s2、通过夹持定位机构带动柔性夹持爪进位，使夹持爪臂的环抱中心与香蕉果串的竖向中轴相接近。在s1初步定位和夹持爪臂张开的基础上，本步骤主要作用在于夹持前的最后对位，以保持环抱夹持过程中香蕉果串周向均匀受力，防止夹紧状态下香蕉果串发生歪斜。
30.s3、驱动电动推杆伸展使夹持爪臂收拢，根据设于夹持爪臂内侧的压力传感器反馈夹紧力，在反馈夹紧力未及主控器中夹紧香蕉果串预设力度范围时所述夹持爪臂缓步抱
合，随反馈夹紧力接近预设力度范围逐渐降低抱合速度，当反馈夹紧力到达预设力度范围则锁定电动推杆中止抱合。这是采摘过程中抱持香蕉果串的直观动作，从技术实现的要求来看，通过控制抱合的速度，充分体现了该机构模拟人工双手抱持的柔性。
31.s4、切割香蕉果柄使香蕉果串与树分离，若反馈夹紧力陡增超出预设力度范围，则驱动电动推杆收缩、以带动夹持爪臂缓步张开的方式使反馈夹紧力减弱至预设力度范围，再锁定电动推杆，若反馈夹紧力增加且未超出预设力度范围，则保持电动推杆锁定。周知地，香蕉果串挂接于香蕉树上时，自重对夹紧力的影响可以忽略不计。然而，当其与香蕉树分离后，自重的影响力将迅速地体现到夹紧力上来，具体为压力传感器的反馈夹紧力陡然上升。因此，为保证果皮的防破损，需要自适应调节夹持力度。
32.s5、搬运及摆放位置释放过程中，夹持定位机构受主控器驱动带动柔性夹持爪移动，随香蕉果串本身移动加速度变化带来反馈夹紧力的波动，自适应调整夹持爪臂的抱合松紧程度，夹持定位机构在收集香蕉果串的摆放位置暂停，夹持爪臂张开并由夹持定位机构带动脱离香蕉果串。
33.需要重申并强调的是，上述电动推杆通过内置集成的限电流控制器信号接入主控器，s3~s5通过基于力馈的电动推杆限电流控制方法瞬时响应，调节对香蕉果串的实际夹紧程度。并且从描述可知，对于香蕉此类果皮脆弱且重量较大的果品，从准备夹持、切割果柄分离、搬运到摆放的全过程，均需要应对香蕉果串各种状态变化而自适应且高灵敏地调节夹持力度。
34.综上关于本发明香蕉采摘的柔性夹持装置及其控制方法的方案介绍及实施例详述可见，本方案具备突出的实质性特点和显著的进步性，其优点概述为：该柔性夹持装置使用基于力馈的电动推杆限电流方法，自适应调整面向香蕉果串的夹紧力，在保持夹紧状态使之不掉落的同时，切实保障了脆弱果皮的防破损，提高了香蕉采摘的效率和收获质量，也减轻了人力投入。
35.除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。