一种黄瓜采摘机器人的末端执行器的制作方法

本发明涉及智能农业机械技术领域，尤其涉及一种黄瓜采摘机器人的末端执行器。

背景技术：

随着计算机和自动控制技术的迅速发展，农业机械将迈入高度自动化与智能化时期。机器人已经逐步渗入到农业生产中，机器人的使用将成为农业向自动化和智能化发展的重要标志。在果蔬生产作业中，收获采摘约占整个作业量的40％。采摘质量的好坏直接影响果蔬的存储、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。由于采摘的复杂性，自动化程度仍然很低，目前国内果蔬采摘基本上还是手工完成，工作环境差，收获作业劳动强度大，因此研究适用温室环境黄瓜采摘机器人具有重要意义。

黄瓜是目前栽培区域最广、总产量最高、经济效益最好的大中型蔬菜之一，而采摘作业是黄瓜生产链中最耗时、最费力的一个环节。而且采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高，因此保证黄瓜适时采收、降低收获成本是农业增收的重要途径。采摘机器人是实现这一目标的有力工具。

对于黄瓜采摘机器人，采摘作业环境的复杂多变是采摘机器人遇到的重大难题之一。在黄瓜的种植环境中，黄瓜易受到植株分枝、叶片以及其他黄瓜的遮挡，从而导致黄瓜的采摘成功率较低。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的一个目的是提供一种黄瓜采摘机器人的末端执行器，使其能够采摘有遮挡的黄瓜，以提高采摘机器人的采摘成功率，提升机器人的实用性。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种黄瓜采摘机器人的末端执行器，其包括：连接支架、夹持单元、视觉单元、切割单元以及升降机构，其中，夹持单元固定在连接支架上，视觉单元位于夹持单元的上方，切割单元位于夹持单元和视觉单元之间；升降机构包括步进电机、与步进电机固定连接的支座、滚珠丝杠副以及光轴，滚珠丝杠副中的滚珠螺母固定在连接支架上，滚珠丝杠副中的滚珠丝杠的一端与步进电机的输出端连接，另一端与视觉单元和切割单元连接，光轴的一端固定在支座上，另一端穿过连接支架并与视觉单元和切割单元连接，该光轴的轴线与滚珠丝杠的轴线是平行的，使得工作时步进电机带动滚珠丝杠的转动在光轴的定向作用下，带动视觉单元和切割单元上下运动；该末端执行器还包括控制单元，该控制单元分别与视觉单元、切割单元、夹持单元和升降机构连接；该末端执行器还包括位于视觉单元上方用于将黄瓜遮挡拨开的拨开件。

其中，视觉单元包括摄像头保护罩以及位于摄像头保护罩内的摄像头，切割单元位于摄像头下方。

其中，拨开件与摄像头保护罩是一体的。

其中，摄像头保护罩呈倒立的“U”形。

其中，夹持单元包括手指安装架、手指底座以及位于手指底座上的气囊手指，该气囊手指通过手指安装架与连接支架连接。

其中，切割单元包括摆动气缸、与摆动气缸连接的飞刀以及与飞刀配套的刀套。

其中，滚珠丝杆的下端通过弹性联轴器与步进电机的输出端连接。

其中，升降机构还包括固定在连接支架并套设在光轴上的导套。

其中，控制单元包括与视觉单元连接的上位机、与上位机连接的单片机，以及分别由单片机控制的气路系统和电路系统，气路系统设置有分别与夹持单元和切割单元连接的电磁换向阀，电路系统通过电磁继电器控制电磁换向阀，进而控制夹持单元和切割单元的工作；该电路系统通过电机驱动器驱动步进电机。

其中，该末端执行器还包括固设在连接支架上的连接法兰盘。

(三)有益效果

本发明提供的末端执行器可采摘各种遮挡情况下的黄瓜，能适应复杂的种植环境，提高采摘成功率；而且结构简单，所需零件成本低，维护方便；此外，该机构采用机器人视觉以及电路控制，机器运行时，无需人工操作，自动化程度高。

附图说明

图1为根据本发明的一个优选实施例的黄瓜采摘机器人的末端执行器的结构示意图；

图2为根据本发明的一个优选实施例的末端执行器的控制原理图；

图3为根据本发明的一个优选实施例的末端执行器的工作流程图。

图中，1：连接法兰盘；2：连接支架；3：丝杆轴承；4：第一光轴支撑座；5：摄像头安装架；6：摄像头保护罩；7：摄像头；8：刀套；9：飞刀；10：摆动气缸；11：手指安装架；12：手指底座；13：气囊手指；14：导套；15：光轴；16：第二光轴支撑座；17：步进电机；18：支座；19：弹性联轴器；20：丝杆轴承座；21：滚珠丝杆；22：滚珠螺母；23：拨开件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1示出了根据本发明的黄瓜采摘机器人的末端执行器的一个优选实施例。如图1所示，该实施例中的末端执行器包括连接支架2、固定在连接支架2上的夹持单元、视觉单元位于夹持单元的上方，切割单元位于夹持单元和视觉单元之间。具体地，在该实施例中，夹持单元包括手指安装架11、手指底座12以及位于手指底座12上的气囊手指13，该气囊手指13通过手指安装架11与连接支架2连接。视觉单元主要包括摄像头保护罩6以及通过摄像头安装架5安装在摄像头保护罩内的摄像头7，该摄像头7优选采用单目摄像头。切割单元设置在摄像头保护罩6内摄像头7的下方。切割单元包括摆动气缸10、与摆动气缸10连接的飞刀9以及与飞刀9配套的刀套8。

该末端执行器还包括升降机构，该升降机构主要包括步进电机17、支座18、滚珠丝杠副以及光轴15，其中，步进电机17和支座18位于连接支架2下方，滚珠丝杠副中的滚珠螺母22固定在连接支架2上，滚珠丝杠副中的滚珠丝杠21下端通过丝杠轴承座20与步进电机17的输出端连接，滚珠丝杠21的上端通过丝杠轴承3与视觉单元的摄像头保护罩6连接。优选地，滚珠丝杆21的下端通过弹性联轴器19与步进电机17的输出端连接。光轴15的下端通过第二光轴支撑座16与支座18连接，光轴15的上端穿过连接支架2并通过第一光轴支撑座4与摄像头保护罩6连接，该光轴15的轴线与滚珠丝杠21的轴线是平行的，使得步进电机17转动时，带动滚珠丝杠21转动，滚珠丝杠21的转动在光轴15的定向下带动视觉单元和切割单元上下运动。优选地，升降机构还包括固定在连接支架2上并套设在光轴15上起导向作用的导套14。

该末端执行器还包括控制单元，该控制单元分别与视觉单元、切割单元、夹持单元和升降机构连接。如图2所示，该控制单元包括与摄像头7连接的上位机、与上位机连接的单片机，以及分别由单片机控制的气路系统和电路系统。其中，气路系统包括分别与夹持单元、切割单元连接的第一气路系统和第二气路系统，在第一气路系统和第二气路系统上分别设置有电磁换向阀，单片机分别通过电磁继电器来控制气路系统上的电磁换向阀，进而控制夹持单元和切割单元的工作。在该实施例中，第一气路系统与夹持单元的气囊手指13连接，以便在单片机的控制下使气囊手指13充气或放气，以夹持或松开黄瓜的可见部分。第二气路系统与切割单元的摆动气缸10连接，以便在单片机的控制下使摆动气缸10摆动，从而带动飞刀9对黄瓜梗部进行切断或者复位。电路系统通过电机驱动器来驱动步进电机17的转动，以使滚珠丝杠21转动，从而带动视觉单元和切割单元上下运动。当采摘机械臂将末端执行器送到黄瓜的可见部分附近后，上位机发送信号给单片机，单片机通过高低电平的变化控制电磁继电器的开关，从而控制气路系统的电磁换向阀，进而控制气囊手指13和摆动气缸10的工作状态。上位机发送信号给单片机，单片机通过电机驱动器发送脉冲信号给步进电机17以控制步进电机17转动的起停以及方向。

此外，该末端执行器还包括固定在视觉单元的上方用于将黄瓜遮挡拨开的拨开件23。具体地，拨开件23设置在摄像头保护罩6上。在该实施例中，摄像头保护罩6呈倒立的“U”形，其又作为拨开件23使用。

此外，该末端执行器还包括固设在连接支架2上的连接法兰盘1(如图1所示)，该末端执行器通过该连接法兰盘1安装在采摘机器人的采摘机械臂末端，因此采摘机械臂可以将气囊手指13准确地送到目标位置，对黄瓜进行夹持、固定。工作时需要采摘机器人与黄瓜植株保持在一定范围的距离内。

该黄瓜采摘机器人的末端执行器的工作流程如下：

靠近：采摘机械臂将末端执行器送至黄瓜的可见部分附近。具体地，采摘机器人开始运行后，当其双目视觉单元检测到可见的黄瓜，采摘机器人停止移动，通过双目视觉单元与采摘机械臂的空间坐标转化，确定黄瓜的位置，采摘机械臂运动，将该末端执行器送至黄瓜的可见部分(即可夹持部分)附近。

夹持：控制单元控制夹持单元夹住黄瓜的可见部分。具体地，控制单元的上位机发送信号给单片机，单片机通过电磁继电器控制与气囊手指13连接的第一气路系统上的电磁换向阀，使气囊手指13充气，导致其向内弯曲变形，夹住黄瓜的可见部分，将其固定。

切断：控制单元控制升降机构上升，而黄瓜的遮挡物此时可分为两类，一类距离黄瓜较远，不对上升造成影响，另一类离黄瓜较近，摄像头保护罩6可将其顶开。上升的同时，摄像头7实时拍摄，并将图像返回给控制单元，当摄像头到达黄瓜梗部时，视觉单元识别这一图像，将信号发给控制单元，由控制单元控制升降机构停止，然后，控制单元控制切割单元工作，切断黄瓜梗。具体地，控制系统的单片机发信号给电机驱动器，步进电机17运转，通过弹性联轴器19带动滚珠丝杆21旋转，此时与滚珠丝杠21配套的滚珠螺母22固定在连接支架2上，因此滚珠丝杠21带动切割单元以及视觉单元在光轴15的定向下，向上运动。上升的过程中，拨开件23会将之前挡在黄瓜前面的遮挡顶开，移开遮挡的同时，摄像头7实时拍摄黄瓜的样子，并将图像返回给上位机，当摄像头7到达黄瓜的顶端即黄瓜梗部时，视觉单元识别这一图像，将信号发给单片机，单片机控制步进电机17停止运转，然后，上位机再次发送指令使摆动气缸11执行动作，飞刀9摆动一定角度，切断黄瓜梗部，使黄瓜脱离黄瓜植株；

放果：控制单元控制升降机构下降，以带动视觉单元和切割单元下降到原位，同时，采摘机械臂复位，控制单元控制夹持单元放果，然后控制单元控制切割单元复位。具体地，控制单元的上位机发信号给单片机，以控制步进电机17反转，从而带动升降机构下降，回到原位，同时，采摘机械臂也进行复位运动，回到采摘初始位置，即机器人收黄瓜的篮子上方，末端执行器和采摘机械臂复位运动结束后，上位机发送信号给单片机，单片机控制第一气路系统使气囊手指13放气，弯曲的手指恢复原形，松开黄瓜，黄瓜掉入篮子。然后上位机向单片机发送信号，单片机控制第二气路系统使摆动气缸10转回，飞刀9复位，如图3所示。

本次作业完成，若机器人视野内还有可采摘的黄瓜，再次执行动作，若没有，机器人继续行走，直到视野内出现可采摘的黄瓜，再次执行动作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。