CN102227973B

CN102227973B - 球状果实采摘机器人末端执行器

Info

Publication number: CN102227973B
Application number: CN 201110106057
Authority: CN
Inventors: 杨文亮; 郁汉琪; 冯虎; 刘桂芝
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: CN102227973A

Abstract

本发明公开了一种球状果实采摘机器人末端执行器，包括旋转电机组件、伸缩气缸组件和弧形手指切割组件。其利用旋转电机通过联轴组件带动四个弧形刀片对其间任意位置的果柄进行旋转切割，这省掉了对果柄位置的检测，单杆双作用气缸通过活塞杆的伸出和缩回动作带动四个弧形手指的张开和合拢，四个弧形手指合拢时所包围的空间大于果实的三维空间，采摘时其不与果实发生接触，保证了手指可与果实发生相对转动，为弧形刀片旋转切割果柄提供了条件，也免去了复杂的夹持果实的压力控制，本发明采摘方式可靠，动作控制难度低，成本低廉，通用性强。

Description

球状果实采摘机器人末端执行器

技术领域

本发明属于农业果蔬采摘机器人末端执行器的开发领域，特别是一种球状果实采摘机器人末端执行器。

背景技术

末端执行器是农业果蔬采摘机器人的重要组成部分，它安装在机械臂的末端，在进行采摘作业时，先由机械臂将末端执行器移动至果实相应的采摘点处，再由末端执行器完成采摘果实的任务。采摘机器人的研究和开发经历了30多年，取得了不少成果。但离实用化和商品化还有一定的距离，其主要原因之一在于对末端执行器的研制要求较高，要求包括：1）末端执行器在进行采摘的过程中不能损伤水果；2）采摘效率和采摘成功率高；3）末端执行器的成本要低，能使广大用户接受；4）在保证智能化的同时降低控制***的复杂性，利于农民操作和机器人整机的采摘过程控制；5）要求机构在保证精巧（提高避障能力）的同时其可靠性、强度要高；6）提高通用性，使一种末端执行器能采摘多种水果。

直至目前，实现采摘的方式主要有两种，第一种是设计相应机构先对果实进行夹持抓牢，再利用腕关节的两个垂直方向上的转动来模拟人掰拧果柄的动作，其作业的对象要求果柄易于与果枝分离，同时需要严格控制好夹持果实的力量，否则极易损伤果实。第二种是利用吸盘将果实吸牢并将其拖入夹持手指之间，再利用剪刀或其他方式将果柄打断，这种方法需要检测好果柄的位置，并要精确的调整好末端执行器的姿态，从而增加了***控制的难度和机构的复杂性Peter P.Ling等人设计了一种4 个手指的末端执行件（Ling,P.Sensing and end-effector for a robotic tomato ha--- rvester[R].ASer,No.043088.）。该末端执行件主要由数字线性步进电机、4 个手指和吸引器组成。手指利用缆绳和筋腱使其弯曲，利用扭矩弹簧使其伸展。数字线性步进电机驱动筋腱，增强了末端执行件运动的可控性和精确性。在手指的选材上，选择了轻便且硬度好的材料。但是，其耐劳性不是很理想。应再考虑质量和抗疲劳性，以达到更理想的效果，另外其由于采用了数字线性步进电机使成本偏高，很大程度上影响了实用化和商品化。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种无需控制夹持力和采摘姿态、可靠耐用、成本低廉的球状果实采摘机器人末端执行器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种球状果实采摘机器人末端执行器，包括旋转电机组件、伸缩气缸组件和弧形手指切割组件，其中伸缩气缸组件位于旋转电机组件和弧形手指切割组件之间，所述旋转电机组件包括旋转电机、电机支架和联轴组件，气缸组件包括气缸托架、单杆双作用气缸和气缸支架，弧形手指切割组件包括连杆、多个弧形手指、橡胶层、弧形刀片、活塞杆、活塞架和销轴；旋转电机固定在电机支架，旋转电机的电机轴通过联轴组件与气缸托架相固连，带动气缸托架旋转，气缸托架上方固连单杆双作用气缸，该气缸的上方固连气缸支架，单杆双作用气缸的活塞杆的顶端与活塞架相固连，该活塞架通过销轴与多个弧形手指相连接，每个弧形手指还通过连杆和销轴与气缸支架相连接，每个弧形手指的内廓表面上设置弧形刀片，该弧形刀片的形状与弧形手指的内廓表面形状相拟合，弧形刀片的内侧粘有橡胶层。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）夹持机构不接触果实表面，只是将其包围，省掉了传统采摘末端执行器需要控制夹持力的部分；2）由于没有直接接触果实表面，所以不存在损伤果实的情况；3）无需判断检测果柄与末端执行器的相对位置，只要果实进入四指包围空间之中，本发明即可将果柄割断；4）结构简单紧凑，成本低廉，控制难度低；5）通用性强，可采摘多种类球状的果实。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明的球状果实采摘机器人末端执行器的整体结构示意图。

图2是本发明的活塞架与活塞连接结构示意图。

图3是本发明的联轴组件结构示意图。

图4是本发明的手指部分的结构示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种球状果实采摘机器人末端执行器，包括旋转电机组件、伸缩气缸组件和弧形手指切割组件，其中伸缩气缸组件位于旋转电机组件和弧形手指切割组件之间，所述旋转电机组件包括旋转电机1、电机支架2和联轴组件3，气缸组件包括气缸托架16、单杆双作用气缸4和气缸支架5，弧形手指切割组件包括连杆6、多个弧形手指7、橡胶层11、弧形刀片12、活塞杆13、活塞架14和销轴15；

旋转电机1固定在电机支架2，旋转电机1的电机轴通过联轴组件3与气缸托架16相固连，带动气缸托架16旋转，气缸托架16上方固连单杆双作用气缸4，该气缸的上方固连气缸支架5，单杆双作用气缸4的活塞杆13的顶端与活塞架14相固连，该活塞架通过销轴15与多个弧形手指7相连接，每个弧形手指还通过连杆6和销轴与气缸支架5相连接，结合图4，每个弧形手指的内廓表面上设置弧形刀片12，该弧形刀片的形状与弧形手指的内廓表面形状相拟合，弧形刀片12的内侧粘有橡胶层11，用于隔挡弧形刀片12与果实接触，防止弧形刀片12旋转时误伤果实。弧形手指7的数量优选为四个，气缸支架5的左右前后四个方向上分别通过销轴15与连杆6相连，同时连杆6、弧形手指7和活塞架14之间依次通过销轴15进行连接。四个弧形手指7合拢时所包围的空间要大于果实的三维空间，保证四个弧形手指7合拢时是将果实包围而不是将果实包夹住，这样可以省掉控制夹持果实力的控制，同时弧形手指不与果实接触，保证手指果实发生相对转动，为弧形刀片12旋转切割果柄提供了条件。弧形刀片12拟合弧形手指7的内廓表面形状，弧形刀片焊接在弧形手指7的内廓表面上，这样，弧形刀片12可以割断任意位置的果柄。

气缸托架底面加工出一突出轴，其轴径与电机轴轴径相等，单杆双作用气缸通过螺钉连接固定安装在气缸托架上。结合图3，所述联轴组件3包括销钉18、右半圆套19、左半圆套20，右半圆套19和左半圆套20同时套在电机轴17与气缸托架16突出轴的结合处，所述右半圆套19和左半圆套20通过销钉18相连，并通过螺钉21和螺栓22相紧固。联轴组件3将电机轴17与气缸托架16突出轴固定连接在一起。

结合图2，单杆双作用气缸4活塞杆13的顶端通过顶片8与活塞架14相固连，其中顶片8通过M6螺钉9与活塞杆13端面固定连接，该顶片8还通过M3螺钉10与活塞架14固定连接。M3螺钉10的数量优选为四个。

本发明的旋转电机用螺钉固定装在电机支架上，电机轴与气缸架通过联轴组件固定连接在一起，单杆双作用气缸后端通过螺钉固定安装在气缸架上，前端安装四指夹持机构，每个手指的内侧焊接有与手指面拟合的弧形刀片，本发明工作时，弧形手指先处于张开状态，当果实进入四指包围的空间内时，气缸活塞杆缩回，带动四指合拢，直至各指尖挤紧在一起，这时，旋转电机开始启动，通过联轴组件的紧固连接，处于合并状态的四指绕电机轴方向进行自转，其各手指上的圆弧刀片就可以割断任意位置的果柄，完成采摘。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述:

本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例安装在采摘机器人机械臂腕关节组的最后的关节处，通过电机支架2和腕关节组的最后关节运动输出端固定联接。实施例包括旋转电机组件、伸缩气缸组件和弧形四指切割组件三部分。

所述旋转电机组件包括旋转电机1、电机支架2和联轴组件3，其中：联轴组件3包括销钉17、右半圆套19、左半圆套20、螺钉21和螺栓22。右半圆套19和左半圆套20通过销钉17相连后，同时套在电机轴17与气缸托架16突出轴的结合处，通过螺钉21和螺栓22的紧固，将电机轴17与气缸托架16突出轴固定连接在一起。

所述伸缩气缸组件包括气缸托架16和单杆双作用气缸4。其中：气缸托架16底面加工出一突出轴，其轴径与电机轴轴径相等，单杆双作用气缸4在本实例中选用的型号为：DNC-32-50-PPV-A。单杆双作用气缸4通过螺钉连接固定安装在气缸托架16上。

所述弧形四指切割组件包括气缸支架5、连杆6、弧形手指7、顶片8、M6螺钉9、M3螺钉10、橡胶层11、弧形刀片12、活塞杆13、活塞架14和销轴15。其中：气缸支架5的左右前后四个方向上分别通过销轴15与连杆6相连，同时连杆6、弧形手指7和活塞架14之间依次通过销轴15进行连接。顶片8通过M6螺钉9与活塞杆13端面固定连接，同时利用四个M3螺钉10将其与活塞架14固定连接。弧形手指7选用强度较高的合金钢-65Mn并采用线切割加工成形，同时要求四个弧形手指7合拢时所包围的空间要大于果实的三维空间，保证四个弧形手指7合拢时是将果实包围而不是将果实包夹住，这样可以省掉控制夹持果实力的控制，同时手指不与果实接触，保证手指可相当于果实发生相对转动，为弧形刀片12旋转切割果柄提供了条件。弧形刀片12拟合弧形手指7的内廓表面形状，通过钨极氩弧焊接将其固定在弧形手指7的内廓表面上，这样，圆弧刀片可以割断任意位置的果柄，橡胶层11粘在弧形刀片12的内侧，用于隔挡弧形刀片12与果实接触，防止弧形刀片12旋转时误伤果实。

利用本发明的球状果实采摘机器人末端执行器进行采摘时，具体分为四步：

第一步、首先采摘机器人通过视觉传感器捕捉果实图像，经过图像分析确定果实位置，然后控制机械臂带动本发明运动到果实位置，在此过程中本发明的弧形四指切割组件处于待采摘状态，即：单杆双作用气缸4使活塞杆13处于伸长状态，这样四个弧形手指7处于张开状态；

第二步、当目标果实进入四个弧形手指7所包围的内部空间区域后，单杆双作用气缸4其中的通气方向改变，驱动活塞杆13反向动作，活塞杆13缩回带动四个弧形手指7合并，四指尖合拢在一起，此时果实包围在四指的包围空间内，其果柄位于某两弧形手指7之间；

第三步、当四个弧形手指7合并，四指尖合拢在一起时，旋转电机1开始启动，经过联轴组件3的传动，带动伸缩气缸组件和弧形四指切割组件转动，最终弧形刀片12相对果柄发生旋转将其割断，在此过程中，单杆双作用气缸4保持通气方向不变，四个弧形手指保持合并状态；

第四步、采摘机器人带动本发明运动到果实收集装置处，单杆双作用气缸4通气方向发生改变，四个弧形手指张开，果实随即落入果实收集装置内，至此，末端执行器完成了对一个果实采摘的全部过程。

Claims

1.一种球状果实采摘机器人末端执行器，其特征在于，包括旋转电机组件、伸缩气缸组件和弧形手指切割组件，其中伸缩气缸组件位于旋转电机组件和弧形手指切割组件之间，所述旋转电机组件包括旋转电机[1]、电机支架[2]和联轴组件[3]，气缸组件包括气缸托架[16]、单杆双作用气缸[4]和气缸支架[5]，弧形手指切割组件包括连杆[6]、多个弧形手指[7]、橡胶层[11]、弧形刀片[12]、活塞杆[13]、活塞架[14]和销轴[15]；旋转电机[1]固定在电机支架[2]，旋转电机[1]的电机轴通过联轴组件[3]与气缸托架[16]相固连，带动气缸托架[16]旋转，气缸托架[16]上方固连单杆双作用气缸[4]，该气缸的上方固连气缸支架[5]，单杆双作用气缸[4]的活塞杆[13]的顶端与活塞架[14]相固连，所述活塞架[14]通过销轴[15]与多个弧形手指[7]相连接，每个弧形手指还通过连杆[6]和销轴与气缸支架[5]相连接，每个弧形手指的内廓表面上设置弧形刀片[12]，该弧形刀片的形状与弧形手指的内廓表面形状相拟合，弧形刀片[12]的内侧粘有橡胶层[11]。

2.根据权利要求1所述的球状果实采摘机器人末端执行器，其特征在于，所述联轴组件[3]包括销钉[18]、右半圆套[19]、左半圆套[20]，右半圆套[19]和左半圆套[20]同时套在电机轴[17]与气缸托架[16]突出轴的结合处，所述右半圆套[19]和左半圆套[20]通过销钉[18]相连，并通过螺钉[21]和螺栓[22]相紧固。

3.根据权利要求1或2所述的球状果实采摘机器人末端执行器，其特征在于，单杆双作用气缸[4]活塞杆[13]的顶端通过顶片[8]与活塞架[14]相固连，其中顶片[8]通过M6螺钉[9]与活塞杆[13]端面固定连接，该顶片[8]还通过M3螺钉[10]与活塞架[14]固定连接。

4.根据权利要求1或2所述的球状果实采摘机器人末端执行器，其特征在于，弧形手指[7]的数量为四个，气缸支架[5]的左右前后四个方向上分别通过销轴[15]与连杆[6]相连，同时连杆[6]、弧形手指[7]和活塞架[14]之间依次通过销轴[15]进行连接。