CN103448061B - 一种猕猴桃果实采摘末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种猕猴桃果实采摘末端执行器，包括夹持机构、旋转采摘机构、近接机构、传感***以及控制***。夹持机构由前后两个弧形面手指构成的剪刀式结构组成，可实现毗邻果实的分离与可靠抓取；旋转采摘机构采用减速步进电机带动夹紧机构旋转实现果柄与果实分离；接近机构带动前手指靠近果实；传感***由装在前手指内侧的压力传感器、红外光电开关，装在机架上的霍尔位置传感器和限位开关组成，分别用于检测夹持阈值力、果实位置、机构复位信息和控制减速步进电机的旋转角度；控制***由单片机、步进电机控制器组成，由传感***配合实现整个***的控制。该执行器对果实进行精确定位、分离和可靠抓取，实现果实的无损采摘，机械结构简单。

Description

一种猕猴桃果实采摘末端执行器

技术领域

 本发明涉及一种果实采摘末端执行器，尤其涉及一种猕猴桃果实采摘末端执行器，属于采摘机器人领域。

背景技术

果实采摘末端执行器是采摘机器人的关键部件，直接作用于果实，因此，末端执行器的优劣影响着果实的收获质量。国内外针对果实采摘末端执行器的研究较多，但由于果实本身性质差异，通用性不强。猕猴桃果实采摘周期短，劳动强度高，标准化的种植模式有利于实现自动化采摘，但果实毗邻生长的特点要求机械手具有分离果实的功能。中国专利CN101019484A公布的“果蔬采摘机器人末端执行器”采用吸盘吸附的方式分离果实，这种结构使得末端执行器结构设计和控制复杂。中国专利CN102187766A公布了“一种猕猴桃采摘末端执行器”，该末端执行器由于自身体积的限制，对毗邻果的采摘受到限制。

发明内容

为了克服现有采摘方法和采摘装置的不足，本发明提供了一种采用机械结构实现果实分离、传感***获取果实信息实现可靠抓取的猕猴桃果实无损采摘末端执行器，基于该末端执行器本发明还提供了一种简单有效的果实采摘方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种猕猴桃果实采摘末端执行器，包括夹持机构、旋转采摘机构、近接机构、传感***以及控制***；

所述夹持机构包括前手指、后手指、水平滑块、直线步进电机Ⅰ和支架Ⅰ；所述前手指形状为仿生弧形面，并在其内侧附有硅胶材料，与水平滑块用销钉连接，所述后手指形状为仿生弧形面，采用销钉与支架Ⅰ连接，前手指与后手指之间采用销钉连接，形成剪刀式结构，直线步进电机Ⅰ驱动水平滑块实现前手指和后手指的开合，前手指和后手指在闭合的过程中将果实分离并抓取；

所述旋转采摘机构包括连接件Ⅰ、连接件Ⅱ、法兰、减速步进电机；所述连接件Ⅰ一端连接电机输出轴，另一端连接支架Ⅰ，所述连接件Ⅱ一端连接减速步进电机，另一端连接连接件Ⅲ，所述法兰套在电机输出轴上，与连接件Ⅰ连接，减速步进电机旋转带动整个夹紧机构旋转，使果实与果柄成锐角，并使果柄承受拉力，在达到果柄最大位移处被折断，减速步进电机旋转角度用限位开关Ⅰ、Ⅱ设定，所述限位开关的位置是可调的；

所述接近机构包括直线步进电机Ⅱ、竖直滑块、连接件Ⅲ、支架Ⅱ、导向板；所述竖直滑块在支架Ⅱ的滑轨滑动，并与直线步进电机Ⅱ的螺母连接，所述直线步进电机Ⅱ的丝杠与电机输出轴自成一体，丝杠另一端用轴承与支架Ⅱ连接；所述连接件Ⅲ用于连接竖直滑块连接和连接件Ⅱ，其长度略大于直线步进电机Ⅱ的丝杠长度；所述导向板中间开有孔，连接件Ⅲ穿过该孔；连接件Ⅲ一端连接连接件Ⅱ，另一端与竖直滑块连接，竖直滑块在直线步进电机Ⅱ的驱动下使前手指接近果实达到采摘位置；

所述传感***包括压力传感器、红外光电开关传感器、霍尔位置传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；所述压力传感器安装在前手指内侧；所述红外光电开关传感器安装在前手指和后手指距指端三分之一处，前手指安装发射端，后手指安装接收端；所述霍尔位置传感器Ⅰ安装在支架Ⅰ上；所述霍尔位置传感器Ⅱ、Ⅲ安装于支架Ⅱ的两端；所述连接件Ⅰ上安装有限位开关Ⅰ、Ⅱ，用于检测减速步进电机的旋转角度，所述限位开关Ⅰ、Ⅱ的位置是可调的。

所述控制***包括单片机、步进电机驱动器Ⅰ、步进电机驱动器Ⅱ、步进电机驱动器Ⅲ；所述单片机通过I/O口控制步进电机驱动器Ⅰ、步进电机驱动器Ⅱ、步进电机驱动器Ⅲ，通过串口接收传感器信号，实现***的反馈控制。

本发明猕猴桃果实采摘末端执行器的工作原理：

步骤1：启动直线步进电机Ⅰ，电机正转，前手指从果实底部靠近果实；

步骤2：启动直线步进电机Ⅱ，电机正转抓住果实，并保持抓紧姿势；

步骤3：启动减速步进电机，电机正转，前手指和后手指包络抓住果实顺时针旋转，果柄逐渐被拉直并与果实惯性轴成锐角，当果柄承受的拉力大于果蒂所能承受的拉力时，果柄从果蒂处折断。

本发明猕猴桃果实采摘末端执行器现有技术相比较，具有以下有益效果：

本发明采用单片机控制，针对猕猴桃果实毗邻生长的特点，夹紧机构利用前手指与后手指长度差，水平滑块与前手指销钉连接位置和前后手指中间销钉连接位置的高度差，以及后手指与支架相对转动而前手指相对支架既转动又移动的结构形式，实现前手指和后手指合拢过程中既整体上升又往前移动的运动轨迹，前手指从果实底部靠近果实，有效实现了采用机械结构完成毗邻果实的分离与抓取，采用旋转法，使果实惯性轴与果柄成锐角并达到果柄最大转动半径时从果蒂处拉断果柄，减小了果柄分离力，通过控制末端执行器的旋转角度来完成采摘动作，简化了机械结构和控制，限位开关的位置是可调的，从而保证减速步进电机的旋转角度可调，通过传感器的反馈控制，提高了控制精度，实现了果实的无损采摘。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的夹持机构结构示意图；

图3为本发明的旋转采摘结构示意图；

图4为本发明的接近结构示意图；

图5为本发明的控制***示意图；

图6为本发明的猕猴桃果实采摘流程图。

具体实施方式

参见图1和图2，一种猕猴桃果实采摘末端执行器，由夹持机构，旋转采摘机构，接近机构，传感***以及控制***组成，所述夹持机构包括连接件Ⅰ1、霍尔位置传感器Ⅰ3、水平滑块4、支架Ⅰ6、前手指7、后手指10、直线步进电机Ⅰ12。

所述夹持机构包括前手指7和后手指10形成剪刀式结构，前手指7和后手指10之间采用销钉连接，前手指7另一端与水平滑块4通过销钉连接，后手指10另一端与支架Ⅰ6采用销钉连接，所述水平滑块4通过螺母Ⅰ2与直线步进电机Ⅰ12连接，在支架Ⅰ6的滑轨中水平移动；所述前手指和后手指内侧均采用硅胶做内衬。

所述旋转采摘机构包括减速步进电机11、法兰13、连接件Ⅱ14（见图3），所述减速步进电机11的输出轴与连接件Ⅰ1、法兰13通过键连接，减速步进电机11与连接件Ⅱ14固连，所述连接件Ⅱ14与接近机构连接，减速步进电机11伸出轴旋转带动整个夹持机构旋转，所述连接件Ⅰ上安装有限位开关，限位开关控制减速步进电机的旋转角度，通过调节限位开关的位置实现减速步进电机旋转角度的调整。

所述接近机构包括导向板16、支架Ⅱ18、连接件Ⅲ20、竖直滑块21、直线步进电机Ⅱ24，所述竖直滑块21通过螺母Ⅱ22与直线步进电机Ⅱ24连接，在支架Ⅱ18的滑轨中上下移动，所述连接件Ⅲ20连接在竖直滑块21上，另一端与连接件Ⅱ14连接，带动整个夹持机构和旋转采摘机构上下移动，实现接近果实的目的。

所述传感***包括压力传感器8、红外光电开关传感器9、霍尔位置传感器Ⅰ3、霍尔位置传感器Ⅱ17、霍尔位置传感器Ⅲ23；所述压力传感器8安装在前手指7内侧；所述红外光电开关传感器9为对射式组合，前手指7安装发射端，后手指10安装接收端；所述霍尔位置传感器Ⅰ3安装在支架Ⅰ6上，用于检测水平滑块4的初始位置，安装于前手指和后手指端部三分之一处，用于检测果实的位置，所述压力传感器8安装在前手指内侧，用于检测预设夹持力；所述霍尔位置传感器Ⅱ17和霍尔位置传感器Ⅲ23分别安装在支架Ⅱ18的内侧上端处和内侧下端处（见图4），用于检测竖直滑块复位信息并防止机构发生碰撞。

所述控制***包括单片机、步进电机驱动器Ⅰ、步进电机驱动器Ⅱ、步进电机驱动器Ⅲ；所述单片机通过I/O控制步进电机驱动器Ⅰ、步进电机驱动器Ⅱ、步进电机驱动器Ⅲ，通过串口接收传感器信号（见图5），形成反馈控制，达到整个***的精确定位。

为减轻重量，末端执行器除标准件外，前手指和后手指采用塑料材料，其他支架等采用铝合金和赛钢制成；

该***机构简单、控制方便，具备分离果实、准确抓取和果柄分离的功能，为猕猴桃果实采摘机器人提供了关键技术支撑。

参见图6，一种猕猴桃果实采摘末端执行器动作流程图。

具体步骤如下：

1、末端执行器各个部件复位，直线步进电机Ⅰ、减速步进电机、直线步进电机Ⅱ反转，霍尔传感器Ⅰ、Ⅲ，分别检测水平滑块和竖直滑块是否回到初始位置，减速步进电机回转设定角度，复位完成后，电机停止转动，等待命令；

2、末端执行器接近果实，直线步进电机Ⅱ正转，红外光电开关输出低电平时，认为果实已经进入前手指内部，直线步进电机Ⅱ停止转动；

3、末端执行器抓取果实，红外光电开关传感器输出低电平时，直线步进电机Ⅱ停止转动，同时直线步进电机Ⅰ开始正转，前手指和后手指包络抓取果实，待到压力传感器检测达到预设压力值时，直线步进电机Ⅰ停止转动；

4、末端执行器旋转分离果柄，压力传感器检测到预设压力时，直线步进电机Ⅰ停止转动，同时减速步进电机开始转动，直到达到预设夹角则停止；

5、末端执行器释放果实并规划毗邻果实采摘路径，减速步进电机达到预设角度后，完成果柄分离动作，接着减速步进电机复位，末端执行器被送到果实收获装置，直线步进电机Ⅰ反转释放果实，末端执行器在完成一个果实的采摘之后，在现在位置的基础上计算到达下一个毗邻果实坐标需要走的位移，进行下一个果实的采摘，直到计算机提供的全部果实采摘完后，电机全部复位。

Claims (3)

1.一种猕猴桃果实采摘末端执行器，包括夹持机构，旋转采摘机构，接近机构，传感***以及控制***，其特征在于：

所述夹持机构由连接件Ⅰ（1）、水平滑块（4）、支架Ⅰ（6）、前手指（7）、后手指（10）、直线步进电机Ⅰ（12）组成；所述前手指（7）和后手指（10）之间销钉连接形成剪刀式结构，所述前手指（7）另一端与水平滑块（4）销钉连接，所述后手指（10）另一端与支架Ⅰ（6）销钉连接，所述水平滑块（4）通过螺母Ⅰ（2）与直线步进电机Ⅰ（12）连接；

所述旋转采摘机构由减速步进电机（11）、法兰（13）、连接件Ⅱ（14）组成，所述减速步进电机（11）的输出轴与连接件Ⅰ（1）、法兰（13）通过键连接，减速步进电机（11）与连接件Ⅱ（14）固连，所述连接件Ⅱ（14）与接近机构连接；

所述接近机构由导向板（16）、支架Ⅱ（18）、连接件Ⅲ（20）、竖直滑块（21）、直线步进电机Ⅱ（24）组成，所述竖直滑块（21）通过螺母Ⅱ（22）与直线步进电机Ⅱ（24）连接，所述连接件Ⅲ（20）连接在竖直滑块（21）上，另一端与连接件Ⅱ（14）连接，

所述传感***包括压力传感器（8）、红外光电开关传感器（9）、霍尔位置传感器Ⅰ（3）、霍尔位置传感器Ⅱ（17）、霍尔位置传感器Ⅲ（23）；所述压力传感器（8）安装在前手指（7）内侧；所述红外光电开关传感器（9）为对射式组合，前手指（7）安装发射端，后手指（10）安装接收端；所述霍尔位置传感器Ⅰ（3）安装在支架Ⅰ（6）上；所述霍尔位置传感器Ⅱ（17）和霍尔位置传感器Ⅲ（23）分别安装在支架Ⅱ（18）的内侧上、下两端；

所述控制***由单片机、步进电机驱动器Ⅰ、步进电机驱动器Ⅱ、步进电机驱动器Ⅲ组成；所述单片机通过I/O控制步进电机驱动器Ⅰ、步进电机驱动器Ⅱ、步进电机驱动器Ⅲ，通过串口接收传感器信号。

2.根据权利要求1所述的猕猴桃果实采摘末端执行器，其特征在于，所述的前手指（7）为仿生弧形面，采用硅胶做内衬。

3.根据权利要求1所述的猕猴桃果实采摘末端执行器，其特征在于，所述的后手指（10）为仿生弧形面，采用硅胶做内衬。