CN108582127A - 一种水果采摘机器人的末端执行器 - Google Patents

一种水果采摘机器人的末端执行器 Download PDF

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CN108582127A
CN108582127A CN201810552018.0A CN201810552018A CN108582127A CN 108582127 A CN108582127 A CN 108582127A CN 201810552018 A CN201810552018 A CN 201810552018A CN 108582127 A CN108582127 A CN 108582127A
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fruit
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曹建树
陈柏锦
刘立宗
孟志坚
米雨
李朔
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Abstract

本发明公开了一种水果采摘机器人的末端执行器，包括下舵机组件、夹爪组件、机械臂连接盘组件、切断组件、上舵机组件、摄像单元组件，下舵机组件、夹爪组件组成抓取***，切断组件、上舵机组件组成切断***。通过机械臂连接盘组件可与不同尺寸的机械臂连接，摄像单元组件增大了采摘水果过程中视觉定位的精度，同时利用抓取***和切断***完成果实的采摘任务，具有采摘工作稳定、保护水果、可分拣果实、采摘成功率高等优点。可对诸如苹果、甜橙、梨等球形水果进行采摘。

Description

一种水果采摘机器人的末端执行器
技术领域
本发明涉及一种水果采摘机器人，尤其涉及一种水果采摘机器人的末端执行器。
背景技术
随着经济的持续发展，人们对果蔬的需求越来越大，而在规模化农业生产中，水果蔬菜的采摘收获工作量巨大，约占整个工作量的40％，而且为了保证产品的质量，必须做到适时采摘，是整个作业中最辛苦的工作。除此之外水果采摘质量的好坏还将直接影响到水果的保鲜储藏，运输配送等后续工作，并最终将严重影响到经济效益。为了解决这一列的问题，水果采摘机器人成为了农业科技领域重要的发展对象，然而末端执行器通常被认为是水果采摘机器人的核心技术。
获取和分离果实是水果采摘机器人末端执行器必须实现的两大关键动作，即首先通过抓取、吸入、勾取等一定方式获取果实，再通过扭断、剪切等不同方法完成果实与果茎的分离。从目前发表的文献来看，获取果实的方式主要归为吸持类和夹持类两种。分离果实与果茎的方式有传统的扭断、折断、拉断以及通过剪刀或切刀进行切断，还有新式的热切割方法等。
然而，现有技术中的末端执行器很难满足人们对执行器定位准确、操作简单、通用性强、成本低廉的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种采摘过程稳定、工作环境实适应能力强、保护被采摘果实的水果采摘机器人末端执行器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的水果采摘机器人的末端执行器，包括下舵机组件、夹爪组件、机械臂连接盘组件、切断组件、上舵机组件、摄像单元组件，所述下舵机组件、夹爪组件组成抓取***，所述切断组件、上舵机组件组成切断***。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的水果采摘机器人的末端执行器，通过机械臂连接盘组件可与不同尺寸的机械臂连接，摄像单元组件增大了采摘水果过程中视觉定位的精度，同时利用抓取***和切断***完成果实的采摘任务，具有采摘工作稳定、保护水果、可分拣果实、采摘成功率高等优点。可对诸如苹果、甜橙、梨等球形水果进行采摘。
附图说明
图1为本发明实施例提供的水果采摘机器人的末端执行器三维结构示意图；
图2为本发明实施例的下舵机组件的三维结构示意图；
图3a为本发明实施例的夹爪组件的俯视三维结构示意图；
图3b为本发明实施例的夹爪组件的仰视三维结构示意图；
图4为本发明实施例的机械臂连接盘组件三维结构示意图；
图5a为本发明实施例的切断组件俯视三维结构示意图；
图5b为本发明实施例的切断组件仰视三维结构示意图；
图6为本发明实施例的上舵机组件三维结构示意图；
图7为本发明实施例的摄像单元组件三维结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的水果采摘机器人的末端执行器，其较佳的具体实施方式是：
包括下舵机组件、夹爪组件、机械臂连接盘组件、切断组件、上舵机组件、摄像单元组件，所述下舵机组件、夹爪组件组成抓取***，所述切断组件、上舵机组件组成切断***。
所述下舵机组件主要包括下侧架、下舵机连接盘、下舵机，所述下侧架通过两个M3×6下侧架螺钉与所述夹爪组件固定连接，所述下舵机通过四个M3×6下舵机螺钉与下侧架固定连接，所述下舵机连接盘与所述下舵机固连；
所述夹爪组件主要包括下承力架、左夹片、左夹爪、右夹爪、右夹片、右下轴、左下轴、联动杆，所述下承力架通过两个M3×8下承力架螺钉与所述机械臂连接盘组件固连，所述左夹片与右夹片之间设有一组齿轮传动，其齿轮均为不完全齿轮，所述左夹片通过四个自攻螺钉M9×9与所述下舵机隔垫和下舵机组件连接，所述左夹片通过所述左下轴与六角螺母M4螺纹连接后实现与所述下承力架连接，所述右夹片通过所述右下轴与六角螺母M4螺纹连接后实现与下承力架垫圈和所述下承力架连接，所述左夹爪通过左前轴与六角螺母M3螺纹连接后实现与所述左夹片连接，所述右夹爪通过右前轴与六角螺母M3螺纹连接后实现与右夹片连接；
所述联动杆的左端带螺纹，右端光滑，左端通过两个开口挡圈、A型圆柱销2×10、转柱与左夹爪实现固连，右端通过两个开口挡圈、A型圆柱销2x10、转柱与右夹爪实现约束，所述短铜片、长铜片、前触杆、四个柱塞组成一个到位电信号传感器与左夹爪固连，两个垫片分别与左夹爪和右夹爪通过胶粘固连；
所述械臂连接盘组件主要包括连接盘、机械臂连接盘螺栓，所述连接盘与夹爪组件和切断组件固定连接，另一端由机械臂连接盘螺栓预留用来将机械臂连接盘组件固定安装在不同尺寸的机械臂上；
所述切断组件主要包括上承力架、右动片、右联动轴、右刀片、左刀片、左动片、左联动轴，所述上承力架通过两个M3×8上承力架螺钉与机械臂连接盘组件固连，右动片与左动片之间存在一组齿轮传动，其齿轮均为不完全齿轮，所述右动片通过四个动片自攻螺钉M9×9与上舵机组件连接，所述右动片通过右联动轴与右联动轴六角螺母M4螺纹连接后实现与上承力架连接，所述左动片通过左联动轴与左联动轴六角螺母M4螺纹连接后实现与上承力架连接，所述右刀片通过两个刀片螺钉M3×4与右动片固连，所述左刀片通过两个刀片螺钉M3×4与左动片固连；
所述上舵机组件主要包括上侧架、上舵机、上舵机连接盘，所述上侧架通过两个M3×8上侧架螺钉与切断组件固连，上舵机通过四个M3×6上舵机螺钉与上侧架固连，上舵机连接盘与上舵机固连；
所述摄像单元组件主要包括下壳、***头U1-WD、上压盖、下压盖，所述下壳通过两个下壳螺钉M4×8与上舵机组件固连，***头U1-WD通过上压盖和下压盖压紧后固连，上压盖和下压盖通过两个螺钉M4×30与下壳固连。
所述抓取***采用下舵机驱动左夹片旋转，实现与左夹片通过齿轮啮合的右夹片旋转，此时与左夹片连接的左夹爪向右运动，与右夹片连接的右夹爪向左运动，实现夹紧的运动从而完成抓取任务；
所述切断***采用上舵机驱动右动片旋转，实现与右动片通过齿轮啮合的左动片旋转，此时与右动片固连的右刀片向左运动，与左动片固连的左刀片向右运动，实现闭合的运动从而完成切断任务。
所述短铜片、长铜片、前触杆、四个柱塞组成的到位电信号传感器中，当前触杆运动使短铜片触碰到长铜片时，得到电信号，对下舵机进行反馈，下舵机继续运动少量角度后停止工作。
所述***头U1-WD持续工作，对果实位置和果茎位置进行定位。
本发明的水果采摘机器人的末端执行器，主要由舵机提供驱动力，带动齿轮，使夹爪组件和切断组件实现采摘的运动。在复杂的果树环境下，不容易受到干扰，经由机械臂或是半辅助式采摘设备的连接，很准确有效的采摘果实，同时左夹爪内具有到位电信号传感器，可以使得抓取过程更加稳定。克服现有的水果采摘机器人采摘作业不稳定、通用性差等不足。
采摘方式简单可靠、通用性好、保证了采摘的智能化，控制难度低，成本低廉，稳定性好。可满足带有较长果茎的球状水果采摘机器人的需要，对实现水果采摘机器人的实用化和商品化大有裨益。
本发明采用加持式末端执行器，巧妙的结构设计使上舵机组件上可安装摄像单元组件，摄像单元是采摘机器人的“眼睛”,目的在于使采摘机器人的视觉定位更准确，提高了末端执行器的采摘效率和准确率。末端执行器存在抓取***和切断***，工作时抓取***先工作，切断***后工作，目的在于对被采摘果实进行保护，抓取***还可以将果实进行分拣放置，实现果实分类功能。机械臂连接盘组件可以实现末端执行器整体转动，目的在于增加末端执行器整体的灵活性，使末端执行器可以在复杂的环境中工作。
末端执行器是直接和水果果实接触的装置，所以夹爪组件中垫片采用发泡海绵材质，其具有缓冲高弹性、耐高低温性、耐磨性及高摩擦系数等优点，能够确保抓取果实时能够固定并保护果实。切断组件中左右刀片采用钨钢材质，其具有硬度高、耐磨、韧性好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，能够做到彻底切断果茎防止果茎丝连，有效的防止了对采摘过程造成影响。
本发明的末端执行器是通过下舵机组件和上舵机组件提供动力源的，抓取***和切断***分别采用一个舵机控制，能够做到工作时互不干扰、相互协调，而舵机较强的扭力和易于控制的原理，使得采摘过程更容易实现。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用舵机和齿轮传动，增加了联动杆使得左夹爪和右夹爪可以同心加持，实现了左右夹爪平行加持，而不是一端保持不动，另一端进行转动，保证了抓取果实的准确性和稳定性。
(2)本发明采摘果实的顺序是：先抓取后切断，保证了果实的完整性，避免旋转和勾取的方式损伤果实。
(3)本发明的左夹爪内具有到位电信号传感器，可以使得加持之后，舵机仍旋转一定的角度使得果实的抓取更加稳固。
具体实施例：
如图1所示，该水果采摘机器人的末端执行器主要由下舵机组件1、夹爪组件2、机械臂连接盘组件3、切断组件4、上舵机组件5、摄像单元组件6组成。
功能上主要由抓取***和切断***组成，抓取***包括：下舵机组件1、夹爪组件2；切断***包括：切断组件4、上舵机组件5。
图2为下舵机组件的三维结构示意图，下舵机组件1由M3×6下侧架螺钉101、下侧架102、下舵机连接盘103、下舵机104、M3×6下舵机螺钉105组成，其中下侧架102通过两个M3×6下侧架螺钉101与夹爪组件2固定连接，下舵机104通过四个M3×6下舵机螺钉105与下侧架102固定连接，下舵机连接盘103与下舵机104固连。
图3a为夹爪组件的俯视三维结构示意图，图3b为本发明中夹爪组件的仰视三维结构示意图，夹爪组件2由M3×8下承力架螺钉201、下承力架202、左夹片203、自攻螺钉M9×9204、开口挡圈205、A型圆柱销×10 206、转柱207、左夹爪208、前轴209、短铜片210、长铜片211、前触杆212、垫片213、右夹爪214、联动杆215、六角螺母M4 216、下舵机隔垫217、六角螺母M3 218、柱塞219、右夹片220、右下轴221、左下轴222、下承力架垫圈223组成，其中下承力架202通过两个M3×8下承力架螺钉201与机械臂连接盘组件3固连，左夹片203与右夹片220之间存在一组齿轮传动，其齿轮均为不完全齿轮，所以安装时应调整齿轮位之后安装，左夹片203通过四个自攻螺钉M9×9 204与下舵机隔垫217和下舵机组件1连接，左夹片203通过左下轴222与六角螺母M4 216螺纹连接后实现与下承力架202连接，右夹片220通过右下轴221与六角螺母M4 216螺纹连接后实现与下承力架垫圈223和下承力架202连接，左夹爪208通过前轴209与六角螺母M3 218螺纹连接后实现与左夹片203连接，右夹爪214通过前轴209与六角螺母M3 218螺纹连接后实现与右夹片220连接，联动杆215为平衡装置其左端带螺纹，右端光滑，左端通过两个开口挡圈205、A型圆柱销2×10 206、转柱207与左夹爪208实现固连，右端通过两个开口挡圈205、A型圆柱销2x10 206、转柱207与右夹爪214实现约束，通过短铜片210、长铜片211、前触杆212、四个柱塞219组成一个到位电信号传感器与左夹爪208固连，两个垫片213分别与左夹爪208和右夹爪214通过胶粘固连。
图4为机械臂连接盘组件三维结构示意图，械臂连接盘组件3由连接盘301、机械臂连接盘螺栓302组成，其中连接盘301与夹爪组件2和切断组件4固定连接，另一端由机械臂连接盘螺栓302预留用来将机械臂连接盘组件3固定安装在不同尺寸的机械臂上。
图5a为切断组件俯视三维结构示意图，图5b为本发明中切断组件仰视三维结构示意图，切断组件4由M3×8上承力架螺钉401、上承力架402、右动片403、右联动轴404、动片自攻螺钉M9×9 405、刀片螺钉M3×4 406、右刀片407、左刀片408、左动片409、左联动轴六角螺母M4 410、左联动轴411、右联动轴六角螺母M4 412组成，其中上承力架402通过两个M3×8上承力架螺钉401与机械臂连接盘组件)固连，右动片403与左动片409之间存在一组齿轮传动，其齿轮均为不完全齿轮，所以安装时应调整齿轮位之后安装，右动片403通过四个动片自攻螺钉M9×9 405与上舵机组件5连接，右动片403通过右联动轴404与右联动轴六角螺母M4 412螺纹连接后实现与上承力架402连接，左动片409通过左联动轴411与左联动轴六角螺母M4 410螺纹连接后实现与上承力架402连接，右刀片407通过两个刀片螺钉M3×4406与右动片403固连，左刀片408通过两个刀片螺钉M3×4 406与左动片409固连。
图6为上舵机组件三维结构示意图，上舵机组件5由M3×8上侧架螺钉501、上侧架502、上舵机503、M3×6上舵机螺钉504、上舵机连接盘505组成，其中上侧架502通过两个M3×8上侧架螺钉501与切断组件4固连，上舵机503通过四个M3×6上舵机螺钉504与上侧架502固连，上舵机连接盘505与上舵机503固连，由上舵机503带动上舵机连接盘505一起旋转。
图7为摄像单元组件三维结构示意图，摄像单元组件6由下壳螺钉M4×8 601、下壳602、***头U1-WD 603、螺钉M4×30 604、上压盖605、下压盖606组成，其中下壳602通过两个下壳螺钉M4×8 601与上舵机组件5固连，***头U1-WD 603通过上压盖605和下压盖606压紧后固连，上压盖605和下压盖606通过两个螺钉M4×30 604与下壳602固连。
总之，本发明所述水果采摘机器人的末端执行器具有采摘过程稳定、工作环境实适应能力强、保护被采摘果实、可对采摘果实进行分拣等优点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种水果采摘机器人的末端执行器，其特征在于，包括下舵机组件(1)、夹爪组件(2)、机械臂连接盘组件(3)、切断组件(4)、上舵机组件(5)、摄像单元组件(6)，所述下舵机组件(1)、夹爪组件(2)组成抓取***，所述切断组件(4)、上舵机组件(5)组成切断***。
2.根据权利要求1所述的水果采摘机器人的末端执行器，其特征在于，所述下舵机组件(1)主要包括下侧架(102)、下舵机连接盘(103)、下舵机(104)，所述下侧架(102)通过两个M3×6下侧架螺钉(101)与所述夹爪组件(2)固定连接，所述下舵机(104)通过四个M3×6下舵机螺钉(105)与下侧架(102)固定连接，所述下舵机连接盘(103)与所述下舵机(104)固连；
所述夹爪组件(2)主要包括下承力架(202)、左夹片(203)、左夹爪(208)、右夹爪(214)、右夹片(220)、右下轴(221)、左下轴(222)、联动杆(215)，所述下承力架(202)通过两个M3×8下承力架螺钉(201)与所述机械臂连接盘组件(3)固连，所述左夹片(203)与右夹片(220)之间设有一组齿轮传动，其齿轮均为不完全齿轮，所述左夹片(203)通过四个自攻螺钉M9×9(204)与所述下舵机隔垫(217)和下舵机组件(1)连接，所述左夹片(203)通过所述左下轴(222)与六角螺母M4(216)螺纹连接后实现与所述下承力架(202)连接，所述右夹片(220)通过所述右下轴(221)与六角螺母M4(216)螺纹连接后实现与下承力架垫圈(223)和所述下承力架(202)连接，所述左夹爪(208)通过左前轴(209)与六角螺母M3(218)螺纹连接后实现与所述左夹片(203)连接，所述右夹爪(214)通过右前轴与六角螺母M3螺纹连接后实现与右夹片(220)连接；
所述联动杆(215)的左端带螺纹，右端光滑，左端通过两个开口挡圈(205)、A型圆柱销2×10(206)、转柱(207)与左夹爪(208)实现固连，右端通过两个开口挡圈(205)、A型圆柱销2x10(206)、转柱(207)与右夹爪(214)实现约束，所述短铜片(210)、长铜片(211)、前触杆(212)、四个柱塞(219)组成一个到位电信号传感器与左夹爪(208)固连，两个垫片(213)分别与左夹爪(208)和右夹爪(214)通过胶粘固连；
所述械臂连接盘组件(3)主要包括连接盘(301)、机械臂连接盘螺栓(302)，所述连接盘(301)与夹爪组件(2)和切断组件(4)固定连接，另一端由机械臂连接盘螺栓(302)预留用来将机械臂连接盘组件(3)固定安装在不同尺寸的机械臂上；
所述切断组件(4)主要包括上承力架(402)、右动片(403)、右联动轴(404)、右刀片(407)、左刀片(408)、左动片(409)、左联动轴(411)，所述上承力架(402)通过两个M3×8上承力架螺钉(401)与机械臂连接盘组件(3)固连，右动片(403)与左动片(409)之间存在一组齿轮传动，其齿轮均为不完全齿轮，所述右动片(403)通过四个动片自攻螺钉M9×9(405)与上舵机组件(5)连接，所述右动片(403)通过右联动轴(404)与右联动轴六角螺母M4(412)螺纹连接后实现与上承力架(402)连接，所述左动片(409)通过左联动轴(411)与左联动轴六角螺母M4(410)螺纹连接后实现与上承力架(402)连接，所述右刀片(407)通过两个刀片螺钉M3×4(406)与右动片(403)固连，所述左刀片(408)通过两个刀片螺钉M3×4(406)与左动片(409)固连；
所述上舵机组件(5)主要包括上侧架(502)、上舵机(503)、上舵机连接盘(505)，所述上侧架(502)通过两个M3×8上侧架螺钉(501)与切断组件(4)固连，上舵机(503)通过四个M3×6上舵机螺钉(504)与上侧架(502)固连，上舵机连接盘(505)与上舵机(503)固连；
所述摄像单元组件(6)主要包括下壳(602)、***头U1-WD(603)、上压盖(605)、下压盖(606)，所述下壳(602)通过两个下壳螺钉M4×8(601)与上舵机组件(5)固连，***头U1-WD(603)通过上压盖(605)和下压盖(606)压紧后固连，上压盖(605)和下压盖(606)通过两个螺钉M4×30(604)与下壳(602)固连。
3.根据权利要求2所述的水果采摘机器人的末端执行器，其特征在于：
所述抓取***采用下舵机(104)驱动左夹片(203)旋转，实现与左夹片(203)通过齿轮啮合的右夹片(220)旋转，此时与左夹片(203)连接的左夹爪(208)向右运动，与右夹片(220)连接的右夹爪(214)向左运动，实现夹紧的运动从而完成抓取任务；
所述切断***采用上舵机(503)驱动右动片(403)旋转，实现与右动片(403)通过齿轮啮合的左动片(409)旋转，此时与右动片(403)固连的右刀片(407)向左运动，与左动片(409)固连的左刀片(408)向右运动，实现闭合的运动从而完成切断任务。
4.根据权利要求3所述的水果采摘机器人的末端执行器，其特征在于，所述短铜片(210)、长铜片(211)、前触杆(212)、四个柱塞(219)组成的到位电信号传感器中，当前触杆(212)运动使短铜片(210)触碰到长铜片(211)时，得到电信号，对下舵机(104)进行反馈，下舵机(104)继续运动少量角度后停止工作。
5.根据权利要求4所述的水果采摘机器人的末端执行器，其特征在于，所述***头U1-WD(603)持续工作，对果实位置和果茎位置进行定位。
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