CN109079744A - 果蔬采摘机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种果蔬采摘机器人，包括行走机架，在所述行走机架上转动安装有四个行走轮，在行走机架上固定安装有收纳容器和手臂基座；在手臂基座的顶部绞支有下伸展臂和前伸展臂，在前伸展臂的另一端铰支有手腕架，在手腕架顶部固定安装有导轨滑座和采摘电机，在手腕架的下部固定安装有夹持基座，该夹持基座上转动支承有两只相互啮合的夹持齿轮，在夹持基座上还铰支有两根夹持连杆，在每一夹持齿轮上均固连有夹持摆杆，同一侧的夹持摆杆和夹持连杆的外伸端铰支有一采摘夹持指，每一采摘夹持指的内侧夹持面上均设置有采摘气囊；输果管的一个端口位于采摘夹持指的后方。本发明不仅能实现果蔬的无损采摘，而且采摘效率高，采摘成本低。

Description

果蔬采摘机器人

技术领域

本发明涉及一种用于果蔬采摘的机械装备，尤其涉及一种具有行走和采摘功能的仿生果蔬采摘机器。

背景技术

传统的果蔬采摘大多以人工完成，采摘者直接用手从树枝或植株上逐只将果蔬扯摘下来，不仅劳动强度大，工作十分繁杂、采摘成本高，采摘效率低，直接制约着果农收入的增加，而且容易造成树枝或植株被扯断，影响果树的生长和来年的果蔬产量。这种手工扯摘也容易扯坏果蒂，造成水果无法长时间收藏保存。针对人工采摘的不足，现已出现一些关于苹果、柑橘、番茄、草莓等球形果实的机械化采摘方案，其中既有批量化无差别的采摘方案，如通过振动使植株上的果实掉落，也有通过末端执行机构对单个果实进行采摘的采摘方案。在末端执行机构的实现方法中，国内外展开了一定的研究，其中不乏设计二指结构扭断果蒂以及设计剪刀形式剪断果蒂的实现方法，二指结构扭断果蒂的弊端在于夹持力较大，往往造成果实的损伤甚至破裂；而剪刀形式剪断果蒂的不足之处则是受限于剪切范围，并且实现难度大、扩展性低。在采摘作业中，果实的收集也是关键的一环，收集时应注重果实的保护，同时应该保证高效和连续性。现有机械化采摘结构设计中，关于果实的收集方案描述较少且简略，一般的收集形式是在末端执行机构下方设置网袋接收脱离植株的果实，不仅占据一定空间，实际操作时也会因为碰撞造成果实损伤严重，实用性较差。

发明内容

针对现有技术所存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种果蔬采摘机器人，不仅能实现果蔬的无损采摘，果品采摘准确，而且采摘效率高，大大节约采摘成本。

为了解决上述技术问题，本发明的果蔬采摘机器人，包括行走机架，在所述行走机架上转动安装有四个行走轮，每一行走轮均对应有一与之传动连接的行走电机；在行走机架上固定安装有收纳容器和手臂基座；在手臂基座的顶部绞支有下伸展臂，下伸展电机安装于手臂基座上，该下伸展臂固定连接于下伸展电机的输出轴端；在下伸展臂的另一端绞支有前伸展臂，前伸展电机安装于下伸展臂上，该前伸展臂固定连接于前伸展电机的输出轴端，前伸展电机的转动中心线与下伸展电机的转动中心线相平行；在前伸展臂的另一端铰支有手腕架，手腕电机固定安装于前伸展臂上，手腕架固定连接于手腕电机的输出轴端；手腕电机的转动中心线与下伸展电机或前伸展电机的转动中心线相互垂直；在手腕架顶部固定安装有导轨滑座和采摘电机，安装于采摘电机轴端的采摘齿轮与采摘齿条相啮合，该采摘齿条与滑动导轨固定连接，滑动导轨滑动支承于导轨滑座上，在滑动导轨的前端安装有切割电机，在切割电机的轴端安装有切割刀片；在手腕架的下部固定安装有夹持基座，该夹持基座上转动支承有两只相互啮合的夹持齿轮，该夹持齿轮由夹持电机驱动；在夹持基座上还铰支有两根夹持连杆，在每一夹持齿轮上均固连有夹持摆杆，同一侧的夹持摆杆和夹持连杆的外伸端铰支有一采摘夹持指，每一采摘夹持指的内侧夹持面上均设置有采摘气囊，两只采摘夹持指相对设置；切割刀片位于采摘夹持指的上方；输果管的一个端口位于采摘夹持指的后方，输果管的另一端口则与收纳容器位置相对应。

在上述结构中，由于在行走机架上转动支承有四个行走轮，且每一个行走轮均对应有一行走电机，形成了独立驱动的行走结构，这种结构不仅大大增强了采摘机的运动灵活性，既可以灵活地变换或调整行走方向，也可以方便地实现采摘机的前进或倒退，而且该结构还具有很好的障碍物跨越或避让功能，更适于果蔬地的行走作业。又由于在手臂基座上依次铰支有下伸展臂和前伸展臂，且下伸展臂和前伸展臂的转动轴线相互平行，而在前伸展臂上又铰支有手腕架，该手腕架的摆动中心与前伸展臂摆动中心垂直，通过下伸展臂、前伸展臂及手腕架的相互铰连并独立驱动，能够实现多自由度的空间运动，满足了采摘机在三维空间中的找果摘果要求。还由于在手腕架上通过夹持齿轮、夹持摆杆及夹持连杆所构成的平行四边形机构支承有一对采摘夹持指，该采摘夹持指能够实现对果品的准确抓取和夹持，在采摘夹持指的内侧夹持面上设置的采摘气囊，又能实现对果品柔性握持和抓取，很好地避免了采摘夹持指对果品的损伤，实现了果蔬的无损采摘，而且采摘的准确性和可靠性高。也由于在手腕架上还通过独立驱动的齿轮齿条副安装有切割电机和切割刀片，采摘过程中带有气囊的采摘夹持指轻柔地握住果品，果蔬被握持定位后，切割刀片在齿轮齿条副的驱动下接近果柄并迅速地将其切断，不仅避免了采摘过程中对果品的损伤和破坏，保持了果品的完好，便于果品采摘后的保藏，而且也不会对植株或果树枝形成牵扯损伤，有利于保证果蔬产量的稳定。在本发明中还采用了柔性的输果管结构，该输果管的一个端口位于采摘夹持指的后方，其另一端口则对应于收纳发容器，通过输果管将采摘的果品输送到收纳容器中，既保证了采摘机的连续高效工作，又避免采摘果品的输送碰撞和损伤。因此，本发明的采摘机不仅摘果准确可靠，实现了果品的无损采摘，采摘效率高，而且大大节约了人力成本，具有高效无损的特点，且便于实现自动行走和自动采摘。

本发明的优选实施方式，所述行走电机固定安装于行走机架上，行走轮固定连接于行走电机的输出轴端。结构合理简单，能够实现采摘机的灵活运动。

本发明的优选实施方式，在所述下伸展臂上安装有下伸展臂转轴，下伸展臂转轴通过下伸展臂轴承转动支承于手臂基座上，该下伸展臂转轴与下伸展电机位置相对且处于同一中心线上。在所述前伸展臂上安装有前伸展臂转轴，前伸展臂转轴通过前伸展臂轴承转动支承于下伸展臂上，该前伸展臂转轴与前伸展电机位置相对且处于同一中心线上。能够实现下伸展臂和前伸展臂的上下自如抬摆。

本发明的优选实施方式，在所述手腕架上安装有手腕转轴，手腕转轴通过手腕轴承转动支承于前伸展臂上，该手腕转轴与手腕电机位置相对且处于同一中心线上。能够实现手腕架的左右自如摆动。

本发明的优选实施方式，所述采摘电机通过导轨滑座固定安装于手腕架上。所述夹持基座、采摘夹持指，以及与该采摘夹持指相对应的夹持摆杆和夹持连杆构成平行四边形机构；在相互啮合的夹持齿轮中一夹持齿轮安装于夹持电机的输出轴上，另一夹持齿轮转动支承于夹持基座上，夹持电机固定安装于夹持基座上。所述采摘气囊上装有握力传感器。能够实现对果品准确抓取，且能有效控制抓取握持力，达到对果品的有效保护。

本发明的优选实施方式，所述采摘夹持指上安装有找果传感器；所述切割刀片为带锯齿的圆形刀片。找果传感器能够对采摘果品准确定位，圆形刀片对果柄准确快速切割。

本发明的优选实施方式，所述手臂基座、下伸展臂、前伸展臂以及手腕架均采用框架式结构，所述输果管从手腕架穿过前伸展臂、下伸展臂而固定于手臂基座上。采摘框架结构不仅结构合理，稳定性高，而且便于实现对输果管的固定。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明果蔬采摘机器人作进一步说明。

图1是本发明果蔬采摘机器人一种具体实施方式的立体结构示意图；

图2是图1所示实施方式的A—A剖面结构示意图；

图3是图1所示实施方式的B—B剖面结构示意图；

图4是图1所示实施方式的C—C剖面结构示意图；

图5是图1所示实施方式中采摘夹持指处于找果状态的立体结构示意图；

图6是图1所示实施方式中采摘夹持指处于握果状态的立体结构示意图；

图7是图1所示实施方式中采摘夹持指的剖面结构示意图；

图8是图1所示实施方式中采摘夹持指的驱动结构示意图；

图9是图1所示实施方式中采摘夹持指的齿轮连杆机构图。

图中，1—行走轮、2—行走电机、3—行走机架、4—收纳容器、5—输果管、6—手臂基座、7—下伸展电机、8—下伸展臂、801—下伸展臂转轴、802—下伸展臂轴承、803—下伸展臂轴座、9—前伸展电机、10—前伸展臂、101—前伸展臂转轴、102—前伸展臂轴承、103—前伸展臂轴座、11—手腕电机、12—手腕架、121—手腕架转轴、122—手腕轴承、123—手腕轴座、13—采摘齿条、14—采摘电机、15—采摘齿轮、16—导轨滑座、17—滑动导轨、18—切割电机、19—切割刀片、20—采摘夹持指、21—找果传感器、22—果品、23—采摘气囊、24—握力传感器、25—连接杆、26—夹持基座、27—夹持电机、28—夹持齿轮、29—夹持摆杆、30—夹持连杆。

具体实施方式

如图1所示的果蔬采摘机器人，该采摘机的行走机架3采用框架式结构，在行走架3的外侧分别安装有四个可以转动的行走轮1，每一行走轮1均对应有一与之传动连接的行走电机2，即每一行走电机2驱动一与之对应的行走轮1。如图2所示，每一行走电机2均固定安装于行走机架3对应位置的框架上，行走电机2的电机轴穿过该位置的框架而向外伸出，在外伸的行走电机2输出轴上固定装有行走轮1。在行走机架3上还安装有一用于收集采摘果品22的收纳容器4，该收纳容器4为斗式结构，当然也可以是收集筐或收纳袋等结构形式。在行走机架3上还固定设置向上竖立的手臂基座6，该手臂基座6是为伸展找寻采摘果品的采摘机构的基座，手臂基座6采用板框式结构，其结构稳定性好。

在手臂基座6的顶端位置铰支有下伸展臂8，下伸展臂8也采用板框结构。在手臂基座6上安装有下伸展电机7，下伸展臂8的一端固定连接于下伸展臂电机7的输出轴端位置，通过下伸展电机7可以驱动下伸展臂8绕电机轴心线作仰俯摆动。在下伸展臂8的另一端则铰支有前伸展臂10，该前伸展臂10固定连接于前伸展电机9的输出轴端，前伸展电机9的转动中心线（轴心线）与下伸展电机7的转动中心线相平行，以实现更加灵活和更大空间范围内的仰俯摆动。下伸展臂8和前伸展臂10均采用框式结构，在前伸展臂10的另一端铰支有手腕架12，手腕架12也为板框式结构，该手腕架12固定连接于手腕电机11的输出轴端，手腕电机11则安装于前伸展臂10上，手腕电机11可以驱动手腕架12作左右摆动，手腕电机11的转动中心线与下伸展电机7或前伸展电机9的转动中心呈垂直布置。

如图3所示，与下伸展电机7安装位置相对的另一侧手臂基座6上安装有下伸展臂轴座803，在下伸展臂轴座803上安装有下伸展臂轴承802，在该对应的下伸展臂8上固定安装有下伸展臂转轴801，该下伸展臂8及下伸展臂转轴801通过下伸展臂轴承802、下伸展臂轴座803转动支承于手臂基座6上，下伸展臂转轴801与下伸展电机7的轴心线处于同一中心线上。与此相同，与前伸展臂电机9安装位置相对的下伸展臂8的另一侧上安装有前伸臂轴座103，在前伸展臂轴座103上安装有前伸展臂轴承102，在该对应位置的前伸展臂10上固定安装有前伸展臂转轴101，前伸展臂10及前伸展臂轴座101通过前伸展臂轴承102、前伸展臂轴座103转动支承于下伸展臂8上。前伸展臂转轴101与前伸展电机9轴心线处于同一水平线上。

如图4所示，与手腕电机11安装位置相对的前伸臂10的另一侧上安装有手腕轴座123，在手腕轴座123上安装有手腕轴承122，在该对应位置的手腕架12上固定安装有手腕架转轴121。手腕架12及手腕架转轴121通过手腕轴承122、手腕轴座123转动支承于前伸展臂10上，手腕架转轴121的轴心线与手腕电机11的转动中心线处于同一竖直直线上。

在手腕架12的顶部位置固定安装有导轨滑座16，在导轨滑座16上滑动支承有滑动导轨17。如图5、图6所示，在滑动导轨17上固定设置有采摘齿条13，在导轨滑座16上还固定安装有采摘电机14，该采摘电机14的输出轴端安装有采摘齿轮15，采摘齿轮15与采摘齿条13相啮合。在滑动导轨17的前端安装有切割电机18，在切割电机18的轴端安装有切割刀片19，该切割刀片19为带有锯齿的圆形刀片。启动采摘电机15而驱动采摘齿轮15和采摘齿条13可以实现切割电机18和切割刀片19的前后伸缩移动，从而使之离开果柄或接近果柄实施切割。

在手腕架12的下部固定安装有夹持基座26。如图8、图9所示，夹持基座26通过连接杆25固定连接于手腕架12的下部，在夹持基座26上转动支承有两只相互啮合的夹持齿轮28，在两只相互啮合的夹持齿轮28中一只夹持齿轮28安装于夹持电机27的输出轴上，另一夹持齿轮28转动支承于夹持基座26上，夹持电机27固定安装于夹持基座26上。每一夹持齿轮28上均固定设置有一外伸的夹持摆杆29，在夹持基座26上还铰支有两根夹持连杆30。同一侧的夹持摆杆29和夹持连杆30的外伸端铰支有一采摘夹持指20。如图7所示，每一采摘夹持指20的内侧为夹持面，在该夹持面上均粘接有一采摘气囊23，该采摘气囊23采半球形柔性橡胶膜，该橡胶膜密封地粘接于对应的采摘夹持指20的夹持面上，在采摘气囊23的内侧面粘接有握力传感器24，该握力传感器24采用常见的压力传感器。

同一侧的夹持基座26、采摘夹持指20、夹持摆杆29和夹持连杆30构成一平行四边形机构。两个采摘夹持指20的夹持面相对设置而用于抓取夹持目标果品。切割刀片19位于采摘夹持指20的上方，该切割刀片19正巧与被握持的果品22果柄位置相对应。穿过手臂基座6、下伸展臂8、前伸展臂10和手腕架12的框式结构的框腔中的输果管5被固定在于手臂基座6上。该输果管5的上端口位于采摘夹持指20所构成的夹持手指对应的后方，输果管5的另一端口则通向收纳容器4的位置。这样被夹持并切割果柄的采摘果品经输果管5在重力的作用自动滑落而输送到收纳容器4中。输果管5为塑料波纹管，也可以钢丝软管等常见的软管结构。在采摘夹持指20的顶面上还安装有找果传感器21，该找果传感器21为光电传感器，以在采摘过程用以找寻和确定被采摘果品的准确位置。

上述仅举出了本发明的一种优选实施方式，但本发明并限于此，在不违背本发明基本原理的情况下，还有诸多的改进和变换，这些改进和变换均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种果蔬采摘机器人，包括行走机架（3），其特征在于：在所述行走机架（3）上转动安装有四个行走轮（1），每一行走轮（1）均对应有一与之传动连接的行走电机（2）；在行走机架（3）上固定安装有收纳容器（4）和手臂基座（6）；在手臂基座（6）的顶部绞支有下伸展臂（8），下伸展电机（7）安装于手臂基座（6）上，该下伸展臂（8）固定连接于下伸展电机（7）的输出轴端；在下伸展臂（8）的另一端绞支有前伸展臂（10），前伸展电机（9）安装于下伸展臂（8）上，该前伸展臂（10）固定连接于前伸展电机（9）的输出轴端，前伸展电机（9）的转动中心线与下伸展电机（7）的转动中心线相平行；在前伸展臂（10）的另一端铰支有手腕架（12），手腕电机（11）固定安装于前伸展臂（10）上，手腕架（12）固定连接于手腕电机（11）的输出轴端；手腕电机（11）的转动中心线与下伸展电机（7）或前伸展电机（9）的转动中心线相互垂直；在手腕架（12）顶部固定安装有导轨滑座（16）和采摘电机（14），安装于采摘电机（14）轴端的采摘齿轮（15）与采摘齿条（13）相啮合，该采摘齿条（13）与滑动导轨（17）固定连接，滑动导轨（17）滑动支承于导轨滑座（16）上，在滑动导轨（17）的前端安装有切割电机（18），在切割电机（18）的轴端安装有切割刀片（19）；在手腕架（12）的下部固定安装有夹持基座（26），该夹持基座（26）上转动支承有两只相互啮合的夹持齿轮（28），该夹持齿轮（28）由夹持电机（27）驱动；在夹持基座（26）上还铰支有两根夹持连杆（30），在每一夹持齿轮（28）上均固连有夹持摆杆（29），同一侧的夹持摆杆（29）和夹持连杆（30）的外伸端铰支有一采摘夹持指（20），每一采摘夹持指（20）的内侧夹持面上均设置有采摘气囊（23），两只采摘夹持指（20）相对设置；切割刀片（19）位于采摘夹持指（20）的上方；输果管（5）的一个端口位于采摘夹持指（20）的后方，输果管（5）的另一端口则与收纳容器（4）位置相对应。

2.根据权利要求1所述的果蔬采摘机器人，其特征在于：所述行走电机（2）固定安装于行走机架（3）上，行走轮（1）固定连接于行走电机（2）的输出轴端。

3.根据权利要求1所述的果蔬采摘机器人，其特征在于：在所述下伸展臂（8）上安装有下伸展臂转轴（801），下伸展臂转轴（801）通过下伸展臂轴承（802）转动支承于手臂基座（6）上，该下伸展臂转轴（801）与下伸展电机（7）位置相对且处于同一中心线上。

4.根据权利要求1所述的果蔬采摘机器人，其特征在于：在所述前伸展臂（10）上安装有前伸展臂转轴（101），前伸展臂转轴（101）通过前伸展臂轴承（102）转动支承于下伸展臂（8）上，该前伸展臂转轴（801）与前伸展电机（9）位置相对且处于同一中心线上。

5.根据权利要求1所述的果蔬采摘机器人，其特征在于：在所述手腕架（12）上安装有手腕转轴（121），手腕转轴（121）通过手腕轴承（122）转动支承于前伸展臂（10）上，该手腕转轴（121）与手腕电机（11）位置相对且处于同一中心线上。

6.根据权利要求1所述的果蔬采摘机器人，其特征在于：所述采摘电机（14）通过导轨滑座（16）固定安装于手腕架（12）上。

7.根据权利要求1或6所述的果蔬采摘机器人，其特征在于：所述夹持基座（26）、采摘夹持指（20），以及与该采摘夹持指（20）相对应的夹持摆杆（29）和夹持连杆（30）构成平行四边形机构；在相互啮合的夹持齿轮（28）中一夹持齿轮（28）安装于夹持电机（27）的输出轴上，另一夹持齿轮（28）转动支承于夹持基座（26）上，夹持电机（27）固定安装于夹持基座（26）上。

8.根据权利要求1或6所述的果蔬采摘机器人，其特征在于：所述采摘气囊（23）上装有握力传感器（24）。

9.根据权利要求1所述的果蔬采摘机器人，其特征在于：所述采摘夹持指（20）上安装有找果传感器（21）；所述切割刀片（19）为带锯齿的圆形刀片。

10.根据权利要求1所述的果蔬采摘机器人，其特征在于：所述手臂基座（6）、下伸展臂（8）、前伸展臂（10）以及手腕架（12）均采用框架式结构，所述输果管（5）从手腕架（12）穿过前伸展臂（10）、下伸展臂（8）而固定于手臂基座（6）上。