CN208063850U - 全自动草莓采摘蜘蛛车 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的是提供一种全自动草莓采摘蜘蛛车，包括柔性草莓采摘器；柔性草莓采摘器包括底座，底座上沿周向设置至少三个结构相同的四连杆机构；四连杆机构由主臂、指段、副臂、底座依次铰接而成；指段的末端向下延伸成为夹持端，三个指段的夹持端相向设置；主臂上端铰接在底座上，副臂与底座之间设置弹性张紧装置；主臂与底座之间设置拉绳驱动装置；在柔性草莓采摘器的底座上设置底座上盖，底座上盖连接三个移动自由度的机械臂，底座上盖作为机械臂的动平台，机械臂的静平台上的驱动电机与控制器连接。可以自动行走并移动、自动识别成熟草莓并确定距离，夹持端可以同步柔性合拢与张开，也作为缓冲装置防止夹坏草莓且成本低廉。

Description

全自动草莓采摘蜘蛛车

技术领域

本发明属于草莓采摘领域，具体涉及一种全自动草莓采摘蜘蛛车。

背景技术

国内草莓种植面积和产量有逐年增加的趋势，但是由于采摘环节落后的人工作业方式，制约了草莓种植业的发展。目前有相关研究针对我国常见的温室里高垄畦作栽培的草莓，初步建立了草莓采摘机器人实验***，在草莓果实目标识别、提取、定位、采摘机器人及手爪等方面的研究取得了一定成果。还有跨垄作业4个自由度的草莓收获机器人设备。该机器人采用两个俯视地面的CCD摄像机获取草莓的图像，计算出草莓的方位，用激光传感器测量机械手爪到草莓的距离；采用气动机械手爪抓取草莓果柄，并用剪切式切刀切断果柄。但这仅仅只是一个草莓采收实验装置，体积比较庞大，且没有驱动装置，成本高，无法进行大规模、产业化应用。

草莓采摘器即草莓采摘机械手末端执行器，是用来采摘草莓的机构。草莓的外表比较脆弱，采摘时候容易损伤。为了解决这个问题，常使用的办法是设置柔性爪子或者采用刚柔混合机构。这种机构往往比较复杂，而且成本高、控制复杂。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种全自动草莓采摘蜘蛛车。

本实用新型的目的是以下述方式实现的：一种全自动草莓采摘蜘蛛车，包括柔性草莓采摘器；柔性草莓采摘器包括底座，底座上沿周向设置至少三个结构相同的四连杆机构；四连杆机构由主臂、指段、副臂、底座依次铰接而成；指段的末端向下延伸成为夹持端，三个指段的夹持端相向设置；主臂上端铰接在底座上，副臂与底座之间设置弹性张紧装置；主臂与底座之间设置拉绳驱动装置；在柔性草莓采摘器的底座上设置底座上盖，底座上盖连接三个移动自由度的机械臂，底座上盖作为机械臂的动平台，机械臂的静平台上的驱动电机与控制器连接。

四连杆机构的铰接点之间依次连线组成平行四边形，使夹持端运动过程中只平移、角度不变，三个夹持端构成平夹状态。

拉绳驱动装置指：每个主臂与底座铰接处设置销轴，销轴的主臂上设置主臂绳孔，销轴对应的底座上设置底座绳孔，底座绳孔到销轴的距离与主臂绳孔到销孔的距离相同；在底座上设置转动盘，在主臂绳孔、底座绳孔，转动盘之间设置绳子，绳子的一端固定在转动盘上，另一端顺时针或逆时针依次穿过底座绳孔、主臂绳孔最后固定，将三个主臂与对应的底座通过绳子串联在一起；驱动装置驱动转动盘转动带动绳子收紧使夹持端向内合拢。

转动盘为舵机带动的舵盘，绳子两端相隔180度固定在舵盘上。

弹性张紧装置为扭簧，扭簧中心设置在副臂与底座的铰接轴上，扭簧一端设置在副臂上，扭簧另一端设置在底座连接对应四连杆机构的副臂与主臂的侧边上。

弹性张紧装置为一端设置在副臂上、另一端设置在销轴上的弹性绳或者压缩弹簧。

底座的底部外表面设置摄像头和超声波测距器，所述摄像头和超声波测距器均与控制器连接。

底座上盖上固定电机，电机输出轴通过底座中心轴位置且与底座固定。

机械臂的静平台设置在行走机构上，行走机构包括四个轮子和其上支架并驱动机构。

本实用新型的有益效果是：采摘器上设置摄像头自动识别，设置超声定位装置确定位置，可以自动识别成熟草莓并确定距离；副臂与底座之间设置弹性张紧装置，主臂与底座之间设置拉绳驱动装置，使夹持端可以同步柔性合拢与张开，也作为缓冲装置防止夹坏草莓且成本低廉。夹持端为平夹装置，防止夹漏且控制简单；旋转电机带动底座旋转，可以拧掉夹持住的草莓。采摘器设置在delta机械臂和行走装置上，可以自动行走并移动。

附图说明

图1采摘器结构图。图2为采摘器四连杆机构示意图（弹性张紧装置为扭簧）。图3为采摘器四连杆机构示意图（弹性张紧装置为橡皮筋）。图4为采摘器轴测图。图5为机械臂与采摘器示意图。图6为草莓采摘蜘蛛车示意图。

其中1为采摘器，3为Delta机械臂，5为行走机构，6为电机，7为轴承，10为超声波测距器，11为底座，12主臂，13为指段，14为副臂，15为弹性张紧装置，16为销轴，17为转动盘，18为绳子，19为摄像头，31为底座上盖，32为静平台。33为驱动臂，34为平行四边形从动支链，35为驱动电机，51为驱动轮，52为支架，53为横杆，54为篮子，61为输出轴，111为底座绳孔，121为主臂绳孔，131为夹持端，151为扭簧，152为橡皮筋。

具体实施方式

如图1-4所示，一种柔性草莓采摘器1，包括底座11，底座11上沿周向设置至少2个结构相同的四连杆机构。四连杆机构由主臂12、指段13、副臂14、底座11依次铰接而成。指段13的末端向下延伸成为夹持端131，三个指段13的夹持端131相向设置。主臂12上端铰接在底座11上，副臂14与底座11之间设置弹性张紧装置15。主臂12与底座11之间设置拉绳驱动装置。通过四连杆机构的运动使夹持端131合拢或分开。

四连杆机构的铰接点之间依次连线组成平行四边形，使夹持端131运动过程中只平移、角度不变，三个夹持端131构成平夹状态。指段13和底座11两个铰接点的连线为互相平行，底座11是固定的，方向不会发生变化，所以夹持端131角度也不会改变，仅仅在四连杆机构所在平面内平移。这样夹持草莓时，夹持更方便、准确，不容易夹漏。控制上也比较简单，误差小。）

拉绳驱动装置指：每个主臂12与底座11铰接处设置销轴16，销轴16任意一侧的主臂12上设置主臂绳孔121，在底座11上设置各自对应的底座绳孔111。底座绳孔111到销轴16的距离与主臂绳孔121到销轴16的距离相等，如图2所示。在底座11上设置转动盘17，在主臂绳孔121、底座绳孔111，转动盘17之间设置绳子18。绳子18的一端固定在转动盘17上，另一端顺时针或逆时针依次穿过底座绳孔111、主臂绳孔121最后固定，将三个主臂12与对应的底座11通过绳子18串联在一起。驱动装置驱动转动盘17转动带动绳子18收紧使夹持端131向内合拢。绳子18具有一定的弹性，是一种弹性绳。 绳子18收紧到夹持端131触碰到草莓时，因为绳子18的弹性及变形，起到一定的缓冲作用，使夹持端从触碰到夹紧草莓的过程中不会损伤草莓。底座绳孔111、销轴16、主臂绳孔121之间夹角优选为锐角，方便受力。每个主臂12上都设置主臂绳孔121，并在底座11上设置各自对应的底座绳孔111。这样，转动盘17旋转时，绳子18收紧，使臂绳孔121和底座绳孔111之间距离逐渐变小，直到重合。几个主臂12可以同步转动，带动夹持端131同步合拢。反向旋转时，绳子18放松，主臂12在副臂14与底座11之间弹性张紧装置15的弹力下被拉回到原位，夹持端131分开。本实施例中，转动盘17为舵机带动的舵盘，绳子18两端相隔180度固定在舵盘上。以销轴16为支点，主臂12为一个杠杆，主臂12位于销轴16的两端分别为杠杆的长边、短边；主臂12的短边的小的位移可以转化为主臂12长边的大的位移。这样，驱动装置处比较大的驱动力可以转换为夹持端131比较小的夹持力，避免损伤草莓。

如图2所示，弹性张紧装置15为扭簧151，扭簧151中心设置在副臂14与底座11的铰接轴上，扭簧151一端设置在副臂14上，扭簧151另一端设置在底座11连接对应四连杆机构的副臂14与主臂12的侧边上。平常状态下，由于扭簧151的存在，副臂14向底座11靠拢，带动指段13的夹持端131向外分开。

如图3所示，弹性张紧装置15为一端设置在副臂14上、另一端设置在销轴16上的弹性绳或者压缩弹簧。弹性绳可以为橡皮筋152，价格低廉。橡皮筋152的另一端也可以设置在底座11上，只要能拉动副臂14向上即可。平常状态下，弹簧或者弹性绳带动副臂14向上使夹持端分开。

如图4所示，底座11的底部外表面设置摄像头19和超声波测距器10。摄像头19位于底面的中心位置。摄像头19和超声波测距器10均与控制器连接。利用视觉分辨出成熟的草莓。超声波测距器10通过发出和接收超声波测出草莓的距离。

如图5-6所示，一种应用前面所述柔性草莓采摘器1的全自动草莓采摘蜘蛛车，包括柔性草莓采摘器，柔性草莓采摘器的底座11上设置底座上盖31，底座上盖31连接3个移动自由度的机械臂，可以为DELTA机械臂3，底座上盖31作为DELTA机械臂3的动平台。机械臂3的静平台上的驱动电机与控制器连接。DELTA机械臂3由静平台32、动平台即底座上盖31、3根驱动臂33、3个平行四边形从动支链34组成。静平台32的三边通过三条相同的运动链分别连接到动平台的三条边上。每条运动链中有一个由四个球铰与杆件组成的平行四边形从动支链34，平行四边形从动支链34再与一个带转动关节的驱动臂33相串联，驱动臂33的一端固定在静平台32上，在驱动电机35的驱动下作一定角度的反复摆动。这三条运动链决定了动平台的运动特性。动平台不能绕任何轴线旋转，但可以在直角坐标空间沿x，y，z三个方向平移运动，即具有三个自由度。DELTA机械臂3带动采摘器1在一定空间内移动。

底座11上设置底座上盖31，指底座上盖31上固定电机6，电机输出轴61通过底座11中心轴位置且与底座11固定。底座11与底座上盖31之间可以通过轴承7相连。这样采摘器1的夹持端131夹持住草莓后，电机输出轴61带动采摘器3旋转拧下草莓，底座上盖31不旋转。

DELTA机械臂3的静平台32设置在行走机构5上，行走机构5包括包括四个驱动轮51和其上支架52DELTA机械臂3可搭载其他工具，做到土地检测、施肥、割茎等。支架52的横杆53上设置采摘蓝54，用来放置采摘后的草莓。驱动轮51上带有编码器减速电机。

具体实施时，通过haar小波进行机器学习，对预先准备好的草莓的样本进行训练，使***可以分辨成熟的草莓。行走机构5带动Delta机械臂3及采摘器1在草莓中行走。采摘器1采用俯视地面的摄像头19获取草莓的图像，计算出草莓的方位，用超声波测距器10测量采摘器1到草莓的距离。然后Delta机械臂3带动采摘器1到达草莓上方的位置。转动盘17旋转带动绳子18拉紧，使夹持端131合拢夹持住草莓，电机6转动，带动采摘器1和草莓旋转，拧下草莓。然后Delta机械臂3移动采摘器1使其夹持端131到篮子54上方，使草莓落入篮子54。

Claims (9)

1.一种全自动草莓采摘蜘蛛车，其特征在于：包括柔性草莓采摘器；柔性草莓采摘器包括底座，底座上沿周向设置至少三个结构相同的四连杆机构；四连杆机构由主臂、指段、副臂、底座依次铰接而成；指段的末端向下延伸成为夹持端，三个指段的夹持端相向设置；主臂上端铰接在底座上，副臂与底座之间设置弹性张紧装置；主臂与底座之间设置拉绳驱动装置；在柔性草莓采摘器的底座上设置底座上盖，底座上盖连接三个移动自由度的机械臂，底座上盖作为机械臂的动平台，机械臂的静平台上的驱动电机与控制器连接。

2.根据权利要求1所述全自动草莓采摘蜘蛛车，其特征在于：所述四连杆机构的铰接点之间依次连线组成平行四边形，使夹持端运动过程中只平移、角度不变，三个夹持端构成平夹状态。

3.根据权利要求1所述全自动草莓采摘蜘蛛车，其特征在于：所述拉绳驱动装置指：每个主臂与底座铰接处设置销轴，销轴的主臂上设置主臂绳孔，销轴对应的底座上设置底座绳孔，底座绳孔到销轴的距离与主臂绳孔到销孔的距离相同；在底座上设置转动盘，在主臂绳孔、底座绳孔，转动盘之间设置绳子，绳子的一端固定在转动盘上，另一端顺时针或逆时针依次穿过底座绳孔、主臂绳孔最后固定，将三个主臂与对应的底座通过绳子串联在一起；驱动装置驱动转动盘转动带动绳子收紧使夹持端向内合拢。

4.根据权利要求3所述全自动草莓采摘蜘蛛车，其特征在于：所述转动盘为舵机带动的舵盘，绳子两端相隔180度固定在舵盘上。

5.根据权利要求3所述全自动草莓采摘蜘蛛车，其特征在于：所述弹性张紧装置为扭簧，扭簧中心设置在副臂与底座的铰接轴上，扭簧一端设置在副臂上，扭簧另一端设置在底座连接对应四连杆机构的副臂与主臂的侧边上。

6.根据权利要求3所述全自动草莓采摘蜘蛛车，其特征在于：所述弹性张紧装置为一端设置在副臂上、另一端设置在销轴上的弹性绳或者压缩弹簧。

7.根据权利要求4或5或6所述全自动草莓采摘蜘蛛车，其特征在于：所述底座的底部外表面设置摄像头和超声波测距器，所述摄像头和超声波测距器均与控制器连接。

8.根据权利要求7所述全自动草莓采摘蜘蛛车，其特征在于：所述底座上盖上固定电机，电机输出轴通过底座中心轴位置且与底座固定。

9.根据权利要求8所述全自动草莓采摘蜘蛛车，其特征在于：所述机械臂的静平台设置在行走机构上，行走机构包括四个轮子和其上支架并驱动机构。