番茄果实串采摘机械手末端执行器及其采摘方法技术

本发明专利技术是一种番茄果实串采摘机械手末端执行器及其采摘方法，属于农用机器人领域。该装置包括夹持机构、切割机构与控制部分。控制部分通过电机控制夹持机构工作，实现左右夹指的开合。夹指的开合控制切割机构工作，实现果实串果梗的切割，克服了单个果实采摘效率低、果实容易受损、人工采摘劳动强度大等缺点。该装置采摘可靠性高，果实无损伤、操作简便，通用性高，适用于不同类型单个果实以及果实串的采摘工作。

The end actuator of tomato fruit picking manipulator and its picking method

【技术实现步骤摘要】
番茄果实串采摘机械手末端执行器及其采摘方法
本专利技术属于一种果实串采摘收获机械手的末端执行器，尤其涉及一种能够抓取、夹持、切断主果梗使果实串与果梗分离的采摘机械手末端执行器及其采摘方法，属于农业机械领域。
技术介绍
在番茄的整个农业生产中，果实收获作业是农业生产的重要环节，但目前我国番茄的采摘主要依靠手工完成，劳动强度大，工作效率低，生产过程人力成本占较大比重；且果实成熟时间较为集中，人工不易准确判断果实的成熟程度，果实商品率低，其产量与质量受到严重影响。果实收获机器人的研究与应用对提高劳动生产率和产品质量，保证果实适时采收，具有很大发展潜力和应用前景。末端执行器是采摘机器人的核心技术之一，其结构型式与工作方式取决于采摘对象的特性，同时会影响果实采摘成功率和商品价值。目前大多数番茄收获机器人均是针对单个果实的采收，这种采摘方法能够保证采摘到成熟质量比较好的果实，但一串番茄需要进行多次采摘动作，效率很低，收获及时性和产品质量得不到改善，这也是番茄收获机器人没有商品化应用的主要原因。通常番茄果实成串生长，每串有4-6个果实，如果能够实现成串采摘则可以大大提高生产效率，果实存储时间也会更长，因此，面向番茄果实串采收将成为大规模番茄种植的主要收获方式。末端执行器作为直接接触果实或植株的关键部件，其灵活性直接影响采摘成功率和工作效率。目前末端执行器结构不够紧凑，灵活性较差，采摘成功率不高，采摘过程中所需要的某些姿态难以实现，不能完成深入到植株内部对随机生长的果实串采摘的任务。因此，由于农业生产环境的特殊性，需要一种用于果实串采摘的可靠性好、结构紧凑、灵活方便、可控性较高的，并具有小范围内的通用性末端执行器，为提高收获机器人的位姿灵活性和采摘成功率等性能提供条件。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述果实采摘缺点，适应番茄果实成串采收、提高农业机器人工作效率和保证果实采摘质量的要求，本专利技术提供一种果实串采摘机械手末端执行器及其采摘方法，将夹持机构和切割机构设计于一体，通过电机、圆锥齿轮和螺纹杆相结合驱动夹持机构夹持果梗，由夹持机构带动压杆向下移动，切割机构的刀片切断番茄主果梗，实现果实串采摘，夹持与切割同步，采摘可靠性高，果实不受损伤，操作简便，通用性高，为不同类型单个果实以及果实串的采摘提供了理想的采摘装置及其采摘方法。本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案是：一种番茄果实串采摘机械手末端执行器，其包括夹持机构、切割机构；夹持机构包括第一夹指、第二夹指、开合控制装置、滑杆、弹簧、滑块、连杆、抬合板和支架；第一夹指固定在支架上，第一夹指的指尾与第二夹指的指尾通过铰链连接，所述的开合控制装置用于控制第一夹指和第二夹指绕铰链张合；所述第二夹指的指尖位置设有朝向第一夹指开口的凹槽，滑杆固定安装在第二夹指指尖的凹槽内，滑杆与滑块构成移动副；所述连杆的一端与滑块铰链连接，另一端与抬合板的一端铰链连接，抬合板的另一端与第二夹指的指尖端铰接连接，所述弹簧一端固定于第二夹指上，另一端与滑块固定连接，用于对滑块施加使其回复至初始位置的作用力；当滑块处于初始位置时，抬合板在滑杆的推动下处于张开状态，用于封闭第一夹指和第二夹指指尖位置的开口；所述抬合板收到挤压力时，能通过滑杆推动滑块克服弹簧的作用力偏离初始位置，抬合板打开第一夹指和第二夹指指尖位置的开口供番茄果实串进入；所述切割机构包括刀片和压杆，所述压杆包括第一杆件、第二杆件和连接环，第一杆件和第二杆件交叉布置并通过连接环相连，且连接环铰接于第一夹指上；所述刀片为侧部带有刀刃的弧面刀片，所述压杆的第一杆件自由端伸入第一夹指和第二夹指之间，第二杆件自由端与刀片固定；在第一夹指和第二夹指闭合过程中，第二夹指推动第一杆件绕连接环转动并带动刀片旋转，用于对第一夹指和第二夹指之间夹持的果梗进行切断。作为优选，所述的开合控制装置包括两个圆锥齿轮、螺纹杆、电机和螺母，一个圆锥齿轮与电机的输出轴同轴固定连接，另一个圆锥齿轮与螺纹杆一端同轴固定连接，两个圆锥齿轮外啮合传动；螺纹杆以转动连接方式穿过第一夹指后，其另一端与螺母连接形成螺纹副，螺母与第二夹指的指尾铰链连接。进一步的，所述的电机连接有用于转动控制的控制器。作为优选，所述的弹簧有两条，分别设置于滑块的两侧，当滑块偏离初始位置时，一条弹簧拉伸，而另一条压缩。作为优选，所述的第一夹指中部开设有安装槽，所述的刀片和压杆均部分嵌入安装槽中。作为优选，所述的压杆中，第一杆件和第二杆件垂直布置。本专利技术的另一目的在于提供一种如上述方案所述番茄果实串采摘机械手末端执行器的采摘方法，其步骤如下：第一步：对末端执行器进行初始化复位，控制电机的输出轴正向转动，通过两个圆锥齿轮驱动螺纹杆相对于螺母旋转，从而使第一夹指和第二夹指处于夹紧状态，且在加紧过程中通过第二夹指挤压压杆的第一杆件，使刀片的刀刃部位伸入第一夹指和第二夹指之间的通道上方，抬合板被挤压贴近第二夹指侧面；第二步：通过机械手臂将末端执行器移动至目标果梗处；控制电机通过锥齿轮传动带动螺纹杆反向旋转，进而通过螺母带动第二夹指相对于第一夹指张开，刀片重新退出第一夹指和第二夹指之间的通道上方，抬合板在弹簧的回复力下重新处于抬起状态，封闭第一夹指和第二夹指指尖位置的开口；第三步：控制机械手臂继续朝向目标果梗移动，番茄果梗触碰到抬合板，抬合板在番茄果梗的压力下，逐步闭合供番茄果梗进入第一夹指和第二夹指指尖位置的开口；当果梗绕过抬合板到达第一夹指与第二夹指的开口中间位置时，控制控制机械手臂停止移动；抬合板在弹簧的回复力作用下重新回到抬起状态，抬合板、第一夹指与第二夹指三者形成一个封闭空间，避免果梗挤出末端执行器；第四步：控制电机通过圆锥齿轮使得螺纹杆正向旋转，从而使第一夹指和第二夹指逐渐趋向夹紧状态，夹持番茄果梗，同时通过第二夹指挤压压杆，使刀片的刀刃部位伸入第一夹指和第二夹指之间的通道上方，开始切割番茄果梗，当番茄果梗被切断时控制电机停止工作；第五步：保持第一夹指和第二夹指的夹紧状态，并通过机械手臂将夹持有番茄果实串的末端执行器移动至指定位置；第六步：控制电机使得螺纹杆反向旋转，重新使第二夹指相对于第一夹指张开，将果实串放在指定位置，完成一次采摘。本专利技术带来的增益效果是，通过控制电机，驱动夹持机构工作，从而带动夹持机构实现左右夹指的开合，实现果梗的夹持，克服了末端执行器果实易受损、效率低、准确度差等缺点；通过控制夹持机构使切割机构工作，保证果实串果梗切割的可靠性，提高了采摘效率。该装置采摘可靠性高，果实无损伤、操作简便，通用性高，适用于不同类型单个果实以及果实串的采摘工作，完成一次采摘，末端执行器系统复位。附图说明图1为本专利技术内部结构三维图；图2为本专利技术切割机构内部结构三维图；图3为本专利技术第一夹指的剖视图；图中：弹簧1，滑块2，连杆3，第一夹指4，刀片5，压杆6，圆锥齿轮7，螺纹杆8，电机9，螺母10，支架11，第二夹指12，滑杆13，抬合板14；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种番茄果实串采摘机械手末端执行器，其特征在于，包括夹持机构、切割机构；/n夹持机构包括第一夹指(4)、第二夹指(12)、开合控制装置、滑杆(13)、弹簧(1)、滑块(2)、连杆(3)、抬合板(14)和支架(11)；第一夹指(4)固定在支架(11)上，第一夹指(4)的指尾与第二夹指(12)的指尾通过铰链连接，所述的开合控制装置用于控制第一夹指(4)和第二夹指(12)绕铰链张合；所述第二夹指(12)的指尖位置设有朝向第一夹指(4)开口的凹槽，滑杆(13)固定安装在第二夹指(12)指尖的凹槽内，滑杆(13)与滑块(2)构成移动副；所述连杆(3)的一端与滑块(2)铰链连接，另一端与抬合板(14)的一端铰链连接，抬合板(14)的另一端与第二夹指(12)的指尖端铰接连接，所述弹簧(1)一端固定于第二夹指(12)上，另一端与滑块(2)固定连接，用于对滑块(2)施加使其回复至初始位置的作用力；当滑块(2)处于初始位置时，抬合板(14)在滑杆(13)的推动下处于张开状态，用于封闭第一夹指(4)和第二夹指(12)指尖位置的开口；所述抬合板(14)收到挤压力时，能通过滑杆(13)推动滑块(2)克服弹簧(1)的作用力偏离初始位置，抬合板(14)打开第一夹指(4)和第二夹指(12)指尖位置的开口供番茄果实串进入；/n所述切割机构包括刀片(5)和压杆(6)，所述压杆(6)包括第一杆件、第二杆件和连接环，第一杆件和第二杆件交叉布置并通过连接环相连，且连接环铰接于第一夹指(4)上；所述刀片(5)为侧部带有刀刃的弧面刀片，所述压杆(6)的第一杆件自由端伸入第一夹指(4)和第二夹指(12)之间，第二杆件自由端与刀片(5)固定；在第一夹指(4)和第二夹指(12)闭合过程中，第二夹指(12)推动第一杆件绕连接环转动并带动刀片(5)旋转，用于对第一夹指(4)和第二夹指(12)之间夹持的果梗进行切断。/n...

【技术特征摘要】
1.一种番茄果实串采摘机械手末端执行器，其特征在于，包括夹持机构、切割机构；
夹持机构包括第一夹指(4)、第二夹指(12)、开合控制装置、滑杆(13)、弹簧(1)、滑块(2)、连杆(3)、抬合板(14)和支架(11)；第一夹指(4)固定在支架(11)上，第一夹指(4)的指尾与第二夹指(12)的指尾通过铰链连接，所述的开合控制装置用于控制第一夹指(4)和第二夹指(12)绕铰链张合；所述第二夹指(12)的指尖位置设有朝向第一夹指(4)开口的凹槽，滑杆(13)固定安装在第二夹指(12)指尖的凹槽内，滑杆(13)与滑块(2)构成移动副；所述连杆(3)的一端与滑块(2)铰链连接，另一端与抬合板(14)的一端铰链连接，抬合板(14)的另一端与第二夹指(12)的指尖端铰接连接，所述弹簧(1)一端固定于第二夹指(12)上，另一端与滑块(2)固定连接，用于对滑块(2)施加使其回复至初始位置的作用力；当滑块(2)处于初始位置时，抬合板(14)在滑杆(13)的推动下处于张开状态，用于封闭第一夹指(4)和第二夹指(12)指尖位置的开口；所述抬合板(14)收到挤压力时，能通过滑杆(13)推动滑块(2)克服弹簧(1)的作用力偏离初始位置，抬合板(14)打开第一夹指(4)和第二夹指(12)指尖位置的开口供番茄果实串进入；
所述切割机构包括刀片(5)和压杆(6)，所述压杆(6)包括第一杆件、第二杆件和连接环，第一杆件和第二杆件交叉布置并通过连接环相连，且连接环铰接于第一夹指(4)上；所述刀片(5)为侧部带有刀刃的弧面刀片，所述压杆(6)的第一杆件自由端伸入第一夹指(4)和第二夹指(12)之间，第二杆件自由端与刀片(5)固定；在第一夹指(4)和第二夹指(12)闭合过程中，第二夹指(12)推动第一杆件绕连接环转动并带动刀片(5)旋转，用于对第一夹指(4)和第二夹指(12)之间夹持的果梗进行切断。


2.如权利要求1所述的番茄果实串采摘机械手末端执行器，其特征在于，所述的开合控制装置包括两个圆锥齿轮(7)、螺纹杆(8)、电机(9)和螺母(10)，一个圆锥齿轮(7)与电机(9)的输出轴同轴固定连接，另一个圆锥齿轮(7)与螺纹杆(8)一端同轴固定连接，两个圆锥齿轮(7)外啮合传动；螺纹杆(8)以转动连接方式穿过第一夹指(4)后，其另一端与螺母(10)连接形成螺纹副，螺母(10)与第二夹指(12)的指尾铰链连接。


3.如权利要求2所述的番茄果实串采摘机械手末端执行器，其特征在于，所述的电机(9)连接有用于转动控制的控制器。


4.如权利要求1所述的番茄果实串采摘机械手末端执行器，其特征在于，所述的弹簧...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁喜凤，方正，王永维，楼玉红，花诗影，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33