一种可剪切果柄的苹果采摘机械手及其苹果采摘方法与流程

1.本发明属于农业机械领域，具体涉及一种可剪切果柄的苹果采摘机械手及其苹果采摘方法。


背景技术：

2.作为世界上最大的苹果生产国和消费国，我国苹果产业的发展潜力是巨大的，但在苹果生产过程中，机械化的程度并不高，大部分还需要人工采摘。针对人工采摘劳动强度大、果树高处不宜摘取等缺点，国内外都对苹果采摘机械手进行了一系列的研究。
3.如日本的二指夹持机械手，采摘速度快，但采摘质量一般；美国的七自由度采摘机器人，尽管很灵活，但控制难度较高。而且，这些机械都只能抓取苹果后通过拽拉或扭转的方式使苹果与树枝分离。


技术实现要素：

4.发明的目的在于提供一种可剪切果柄的苹果采摘末端执行器，来解决目前机械化采摘苹果时果柄易脱落的问题。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.本发明一种可剪切果柄的苹果采摘机械手，包括机械臂和末端执行器；末端执行器由机械臂驱动；所述的末端执行器包括三指夹持机构、果柄剪切机构和支撑机构；所述的三指夹持机构包括手指、手指安装架、绳子连接板、法兰螺母、导杆、丝杆和步进电机；所述的手指安装架固定在支撑机构上；三个手指沿手指安装架周向均布；所述手指的中部与手指安装架通过销轴铰接，并通过扭簧连接；手指尾部与绳子连接板通过钢丝绳连接；所述的绳子连接板与法兰螺母固定，并与导杆构成滑动副；法兰螺母与丝杆构成螺旋副；导杆固定在支撑机构上；所述的丝杆与步进电机的输出轴通过联轴器连接；步进电机的底座固定在支撑机构上；所述的果柄剪切机构包括传动轴二、球面刀片二、球面刀片一、蜗轮蜗杆副一、传动轴一、蜗轮蜗杆副二和驱动电机；所述的传动轴二与支撑机构构成转动副；轴套一固定在传动轴二上；所述球面刀片一的一端空套在传动轴二上，并与轴套一固定；蜗轮蜗杆副一的蜗轮固定在传动轴二上，且位于轴套一内端；所述球面刀片二的一端与定位套筒固定；定位套筒空套在传动轴二上，且位于轴套一外端；传动轴二外端的外螺纹与紧固螺母一连接；所述的紧固螺母一压紧定位套筒；蜗轮蜗杆副一的蜗杆与蜗轮蜗杆副一的蜗轮啮合，并与支撑机构构成转动副；所述的传动轴一与支撑机构构成转动副；所述球面刀片一的另一端与套筒一固定；所述的套筒一空套在传动轴一上；轴套二固定在传动轴一上，且位于套筒一外端；所述球面刀片二的另一端空套在传动轴一上，并与轴套二固定；蜗轮蜗杆副二的蜗轮固定在传动轴一上，且位于套筒一内端；传动轴一外端的外螺纹与紧固螺母二连接；所述的紧固螺母二压紧轴套二；蜗轮蜗杆副二的蜗杆与蜗轮蜗杆副二的蜗轮啮合，并与支撑机构构成转动副；蜗轮蜗杆副一和蜗轮蜗杆副二的蜗杆分别由一个驱动电机驱动；所述球面刀片一和球面刀片二的两侧都设有刀刃。
7.优选地，所述的扭簧套置在销轴上，一端与手指固定，另一端与手指安装架固定。
8.优选地，所述的钢丝绳穿过手指安装架和支撑机构上对应位置的通孔。
9.优选地，所述的传动轴二上空套有垫片，垫片置于球面刀片二和球面刀片一之间。
10.优选地，所述的传动轴二上空套有套筒二，套筒二置于轴套一和蜗轮之间。
11.优选地，所述的蜗杆与驱动电机的输出轴通过联轴器连接；驱动电机的底座固定在支撑机构上。
12.优选地，所述的蜗杆与盖板构成转动副；所述的盖板与支撑机构通过螺钉连接。
13.优选地，所述的支撑机构包括平台、双头螺柱和底板；所述的平台与底板通过双头螺柱固定连接；手指安装架与平台固定；导杆固定在底板上；步进电机的底座与电机架一固定，电机架一与底板固定；传动轴二和传动轴一与平台开设的同轴设置的两个铰接孔分别构成转动副；驱动电机的底座与电机架二固定，电机架二与平台固定。
14.该可剪切果柄的苹果采摘机械手的苹果采摘方法，具体如下：
15.机械臂驱动末端执行器，使三指夹持机构的三个手指包裹在待采摘的苹果外；然后，步进电机驱动丝杠旋转，带动法兰螺母和绳子连接板同步向下移动，绳子连接板拉动三根钢丝绳，从而带动三个手指向内合拢，夹持住苹果；接着，两个驱动电机等速反向转动，分别经蜗轮蜗杆副一和蜗轮蜗杆副二带动传动轴二和传动轴一旋转，传动轴二带动球面刀片一，传动轴一带动球面刀片二，从而使得球面刀片一和球面刀片二反向转动合拢，球面刀片一和球面刀片二切断苹果果柄，苹果被三指夹持机构的三个手指收集；当果柄较粗难以切断时，球面刀片一和球面刀片二保持夹持住果柄，通过机械臂旋转扯断果柄；最后，两个驱动电机继续驱动球面刀片一和球面刀片二反向转动到张开达到最大的位置。
16.优选地，三指夹持机构的三个手指收集到苹果后，步进电机驱动丝杠旋转，带动法兰螺母和绳子连接板同步向上移动，绳子连接板松开三根钢丝绳，三个手指在扭簧弹力作用下复位张开，将苹果松开，苹果落入固定在支撑机构上的网袋中。
17.本发明具有的有益效果：
18.本发明采用欠驱动多指手，只需要一个电机就能控制三个手指同时张开闭合，具有驱动数目少、成本低等优点。进一步，本发明组合运用绳传动、丝杠螺母传动和蜗轮蜗杆传动，结构简单紧凑，传动平稳。再进一步，本发明中果柄剪切机构中的刀片是圆弧形的，旋转剪切的切割面积大，能够更好地切断苹果果柄，而不用过多地考虑苹果的姿态。更进一步，本发明中三指夹持机构和果柄剪切机构结合，在三指夹持机构夹持苹果后，果柄剪切机构切断苹果果柄的同时，三指夹持机构即刻实现苹果收集，收集的苹果果柄不易脱落。因此，本发明在任何苹果姿态下均可实现快速剪切苹果果柄，快速收集苹果，适应性强；当然，为了进一步提高效率，可以在支撑机构上固定网袋，三指夹持机构收集到的苹果松开，苹果便落入网袋中，等网袋收集满苹果机械臂再驱动末端执行器收回，取下网袋。而当果柄较粗难以剪断时，果柄剪切机构还能夹持住果柄，通过机械臂旋转扯断果柄，更进一步保证实现带果柄苹果的采摘，避免果柄的脱落影响果实的储藏。
附图说明
19.图1是本发明一种可剪切果柄的苹果采摘机械手抓取苹果状态的结构立体图；
20.图2是本发明中末端执行器的结构立体图；
21.图3是本发明中末端执行器的结构侧视图；
22.图4是本发明中末端执行器的结构俯视图；
23.图5是本发明中末端执行器的结构剖视图。
具体实施方式
24.以下结合附图对本发明作进一步说明。
25.如图1所示，一种可剪切果柄的苹果采摘机械手，包括机械臂i和末端执行器ii；末端执行器由机械臂驱动；如图2所示，末端执行器包括三指夹持机构1、果柄剪切机构2和支撑机构3；如图3和5所示，三指夹持机构1包括手指11、手指安装架12、绳子连接板13、法兰螺母14、导杆15、丝杆16和步进电机17；手指安装架12固定在支撑机构3上；三个手指11沿手指安装架12周向均布；手指11中部与手指安装架12通过销轴铰接，并通过扭簧18连接；手指11尾部与绳子连接板13通过钢丝绳19连接；绳子连接板13与法兰螺母14固定，并与导杆15构成滑动副；法兰螺母14与丝杆构成螺旋副；导杆15固定在支撑机构3上；丝杆16与步进电机17的输出轴通过联轴器连接；步进电机17的底座固定在支撑机构3上；如图4所示，果柄剪切机构2包括传动轴二21、球面刀片二23、球面刀片一25、蜗轮蜗杆副一、传动轴一212、蜗轮蜗杆副二和驱动电机215；传动轴二21与支撑机构3构成转动副；轴套一26固定在传动轴二21上；球面刀片一25一端空套在传动轴二21上，并与轴套一26固定；蜗轮蜗杆副一的蜗轮28固定在传动轴二21上，且位于轴套一26内端；球面刀片二23一端与定位套筒22固定；定位套筒22空套在传动轴二21上，且位于轴套一26外端；传动轴二21外端的外螺纹与紧固螺母一连接；紧固螺母一压紧定位套筒22；蜗轮蜗杆副一的蜗杆29与蜗轮蜗杆副一的蜗轮28啮合，并与支撑机构3构成转动副；传动轴一212与支撑机构3构成转动副；球面刀片一25另一端与套筒一211固定；套筒一211空套在传动轴一212上；轴套二固定在传动轴一212上，且位于套筒一211外端；球面刀片二23另一端空套在传动轴一212上，并与轴套二固定；蜗轮蜗杆副二的蜗轮28固定在传动轴一212上，且位于套筒一211内端；传动轴一212外端的外螺纹与紧固螺母二连接；紧固螺母二压紧轴套二；蜗轮蜗杆副二的蜗杆29与蜗轮蜗杆副二的蜗轮28啮合，并与支撑机构3构成转动副；蜗轮蜗杆副一和蜗轮蜗杆副二的蜗杆29分别由一个驱动电机215驱动；球面刀片一25和球面刀片二23的两侧都有刀刃，可来回切割，提高效率。
26.作为一个优选实施例，如图1所示，机械臂采用具有三个水平转轴和一个竖直转轴的四轴机械臂，为现有技术。
27.作为一个优选实施例，如图4所示，扭簧套置在销轴上，一端与手指11固定，另一端与手指安装架12固定。
28.作为一个优选实施例，如图5所示，钢丝绳穿过手指安装架12和支撑机构3上对应位置的通孔。
29.作为一个优选实施例，如图4所示，传动轴二21上空套有垫片24，垫片24置于球面刀片二23和球面刀片一25之间。
30.作为一个优选实施例，如图4所示，传动轴二21上空套有套筒二27，套筒二27置于轴套一26和蜗轮28之间。
31.作为一个优选实施例，如图3所示，蜗杆29与驱动电机215的输出轴通过联轴器213连接；驱动电机215的底座固定在支撑机构3上。
32.作为一个优选实施例，如图4所示，蜗杆29与盖板210构成转动副；盖板210与支撑机构3通过螺钉连接。
33.作为一个优选实施例，如图3所示，支撑机构3包括平台31、双头螺柱32和底板33；平台31与底板33通过双头螺柱32固定连接；手指安装架12与平台31固定；导杆15固定在底板33上；步进电机17的底座与电机架一固定，电机架一与底板33固定；传动轴二21和传动轴一212与平台31开设的同轴设置的两个铰接孔分别构成转动副；驱动电机215的底座与电机架二214固定，电机架二214与平台31固定。
34.该可剪切果柄的苹果采摘机械手的苹果采摘方法，具体如下：
35.机械臂驱动末端执行器，使三指夹持机构1的三个手指11包裹在待采摘的苹果iii外；然后，步进电机17驱动丝杠旋转，带动法兰螺母14和绳子连接板13同步向下移动，绳子连接板13拉动三根钢丝绳19，从而带动三个手指11向内合拢，夹持住苹果；接着，两个驱动电机215等速反向转动，分别经蜗轮蜗杆副一和蜗轮蜗杆副二带动传动轴二和传动轴一旋转，传动轴二带动球面刀片一25，传动轴一带动球面刀片二23，从而使得球面刀片一25和球面刀片二23反向转动合拢，球面刀片一25和球面刀片二23切断苹果果柄，苹果被三指夹持机构1的三个手指11收集；当果柄较粗难以切断时，球面刀片一25和球面刀片二23保持夹持住果柄，通过机械臂旋转扯断果柄；最后，两个驱动电机215继续驱动球面刀片一25和球面刀片二23反向转动到张开达到最大的位置。其中，机械臂、步进电机17和驱动电机215均由控制器控制。
36.三指夹持机构1的三个手指11收集到苹果后，机械臂可以将三指夹持机构1收回，三指夹持机构1将苹果松开，苹果落入收集框；或者，为了进一步提高效率，可以在支撑机构上固定网袋，三指夹持机构将苹果松开，苹果落入网袋中，等网袋收集满苹果机械臂再驱动末端执行器收回，取下网袋。其中，三指夹持机构1将苹果松开的过程如下：步进电机17驱动丝杠旋转，带动法兰螺母14和绳子连接板13同步向上移动，绳子连接板13松开三根钢丝绳19，三个手指11在扭簧18弹力作用下复位张开，将苹果松开。其中，由于球面刀片一25和球面刀片二23的两侧都有刀刃，下次剪切果柄时，两个驱动电机215均切换转向即可，而无需在每次剪切果柄后即刻切换转向，对于支撑机构上固定网袋的方案，能节省切换时间，让球面刀片一25和球面刀片二23尽快不对苹果落出产生干涉，三指夹持机构1的三个手指11便能尽快将苹果松开进行收集。