一种球面剪切式果实采摘末端执行器及其方法

1.本发明涉及农业采摘果实机械的技术领域，具体涉及一种球面剪切式果实采摘末端执行器及其方法。


背景技术：

2.近年来，我国水果的种植面积高速增长，但是水果产业中的成熟果实基本依靠人工才采摘。水果田间生产作业过程包括灌溉、施肥、修剪、采摘和运输五个工序。其中采摘工序是生产过程中复杂程度最高、劳动力需求最大的一个环节，占整个生产过程劳动力需求的50％到70％。随着计算机图像处理技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟。日本和欧美等国家相继立项研究采摘苹果、柑桔、西红柿、西瓜和葡萄等智能机器人。但是由于采摘对象的复杂性和采摘环境的特殊性目前市场上仍没有商品化的采摘机器人。
3.申请号为cn202110323917.5的发明专利申请公开了一种果实平留梗采摘的机器人末端执行器及作业方法，该末端执行器主要包括半圆条形摆刀和两1/4球面指，采摘时，果实进入两1/4球面指之间，1/4球面指快速合拢同时膨胀环形气囊向上滑动到采摘位形成对果实的可靠柔性抓握，1/4球面指开口缝隙适应果梗的方位偏差；半圆条形摆刀齐平于果蒂完成果梗切割，环形气囊收缩使果实落入送果软管完成回收。该发明通过双1/4球面指、半圆条形摆刀与筒内可移动环形气囊的有机组合，实现树上果实大小、位姿自适应的机器人平留梗采摘与回收作业，结构简单可靠。但是该方案对于判定果实位置的精度敏感性、剪切过程中如何避免剪切到相邻果实，以及如何避免果实在采摘过程中触碰造成果实损坏的问题，为解决上述技术问题该申请所公开的技术方案均不存在相应的技术启示。
4.目前，水果采摘末端大多安装于机械臂上进行采摘作业，仍存在非结构化环境下的定位与识别不准确、采摘末端包容性差和果梗剪切定位困难等问题。本技术公开了一种球面剪切式果实采摘末端执行器及其方法，末端执行器作为直接接触采摘对象的部件，其性能优越和通用性对于图像识别定位、机械误差有着良好的包容性，对于采摘机器人实际应用有着关键作用。


技术实现要素：

5.本发明的发明目的在于，针对上述存在的问题，提供了一种球面剪切式果实采摘末端执行器，包括剪切装置，剪切装置安装在安装法兰座上；所述剪切装置为球形包拢结构，包括弧形刀片，连杆开合机构、支撑架和直线气缸，弧形刀片远离安装法兰座的一端设置有圆孔，将弧形刀片安装在连杆开合机构上，连杆开合机构控制弧形刀片的剪切动作；包括直线气缸，直线气缸带动连杆开合机构作往复直线运动，带动连杆开合机构做张开和闭合的两个动作，球形包拢结构包拢果实，驱动弧形刀片对果实的果梗进行剪切。本发明结构简单，对果实定位误差包容性强、提高了果实采摘效率。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.本发明公开了一种球面剪切式果实采摘末端执行器，包括剪切装置，剪切装置安装在安装法兰座上；所述剪切装置为球形包拢结构，包括弧形刀片，连杆开合机构、支撑架和直线气缸，弧形刀片远离安装法兰座的一端设置有圆孔，将弧形刀片安装在连杆开合机构上，连杆开合机构控制弧形刀片的剪切动作；所述弧形刀片和连杆开合机构的运动形成一个球形包拢空间，便于果实容纳以及随机生长的果实果梗的剪切。
8.包括直线气缸，直线气缸带动连杆开合机构作往复直线运动，带动连杆开合机构做张开和闭合的两个动作，球形包拢结构包拢果实，驱动弧形刀片对果实的果梗进行剪切。
9.本发明公开了一种应用于球面剪切式果实采摘末端执行器的果实保护机构，包括果实保护机构，果实保护机构对称设在弧形刀片上，覆盖弧形刀片刃口面；果实保护机构包括固定块、保护手指、扭转弹簧和弹簧固定销，所述固定块与弧形刀片连接，所述保护手指通过弹簧固定销与固定块连接。
10.进一步地，所述果实保护机构面对果实的一面设有薄膜型压力传感器，扭转弹簧安装在弹簧固定销上，扭转弹簧一端的弹簧引脚与保护手指表面接触，另一端与固定块表面接触。通过果实保护机构可以避免弧形刀片误伤果实表面，并且通过薄膜型压力传感器可以调整采摘姿态，避免柑橘位置误差使得果实保护机构对果实表面的接触压力过大，造成果实表面损坏。
11.进一步地，所述支撑架整体为凹字形，通过连接螺母与带有外螺纹的连接杆一端固定；所述安装法兰座有一凸面，平面上设有两个对称的螺纹孔，安装法兰座为圆形平面，圆形平面上设有均布的四个圆孔，用于安装法兰座和机械臂的连接。
12.包括直线气缸，直线气缸通过固定螺栓安装在支撑架上，所述直线气缸位于支撑架和安装法兰座之间。
13.进一步地，所述连杆开合机构包括推杆、摆动连杆、开合连杆和中心连接块，所述推杆与直线气缸的活塞杆通过螺纹连接，位于凹字形支撑架的开口处；所述开合连杆为j型结构，设有三个圆孔，开合连杆的一端与推杆连接，另一端与弧形刀片连接；所述摆动连杆设有开口槽，开口槽的一端设有圆孔，与开合连杆通过连杆铰链销连接，另一端通过铰链销与中心连接块连接。
14.进一步地，所述中心连接块的两端设有开口槽，开口槽的方形缺口上开有圆孔，安装在支撑架的前端；所述中心连接块包括圆形凸台，在面对果实的一面设有距离传感器；
15.包括传感器保护罩，传感器保护罩安装在中心连接块上，包络保护距离传感器。
16.进一步地，所述弧形刀片远离安装法兰座的一端设有圆孔，安装在开合连杆上；所述弧形连杆靠近安装法兰座的一端设有腰形孔，通过中心连接块上设置的圆形凸台，安装在中心连接块上。
17.进一步地，包括接果篮，接果篮远离安装法兰座的一端固定在开合连杆上，靠近安装法兰座的一端设有腰形孔安装在中心连接块上；所述接果篮为球面镂空结构；当果实果梗完成剪切之后，果实落入接果篮中从而完成果实采摘。
18.本发明公开了一种球面剪切式果实采摘末端执行器的使用方法，包括如下步骤：
19.s1：包括三位五通中封式电磁阀，在进行果实采摘前，采摘末端执行器首先进行复位操作；三位五通中封式电磁阀的打开端通电，推杆朝安装法兰座方向移动，使得开合连杆打开；末端执行器恢复到初始状态；所述三位五通中封式电磁阀左端为闭合端，右边为打开
端；
20.s2：在已知果实位置信息的情况下，机械臂运动从而使得采摘末端执行器到达待采摘果实附近；此时通过在中心连接块上的距离传感器感知的距离信息与系统获得的果实位置信息可以形成采摘末端执行器位置的闭环控制；采摘末端执行器到达准确的采摘位置点；
21.s3：当距离传感器返回的数值达到预先设定的最佳采摘距离，三位五通中封式电磁阀闭合端通电，推杆朝待采摘果实方向移动，使得开合连杆带动弧形刀片闭合；在此期间，果实保护机构保护果实表面无法与弧线刀片刃口位置接触，保护果实表面不被破坏；
22.s4：末端执行器剪切的果实掉入接果篮中，采摘末端执行器回到果实储存箱的果实放入位置，三位五通中封式电磁阀打开端通电，推杆朝安装法兰座方向移动，使得开合连杆打开，果实存入果实储存箱；等到直线气缸触碰三位五通中封式电磁阀的打开端限位开关，末端执行器恢复到初始状态；等待系统发送下一个待采摘果实位置信息，继续执行步骤s2。
23.进一步地，所述步骤s3中，弧形刀片在闭合过程中包括两种情况；
24.情况一：果实表面与弧形刀片无接触，推杆正常运动，等到直线气缸触碰三位五通中封式电磁阀的闭合端限位开关，弧形刀片完成对果实果梗剪切动作；
25.情况二：果实表面一侧或者两侧与果实保护机构发生接触；当发生接触的初始阶段，保护手指受到果实表面的压力，在扭转弹簧和弹簧固定销的作用下，保护手指可绕弹簧固定销旋转并且具有一种弹性，使得果实保护机构具有一种退让性；若接触进一步发生，保护手指上的薄膜压力传感器感知的接触压力增大且达到预先设定的安全接触压力阈值；此时三位五通中封式电磁阀打开端、闭合端同时断电，直线气缸为中位截止状态，剪切机构停止剪切动作；采摘末端执行器调整采摘姿态，重复以上动作，直至为情况一所述状态,完成弧形刀片对果实果梗剪切。
26.本发明的技术效果如下：
27.本发明公开了一种球面剪切式果实采摘末端执行器及其方法，末端执行器结构简单，对果实定位误差包容性强、提高了果实采摘效率；有效地解决了采摘作业在非结构化环境下的定位与识别不准确、采摘末端包容性差和果梗剪切定位困难等问题。
28.具体如下：
29.1.本发明的球面剪切式果实采摘末端执行器整体为球形包拢，对果实位置精度不敏感，包容性强，采摘效率高。
30.2.本发明的球面剪切式果实采摘末端执行器包括弧形开合连杆与弧形刀片的设计，一是在采摘末端执行器靠近待采摘果实的同时能够隔离其他果实，能避免其他果实影响弧形刀片对果梗的剪切。二是弧形刀片能够适应果实表层曲面体征与果梗随机的空间生长位置，顺利完成对待采摘果实果梗的剪切。
31.3.本发明的球面剪切式果实采摘末端执行器采用距离传感器、薄膜压力传感器的闭环控制回路，可以达到高精度的采摘末端位置控制效果，避免了果实采摘过程因接触原因造成的损伤，使果实采摘效果更稳定。
附图说明
32.图1是本发明球面剪切式果实采摘末端执行器的轴测图；
33.图2是本发明球面剪切式果实采摘末端执行器的仰视图；
34.图3是本发明球面剪切式果实采摘末端执行器的果实保护机构的结构示意图；
35.图4是本发明球面剪切式果实采摘末端执行器的闭合状态示意图；
36.图5是本发明采摘末端执行装置的气路图；
37.图6是本发明球面剪切式果实采摘末端执行器控制方法的控制流程图；
38.图中标记：1-安装法兰座，2-连接杆，3-直线气缸，4-支撑架，5-连接螺母，6-固定螺栓，7-推杆铰链销，8-推杆，9-连杆铰链销，10-摆动连杆，11-开合连杆，12-弧形刀片，13-中心连接块，14-距离传感器，15-传感器保护罩，16-弹簧固定销，17-固定块，18-保护手指，19-扭转弹簧，20-薄膜压力传感器，21-接果篮，22-气泵，23-气动三联件，24-消音器，25-三位五通中封式电磁阀，26-单向调速阀。
具体实施方式
39.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
40.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
41.本实施例中，所采用的数据为优选方案，但并不用于限制本发明；
42.实施例1
43.如图1-2所示，本实施例提供了一种球面剪切式果实采摘末端执行器，包括剪切装置，剪切装置安装在安装法兰座1上；所述剪切装置为球形包拢结构，包括弧形刀片12，连杆开合机构、支撑架4和直线气缸3，弧形刀片12远离安装法兰座1的一端设置有圆孔，将弧形刀片12安装在连杆开合机构上，连杆开合机构控制弧形刀片12的剪切动作；所述弧形刀片12和连杆开合机构的运动形成一个球形包拢空间，便于果实容纳以及随机生长的果实果梗的剪切。
44.包括直线气缸3，直线气缸3带动连杆开合机构作往复直线运动，带动连杆开合机构做张开和闭合的两个动作，球形包拢结构包拢果实，驱动弧形刀片12对果实的果梗进行剪切。
45.本实施例中，所述剪切装置为包拢结构，包括弧形刀片12，连杆开合机构，支撑架4和直线气缸3，对果实表层曲面特征和果梗随机空间分布有很好的包容性，能够顺利完成对待采摘果实果梗的剪切。
46.进一步地，所述支撑架4整体为凹字形结构，中间开槽部位给予推杆8足够的运动空间。支撑架4通过连接螺母5与带有外螺纹的连接杆2一端固定；连接杆2的另外一端与安装法兰座1固定连接，所述安装法兰座1有一凸面，该凸面上设有两个对称的螺纹孔，并在圆形底面设有均布的四个用于与机械臂连接的圆形通孔。直线气缸3固定在支撑架4上，位于支撑架4与安装法兰座1中间。
47.本实施例中，所述连杆开合机构，由推杆8，摆动连杆10，开合连杆11和中心连接块13组成。开合连杆11为j型结构，分别通过推杆连接销7和连杆连接销9与推杆8和摆动连杆10连接。摆动连杆10与中心连接块13铰接，形成一个由推杆8驱动的四杆机构。
48.本实施例中，所述弧形刀片12一端设有圆孔，另一端设有腰形孔。弧形刀片12设有圆孔的一端与开合连杆11铰接，设有腰形孔的一端安装在中心连接块13上。当连杆开合机构执行闭合动作时，开合连杆11会带动弧形刀片12朝着采摘末端执行器中心方向旋转，弧形刀片执行剪切动作。
49.实施例2
50.如图1-3所示，本实施例提供了一种应用于球面剪切式果实采摘末端执行器的果实保护机构，包括果实保护机构，果实保护机构对称设在弧形刀片12上，覆盖弧形刀片12刃口面；果实保护机构包括固定块17、保护手指18、扭转弹簧19和弹簧固定销16，所述固定块17与弧形刀片12连接，所述保护手指18通过弹簧固定销16与固定块17连接。
51.本实施例中，弧形刀片12执行剪切动作有可能会造成果实表面的损伤。优选地，在弧形刀片12下方设有六个对称的果实保护机构，分布整个弧形刀片12的剪切面上，避免了弧形刀片12刃口与果实表面的接触，起到果实防误剪保护作用。所述果实保护机构由弹簧固定销16，固定块17,保护手指18和扭转弹簧19组成。所述保护手指18上设有薄膜压力传感器20。果实保护机构通过固定块17与弧形刀片12固定。
52.进一步地，当果实表面与保护机构发生接触，控制系统接收到薄膜压力传感器20传输的压力值。当接触压力小于设定的安全阈值时，果实保护机构中的保护手指18在接触压力的作用下，会绕着弹簧固定销16旋转，在扭转弹簧19的作用下此旋转运动具有一定弹性，具有缓冲和复位作用。当弧形刀片12闭合程度加深，果实表面与保护机构的接触压力随之增大，接触压力大于设定的安全阈值时。控制系统向三位五通中封换向阀25发送打开端、闭合端断电信号，三位五通中封换向阀25处于中位截止状态，直线气缸3停止运动，弧形刀片12停止剪切动作。此时控制系统调整采摘末端执行器采摘姿态，三位五通中封换向阀25闭合端得电，弧形刀片12继续执行剪切动作。
53.实施例3
54.如图1-6所示，在实施例1和2的基础上，本实施例提供了一种球面剪切式果实采摘末端执行器，连杆开合机构包括中心连接块13，中心连接块13的两端设有开口槽，开口槽的方形缺口上开有圆孔，安装在支撑架4的前端；所述中心连接块13包括圆形凸台，在面对果实的一面设有距离传感器14；
55.包括传感器保护罩15，传感器保护罩15安装在中心连接块13上，包络保护距离传感器14。
56.本实施例中，包括控制系统发送待采摘信号，此时连杆开合机构处于打开状态。采摘末端执行器移动到待采摘果实的采摘准备位置，距离传感器14感知待采摘果实与采摘末端执行器中心连接块13的距离信息，修正位置误差，使采摘末端执行器到达准确的采摘位置点。
57.进一步地，所述距离传感器14设在中心连接块13中心位置上，并设置传感器保护罩15，防止果实与距离传感器14发生磕碰。当控制系统收到距离传感器14的距离信息与设定的采摘位置信息匹配时，控制系统使得三位五通中封换向阀25闭合端通电，推杆8向待采摘果实方向运动。随着推杆8的运动，开合连杆11开始朝着采摘末端执行器中心方向对称闭合，与其连接的摆动连杆10绕中心连接块13与摆动连杆10铰接中心向采摘末端执行器中心方向旋转，为保证开合连杆11位置处于整个采摘末端执行器的水平中心平面上，摆动连杆
10上设有开口槽，开合连杆11位于开口槽中心位置。
58.实施例4
59.如图1-4所示，本实施例提供了一种球面剪切式果实采摘末端执行器，包括剪切装置和果实保护机构，剪切装置安装在安装法兰座1上；所述剪切装置为球形包拢结构，包括弧形刀片12，连杆开合机构、支撑架4和直线气缸3，弧形刀片12远离安装法兰座1的一端设置有圆孔，将弧形刀片12安装在连杆开合机构上，连杆开合机构控制弧形刀片12的剪切动作；所述弧形刀片12和连杆开合机构的运动形成一个球形包拢空间，便于果实容纳以及随机生长的果实果梗的剪切。
60.包括直线气缸3，直线气缸3带动连杆开合机构作往复直线运动，带动连杆开合机构做张开和闭合的两个动作，球形包拢结构包拢果实，驱动弧形刀片12对果实的果梗进行剪切。
61.本实施例中，当果实表面不与保护机构接触或者接触压力始终小于设定的安全阈值时。推杆朝着待采摘果实方向一直运动，直至直线气缸3触碰闭合端限位开关，弧形刀片12完成对果实果梗的剪切，果实落入接果篮21中。所述接果篮21为曲面镂空结构，与弧形刀片12一样，一端设有圆孔，另一端设有腰形孔；接果篮21设有圆孔的一端与开合连杆11铰接，设有腰形孔的一端安装在中心连接块13上。
62.进一步地，所述接果篮21会随着连杆开合机构运动，当弧形刀片12执行剪切动作时，剪切动作完成时接果篮21闭合形成封闭结构，接住落入的果实。接果篮与果实的高度设定在安全范围内，防止果实损伤。
63.进一步地，果实落入接果篮21中。采摘末端执行器回到果实储存箱的果实放入位置，三位五通中封式电磁阀25打开端通电，闭合端失电，推杆朝安装法兰座1方向移动，使得开合连杆11、弧形刀片12和接果篮21打开，果实存入果实储存箱。等到直线气缸3触碰打开端限位开关，末端执行器恢复到初始状态。
64.实施例5
65.如图5-6所示，本实施例提供了一种球面剪切式果实采摘末端执行器，包括采摘末端执行器的气路控制单元，包括气泵22与气动三联件23串联，并持续给气动回路提供气体压力，通过气动三联件23的过滤可以保持进入气动回路的气体洁净；
66.三位五通中封式电磁阀25进气口与气动三联件23相连，三位五通中封式电磁阀25两个排气口均单独与一个消音器24相连；三位五通中封式电磁阀25打开端和闭合端出气口均通过一个单向调速阀26与气缸3相连。
67.本实施例中，当执行剪切动作时，气体首先通过气泵22增压进入气动三联件23过滤净化，由于此时闭合端得电，气体通过三位五通中封式电磁阀25左端进入单向调速阀26，使得直线气缸3的活塞杆向待采摘果实方向移动。直至推杆8触碰闭合端行程开关，弧形刀片完成剪切动作。
68.进一步地，当执行复位动作或者果实释放动作时，此时打开端得电，气体通过三位五通中封式电磁阀25右端进入单向调速阀26，使得直线气缸3的活塞杆向安装法兰座1方向移动。直至推杆8触碰打开端行程开关，完成复位动作或者果实释放动作。
69.当果实保护机构与果实接触压力大于阈值时，此时打打开端、闭合端同时失电，三位五通中封式电磁阀25处于中位截止状态，直线气缸3内部气体无法排出，气泵22提供的气
体通过三位五通中封式电磁阀25的两个排气口上的消音器24排入大气，完成剪切停止动作。
70.以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。