專利名稱：一種水果采摘機器人的末端執(zhí)行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域，具體的講是一種針對有堅硬果梗的柑橘類水果的采摘裝置。
背景技術(shù)：
目前水果收獲成本占水果生產(chǎn)總成本的40 50%。水果采摘是在非結(jié)構(gòu)化的自然條件下進 行，水果個體的差異，樹上著生位置、姿態(tài)的不同，遮擋和重疊程度不同，導(dǎo)致采摘動作復(fù) 雜，目前還沒有成熟的自動化設(shè)備問世。柑橘采摘還面臨一個問題就是切斷堅硬的果梗。人 工采摘時為了不傷及果皮均采用剪刀切斷。由于同一樹的果實成熟期不同，因此在采摘時不 能損傷未成熟果以及枝葉。
柑橘采摘機器人末端執(zhí)行器設(shè)計是難點-
1. 要求能準確抓取水果，避免中途脫落，這就要求在過程中有穩(wěn)定的保持裝置；目前國 際上報道的末端執(zhí)行器大多基于手指形夾持裝置，需要機器人本體傳送較大的夾持力，執(zhí)行 機構(gòu)復(fù)雜。
2. 為了在采摘過程中能順利穿過樹枝等障礙物，執(zhí)行器設(shè)計時體積不能太大，外部突起 和附加部件少，避免牽掛枝葉。
3. 需要調(diào)整或探測果梗的大致位置，否則無法實現(xiàn)果、梗的分離。
4. 需要設(shè)計一套快速切斷堅硬果梗的機械裝置。
5. 執(zhí)行器機構(gòu)簡單，重量輕，否則需要大功率的電機驅(qū)動機械手臂，造成機器人本體體 積過于^E大，失去實用性。
經(jīng)文獻檢索，目前國際上針對柑橘采摘機器人的末端執(zhí)行器設(shè)計報道較少。日本學(xué)者曾 研究了一種夏橙收獲機器人，該裝置的末端執(zhí)行器由鋼絲牽引橡膠手指夾持水果，通過汽缸 驅(qū)動剪刀快速剪斷果梗。但如果末端執(zhí)行器和水果之間枝葉等障礙物，橡膠手指靠近水果時 會過早自動彎曲，無法抓取水果，即使抓住果實，當果梗不在剪切區(qū)域也無法切斷果梗，這 種裝置手爪過于笨重，影響機器人整體結(jié)構(gòu)。美國研究人員研制的柑橘采摘機器人，其末端 執(zhí)行器裝有一個圓弧刀片，通過快速轉(zhuǎn)動切斷果梗，由于柑橘果梗堅硬， 一次切割難以切斷， 如果水果卡在刀片位置，會切破水果，據(jù)報導(dǎo)采摘時造成44%的水果損傷。
經(jīng)美國專利檢索，專利Fruit Picking Device(5005347)專門針對有堅硬果梗的水果設(shè)計 了一個采摘執(zhí)行器，執(zhí)行器和手臂均為圓筒結(jié)構(gòu)，頭部安裝2對相互垂直的圓環(huán)，當執(zhí)行器自
3下而上套住水果后，圓筒內(nèi)探測器斷開，啟動第一對圓環(huán)閉合，果梗被圓環(huán)夾住，中部裝有 刀片的第2對圓環(huán)閉合，同時切斷果梗。2對圓環(huán)由安裝在圓筒壁上的往復(fù)式氣泵通過連桿驅(qū) 動，為防止樹枝牽掛，圓筒外加裝了保護套。由于柑橘類水果直徑一般在60-80mm之間，如果 采用該設(shè)計方案，需要更大直徑的執(zhí)行器，不利于執(zhí)行器深入樹叢。
Fruit Picker (5428947), Citrus Harvesting Machine (5666795) ， Dual Pressure Release Assembly For A Fruit Harvesting Machine (6006507) ， Continuously Advancing Fruit Harvesting Machine (US 6263652 Bl)等專利，主要利用移動機械將梳狀的果實采摘臂伸入果 樹，當手臂收回時安裝在采摘臂上的鉤子鉤住果梗，并將其折斷，實現(xiàn)果、樹分離。這是一 種單純的收獲機械，既不考慮果實成熟期，也不判斷鉤住的是否為果梗，因此極易損傷果實 和果樹。
另外檢索到的采摘執(zhí)行器，如Fruit Picking Apparatus (5463859) 、 Fruit Picking Apparatus (US 6182431 Bl) ， Universe Fruit-picking Tool (US 6298645 Bl)等，大多 是為方便人工采摘而設(shè)計，國內(nèi)也有為人工采摘設(shè)計柑橘采摘裝置專利。
上述文獻和專利技術(shù)均存在一些問題，無法滿足柑橘自主采摘實用化過程中的技術(shù)要求。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有采摘設(shè)計及裝置存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單，體積小，能 平穩(wěn)保持水果，并通過調(diào)整果梗位置，順利割斷果梗的柑橘采摘機器人采摘執(zhí)行器。 本發(fā)明所述的水果采摘技術(shù)方案為
當機器人末端執(zhí)行器接近水果時，由計算機發(fā)出采摘指令，啟動牽引裝置工作，首先啟 動吸盤驅(qū)動電機正向轉(zhuǎn)動，帶動吸盤導(dǎo)桿伸出手爪機體，同時真空泵啟動開始抽真空；當吸 盤貼緊水果時，管道內(nèi)真空度急劇增加，當超過設(shè)定閾值時發(fā)出指令，吸盤驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)， 吸盤收縮，根據(jù)安裝在吸盤驅(qū)動電機上的編碼計數(shù)器數(shù)據(jù)，當達到預(yù)設(shè)位置時啟動撥桿電機 轉(zhuǎn)動，撥桿由下而上順時針轉(zhuǎn)動，將水果保持在筒形手爪內(nèi)，并將果梗沿導(dǎo)向口推向切割器; 此時水果切割裝置啟動，切割器高速旋轉(zhuǎn)，當果梗與切割器相切時，電機負載增加，保持各 電機工作狀態(tài)；當將果梗切斷后，切割電機失去載荷，載荷突降時計算機控制切割電機停止 工作，真空泵停止工作，接著撥環(huán)電機關(guān)閉，水果沿出料口自然下落，此時撥環(huán)在復(fù)位彈簧 的作用下回位，回位過程中可以保證水果不從手爪口滑出。
本發(fā)明所述柑橘采摘執(zhí)行器具體由兩部分組成果實采摘硬件裝置和控制部分。
果實采摘硬件裝置:負責各動作執(zhí)行。
1)手爪機體手爪機體設(shè)計成圓筒形，以充分減少機體體積，便于穿過樹枝。圓筒上部開有導(dǎo)向口，保證果梗在外力作用下沿著導(dǎo)向口向筒內(nèi)移動，導(dǎo)向口末端裝有防卡條，防止 果?？ㄔ谛D(zhuǎn)切割器和機體之間，圓筒下部開有圓形的果實出料口，當果梗被切斷后，水果 落入出料口，當采摘結(jié)束手爪回收時，沿出料口下的下料管道自然下落，圓筒后部是密封蓋， 用于安裝其它附件，并和機械臂連接。這種設(shè)計不僅可以有效采摘水果，手爪體積小，重量 輕，結(jié)構(gòu)簡單。2) 水果切割裝置主要為了切斷果梗。由裝在手爪頭部上方的旋轉(zhuǎn)切割器和后部的切割 器電機組成，為減小手爪體積有利于手爪穿過樹叢，將微型的切割器電機安裝在手爪機體內(nèi) 部；為避免電機妨礙采摘后水果送出，將切割器電機安裝在尾部，并通過切割器皮帶輪、切 割器皮帶和切割器電機皮帶輪的動力輸送保證切割器高速旋轉(zhuǎn)，高速切割用小功率電機切斷 堅硬果梗，克服了以往需要大功率剪切或大功率激光切割的弊端，不傷及果樹、水果。切割 部件上方安裝了 2層切割裝置保護罩用以固定各部件位置，保護切割器裝置不被樹枝掛到， 并防止切割器誤切樹枝和水果。3) 水果牽引裝置為了減小采摘部件體積，便于在樹叢中采摘水果，設(shè)計了水果牽引裝 置，該裝置由吸盤導(dǎo)桿和末端安裝的吸盤組成，在安裝在手爪機體尾部的吸盤驅(qū)動電機的作 用下，驅(qū)動吸盤驅(qū)動齒輪正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，吸盤驅(qū)動齒輪和吸盤導(dǎo)桿上的齒輪嚙合，帶動導(dǎo)桿做 往復(fù)運動，這樣吸盤可以伸出手爪機體，并可以縮回到手爪機體內(nèi)，伸縮距離由安裝在吸盤 驅(qū)動電機上的編碼計數(shù)器得到，吸盤的真空度通過外接真空泵產(chǎn)生真空度。牽引裝置的這種 安裝方式可以避免手爪伸入和從樹叢抽出時和樹枝牽掛。4) 果梗引導(dǎo)裝置由于自然條件下的水果著生位姿無法預(yù)測，果梗位置也不盡相同，為 了能將果梗引導(dǎo)到切割的有效區(qū)域，設(shè)計了一種果梗牽引裝置，該裝置由撥環(huán)及其附件組成。 根據(jù)統(tǒng)計，柑橘類硬梗水果，由于水果的重力作用，果梗均位于水果上部，但方向無法確定， 在撥桿推力作用下果梗沿著圓筒手爪光滑的導(dǎo)向口進入切割區(qū)域。在手爪機體的前端入口處 設(shè)有一個撥環(huán)，動力驅(qū)動由安裝在手爪主體尾部的撥環(huán)驅(qū)動電機提供，通過撥環(huán)皮帶將動力 輸送到撥環(huán)皮帶輪，撥環(huán)皮帶輪和撥環(huán)固定連接，控制撥環(huán)轉(zhuǎn)動，撥環(huán)的另一側(cè)與回位輪緊 固連接，回位輪與回位彈簧相連，當采摘結(jié)束后，撥環(huán)驅(qū)動電機t停止動力輸送，由彈簧牽引 撥環(huán)復(fù)位，復(fù)位過程中撥環(huán)可以有效阻止采摘的水果從手爪內(nèi)滑出。撥環(huán)驅(qū)動和復(fù)位驅(qū)動裝 置外都安裝有保護罩，避免與樹枝牽掛。果實采摘控制部分:主要控制各部件的動作順序，保證水果采摘成功率。 機器人系統(tǒng)經(jīng)過雙目立體視覺系統(tǒng)，檢測到成熟水果，通過立體匹配，進行目標定位。 當計算出目標水果三維位置后，采用路徑規(guī)劃算法，得到末端執(zhí)行器當前位置和目標位置的運動路徑，并將機械臂運動的路徑轉(zhuǎn)換成每個關(guān)節(jié)電機運轉(zhuǎn)的角度值，這樣可以將末端執(zhí)行 器送到指定位置，本部分控制系統(tǒng)開始工作。首先啟動水果牽引裝置，控制吸盤電機正傳， 吸盤伸出，真空泵開始抽氣；當吸盤和水果接觸后，真空泵的進氣口被堵住，真空度上升， 當達到指定闞值(根據(jù)水果抓持力試驗得到)時，觸發(fā)吸盤電機反轉(zhuǎn)吸盤回收，同時啟動果 梗引導(dǎo)裝置，即撥環(huán)電機啟動；當吸盤回收到指定位置(由編碼計數(shù)器控制，位置參數(shù)在預(yù) 備試驗時確定)，啟動水果切割裝置，即切割電機啟動，并檢測負載電流，負載急降時切割電 機停止工作，關(guān)閉真空泵，水果受重力作用自然下落進入出料口，同時關(guān)閉撥環(huán)電機，在彈 簧的牽引下，撥環(huán)回位， 一個采摘過程結(jié)束。本發(fā)明的有益效果是能采摘不同著生狀態(tài)下的成熟水果，抓取水果準確，采摘時不損傷 未成熟果以及枝葉，快速實現(xiàn)果、梗的分離；結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小，克服了現(xiàn)有設(shè)計 結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成機體笨重的缺點。


圖l為末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)右視圖。圖2為末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)左視圖。圖3為末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)正視圖。圖4為末端執(zhí)行器控制流程。圖中，1.切割器防卡條，2.旋轉(zhuǎn)切割器，3.切割器皮帶輪，4.切割器皮帶，5.切割 裝置保護罩，6.切割器電機皮帶輪，7.切割器電機，8.手爪主體，9.吸盤驅(qū)動齒輪，10. 編碼器計數(shù)器，11.吸盤驅(qū)動電機，12.撥環(huán)驅(qū)動電機，13.皮帶輪，14.吸盤導(dǎo)桿，15.吸 盤，16.撥環(huán)皮帶，17.撥環(huán)皮帶輪，18.撥環(huán)，19.果實出料口， 20.下料管道，21.回 位彈簧，22.回位輪具體實施方式
本發(fā)明的末端執(zhí)行器裝置，安裝在機器人手臂上，在計算機控制下和視覺系統(tǒng)、機械臂 系統(tǒng)協(xié)同工作。可以采摘柑橘類或其它有堅硬果梗的球形水果，由于需要撥環(huán)(18)部件推 進水果，因此不適合采摘易破損水果。采用高真空吸附系統(tǒng)可以有力地保持水果不脫落，吸 盤(15)由橡膠制成，在保持水果不掉落同時，其位置和方向可以在一定范圍內(nèi)變化，有利 于撥環(huán)(18)將果梗推到切割區(qū)域。本發(fā)明的關(guān)鍵點在于堅硬的果梗切割，由于水果著生位 置未知，如果采用可移動切割裝置，其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不利于手爪在樹種穿過，采用導(dǎo)向口 和推送裝置結(jié)合可以避免這一難題。采用高速旋轉(zhuǎn)切割器(2)，刀口是鋒利的鋸齒，因此只 需微型電機帶動就能實現(xiàn)果、樹分離。6本發(fā)明根據(jù)水果品種和大小不同，可以設(shè)計手爪最大直徑為8 — 10cm，據(jù)統(tǒng)計目前柑橘 類水果最大直徑一般不超過9cm，因此可以容納大多數(shù)柑橘類水果。由于重力作用，柑橘一 般掛在樹枝上，而且主要著生在樹的表層，大約有40—70%的果實被枝葉遮擋。當遮擋不超 過40%時，通過立體視覺系統(tǒng)可以準確定位水果位置，再通過機械手將末端執(zhí)行器移到指定 位置。當機器人的末端執(zhí)行器接近水果時，由計算機發(fā)出采摘指令，吸盤電機(11)正傳，吸 盤驅(qū)動齒輪(9)將旋轉(zhuǎn)力，經(jīng)齒輪嚙合轉(zhuǎn)化成向前推力，吸盤(15)伸向水果，吸盤連接在 吸盤導(dǎo)桿(14)上，導(dǎo)桿為空心軸，與真空泵相連，水果和吸盤接觸后，進氣口被堵，而真 空泵繼續(xù)工作，因此水果被吸住，導(dǎo)致管內(nèi)真空度急劇上升，水果被牢牢抓住，此時吸盤電 機(11)反轉(zhuǎn)，吸盤回縮，將水果引入手爪主體(8)內(nèi)。當編碼計數(shù)器(10)達到指定閾值， 撥環(huán)電機(13)開始工作，帶動皮帶輪(13)、撥環(huán)皮帶(16)和撥環(huán)皮帶輪(17)轉(zhuǎn)動，最 后將動力傳遞到撥環(huán)(18)上，撥環(huán)(18)開始由下向上轉(zhuǎn)動卡住果梗，并向旋轉(zhuǎn)切割器(2) 推進，此時切割器電機(7)啟動，帶動切割器電機皮帶輪(6)、切割器皮帶(4)、切割器皮 帶輪(3)旋轉(zhuǎn)，將動力傳給旋轉(zhuǎn)切割器(2)。在切割過程中，撥環(huán)電機(12)始終工作，給 予撥環(huán)(18)推力，保證果梗能被切斷。果實切斷后，撥環(huán)的慣性將水果壓入果實出料口 (19)， 進入下料管道(20)。切割器防卡條(1)是為防止果梗卡住，切割器保護罩(5)是為了保護 傳動部件。當一個采摘動作結(jié)束后，各電機停止運轉(zhuǎn)，回位輪(22)在回位彈簧(21)作用 下，使撥環(huán)(18)復(fù)位，實現(xiàn)一個采摘循環(huán)。
權(quán)利要求
1.一種水果采摘機器人的末端執(zhí)行器，其特征是，由手爪機體、水果切割裝置、水果牽引裝置、果梗引導(dǎo)裝置組成；1)手爪機體手爪機體(8)為圓筒形，圓筒上部設(shè)有導(dǎo)向口，導(dǎo)向口末端設(shè)有防卡條(1)，圓筒下部設(shè)計了圓形的果實出料口(19)，圓筒后部是密封蓋，和機械臂連接；2)水果切割裝置固定在手爪頭部上方，前端是旋轉(zhuǎn)切割器(2)，由安裝在手爪機體(8)尾部機體內(nèi)的切割器電機(7)提供動力，通過切割器皮帶輪(3)、切割器皮帶(4)及切割器電機皮帶輪(6)輸送動力，并在旋轉(zhuǎn)切割器(2)上方安裝了2層切割裝置保護罩(5)；3)水果牽引裝置由吸盤導(dǎo)桿(14)和末端安裝的吸盤(15)組成，安裝在手爪機體(8)尾部的吸盤驅(qū)動電機(11)驅(qū)動吸盤驅(qū)動齒輪(9)正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)導(dǎo)桿往復(fù)運動；4)果梗引導(dǎo)裝置在手爪機體(8)的前端入口處設(shè)有一個撥環(huán)(18)，由安裝在手爪機體尾部的撥環(huán)驅(qū)動電機(12)驅(qū)動撥環(huán)(18)，通過撥環(huán)皮帶(16)將動力輸送到撥環(huán)皮帶輪(17)，撥環(huán)皮帶輪(17)和撥環(huán)(18)固定連接，控制撥環(huán)(18)轉(zhuǎn)動，撥環(huán)的另一側(cè)與回位輪(22)緊固連接，回位輪(22)與撥環(huán)(18)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水果采摘機器人的末端執(zhí)行器，其特征是，還包括果實采摘控制系統(tǒng)果實采摘控制系統(tǒng)經(jīng)過目標定位、運動規(guī)劃后，將末端執(zhí)行器送到指定位置，啟動牽引裝置工作，吸盤驅(qū)動電機(11)正向轉(zhuǎn)動，帶動吸盤導(dǎo)桿(14)伸出手爪機體(8)，同時啟動真空泵；當吸盤(15)粘住水果后，管道內(nèi)真空度急劇增加，超過閾值時觸發(fā)吸盤驅(qū)動電機(11)反轉(zhuǎn)，吸盤(15)收縮；編碼計數(shù)器的行程達到閾值，觸發(fā)撥桿由下而上順時針轉(zhuǎn)動，將水果推入筒內(nèi)，并將果梗推向旋轉(zhuǎn)切割器(2);果梗與旋轉(zhuǎn)切割器(2)相切時，切割器電機(7)負載增加，保持各電機工作狀態(tài)；果梗切斷后切割器電機(7)失去載荷，觸發(fā)信號指示切割器電機(7)、真空泵停止工作，接著撥環(huán)驅(qū)動電機(12)關(guān)閉，水果沿出料口自然下落，此時撥環(huán)(18)在回位彈簧(21)的作用下回位。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水果采摘機器人的末端執(zhí)行器裝置，能針對生長在茂密樹叢中，帶有堅硬果梗的水果實施采摘。裝置硬件部分中，手爪機體設(shè)計了果梗導(dǎo)向口和水果出料口；水果牽引裝置用于將水果從樹叢吸入手爪并保持水果不掉落；果梗引導(dǎo)裝置用于將果梗推入切割器有效切割區(qū)域；果梗切割裝置用于割斷堅硬的果梗。裝置控制部分主要控制各部件的動作順序，保證水果采摘成功率。該裝置能采摘不同著生狀態(tài)下的成熟水果，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小，克服了現(xiàn)有設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成機體笨重的缺點。
文檔編號A01D46/30GK101669423SQ20091003628
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月13日
發(fā)明者偉 盧, 強 呂, 張文莉, 蔡健榮, 趙杰文, 陳全勝 申請人:江蘇大學(xué)