一種獼猴桃果實采摘末端執(zhí)行器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種獼猴桃果實采摘末端執(zhí)行器，包括夾持機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)采摘機構(gòu)、近接機構(gòu)、傳感系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。夾持機構(gòu)由前后兩個弧形面手指構(gòu)成的剪刀式結(jié)構(gòu)組成，可實現(xiàn)毗鄰果實的分離與可靠抓??；旋轉(zhuǎn)采摘機構(gòu)采用減速步進電機帶動夾緊機構(gòu)旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)果柄與果實分離；接近機構(gòu)帶動前手指靠近果實；傳感系統(tǒng)由裝在前手指內(nèi)側(cè)的壓力傳感器、紅外光電開關(guān)，裝在機架上的霍爾位置傳感器和限位開關(guān)組成，分別用于檢測夾持閾值力、果實位置、機構(gòu)復(fù)位信息和控制減速步進電機的旋轉(zhuǎn)角度；控制系統(tǒng)由單片機、步進電機控制器組成，由傳感系統(tǒng)配合實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。該執(zhí)行器對果實進行精確定位、分離和可靠抓取，實現(xiàn)果實的無損采摘，機械結(jié)構(gòu)簡單。
【專利說明】一種獼猴桃果實采摘末端執(zhí)行器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種果實采摘末端執(zhí)行器，尤其涉及一種獼猴桃果實采摘末端執(zhí)行器，屬于采摘機器人領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]果實采摘末端執(zhí)行器是采摘機器人的關(guān)鍵部件，直接作用于果實，因此，末端執(zhí)行器的優(yōu)劣影響著果實的收獲質(zhì)量。國內(nèi)外針對果實采摘末端執(zhí)行器的研究較多，但由于果實本身性質(zhì)差異，通用性不強。獼猴桃果實采摘周期短，勞動強度高，標準化的種植模式有利于實現(xiàn)自動化采摘，但果實毗鄰生長的特點要求機械手具有分離果實的功能。中國專利CN101019484A公布的“果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器”采用吸盤吸附的方式分離果實，這種結(jié)構(gòu)使得末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制復(fù)雜。中國專利CN102187766A公布了“一種獼猴桃采摘末端執(zhí)行器”，該末端執(zhí)行器由于自身體積的限制，對毗鄰果的采摘受到限制。
[0003]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有采摘方法和采摘裝置的不足，本發(fā)明提供了一種采用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)果實分離、傳感系統(tǒng)獲取果實信息實現(xiàn)可靠抓取的獼猴桃果實無損采摘末端執(zhí)行器，基于該末端執(zhí)行器本發(fā)明還提供了一種簡單有效的果實采摘方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:
一種獼猴桃果實采摘末端執(zhí)行器，包括夾持機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)采摘機構(gòu)、近接機構(gòu)、傳感系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)；
所述夾持機構(gòu)包括前手指、后手指、水平滑塊、直線步進電機I和支架I ;所述前手指形狀為仿生弧形面，并在其內(nèi)側(cè)附有硅膠材料，與水平滑塊用銷釘連接，所述后手指形狀為仿生弧形面，采用銷釘與支架I連接，前手指與后手指之間采用銷釘連接，形成剪刀式結(jié)構(gòu)，直線步進電機I驅(qū)動水平滑塊實現(xiàn)前手指和后手指的開合，前手指和后手指在閉合的過程中將果實分離并抓??；
所述旋轉(zhuǎn)采摘機構(gòu)包括連接件1、連接件I1、法蘭、減速步進電機；所述連接件I 一端連接電機輸出軸，另一端連接支架I，所述連接件II一端連接減速步進電機，另一端連接連接件III，所述法蘭套在電機輸出軸上，與連接件I連接，減速步進電機旋轉(zhuǎn)帶動整個夾緊機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，使果實與果柄成銳角，并使果柄承受拉力，在達到果柄最大位移處被折斷，減速步進電機旋轉(zhuǎn)角度用限位開關(guān)1、II設(shè)定，所述限位開關(guān)的位置是可調(diào)的；
所述接近機構(gòu)包括直線步進電機I1、豎直滑塊、連接件II1、支架I1、導(dǎo)向板；所述豎直滑塊在支架II的滑軌滑動，并與直線步進電機II的螺母連接，所述直線步進電機II的絲杠與電機輸出軸自成一體，絲杠另一端用軸承與支架II連接；所述連接件III用于連接豎直滑塊連接和連接件II，其長度略大于直線步進電機II的絲杠長度；所述導(dǎo)向板中間開有孔，連接件III穿過該孔；連接件III一端連接連接件II，另一端與豎直滑塊連接，豎直滑塊在直線步進電機II的驅(qū)動下使前手指接近果實達到采摘位置；
所述傳感系統(tǒng)包括壓力傳感器、紅外光電開關(guān)傳感器、霍爾位置傳感器1、π、ιπ ;所述壓力傳感器安裝在前手指內(nèi)側(cè)；所述紅外光電開關(guān)傳感器安裝在前手指和后手指距指端三分之一處，前手指安裝發(fā)射端，后手指安裝接收端；所述霍爾位置傳感器I安裝在支架I上；所述霍爾位置傳感器I1、m安裝于支架II的兩端；所述連接件I上安裝有限位開關(guān)1、II，用于檢測減速步進電機的旋轉(zhuǎn)角度，所述限位開關(guān)1、II的位置是可調(diào)的。
[0006]所述控制系統(tǒng)包括單片機、步進電機驅(qū)動器1、步進電機驅(qū)動器I1、步進電機驅(qū)動器III ;所述單片機通過I/O 口控制步進電機驅(qū)動器1、步進電機驅(qū)動器I1、步進電機驅(qū)動器III，通過串口接收傳感器信號，實現(xiàn)系統(tǒng)的反饋控制。
[0007]本發(fā)明獼猴桃果實采摘末端執(zhí)行器的工作原理:
步驟1:啟動直線步進電機I，電機正轉(zhuǎn)，前手指從果實底部靠近果實；
步驟2:啟動直線步進電機II，電機正轉(zhuǎn)抓住果實，并保持抓緊姿勢；
步驟3:啟動減速步進電機，電機正轉(zhuǎn)，前手指和后手指包絡(luò)抓住果實順時針旋轉(zhuǎn)，果柄逐漸被拉直并與果實慣性軸成銳角，當果柄承受的拉力大于果蒂所能承受的拉力時，果柄從果蒂處折斷。
[0008]本發(fā)明獼猴桃果實采摘末端執(zhí)行器現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下有益效果:
本發(fā)明采用單片機控制，針對獼猴桃果實毗鄰生長的特點，夾緊機構(gòu)利用前手指與后手指長度差，水平滑塊與前手指銷釘連接位置和前后手指中間銷釘連接位置的高度差，以及后手指與支架相對轉(zhuǎn)動而前手指相對支架既轉(zhuǎn)動又移動的結(jié)構(gòu)形式，實現(xiàn)前手指和后手指合攏過程中既整體上升又往前移動的運動軌跡，前手指從果實底部靠近果實，有效實現(xiàn)了采用機械結(jié)構(gòu)完成毗鄰果實的分離與抓取，采用旋轉(zhuǎn)法，使果實慣性軸與果柄成銳角并達到果柄最大轉(zhuǎn)動半徑時從果蒂處拉斷果柄，減小了果柄分離力，通過控制末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)角度來完成采摘動作，簡化了機械結(jié)構(gòu)和控制，限位開關(guān)的位置是可調(diào)的，從而保證減速步進電機的旋轉(zhuǎn)角度可調(diào)，通過傳感器的反饋控制，提高了控制精度，實現(xiàn)了果實的無損米摘。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的夾持機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)采摘結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明的接近結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明的控制系統(tǒng)示意圖；
圖6為本發(fā)明的獼猴桃果實采摘流程圖。
【具體實施方式】
[0010]參見圖1和圖2，一種獼猴桃果實采摘末端執(zhí)行器，由夾持機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)采摘機構(gòu)，接近機構(gòu)，傳感系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成，所述夾持機構(gòu)包括連接件I 1、霍爾位置傳感器I 3、水平滑塊4、支架I 6、前手指7、后手指10、直線步進電機I 12。
[0011]所述夾持機構(gòu)包括如手指7和后手指10形成到刀式結(jié)構(gòu)，如手指7和后手指10之間采用銷釘連接，前手指7另一端與水平滑塊4通過銷釘連接，后手指10另一端與支架
I6采用銷釘連接，所述水平滑塊4通過螺母I 2與直線步進電機I 12連接，在支架I 6的滑軌中水平移動；所述前手指和后手指內(nèi)側(cè)均采用硅膠做內(nèi)襯。
[0012]所述旋轉(zhuǎn)采摘機構(gòu)包括減速步進電機11、法蘭13、連接件II 14(見圖3)，所述減速步進電機11的輸出軸與連接件I 1、法蘭13通過鍵連接，減速步進電機11與連接件II 14固連，所述連接件II 14與接近機構(gòu)連接，減速步進電機11伸出軸旋轉(zhuǎn)帶動整個夾持機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，所述連接件I上安裝有限位開關(guān)，限位開關(guān)控制減速步進電機的旋轉(zhuǎn)角度，通過調(diào)節(jié)限位開關(guān)的位置實現(xiàn)減速步進電機旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)整。
[0013]所述接近機構(gòu)包括導(dǎo)向板16、支架II 18、連接件III 20、豎直滑塊21、直線步進電機
II24，所述豎直滑塊21通過螺母II 22與直線步進電機II 24連接，在支架II 18的滑軌中上下移動，所述連接件III 20連接在豎直滑塊21上，另一端與連接件II 14連接，帶動整個夾持機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)采摘機構(gòu)上下移動，實現(xiàn)接近果實的目的。
[0014]所述傳感系統(tǒng)包括壓力傳感器8、紅外光電開關(guān)傳感器9、霍爾位置傳感器I 3、霍爾位置傳感器II 17、霍爾位置傳感器III23 ;所述壓力傳感器8安裝在前手指7內(nèi)側(cè)；所述紅外光電開關(guān)傳感器9為對射式組合，前手指7安裝發(fā)射端，后手指10安裝接收端；所述霍爾位置傳感器I 3安裝在支架I 6上，用于檢測水平滑塊4的初始位置，安裝于前手指和后手指端部三分之一處，用于檢測果實的位置，所述壓力傳感器8安裝在前手指內(nèi)側(cè)，用于檢測預(yù)設(shè)夾持力；所述霍爾位置傳感器II 17和霍爾位置傳感器III 23分別安裝在支架II 18的內(nèi)側(cè)上端處和內(nèi)側(cè)下端處(見圖4)，用于檢測豎直滑塊復(fù)位信息并防止機構(gòu)發(fā)生碰撞。
[0015]所述控制系統(tǒng)包括單片機、步進電機驅(qū)動器1、步進電機驅(qū)動器I1、步進電機驅(qū)動器III ;所述單片機通過I/o控制步進電機驅(qū)動器1、步進電機驅(qū)動器I1、步進電機驅(qū)動器III，通過串口接收傳感器信號(見圖5)，形成反饋控制，達到整個系統(tǒng)的精確定位。
[0016]為減輕重量，末端執(zhí)行器除標準件外，前手指和后手指采用塑料材料，其他支架等采用鋁合金和賽鋼制成；
該系統(tǒng)機構(gòu)簡單、控制方便，具備分離果實、準確抓取和果柄分離的功能，為獼猴桃果實采摘機器人提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
[0017]參見圖6，一種獼猴桃果實采摘末端執(zhí)行器動作流程圖。
[0018]具體步驟如下:
1、末端執(zhí)行器各個部件復(fù)位，直線步進電機1、減速步進電機、直線步進電機II反轉(zhuǎn)，霍爾傳感器1、111，分別檢測水平滑塊和豎直滑塊是否回到初始位置，減速步進電機回轉(zhuǎn)設(shè)定角度，復(fù)位完成后，電機停止轉(zhuǎn)動，等待命令；
2、末端執(zhí)行器接近果實，直線步進電機II正轉(zhuǎn)，紅外光電開關(guān)輸出低電平時，認為果實已經(jīng)進入前手指內(nèi)部，直線步進電機II停止轉(zhuǎn)動；
3、末端執(zhí)行器抓取果實，紅外光電開關(guān)傳感器輸出低電平時，直線步進電機II停止轉(zhuǎn)動，同時直線步進電機I開始正轉(zhuǎn)，前手指和后手指包絡(luò)抓取果實，待到壓力傳感器檢測達到預(yù)設(shè)壓力值時，直線步進電機I停止轉(zhuǎn)動；
4、末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)分離果柄，壓力傳感器檢測到預(yù)設(shè)壓力時，直線步進電機I停止轉(zhuǎn)動，同時減速步進電機開始轉(zhuǎn)動，直到達到預(yù)設(shè)夾角則停止；
5、末端執(zhí)行器釋放果實并規(guī)劃毗鄰果實采摘路徑，減速步進電機達到預(yù)設(shè)角度后，完成果柄分離動作，接著減速步進電機復(fù)位，末端執(zhí)行器被送到果實收獲裝置，直線步進電機I反轉(zhuǎn)釋放果實，末端執(zhí)行器在完成一個果實的采摘之后，在現(xiàn)在位置的基礎(chǔ)上計算到達下一個毗鄰果實坐標需要走的位移，進行下一個果實的采摘，直到計算機提供的全部果實采摘完后，電機全部復(fù)位。
【權(quán)利要求】
1.一種獼猴桃果實采摘末端執(zhí)行器，包括夾持機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)采摘機構(gòu)，接近機構(gòu)，傳感系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，其特征在于: 所述夾持機構(gòu)由連接件I (I)、水平滑塊(4)、支架I (6)、前手指(7)、、后手指(10)、直線步進電機I (12)組成；所述前手指(7)和后手指(10)之間銷釘連接形成剪刀式結(jié)構(gòu)，所述前手指(7)另一端與水平滑塊(4)銷釘連接，所述后手指(10)另一端與支架I (6)銷釘連接，所述水平滑塊(4)通過螺母I (2)與直線步進電機I (12)連接； 所述旋轉(zhuǎn)采摘機構(gòu)由減速步進電機(11)、法蘭(13)、連接件II (14)組成,所述減速步進電機(11)的輸出軸與連接件I (I)、法蘭(13)通過鍵連接，減速步進電機(11)與連接件II (14)固連，所述連接件II (14)與接近機構(gòu)連接； 所述接近機構(gòu)由導(dǎo)向板(16)、支架II (18)、連接件111(20)、豎直滑塊(21)、直線步進電機II (24)組成，所述豎直滑塊(21)通過螺母II (22)與直線步進電機II (24)連接，所述連接件III(20)連接在豎直滑塊(21)上，另一端與連接件II (14)連接， 所述傳感系統(tǒng)包括壓力傳感器(8)、紅外光電開關(guān)傳感器(9)、霍爾位置傳感器I (3)、霍爾位置傳感器II (17)、霍爾位置傳感器111(23);所述壓力傳感器(8)安裝在前手指(7)內(nèi)側(cè)；所述紅外光電開關(guān)傳感器(9)為對射式組合，前手指(7)安裝發(fā)射端，后手指(10)安裝接收端；所述霍爾位置傳感器I (3)安裝在支架I (6)上；所述霍爾位置傳感器II (17)和霍爾位置傳感器111(23)分別安裝在支架II (18)的內(nèi)側(cè)上、下兩端； 所述控制系統(tǒng)由單片機、步進電機驅(qū)動器1、步進電機驅(qū)動器I1、步進電機驅(qū)動器III組成；所述單片機通過I/O控制步進電機驅(qū)動器1、步進電機驅(qū)動器I1、步進電機驅(qū)動器III，通過串口接收傳感器信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獼猴桃果實采摘末端執(zhí)行器，其特征在于，所述的前手指(7)為仿生弧形面，采用硅膠做內(nèi)襯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獼猴桃果實采摘末端執(zhí)行器，其特征在于，所述的后手指(10)為仿生弧形面，采用硅膠做內(nèi)襯。
【文檔編號】B25J15/08GK103448061SQ201310341023
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月7日
【發(fā)明者】崔永杰, 張發(fā)年, 傅隆生, 陳同, 李楨, 蘇帥, 田玉鳳, 王霞霞 申請人:西北農(nóng)林科技大學