CN107736124A - 柔性番茄采摘末端执行器及相应采摘机构和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了番茄采摘末端执行器及相应采摘机构和方法，涉及农业采摘机器人领域，是由果实收纳箱、控制箱、移动平台、机械臂和机械手末端执行器组成的；所述机械手末端执行器包括一号气缸、视觉传感器、二号汽缸、气缸安装板、U型支架、弹簧支架、弹簧、仿形手指结构、吸盘、手指压盘、吸盘气缸和转轴，所述的仿形手指结构包括硅胶钢琴按键、微型弹簧、手指转轴、左仿形手指、左手指半圆压板、右手指半圆压板和右仿形手指，本发明完成对准果实、吸附果实、吸拉夹持和摆动折断工作过程，本发明采用吸拉果实同步夹持，若干硅胶钢琴按键具有柔性自适应能力，然后摆动折断果梗的采摘方式，解决了番茄采摘效率低和易损伤的技术难题。
Description
技术领域
本发明涉及农业采摘机器人领域，具体地，涉及柔性番茄采摘末端执行器及相应采摘机构和方法。
背景技术
番茄的果实营养丰富，具特殊风味，可以生食、煮食、加工番茄酱、汁或整果罐藏，成为人们的主要蔬菜之一，随着我国大棚番茄种植技术推广，种植面积及年产量越来越大，目前我国番茄的收获完全依靠人工采摘，在我国番茄的人工收获作业量大，劳动强度高，效率低，随着我国城镇化进程和人口的老龄化，农村劳动力不足现象日趋明显，研究并推广番茄自动化收获技术，成为现阶段亟待解决的问题。
番茄2～5个成束生长、相互触碰，采摘过程中末端执行器难以以理想姿态接近和夹持果实，极易造成夹持的失败和相邻果实的损伤，番茄采收时应轻摘轻放，摘时最好不带果蒂，以防装运中果实相互被刺伤，目前对于番茄采摘机器人研究中有通过吸盘首先吸持住番茄并将其拉离果束，再夹持果实旋转分离果梗的采摘方法，但是番茄果梗采用扭断或拉断方式均需很长时间，据试验数据分析折断果梗是最省力的方式，所以该扭断果梗的方法采摘效率太低。
番茄采摘机器人的机械手末端执行器是安装在机械臂前端，直接与番茄相接触，而且番茄柔软多汁，表皮一旦受损很快就会坏掉，因此机械手末端执行器必须具备柔性和自适应能力才能保证番茄采摘的效率和成功率，因此需要柔性番茄采摘末端执行器及相应采摘机构和方法，而目前这种柔性采摘机械手末端执行器市场上是没有的。柔性采摘机械手末端执行器的机构参数将严重影响采摘效率和成功率，其研究发展对提高农业生产效率及番茄的市场价值均起着至关重要的作用。
发明内容
针对上述现有技术中的缺陷，本发明提供柔性番茄采摘末端执行器及相应采摘机构和方法，克服现有番茄手工采摘效率低、机械化程度低的缺陷，本发明采用吸拉果实同步夹持，若干硅胶钢琴按键具有柔性自适应能力，然后摆动折断果梗的采摘方式，解决了番茄采摘效率低和易损伤的技术难题。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种柔性番茄采摘末端执行器，是由一号气缸、视觉传感器、二号汽缸、气缸安装板、U型支架、弹簧支架、弹簧、仿形手指结构、吸盘、手指压盘、吸盘气缸和转轴组成的，所述的仿形手指结构包括硅胶钢琴按键、微型弹簧、手指转轴、左仿形手指、左手指半圆压板、右手指半圆压板和右仿形手指，其特征是：所述气缸安装板与机械臂连接，所述一号气缸和二号气缸成120°夹角设置在气缸安装板上，所述视觉传感器设置在气缸安装板上，所述吸盘气缸安装在U型支架上，所述U型支架通过转轴与一号气缸轴和二号气缸轴连接，所述弹簧支架设置在U型支架两侧，所述弹簧一端与弹簧支架连接，另一端与仿形手指结构连接，所述吸盘设置在吸盘气缸轴端，所述手指压盘安装在吸盘气缸轴上；所述硅胶钢琴按键通过微型弹簧与左仿形手指连接，所述硅胶钢琴按键通过微型弹簧与右仿形手指连接，所述左仿形手指通过手指转轴与U型支架连接，所述右仿形手指通过手指转轴与U型支架连接，所述左手指半圆压板与左仿形手指连接，所述右手指半圆压板与右仿形手指连接，所述右手指半圆压板和左手指半圆压板拼合成一个圆孔。
优选地，硅胶钢琴按键是边长5mm的方块，左仿形手指通过微型弹簧共连接84个硅胶钢琴按键，成7行12列设置，左右前后间隙均为2mm，右仿形手指通过微型弹簧共连接84个硅胶钢琴按键，成7行12列设置，左右前后间隙均为2mm，硅胶钢琴按键表面粘附有压力传感器。
优选地，气缸安装板两侧折页与水平面夹角为120°，一号气缸和二号气缸成120°夹角安装在气缸安装板上；
优选地，所述左手指半圆压板和右手指半圆压板拼合成圆孔直径为8.5mm，所述吸盘气缸轴外径为8mm。
优选地，所述手指压盘外径为10mm，距离吸盘有15mm。
具体的，所述弹簧原长状态使左仿形手指和右仿形手指开口距离为90mm。
一种柔性番茄采摘机构，是由果实收纳箱、控制箱、移动平台、机械臂和机械手末端执行器组成的，其特征是：所述果实收纳箱安装在移动平台前部，所述控制箱设置在移动平台内部，所述移动平台上部安装有机械臂，所述机械手末端执行器安装在机械臂末端；所述机械手末端执行器进一步包括一号气缸、视觉传感器、二号汽缸、气缸安装板、U型支架、弹簧支架、弹簧、仿形手指结构、吸盘、手指压盘、吸盘气缸和转轴，所述的仿形手指结构包括硅胶钢琴按键、微型弹簧、手指转轴、左仿形手指、左手指半圆压板、右手指半圆压板和右仿形手指，所述气缸安装板与机械臂连接，所述一号气缸和二号气缸成120°夹角设置在气缸安装板上，所述视觉传感器设置在气缸安装板上，所述吸盘气缸安装在U型支架上，所述U型支架通过转轴与一号气缸轴和二号气缸轴连接，所述弹簧支架设置在U型支架两侧，所述弹簧一端与弹簧支架连接，另一端与仿形手指结构连接，所述吸盘设置在吸盘气缸轴端，所述手指压盘安装在吸盘气缸轴上；所述硅胶钢琴按键通过微型弹簧与左仿形手指连接，所述硅胶钢琴按键通过微型弹簧与右仿形手指连接，所述左仿形手指通过手指转轴与U型支架连接，所述右仿形手指通过手指转轴与U型支架连接，所述左手指半圆压板与左仿形手指连接，所述右手指半圆压板与右仿形手指连接，所述右手指半圆压板和左手指半圆压板拼合成一个圆孔。
一种柔性番茄采摘机构的采摘方法，包括如下步骤：对准果实、吸附果实、吸拉夹持和摆动折断，其详细工作过程为：视觉传感器拍摄番茄图像，进行图像处理获取番茄空间三维坐标，控制箱路径规划发送指令，机械臂将机械手末端执行器送至相应位置，完成对准果实过程；吸盘气缸工作，气缸轴伸出，手指压盘离开左手指半圆压板和右手指半圆压板，左仿形手指和右仿形手指在弹簧拉力作用下张开至90mm(便于番茄进入夹持区域)，吸盘触碰到番茄时吸持住，完成吸附果实过程；吸盘气缸工作，气缸轴缩回，手指压盘顶着左手指半圆压板和右手指半圆压板运动，同时左仿形手指和右仿形手指夹角慢慢变小，慢慢将吸盘拉离果束的番茄夹持住，同时硅胶钢琴按键具有自适应能力，自适应番茄外轮廓(避免番茄表皮受损)，完成吸拉夹持过程；一号气缸轴伸出同时二号汽缸轴缩回，然后二号气缸轴伸出同时一号汽缸轴缩回，仿形手指结构左右摆动，果梗受剪切力而折断，完成摆动折断过程，最后机械臂将采摘后的番茄放入果实收纳箱中。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明设计的柔性番茄采摘末端执行器及相应采摘机构和方法利用多关节机械臂，通过多传感器信息融合实时获取、感知工作环境及番茄信息，确保在不损伤番茄的前提下，完成对准果实、吸附果实、吸拉夹持和摆动折断工作过程，本发明采用吸拉果实同步夹持，硅胶钢琴按键自适应番茄外轮廓，然后摆动折断果梗的采摘方式，解决了番茄采摘效率低和易损伤的技术难题。
(1)本发明的伸缩机构选用气缸作动力，可更方便快捷的调整工作速率，且气缸具有更高的可靠性和更长的使用寿命，其动作速度一般小于1M/S，比起液压缸和气电缸速度更快；
(2)本发明的硅胶钢琴按键具有自适应能力，自适应番茄外轮廓，并且表面有压力传感器检测压力，避免了夹持番茄带来损伤的问题。
(3)本发明的采用两只气缸夹角为120°，一伸一缩配合，使仿形手指结构左右摆动，果梗受剪切力而断裂，采用折断果梗方式，比扭断果梗和拉断果梗更省力。
(4)本发明的吸盘靠近果实时，左仿形手指和右仿形手指夹角慢慢变大，便于番茄进入夹持区域，吸盘吸持住番茄并将其拉离果束的同时仿形手指和右仿形手指夹角慢慢变小，将番茄夹持住，提升了夹持速率。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
下列附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，其与下述的具体实施方式一起用于解释本发明，但本发明的保护范围并不局限于下述附图及具体实施方式。在附图中：
图1为本发明的整体结构等轴测图；
图2为本发明的机械手末端执行器等轴测图；
图3为本发明的仿形手指结构三维结构示意图；
图4为本发明的左仿形手指三维结构示意图；
图5为本发明采摘步骤的对准果实工作状态示意图；
图6为本发明采摘步骤的吸附果实工作状态示意图；
图7为本发明采摘步骤的吸拉夹持工作状态示意图；
图8为本发明采摘步骤的摆动折断工作状态示意图。
图中：1果实收纳箱，2控制箱，3移动平台，4机械臂，5机械手末端执行器，501一号气缸，502视觉传感器，503二号汽缸，504气缸安装板，505U型支架，506弹簧支架，507弹簧，508仿形手指结构，509吸盘，510手指压盘，511吸盘气缸，512转轴，5081硅胶钢琴按键，5082微型弹簧，5083手指转轴，5084左仿形手指，5085左手指半圆压板，5086右手指半圆压板，5087右仿形手指。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，本发明的保护范围并不局限于下述的具体实施方式。
本发明设计的柔性番茄采摘末端执行器及相应采摘机构和方法利用多关节机械臂，通过多传感器信息融合实时获取、感知工作环境及番茄信息，确保在不损伤番茄的前提下，完成对准果实、吸附果实、吸拉夹持和摆动折断工作过程，本发明采用吸拉果实同步夹持，硅胶钢琴按键自适应番茄外轮廓，然后摆动折断果梗的采摘方式，解决了番茄采摘效率低和易损伤的技术难题。
参见图2至图4所示，一种柔性番茄采摘末端执行器，是由一号气缸501、视觉传感器502、二号汽缸503、气缸安装板504、U型支架505、弹簧支架506、弹簧507、仿形手指结构508、吸盘509、手指压盘510、吸盘气缸511和转轴512组成的，所述的仿形手指结构508包括硅胶钢琴按键5081、微型弹簧5082、手指转轴5083、左仿形手指5084、左手指半圆压板5085、右手指半圆压板5086和右仿形手指5087，其特征是：所述气缸安装板504与机械臂4连接，所述一号气缸501和二号气缸503成120°夹角设置在气缸安装板504上，所述视觉传感器502设置在气缸安装板504上，所述吸盘气缸511安装在U型支架505上，所述U型支架505通过转轴512与一号气缸501轴和二号气缸503轴连接，所述弹簧支架506设置在U型支架505两侧，所述弹簧507一端与弹簧支架506连接，另一端与仿形手指结构508连接，所述吸盘509设置在吸盘气缸511轴端，所述手指压盘510安装在吸盘气缸511轴上；所述硅胶钢琴按键5081通过微型弹簧5082与左仿形手指5084连接，所述硅胶钢琴按键5081通过微型弹簧5082与右仿形手指5087连接，所述左仿形手指5084通过手指转轴5083与U型支架505连接，所述右仿形手指5087通过手指转轴5083与U型支架505连接，所述左手指半圆压板5085与左仿形手指5084连接，所述右手指半圆压板5086与右仿形手指5087连接，所述右手指半圆压板5086和左手指半圆压板5085拼合成一个圆孔。
参见图4所示，优选地，硅胶钢琴按键5081是边长5mm的方块，左仿形手指5084通过微型弹簧5082共连接84个硅胶钢琴按键5081，成7行12列设置，左右前后间隙均为2mm，右仿形手指5087通过微型弹簧5082共连接84个硅胶钢琴按键5081，成7行12列设置，左右前后间隙均为2mm，硅胶钢琴按键5081表面粘附有压力传感器。
参见图2所示，优选地，气缸安装板504两侧折页与水平面夹角为120°，一号气缸501和二号气缸503成120°夹角安装在气缸安装板504上；
参见图3所示，优选地，所述左手指半圆压板5085和右手指半圆压板5086拼合成圆孔直径为8.5mm，所述吸盘气缸511轴外径为8mm。
参见图2所示，优选地，所述手指压盘510外径为10mm，距离吸盘509有15mm。
参见图2所示，具体的，所述弹簧507原长状态使左仿形手指5084和右仿形手指5087开口距离为90mm。
参见图1所示，一种柔性番茄采摘机构，是由果实收纳箱1、控制箱2、移动平台3、机械臂4和机械手末端执行器5组成的，其特征是：所述果实收纳箱1安装在移动平台3前部，所述控制箱2设置在移动平台3内部，所述移动平台3上部安装有机械臂4，所述机械手末端执行器5安装在机械臂4末端。
为了帮助理解本发明的上述基本实施方式，参照图5至图8进行工作过程说明，本发明柔性番茄采摘末端执行器及相应采摘机构的工作过程包括对准果实、吸附果实、吸拉夹持和摆动折断，其详细工作过程为：视觉传感器502拍摄番茄图像，进行图像处理获取番茄空间三维坐标，控制箱2路径规划发送指令，机械臂4将机械手末端执行器5送至相应位置，完成对准果实过程；吸盘气缸511工作，气缸轴伸出，手指压盘510离开左手指半圆压板5085和右手指半圆压板5086，左仿形手指5084和右仿形手指5087在弹簧507拉力作用下张开至90mm(便于番茄进入夹持区域)，吸盘509触碰到番茄时吸持住，完成吸附果实过程；吸盘气缸511工作，气缸轴缩回，手指压盘510顶着左手指半圆压板5085和右手指半圆压板5086运动，同时左仿形手指5084和右仿形手指5087夹角慢慢变小，慢慢将吸盘拉离果束的番茄夹持住，同时硅胶钢琴按键5081具有自适应能力，自适应番茄外轮廓(避免番茄表皮受损)，完成吸拉夹持过程；一号气缸501轴伸出同时二号汽缸503轴缩回，然后二号气缸轴503伸出同时一号汽缸501轴缩回，仿形手指结构508左右摆动，果梗受剪切力而折断，完成摆动折断过程，最后机械臂4将采摘后的番茄放入果实收纳箱1中。
以上结合附图详细描述了本发明的具体实施方式，需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种柔性番茄采摘末端执行器，其特征是：是由一号气缸、视觉传感器、二号汽缸、气缸安装板、U型支架、弹簧支架、弹簧、仿形手指结构、吸盘、手指压盘、吸盘气缸和转轴组成的，所述的仿形手指结构包括硅胶钢琴按键、微型弹簧、手指转轴、左仿形手指、左手指半圆压板、右手指半圆压板和右仿形手指，所述气缸安装板与机械臂连接，所述一号气缸和二号气缸成120°夹角设置在气缸安装板上，所述视觉传感器设置在气缸安装板上，所述吸盘气缸安装在U型支架上，所述U型支架通过转轴与一号气缸轴和二号气缸轴连接，所述弹簧支架设置在U型支架两侧，所述弹簧一端与弹簧支架连接，另一端与仿形手指结构连接，所述吸盘设置在吸盘气缸轴端，所述手指压盘安装在吸盘气缸轴上；所述硅胶钢琴按键通过微型弹簧与左仿形手指连接，所述硅胶钢琴按键通过微型弹簧与右仿形手指连接，所述左仿形手指通过手指转轴与U型支架连接，所述右仿形手指通过手指转轴与U型支架连接，所述左手指半圆压板与左仿形手指连接，所述右手指半圆压板与右仿形手指连接，所述右手指半圆压板和左手指半圆压板拼合成一个圆孔。
2.根据权利要求1所述的一种柔性番茄采摘末端执行器，其特征是：硅胶钢琴按键是边长5mm的方块，左仿形手指通过微型弹簧共连接84个硅胶钢琴按键，成7行12列设置，左右前后间隙均为2mm，右仿形手指通过微型弹簧共连接84个硅胶钢琴按键，成7行12列设置，左右前后间隙均为2mm，硅胶钢琴按键表面粘附有压力传感器。
3.根据权利要求1所述的一种柔性番茄采摘末端执行器，其特征是：气缸安装板两侧折页与水平面夹角为120°，一号气缸和二号气缸成120°夹角安装在气缸安装板上。
4.根据权利要求1所述的一种柔性番茄采摘末端执行器，其特征是：所述左手指半圆压板和右手指半圆压板拼合成圆孔直径为8.5mm，所述吸盘气缸轴外径为8mm。
5.根据权利要求1所述的一种柔性番茄采摘末端执行器，其特征是：所述手指压盘外径为10mm，距离吸盘有15mm。
6.根据权利要求1所述的一种柔性番茄采摘末端执行器，其特征是：所述弹簧原长状态使左仿形手指和右仿形手指开口距离为90mm。
7.一种柔性番茄采摘机构，其特征是：是由果实收纳箱、控制箱、移动平台、机械臂和机械手末端执行器组成的，所述果实收纳箱安装在移动平台前部，所述控制箱设置在移动平台内部，所述移动平台上部安装有机械臂，所述机械手末端执行器安装在机械臂末端；所述机械手末端执行器进一步包括一号气缸、视觉传感器、二号汽缸、气缸安装板、U型支架、弹簧支架、弹簧、仿形手指结构、吸盘、手指压盘、吸盘气缸和转轴，所述的仿形手指结构包括硅胶钢琴按键、微型弹簧、手指转轴、左仿形手指、左手指半圆压板、右手指半圆压板和右仿形手指，所述气缸安装板与机械臂连接，所述一号气缸和二号气缸成120°夹角设置在气缸安装板上，所述视觉传感器设置在气缸安装板上，所述吸盘气缸安装在U型支架上，所述U型支架通过转轴与一号气缸轴和二号气缸轴连接，所述弹簧支架设置在U型支架两侧，所述弹簧一端与弹簧支架连接，另一端与仿形手指结构连接，所述吸盘设置在吸盘气缸轴端，所述手指压盘安装在吸盘气缸轴上；所述硅胶钢琴按键通过微型弹簧与左仿形手指连接，所述硅胶钢琴按键通过微型弹簧与右仿形手指连接，所述左仿形手指通过手指转轴与U型支架连接，所述右仿形手指通过手指转轴与U型支架连接，所述左手指半圆压板与左仿形手指连接，所述右手指半圆压板与右仿形手指连接，所述右手指半圆压板和左手指半圆压板拼合成一个圆孔。
8.根据权利要求7所述的一种柔性番茄采摘机构的采摘方法，其特征是：包括如下步骤：
1)对准果实
视觉传感器拍摄番茄图像，进行图像处理获取番茄空间三维坐标，控制箱路径规划发送指令，机械臂将机械手末端执行器送至相应位置，完成对准果实过程；
2)吸附果实
吸盘气缸工作，气缸轴伸出，手指压盘离开左手指半圆压板和右手指半圆压板，左仿形手指和右仿形手指在弹簧拉力作用下张开至90mm，吸盘触碰到番茄时吸持住，完成吸附果实过程；
3)吸拉夹持
吸盘气缸工作，气缸轴缩回，手指压盘顶着左手指半圆压板和右手指半圆压板运动，同时左仿形手指和右仿形手指夹角慢慢变小，慢慢将吸盘拉离果束的番茄夹持住，同时硅胶钢琴按键具有自适应能力，自适应番茄外轮廓，完成吸拉夹持过程；
4)摆动折断
一号气缸轴伸出同时二号汽缸轴缩回，然后二号气缸轴伸出同时一号汽缸轴缩回，仿形手指结构左右摆动，果梗受剪切力而折断，完成摆动折断过程，最后机械臂将采摘后的番茄放入果实收纳箱中。
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