CN118592203A - 一种自适应精准剪切的水果采摘工具 - Google Patents
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Abstract
一种自适应精准剪切的水果采摘工具，包括刀、轴承、辅助抓手、铰链、抓手推杆、上推板、推杆、收集管、下推板、推力电机、导杆、法兰、相机支架、3D相机、抓手固定板；刀和轴承固定在抓手的顶部；抓手和辅助抓手通过铰链同抓手推杆上端相连，抓手推杆下端通过铰链和上推板；收集管固定在抓手固定板下部；推力电机固定在法兰上；下推板通过推杆和上推板固定；抓手固定板通过导杆固定在法兰上；3D相机通过相机支架固定在法兰上。弧形分布的轴承和辅助抓手实现自适应的“引导抓取方式”，消除一定的视觉定位误差，在一定的视觉定位误差内，将果实抓取引导至切割槽内切割；辅助抓手可辅助抓手对果实的进行引导，确保果实在切割前到达预设位置。
Description
技术领域
本发明涉及一种采摘工具，尤其是涉及一种自适应精准剪切的水果采摘工具、方法及其应用。
背景技术
在自动化采摘项目中，一般采用小车加机械臂的方式。机械臂安装在小车上，视觉系统也安装在小车和机械臂上。小车的相机进行水果的粗定位，机械臂靠近水果，并通过机械臂上的相机对水果进行二次定位，然后机械臂将工具移动到水果附近进行采摘。采摘有多种方式，大部分方式都是对果柄进行切割，让果实掉入框中或者导向管道中。在这个过程中，视觉在移动机械中对于水果位置的定位一般会有3-5mm的误差，切割工具不能伤到水果，又需要能精准地控制切割位置，这就对于小型水果的采摘就提出了更高要求。
目前大部分的水果采摘工具，都是通过开口式的剪刀进行切剪，没有导向定位，这样切出来的切口（果柄）的长短不一，对于高品质的包装来说，仍需要人工后期的修剪。而且对视觉的定位要求较高。有时候会出现剪不到，或者伤到水果情况。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明公开一种自适应精准剪切的水果采摘工具，其技术方案如下：
一种自适应精准剪切的水果采摘工具，包括刀（1）、轴承（2）、抓手（3）、辅助抓手（4）、第一铰链（5）抓手推杆（6）、上推板（7）、推杆（8）、收集管（9）、下推板（10）、推力电机（11）、导杆（12）、法兰（13）、相机支架（14）、3D相机（15）、抓手固定板（16）、铰链2（17）；所述刀（1）和轴承（2）固定在抓手（3）的顶部；抓手（3）和辅助抓手（4）通过第一铰链（5）同抓手推杆（6）上端相连，抓手推杆（6）下端通过第一铰链（5）和上推板（7）相连；抓手（3）和辅助抓手（4）通过第二铰链（17）同抓手固定板（16）上部相连；收集管（9）固定在抓手固定板（16）下部；推力电机（11）固定在法兰（13）上；下推板（10）通过推杆（8）和上推板（7）固定连接；抓手固定板（16）通过导杆（12）固定在法兰上；3D相机（15）通过相机支架（15）固定在法兰(13)上。
优选为：所述轴承（2）呈弧形分布，且抓手（3）及辅助抓手（4）呈球形结构。
优选为：轴承（2）分布可根据情况分布在辅助抓手顶部。
优选为：轴承（2）分布在抓手顶部。
优选为：所述轴承（2）可以为将滑动摩擦转化成滚动摩擦的零部件代替。
优选为：所述零部件为滚轴或套管。
本发明还公开一种自适应精准剪切的水果采摘方法，该方法基于上述采摘工具，其特征为：包括抓取过程、剪切过程、收集过程。
本发明还公开一种自动化采摘设备，该设备采用上述采摘方法实现对水果的采摘。
有益效果
（1）引导抓取可以有一定范围的距离容错。
（2）果柄长度可按照需求调整，剪切精度高
（3）一体化设计，只有一个工具；
（4）不伤果实；
（5）增加了导向装置，在抓取范围内，有一定的容错调节保证，在一定误差范围内的水果都能够顺利的采摘，果柄短而且不伤害到果实，切口位置基本一致，无需人工二次加工。
附图说明
图1为自适应精准剪切的水果采摘工具总装示意图；
图2为自适应精准剪切的水果采摘工具结构图示意图；
图3为自适应精准剪切的水果采摘工具开合动作原理示意图；
图4为自适应精准剪切的水果采摘工具抓取位置示意图；
图5为自适应精准剪切的水果采摘工具弧形分布的轴承示意图；
图6为自适应精准剪切的水果采摘工具抓取及剪切示意图；
图7为自适应精准剪切的水果采摘工具工作时的受力分析示意图；
图8为自适应精准剪切的水果采摘工具控制果柄长度示意图；
图9为自适应精准剪切的水果采摘工具收集水果示意图；
其中：刀1、轴承2、抓手3、辅助抓手4、第一铰链5、抓手推杆6、上推板7、推杆8、收集管9、下推板10、推力电机11、导杆12、法兰13、相机支架14、3D相机15、抓手固定板16、第二铰链17、果柄18、水果19。
具体实施方式
参见图1-2所示。一种自适应精准剪切的水果采摘工具，包括刀1、轴承2、抓手3、辅助抓手4、第一铰链5、抓手推杆6、上推板7、推杆8、收集管9、下推板10、推力电机11、导杆12、法兰13、相机支架14、3D相机15、抓手固定板16、第二铰链17；所述刀1和轴承2固定在抓手3的顶部；收集管9固定在抓手固定板16下部；推力电机11固定在法兰13上；推杆8和下推板10相连；下推板10通过推杆8和上推板7固定连接；抓手固定板16通过导杆12固定在法兰13上；抓手3和辅助抓手4通过第一铰链同抓手推杆6上端相连，抓手推杆6下端通过第一铰链和上推板7相连；抓手3和辅助抓手4通过第二铰链17同抓手固定板16上部相连；3D相机15通过相机支架14固定在法兰上。
参见图3所示，抓手3和辅助抓手4通过第一铰链5与抓手固定板16相连，抓手3可以转动；抓手3和辅助抓手4又通过第一铰链5同抓手推杆6上端相连，抓手推杆6下端通过第一铰链5和上推板7相连。当推杆7下行，抓手3及辅助抓手4向外运动（如实线所示），工具打开；当推杆7上行，抓手3及辅助抓4手向内运动（如虚线所示），工具闭合。
抓取过程如下：参见图4所示。由3D相机15视觉定位，初步确定水果及果柄的位置。推力电机12带动下推板10、推杆8、上推板7下降，第一铰链5和抓手推杆6将向下的运动转化成抓手3和辅助抓手4绕第二铰链17的向外的转动，工具张开。机械臂控制工具接近水果，使水果定位在工具内部，并导使杆12的方向同水果的果柄方向相同。
剪切过程：参见图5-6所示。初定位完成后，推力电机12带动下推板10、推杆8、上推板7上升，第一铰链5和抓手推杆6将向上的运动转化成抓手3和辅助抓手4绕第二铰链17的向内的转动，工具闭合。在闭合过程中，抓手3顶部有轴承2，轴承2呈弧形分布，且抓手3及辅助抓手4呈球形，在工具闭合过程中，抓手3和辅助抓手4及弧形将水果拢向中心（刀1部），完成水果的自定位过程。（工作过程及原理见下面的详述）轴承2和水果接触时，将滑动摩擦变成了滚动摩擦，大大减小了工具和水果间的摩擦力，可以使水果下滑至切割部位且不会被工具划伤。抓手3完全闭合时，刀2同时闭合，完成对水果的剪切。由于树枝对水果有拉扯的力，所以水果一定会在装置的顶部，所以剪切后的果柄长度稳定，精度高。
本发明工作过程及原理如下参见图7-8：
当工具在水果上方闭合时，轴承2及辅助抓手3和水果前方接触，此时水果受树枝的拉力Fu和两个抓手3及六个辅助抓手4的拉力Fd1、Fd2...Fd8（图2），抓手3及辅助抓手4的力可分解为与树枝拉力Fu相反的力Fv1、Fv2...Fv8（Z方向）和垂直于Fu的力Fh1,Fh2...Fv8（X、Y方向）。FV使水果沿果柄反方向（工具内部）运动；由于轴承3呈弧形分布，且抓手3和辅助抓手4呈球形分布，所有水平的分力Fh都指向抓手中心，所以水果只会向中心移动；由于在抓手3处（但不限于抓手3，可根据情况在辅助抓手4也加上）使用了轴承2（但不限于轴承2，可以为任何变滑动摩擦为滚动摩擦的零部件，如滚轴，套管等），由于滚动摩擦减小了水果和工具直接的摩擦力，水果不会卡在工具，只会沿工具滑动，不会被工具夹伤。而树枝的拉力保证了工具闭合时水果在工具内部的顶部。进而，该工具在可在X、Y、Z方向上对水果进行“引导”，将其定位在抓手3中间的顶部，刀2固定于抓手3顶部中央，保证了水果切割时的果柄长度的精准度。并且可根据要求，制作不同的高度的刀具，长刀具离抓手顶部远，剪切的果柄长，而短刀具离抓手顶部近，剪切的果柄短，从而控制可以果柄的长度。
收集过程如下：参见图9所示。剪切完后，水果自动落入收集管9，收集管9直接将水果收集到水果箱，效率很高。
本发明利用轴承2，分布在球形的抓手3及辅助抓手4，使水果沿装置内部滑入装置顶部的切割位置，进而可以对水果进行精准的切割，果柄长度精准可控，不伤果。抓取定位、切割、收集同时完成，精准高效。
本发明本采摘工具技术方案与其他采摘工具的不同之处在于以下几点：
（1）弧形分布的轴承2及辅助抓手4可以实现自适应的“引导抓取方式”，可以消除一定的视觉定位误差，在一定的视觉定位误差内，将果实抓取引导至切割槽内切割。
（2）根据需求调整刀2的位置，可控制果柄的长度。
（3）采用“引导抓取”、“采摘”、“掉落拾取”三种方式一体的结构。传统采摘一般采用两个或者多个分离的结构，一处采用裁剪的结构，另一处掉落果实的兜接。
（4）辅助抓手4可辅助抓手4对果实的进行引导，确保果实在切割前到达预设位置。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各 种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (9)
1.一种自适应精准剪切的水果采摘工具，包括刀（1）、轴承（2）、抓手（3）、辅助抓手（4）、第一铰链（5）抓手推杆（6）、上推板（7）、推杆（8）、收集管（9）、下推板（10）、推力电机（11）、导杆（12）、法兰（13）、相机支架（14）、3D相机（15）、抓手固定板（16）、铰链2（17）；其特征为：所述刀（1）和轴承（2）固定在抓手（3）的顶部；抓手（3）和辅助抓手（4）通过第一铰链（5）同抓手推杆（6）上端相连，抓手推杆（6）下端通过第一铰链（5）和上推板（7）相连；抓手（3）和辅助抓手（4）通过第二铰链（17）同抓手固定板（16）上部相连；收集管（9）固定在抓手固定板（16）下部；推力电机（11）固定在法兰（13）上；下推板（10）通过推杆（8）和上推板（7）固定连接；抓手固定板（16）通过导杆（12）固定在法兰上；3D相机（15）通过相机支架（15）固定在法兰(13)上。
2.根据权利要求1所述的自适应精准剪切的水果采摘工具，其特征为：所述轴承（2）呈弧形分布，且抓手（3）及辅助抓手（4）呈球形结构。
3.根据权利要求1所述的自适应精准剪切的水果采摘工具，其特征为：所述轴承（2）的分布根据情况分布在辅助抓手（4）的顶部。
4.根据权利要求1所述的自适应精准剪切的水果采摘工具，其特征为：所述轴承（2）分布在抓手（3）的顶部。
5.根据权利要求4所述的自适应精准剪切的水果采摘工具，其特征为：所述轴承（2）亦可分布在辅助抓手（4）的顶部。
6.根据权利要求1所述的自适应精准剪切的水果采摘工具，其特征为：所述轴承（2）可以为将滑动摩擦转化成滚动摩擦的零部件代替。
7.根据权利要求6所述的自适应精准剪切的水果采摘工具，其特征为：所述零部件为滚轴或套管。
8.一种自适应精准剪切的水果采摘方法，该方法基于权利要求1所述的采摘工具，包括抓取过程、剪切过程、收集过程；其特征为：
所述抓取过程：由3D相机15视觉定位，初步确定水果及果柄的位置，控制工具沿着水果的果柄位置导向性张开，并保证张开后水果在工具范围内；
剪切过程：抓手顶部有轴承，轴承呈弧形分布，且抓手及辅助抓手呈球形；在工具闭合过程中，抓手和辅助抓手及弧形将水果拢向中心，轴承使水果下滑至切割部位，完成水果的自定位过程；抓手完全闭合时，刀同时闭合，完成对水果的剪切；
收集过程如下：剪切完后，水果自动落入收集管，收集管直接将水果收集到水果箱。
9.一种自动化采摘设备，该设备采用权利要求8所述的采摘方法实现对水果的采摘。
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