一種獼猴桃果實(shí)采摘末端執(zhí)行器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種獼猴桃果實(shí)采摘末端執(zhí)行器，包括夾持機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)構(gòu)、近接機(jī)構(gòu)、傳感系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。夾持機(jī)構(gòu)由前后兩個(gè)弧形面手指構(gòu)成的剪刀式結(jié)構(gòu)組成，可實(shí)現(xiàn)毗鄰果實(shí)的分離與可靠抓取；旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)構(gòu)采用減速步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)果柄與果實(shí)分離；接近機(jī)構(gòu)帶動(dòng)前手指靠近果實(shí)；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(kāi)關(guān)，裝在機(jī)架上的霍爾位置傳感器和限位開(kāi)關(guān)組成，分別用于檢測(cè)夾持閾值力、果實(shí)位置、機(jī)構(gòu)復(fù)位信息和控制減速步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度；控制系統(tǒng)由單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制器組成，由傳感系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制。該執(zhí)行器對(duì)果實(shí)進(jìn)行精確定位、分離和可靠抓取，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的無(wú)損采摘，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
【專利說(shuō)明】一種獼猴桃果實(shí)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(shí)采摘末端執(zhí)行器，尤其涉及一種獼猴桃果實(shí)采摘末端執(zhí)行器，屬于采摘機(jī)器人領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]果實(shí)采摘末端執(zhí)行器是采摘機(jī)器人的關(guān)鍵部件，直接作用于果實(shí)，因此，末端執(zhí)行器的優(yōu)劣影響著果實(shí)的收獲質(zhì)量。國(guó)內(nèi)外針對(duì)果實(shí)采摘末端執(zhí)行器的研究較多，但由于果實(shí)本身性質(zhì)差異，通用性不強(qiáng)。獼猴桃果實(shí)采摘周期短，勞動(dòng)強(qiáng)度高，標(biāo)準(zhǔn)化的種植模式有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采摘，但果實(shí)毗鄰生長(zhǎng)的特點(diǎn)要求機(jī)械手具有分離果實(shí)的功能。中國(guó)專利CN101019484A公布的“果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器”采用吸盤吸附的方式分離果實(shí)，這種結(jié)構(gòu)使得末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制復(fù)雜。中國(guó)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(duì)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(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)果實(shí)分離、傳感系統(tǒng)獲取果實(shí)信息實(shí)現(xiàn)可靠抓取的獼猴桃果實(shí)無(wú)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(jiǎn)單有效的果實(shí)采摘方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是:
一種獼猴桃果實(shí)采摘末端執(zhí)行器，包括夾持機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)構(gòu)、近接機(jī)構(gòu)、傳感系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)；
所述夾持機(jī)構(gòu)包括前手指、后手指、水平滑塊、直線步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)I驅(qū)動(dòng)水平滑塊實(shí)現(xiàn)前手指和后手指的開(kāi)合，前手指和后手指在閉合的過(guò)程中將果實(shí)分離并抓?。?br> 所述旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)構(gòu)包括連接件1、連接件I1、法蘭、減速步進(jìn)電機(jī)；所述連接件I 一端連接電機(jī)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(jìn)電機(jī)，另一端連接連接件III，所述法蘭套在電機(jī)輸出軸上，與連接件I連接，減速步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)整個(gè)夾緊機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，使果實(shí)與果柄成銳角，并使果柄承受拉力，在達(dá)到果柄最大位移處被折斷，減速步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度用限位開(kāi)關(guān)1、II設(shè)定，所述限位開(kāi)關(guān)的位置是可調(diào)的；
所述接近機(jī)構(gòu)包括直線步進(jìn)電機(jī)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(dòng)，并與直線步進(jìn)電機(jī)II的螺母連接，所述直線步進(jìn)電機(jī)II的絲杠與電機(jī)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(zhǎng)度略大于直線步進(jìn)電機(jī)II的絲杠長(zhǎng)度；所述導(dǎo)向板中間開(kāi)有孔，連接件III穿過(guò)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(jìn)電機(jī)II的驅(qū)動(dòng)下使前手指接近果實(shí)達(dá)到采摘位置；
所述傳感系統(tǒng)包括壓力傳感器、紅外光電開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)1、II，用于檢測(cè)減速步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，所述限位開(kāi)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(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器I1、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器III ;所述單片機(jī)通過(guò)I/O 口控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器I1、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器III，通過(guò)串口接收傳感器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的反饋控制。
[0007]本發(fā)明獼猴桃果實(shí)采摘末端執(zhí)行器的工作原理:
步驟1:啟動(dòng)直線步進(jìn)電機(jī)I，電機(jī)正轉(zhuǎn)，前手指從果實(shí)底部靠近果實(shí)；
步驟2:啟動(dòng)直線步進(jìn)電機(jī)II，電機(jī)正轉(zhuǎn)抓住果實(shí)，并保持抓緊姿勢(shì)；
步驟3:啟動(dòng)減速步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，前手指和后手指包絡(luò)抓住果實(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，果柄逐漸被拉直并與果實(shí)慣性軸成銳角，當(dāng)果柄承受的拉力大于果蒂所能承受的拉力時(shí)，果柄從果蒂處折斷。
[0008]本發(fā)明獼猴桃果實(shí)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(jī)控制，針對(duì)獼猴桃果實(shí)毗鄰生長(zhǎng)的特點(diǎn)，夾緊機(jī)構(gòu)利用前手指與后手指長(zhǎng)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而前手指相對(duì)支架既轉(zhuǎn)動(dòng)又移動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)前手指和后手指合攏過(guò)程中既整體上升又往前移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，前手指從果實(shí)底部靠近果實(shí)，有效實(shí)現(xiàn)了采用機(jī)械結(jié)構(gòu)完成毗鄰果實(shí)的分離與抓取，采用旋轉(zhuǎn)法，使果實(shí)慣性軸與果柄成銳角并達(dá)到果柄最大轉(zhuǎn)動(dòng)半徑時(shí)從果蒂處拉斷果柄，減小了果柄分離力，通過(guò)控制末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)完成采摘?jiǎng)幼鳎?jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制，限位開(kāi)關(guān)的位置是可調(diào)的，從而保證減速步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度可調(diào)，通過(guò)傳感器的反饋控制，提高了控制精度，實(shí)現(xiàn)了果實(shí)的無(wú)損米摘。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)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(jī)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(shí)采摘流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]參見(jiàn)圖1和圖2，一種獼猴桃果實(shí)采摘末端執(zhí)行器，由夾持機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)構(gòu)，接近機(jī)構(gòu)，傳感系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成，所述夾持機(jī)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(jìn)電機(jī)I 12。
[0011]所述夾持機(jī)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(guò)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(guò)螺母I 2與直線步進(jìn)電機(jī)I 12連接，在支架I 6的滑軌中水平移動(dòng)；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(jī)構(gòu)包括減速步進(jìn)電機(jī)11、法蘭13、連接件II 14(見(jiàn)圖3)，所述減速步進(jìn)電機(jī)11的輸出軸與連接件I 1、法蘭13通過(guò)鍵連接，減速步進(jìn)電機(jī)11與連接件II 14固連，所述連接件II 14與接近機(jī)構(gòu)連接，減速步進(jìn)電機(jī)11伸出軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)整個(gè)夾持機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，所述連接件I上安裝有限位開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)控制減速步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，通過(guò)調(diào)節(jié)限位開(kāi)關(guān)的位置實(shí)現(xiàn)減速步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)整。
[0013]所述接近機(jī)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(jìn)電機(jī)
II24，所述豎直滑塊21通過(guò)螺母II 22與直線步進(jìn)電機(jī)II 24連接，在支架II 18的滑軌中上下移動(dòng)，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(dòng)整個(gè)夾持機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)構(gòu)上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)接近果實(shí)的目的。
[0014]所述傳感系統(tǒng)包括壓力傳感器8、紅外光電開(kāi)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(kāi)關(guān)傳感器9為對(duì)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(cè)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(cè)果實(shí)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(cè)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(jiàn)圖4)，用于檢測(cè)豎直滑塊復(fù)位信息并防止機(jī)構(gòu)發(fā)生碰撞。
[0015]所述控制系統(tǒng)包括單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器I1、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器III ;所述單片機(jī)通過(guò)I/o控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器I1、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器III，通過(guò)串口接收傳感器信號(hào)(見(jiàn)圖5)，形成反饋控制，達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的精確定位。
[0016]為減輕重量，末端執(zhí)行器除標(biāo)準(zhǔn)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(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便，具備分離果實(shí)、準(zhǔn)確抓取和果柄分離的功能，為獼猴桃果實(shí)采摘機(jī)器人提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
[0017]參見(jiàn)圖6，一種獼猴桃果實(shí)采摘末端執(zhí)行器動(dòng)作流程圖。
[0018]具體步驟如下:
1、末端執(zhí)行器各個(gè)部件復(fù)位，直線步進(jìn)電機(jī)1、減速步進(jìn)電機(jī)、直線步進(jìn)電機(jī)II反轉(zhuǎn)，霍爾傳感器1、111，分別檢測(cè)水平滑塊和豎直滑塊是否回到初始位置，減速步進(jìn)電機(jī)回轉(zhuǎn)設(shè)定角度，復(fù)位完成后，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，等待命令；
2、末端執(zhí)行器接近果實(shí)，直線步進(jìn)電機(jī)II正轉(zhuǎn)，紅外光電開(kāi)關(guān)輸出低電平時(shí)，認(rèn)為果實(shí)已經(jīng)進(jìn)入前手指內(nèi)部，直線步進(jìn)電機(jī)II停止轉(zhuǎn)動(dòng)；
3、末端執(zhí)行器抓取果實(shí)，紅外光電開(kāi)關(guān)傳感器輸出低電平時(shí)，直線步進(jìn)電機(jī)II停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)直線步進(jìn)電機(jī)I開(kāi)始正轉(zhuǎn)，前手指和后手指包絡(luò)抓取果實(shí)，待到壓力傳感器檢測(cè)達(dá)到預(yù)設(shè)壓力值時(shí)，直線步進(jìn)電機(jī)I停止轉(zhuǎn)動(dòng)；
4、末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)分離果柄，壓力傳感器檢測(cè)到預(yù)設(shè)壓力時(shí)，直線步進(jìn)電機(jī)I停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)減速步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，直到達(dá)到預(yù)設(shè)夾角則停止；
5、末端執(zhí)行器釋放果實(shí)并規(guī)劃毗鄰果實(shí)采摘路徑，減速步進(jìn)電機(jī)達(dá)到預(yù)設(shè)角度后，完成果柄分離動(dòng)作，接著減速步進(jìn)電機(jī)復(fù)位，末端執(zhí)行器被送到果實(shí)收獲裝置，直線步進(jìn)電機(jī)I反轉(zhuǎn)釋放果實(shí)，末端執(zhí)行器在完成一個(gè)果實(shí)的采摘之后，在現(xiàn)在位置的基礎(chǔ)上計(jì)算到達(dá)下一個(gè)毗鄰果實(shí)坐標(biāo)需要走的位移，進(jìn)行下一個(gè)果實(shí)的采摘，直到計(jì)算機(jī)提供的全部果實(shí)采摘完后，電機(jī)全部復(fù)位。
【權(quán)利要求】
1.一種獼猴桃果實(shí)采摘末端執(zhí)行器，包括夾持機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)構(gòu)，接近機(jī)構(gòu)，傳感系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，其特征在于: 所述夾持機(jī)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(jìn)電機(jī)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(guò)螺母I (2)與直線步進(jìn)電機(jī)I (12)連接； 所述旋轉(zhuǎn)采摘機(jī)構(gòu)由減速步進(jìn)電機(jī)(11)、法蘭(13)、連接件II (14)組成,所述減速步進(jìn)電機(jī)(11)的輸出軸與連接件I (I)、法蘭(13)通過(guò)鍵連接，減速步進(jìn)電機(jī)(11)與連接件II (14)固連，所述連接件II (14)與接近機(jī)構(gòu)連接； 所述接近機(jī)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(jìn)電機(jī)II (24)組成，所述豎直滑塊(21)通過(guò)螺母II (22)與直線步進(jìn)電機(jī)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(kāi)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(kāi)關(guān)傳感器(9)為對(duì)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(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器I1、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器III組成；所述單片機(jī)通過(guò)I/O控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器I1、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器III，通過(guò)串口接收傳感器信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獼猴桃果實(shí)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(shí)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(hào)】B25J15/08GK103448061SQ201310341023
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:西北農(nóng)林科技大學(xué)