本實用新型屬于農業(yè)果蔬自動化采摘末端執(zhí)行器開發(fā)技術領域，具體涉及一種采摘機器人末端執(zhí)行器。

背景技術：

近年來，農業(yè)果蔬采摘機器人逐漸成為機器人領域內國內外研究開發(fā)的熱點，其相關技術在國內外已取得不少成果，但大部分多停留在實驗室研發(fā)階段，距離實用化商品化還存在很大差距。其主要原因之一在于對末端執(zhí)行器的研制要求較高，主要要求包括：1、機構方案要簡潔小巧，重量要輕，避免繁冗的傳動機構，保證整體結構的緊湊性和可靠性，提高末端執(zhí)行器避障性能；2、盡量選用通用機械電氣元器件，從而降低元件成本，縮短商品化實用化進程；3、傳感控制方案簡單可靠，同時保證在開放環(huán)境系統(tǒng)的魯棒性；4、較高的采摘成功率和效率，要求末端執(zhí)行器采摘動作要有效且迅速；5、避免采摘過程中損傷果實；6、提高末端執(zhí)行器的通用性，具有多種果實的采摘的作業(yè)能力。

直至目前，末端執(zhí)行器的采摘的方式主要有兩種：動作掰擰式和刀割切斷式。動作掰擰式設計相應機構先對果實進行夾持抓牢，再利用腕關節(jié)的兩個垂直方向上的轉動來模擬人掰擰果柄的動作，其作業(yè)的對象要求果柄易于與果枝分離，同時需要嚴格控制好夾持果實的力的大小，否則極易損傷果實。刀割切斷式主要是利用電機驅動圓鋸刀或剪刀動作直接將果梗割斷，這種方法傳動機構方案和控制傳感系統(tǒng)往往比較冗繁，從而增加了系統(tǒng)控制的難度和機構的復雜性，增加了成本。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的針對現(xiàn)有技術中的不足，提供一種結構緊湊、輕便小巧、可靠耐用、控制簡單、成本低廉且通用性強的果實采摘機器人末端執(zhí)行器。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用以下技術方案：

一種采摘機器人末端執(zhí)行器，其特征在于，包括平移夾持果梗組件和斜刀切割果梗組件；所述平移夾持果梗組件包括平移手指氣缸、左梯形齒手指、右梯形齒手指、擋片和機械臂對接件，所述斜刀切割果梗組件包括雙桿導向氣缸、切刀安裝板、切刀壓板和切刀；所述左梯形齒手指和右梯形齒手指分別與平移手指氣缸的左右平移手指固定聯(lián)接，左梯形齒手指和右梯形齒手指的前部均具有梯形齒結構，所述擋片固定在左梯形齒手指的梯形齒結構的后側，擋片阻擋在左梯形齒手指和右梯形齒手指之間，所述機械臂對接件與平移手指氣缸和雙桿導向氣缸均固定聯(lián)接，所述切刀安裝板安裝在雙桿導向氣缸的推板上，所述切刀壓板將切刀固定壓在切刀安裝板上。

為優(yōu)化上述技術方案，采取的具體措施還包括：

所述切刀安裝板的底面安裝在雙桿導向氣缸的推板上，切刀安裝板的頂面設有臺階面，臺階面上開設有放置切刀的斜槽，所述切刀壓板的底面設有斜凸臺，所述斜凸臺與斜槽相適配并通過螺釘旋緊，使切刀固定在切刀安裝板和切刀壓板之間。

所述機械臂對接件的后部加工預留有與采摘機械臂腕部連接的安裝孔。

所述平移夾持果梗組件還包括彈性遮光布、對射式光電開關和視覺傳感器。

所述對射式光電開關由發(fā)射端和接收端組成，左梯形齒手指和右梯形齒手指的梯形齒結構的下方均設有安裝孔，所述發(fā)射端和接收端分別安裝在左梯形齒手指和右梯形齒手指的安裝孔中，發(fā)射端和接收端相互正對。

所述彈性遮光布的兩端分別固定壓牢在左梯形齒手指和右梯形齒手指上，彈性遮光布位于對射式光電開關的安裝孔前側。

所述視覺傳感器固定在平移手指氣缸的下方中間處。

本實用新型的有益效果是：1、結構小巧緊湊，重量輕，避障性好；2、動力來源于氣壓驅動，動作迅速、器件重量輕，動作幅度與作用力均方便選型與設定，可省掉多種成本較高的控制夾持力的力學傳感器和控制刀片伸縮的行程位置開關，簡化了控制結構，降低了成本和控制難度；3、梯形齒結構保證果梗夾持可靠，斜刀伸縮切斷果梗效率高，切斷果柄后雙指可繼續(xù)夾持下段果梗，將果實放置收集裝置中，防止果實斷梗后就跌落而受到損傷；4、智能程度高，視覺傳感器用于果實位置的圖像采集，光電傳感器自動檢測果實到位信息；5、通用性強，可以采摘葡萄，也可采摘蘋果、柑橘等果實。

附圖說明

圖1是本實用新型的整體結構示意圖。

圖2是本實用新型的局部剖視圖。

圖3是本實用新型的局部放大圖。

附圖標記如下：1-雙桿導向氣缸，2-切刀安裝板，3-切刀壓板，4-切刀，5-左梯形齒手指，6-擋片，7-彈性遮光布，8-對射式光電開關，9-右梯形齒手指，10-視覺傳感器，11-平移手指氣缸，12-機械臂對接件，13-斜槽，14-斜凸臺。

具體實施方式

現(xiàn)在結合附圖對本實用新型作進一步詳細的說明。

如圖1-3所示，采摘機器人末端執(zhí)行器包括平移夾持果梗組件和斜刀切割果梗組件，平移夾持果梗組件包括平移手指氣缸11、左梯形齒手指5、右梯形齒手指9、擋片6、彈性遮光布7、對射式光電開關8、視覺傳感器10和機械臂對接件12，斜刀切割果梗組件包括雙桿導向氣缸1、切刀安裝板2、切刀壓板3和切刀4。

機械臂對接件12分別與平移手指氣缸11和雙桿導向氣缸1通過螺釘固定聯(lián)接，并且在機械臂對接件12的后部加工預留有與采摘機械臂腕部連接的螺紋腰形安裝孔。

左梯形齒手指5、右梯形齒手指9分別與平移手指氣缸11的左右平移手指通過螺釘旋緊固定聯(lián)接，左梯形齒手指5、右梯形齒手指9分別在前部對應位置加工有梯形齒結構，以保證果梗被夾持后且不會前后上下滑動，保證切刀4能夠有效割斷果梗并夾住剩余果梗，在機器人的帶動下將果實放入收集筐。對射式光電開關8由發(fā)射端和接收端組成，分別安裝在左梯形齒手指5、右梯形齒手指9的梯形齒結構的下方對應位置的安裝孔內，且相互正對。

擋片6通過螺釘旋緊固定在左梯形齒手指5梯形齒結構后側，用來擋住果梗，防止采摘速度過快時果梗沖過夾持區(qū)域。彈性遮光布7兩端分別通過螺釘固定壓牢在左梯形齒手指5與右梯形齒手指9上的對射式光電開關8安裝孔的前側。實際采摘作業(yè)時，在采摘機械臂的帶動下逐漸接近目標果梗，果梗進入兩手指之間后，會將彈性遮光布7推長變形，直到遮斷對射式光電開關8的光信號，即對射式光電開關8的信號狀態(tài)會發(fā)生改變，從而使機器人得到目標采摘果實到位的信息。

視覺傳感器10通過螺釘固定安裝在平移手指氣缸11下方中間處，使得所獲取圖像的果實坐標軸與實際采摘點坐標軸對齊，減少后期采摘作業(yè)運動控制的糾偏量。切刀安裝板2的背面通過螺釘旋緊安裝在雙桿導向氣缸1的推板上，切刀安裝板2的正面設有臺階面，在臺階面上開有放置切刀4的斜槽13。切刀壓板3下底面加工出一斜凸臺14，位置與切刀安裝板2放置切刀4的斜槽13對應，并通過螺釘旋緊將切刀4壓牢在切刀安裝板2和切刀壓板3之間，完成切刀4的安裝固定，這樣，切刀4傾斜地安裝固定在切刀安裝板2與切刀壓板3之間，實現(xiàn)了刀刃斜向割果柄的動作，保證了割斷果梗的成功率和延長刀片壽命。

下面針對具體實施中相應的結構選材與選型做具體說明：平移手指氣缸11選用型號：HFZ-20D（二指平移氣缸：缸徑20mm，行程10mm，附磁石）；雙桿導向氣缸1選用型號：TN16×20（雙桿雙軸氣缸：缸徑16，行程20mm，附磁石）；機械臂對接件12、左梯形齒手指5、右梯形齒手指9、切刀安裝板2、切刀壓板3均選擇強度相對較高且密度較小的鋁合金材料（型號2A12）為毛坯料進行加工制造；擋片6選用強度更高的Q235冷軋板經鈑金工藝制成；切刀4選用YG8鎢鋼刀片；對射式光電開關8選用0.3W 3mm 波長850nm紅外線對射管LED二極管；彈性遮光布7選用10mm寬的彈力橡筋帶；視覺傳感器10選用微型高清CCD攝像頭。

本實用新型的工作原理如下：初始狀態(tài)下左梯形齒手指5、右梯形齒手指9處于張開狀態(tài)，雙桿導向氣缸1的活塞桿處于后部位置，即切刀4處于縮狀態(tài)。采摘時視覺傳感器10捕捉果實三維圖像，機器人經圖像采集處理分析得到果實質心的視覺坐標系中的坐標，由此得到果梗的位置，然后通過坐標轉換得出該果梗位置在機器人坐標系中的位置，并計算出采摘點相應的機器人關節(jié)角度反解，通過下位機及關節(jié)伺服驅動機械臂各關節(jié)聯(lián)動，帶動末端執(zhí)行器運動到采摘位置點上。

當目標果梗進入左梯形齒手指5和右梯形齒手指9之間時，果梗首先觸碰彈性遮光布7，彈性遮光布7隨即被向內推拉變形，直至變形的彈性遮光布7遮住了其后方的對射式光電開關8的信號光通路，此時，對射式光電開關8信號狀態(tài)發(fā)生變化，即機器人由此感知到果梗已經到達采摘工作位。

機器人控制機械臂保持現(xiàn)有位置和姿態(tài)，并控制平移手指氣缸11通入相應方向的工作氣壓的氣體后，完成左梯形齒手指5、右梯形齒手指9夾牢果梗的動作，然后雙桿導向氣缸1動作，使切刀4進行直線伸出運動并割斷果梗，在此過程中，平移手指氣缸11保持通氣方向不變，左梯形齒手指5、右梯形齒手指9保持夾持果梗狀態(tài)。

機器人帶動末端執(zhí)行器運動到果實收集裝置處，平移手指氣缸11通氣方向發(fā)生改變，左梯形齒手指5和右梯形齒手指9張開，果實隨即落入果實收集裝置內，至此，末端執(zhí)行器完成了對一個果實采摘的全部過程。

需要注意的是，實用新型中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本實用新型可實施的范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本實用新型可實施的范疇。

以上僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，本實用新型的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本實用新型思路下的技術方案均屬于本實用新型的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本實用新型的保護范圍。