一种果柄摇摆式猕猴桃自动采摘末端执行器
技术领域
本实用新型涉及一种果实采摘末端执行器，具体涉及一种猕猴桃果实采摘末端执行器，属于采摘机器人领域。
背景技术
目前，应用在农业中的采摘机器人越来越多，其中应用在猕猴桃收获方面的采摘机器人还有待进一步完善。现有猕猴桃采摘机器人的末端执行器主要通过先夹持果实，然后末端执行器进行旋转或者拉拽的动作完成采摘，这种收获方法会对猕猴桃果实造成较大的损伤，影响其商业价值，同时对于后期的储存和运输会有负面影响。近些年自动化技术发展迅速，应用的领域不断增加，农业生产生活也在不断向自动化靠拢。采用机器代替人完成猕猴桃的采摘工作，实现猕猴桃采摘自动化，具有节省人力物力、增加商品附加价值、增加作业时间等优点。
中国专利CN101019484A 公布的“果蔬采摘机器人末端执行器”采用吸盘吸附的方式分离果实，这种结构使得末端执行器结构设计和控制复杂。中国专利CN102187766A 公布了“一种猕猴桃采摘末端执行器”，该末端执行器由于自身体积的限制，对毗邻果的采摘受到限制。
有鉴于此，需要一种猕猴桃果实采摘末端执行器，设计一种末端执行器，设计结构简单，应用性强，能够降低在猕猴桃自动化采摘过程中的损伤率。作用于猕猴桃自动化采摘过程中，能够完成自动接近并对毗邻生长的猕猴桃果实采摘的动作，因此猕猴桃采摘末端执行器对于研制猕猴桃采摘机器人以及降低猕猴桃收获成本具有十分重要意义。
发明内容
为了克服现有采摘方法和采摘装置的不足，本实用新型提供了一种采用机械结构实现果实可靠分离的猕猴桃果实无损采摘末端执行器。
本实用新型通过以下技术方案实现：
一种果柄摇摆式猕猴桃自动采摘末端执行器，包括接近机构(3)、夹持机构(1)、摇摆采摘机构(2)、传感系统(5)以及控制系统(4);其中夹持机构(1)包括前手指(101)、后手指(102)、连接件(103)、有杆气缸Ⅰ(104);前手指(101)和后手指(102)是成阶梯状的片状零件，并在有可能与果实接触的部分附有橡胶材料，前手指(101)和后手指(102)前端带有细密花纹的部分用于夹持果柄，有杆气缸Ⅰ(104)驱动连接件(103)直线运动实现前手指(101)和后手指(102)的开合，采摘过程中，前手指(101)和后手指(102)在闭合以后,通过摇摆运动实现果实与果柄的分离;摇摆采摘机构(2)包括连接块(204)、支架(203)、导向杆(202)、步进电机Ⅲ(201)和有杆气缸Ⅱ(207)，步进电机Ⅲ(201)一端和连接块(204)连接，另一端连接夹持机构(1)，导向杆(202)一端连接步进电机Ⅲ(201)，两端固定在支架(203)上，其中支架(203)与接近机构(3)连接，用于支持和固定摇摆采摘机构(2)，有杆气缸Ⅱ(207)伸缩带动步进电机Ⅲ(201)和夹持机构(1)做直线运动，同时步进电机Ⅲ(201)旋转驱动整个夹持机构(1)旋转，使果实与果柄成锐角，并在重力的作用下拉断果柄，步进电机Ⅲ(201)的旋转角度用限位块(404)设定，限位块(404)的位置是可调的;滑块(303)在步进电机Ⅱ(305)驱动下沿着横向导向板(308)水平滑动，使前手指(101)和后手指(102)移动到果实下部，滑块(303)在步进电机Ⅰ(301)的驱动下沿着竖直导向板(302)向上运动，使前手指慢慢接近果实果柄，达到采摘位置后停止转动。传感系统(5)包括压力传感器(401)、红外光电开关传感器(402)、霍尔位置传感器Ⅰ(403)、限位块(404)、霍尔位置传感器Ⅱ(405) ;压力传感器(401)安装在后手指(102)内侧;红外光电开关传感器(402)固定在两手指内侧，其中后手指(102)安装发射端，前手指(101)安装接收端;霍尔位置传感器Ⅰ(403)安装连接件(103)上，霍尔位置传感器Ⅱ(405)安装于接近机构横向导向板(308)一端;连接块(204)上安装有限位块(404)，用于限制步进电机Ⅲ(201)的旋转角度，限位块(404)的位置是可调的。控制系统(4)使用单片机控制，包括步进电机驱动器Ⅰ(503)、步进电机驱动器Ⅱ(502)、步进电机驱动器Ⅲ(501);单片机通过I/O控制步进电机驱动器Ⅰ(503)、步进电机驱动器Ⅱ(502)、步进电机驱动器Ⅲ(501)，通过串口接收传感器信号，实现系统的反馈控制。
优选的，所述接近机构(3)的横向导向板(308)和竖直导向板(302)的尺寸分别为3000mm和1000mm，分别使用不同的步进电机控制。
优选的，所述摇摆采摘机构(2)中的连接块(204)是一个尺寸为50mm×50mm×50mm矩形块，这正中间有一个直径为10mm的通孔，与长度为80mm和直径为10mm的导向杆(202)相连。
优选的，所述前手指(101)和后手指(102)完全对称排列，形状为阶梯状，共三段，尺寸分别为50mm×80mm ×30mm，材料是塑料，外面附着一层橡胶材料。
优选的，所述前手指(101)和后手指(102)的最大张开距离为50mm，并且可以根据猕猴桃品种的不同，调节最大张开距离的大小。
优选的，所述前后手指用于夹紧果柄部分细纹的长度为20mm,防止在运动过程中出现因果柄滑动过大而脱离手指。
优选的，所述摇摆采摘机构的连接块行程是20mm，步进电机能够进行正向旋转60°和逆向旋转60°，通过限位块(404)进行控制。
本实用新型猕猴桃果实采摘末端执行器与现有技术相比较，具有以下有益效果：
本实用新型采用单片机控制，针对猕猴桃果实毗邻生长的特点，夹持机构(1)利用前手指(101)和后手指(102)的前端与果实横截面最大半径的长度差，前端与后端的高度差，以及夹持机构(1)相对支架既转动又直线移动的运动形式，实现前手指(101)和后手指(102)完成夹紧过程后带动果实进行摇摆运动，前手指(101)和后手指(102)从果实底部靠近果实，有效实现了采用机械结构完成毗邻果实分离与果柄抓取，采用摇摆运动的方法，使果实惯性轴与果柄成锐角，在惯性力作用下，从果蒂处拉断果柄，减小了果柄分离力，通过控制末端执行器的摇摆幅度来完成采摘动作，简化了机械结构和控制，通过传感器的反馈控制，提高了控制精度，实现了果实的无损采摘。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本专利进一步说明。
图1为果柄摇摆式猕猴桃自动采摘末端执行器的整体结构示意图;
图2为本实用新型的轴二侧示意图;
图3为本实用新型的夹持机构和摇摆采摘机构示意图;
图4为本实用新型的接近机构示意图;
以下是图中各部件标号：
前手指(101)、后手指(102)、连接件(103)、有杆气缸Ⅰ(104)、步进电机Ⅲ(201)、导向杆(202)、支架(203)、连接块(204)、销(205)、连接杆(206)、有杆气缸Ⅱ(207)、步进电机Ⅰ(301)、竖直导向板(302)、滑块(303)、步进电机Ⅱ(305)、丝杠(306)、法兰(307)、横向导向板(308)、压力传感器(401)、红外光电开关传感器(402)、霍尔位置传感器Ⅰ(403)、限位块(404)、霍尔位置传感器Ⅱ(405)、步进电机驱动器Ⅲ(501)、步进电机驱动器Ⅱ(502)、步进电机驱动器Ⅰ(503)。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
参见图1 、2、3和4，一种果柄摇摆式猕猴桃自动采摘末端执行器由接近机构(3)、夹持机构(1)、摇摆采摘机构(2)、传感系统(5)以及控制系统(4)组成，夹持机构(1)包括连接件(103)、前手指(101)、后手指(102)、有杆气缸Ⅰ(104)，夹持机构(1)的前手指(101)和后手指(102)对称安装，前手指(101)和后手指(102)前端均有相同长度的细密花纹，前后手指和连接件(103)通过销钉连接，连接件(103)和有杆气缸Ⅰ(104)通过螺栓连接，能够带动手指做直线运动;接近机构(3)包括横向导向板(308)、竖直导向板(302)、丝杠(306)、步进电机Ⅱ(305)、滑块(303)、法兰(307)，丝杠(306)一端与电机固定连接，一端与横向导向板(308)通过轴承连接，横向导向板(308)和竖直导向板(302)垂直排列，滑块(303)边缘卡在导向板滑轨中;摇摆采摘机构(2)包括步进电机Ⅲ(201)、支架(203)、连接杆(206)、有杆气缸Ⅱ(207)、导向杆(202)、连接块(204)、销(205)，步进电机Ⅲ(201)和连接块(204)通过螺栓连接，导向杆(202)穿过连接块(204)中间的通孔，连接杆(206)和有杆气缸Ⅱ(207)固定连接。连接块(204)安装有限位块(404)，限位块(404)控制步进电机Ⅲ(201)的旋转角度，通过调节限位块(404)的位置实现对旋转角度的调整;传感系统(5)包括压力传感器(401)、红外光电开关传感器(402)、霍尔位置传感器Ⅰ(403)、霍尔位置传感器Ⅱ(404);压力传感器(401)安装在后手指(102)内侧,用于检测对果柄夹持力;红外光电开关传感器(402)为对射式组合，后手指(102)安装发射端，前手指(101)安装接收端，用于检测果实的位置;霍尔位置传感器Ⅰ(403)、霍尔位置传感器Ⅱ(405)分别安装在连接板(103)和横向导向板(308)上，用于检测复位信息并防止机构发生碰撞;控制系统(4)由单片机进行控制，包括步进电机驱动器Ⅰ(503)、步进电机驱动器Ⅱ(502)、步进电机驱动器Ⅲ(501)，各个驱动器通过螺栓和其他构件进行连接，通过串口接收传感器信号，形成反馈控制,达到整个系统的精确定位。
具体工作过程：
1、各个部件复位，步进电机Ⅰ(301)、步进电机Ⅱ(305)反转，步进电机Ⅲ(201)回转到设定角度，复位完成后，所有电机停止转动，等待命令;
2、接近果实，步进电机Ⅱ(305)正转，待末端执行器移动到果实正下方，步进电机Ⅱ(305)停止转动，然后步进电机Ⅰ(301)正转，末端执行器从下方慢慢接近果实，红外光电开关输出低电平时，认为果柄已经进入两手指之间，步进电机Ⅰ(301)停止转动;
3、夹紧果柄，有杆气缸Ⅰ(104)开始推动前手指(101)与后手指(102)靠拢，待到压力传感器(401)测达到预设压力值时，停止推动，在设定时间内保持夹紧状态;
4、分离果柄，分离的过程中，单片机控制摇摆采摘机构(2)的气缸和步进电机Ⅲ(201)同时工作，步进电机Ⅲ(201)在预设的角度范围内不断进行正反转;
5、释放果柄并移动到下一个果实下部，再次上移夹紧果柄，步进电机Ⅲ(201)在预设角度内完成预设正反转次数，完成果实与果柄分离动作，前手指(101)和后手指(102)张开，步进电机Ⅰ(301)复位，进行下一个果实的采摘，直到计算机提供的全部果实采摘完后，电机全部复位。所述接近机构(3)、夹持机构(1)、摇摆采摘机构(2)、传感系统(5)和控制系统(4)五部分共同作业，完成猕猴桃果实采摘过程。
所述压力传感器(401)安装在后手指(102)上，检测夹紧时的夹紧力，防止出现夹断果柄或者是因果柄过硬而使手指断裂情况的出现。
所述步进电机Ⅲ(201)和有杆气缸Ⅱ(207)的安装位置是互相垂直的，保证在采摘的过程中果实做摇摆运动。
所述限位块(404)安装在步进电机Ⅲ(201)的下方，能够有效限制步进电机Ⅲ(201)的旋转角度，避免因旋转角度超过预设值造成果实运动过于剧烈，使果实损伤或者是末端执行器损坏。
所述接近机构(3)复位时，竖直导向板(302)靠近横向导向板(308)安装步进电机Ⅱ(305)一侧，横向导向(308)板靠近竖直导向板(302)远离步进电机Ⅰ(301)的一侧。
所述前手指(101)和后手指(102)外侧均附有橡胶材料以保护果实。
所述末端执行器为减轻重量，除标准件外，前手指(101)和后手指(102)均采用塑料材料，其它支架均使用铝合金或赛钢作为制作材料。
所述末端执行器机构简单、控制方便，具备准确抓取和果柄分离的功能，为猕猴桃果实采摘机器人提供了关键技术支撑。
以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。
