番茄吸附夹持同步采摘末端执行器及相应采摘机构和方法与流程

本发明涉及农业采摘机器人领域，具体地，涉及番茄吸附夹持同步采摘末端执行器及相应采摘机构和方法。

背景技术：

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，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，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，是采摘的关键执行部分。机械手末端执行器对于作业对象与环境的柔嫩性、不规则性和复杂多变性的适应能力决定了果实采摘的效率和成功率，因此需要番茄吸附夹持同步采摘末端执行器及相应采摘机构和方法，而目前这种番茄吸附夹持同步采摘末端执行器市场上是没有的。番茄吸附夹持同步采摘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。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的缺陷，本发明提供番茄吸附夹持同步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，然后摆动折断果梗的采摘方式，解决了番茄采摘效率低的技术难题。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种番茄吸附夹持同步采摘末端执行器，是由一号气缸、安装板、二号汽缸、u型支架、吸盘气缸、弹簧支架、弹簧、仿形手指结构、吸盘、手指压盘和气缸轴组成的，所述的仿形手指结构包括左仿形手指、压力传感器、转轴、左手指半圆压板、右手指半圆压板和右仿形手指，其特征是：所述安装板与机械臂连接，所述一号气缸和二号汽缸成120°夹角设置于安装板上，所述一号气缸和二号汽缸的轴端与u型支架连接，所述吸盘气缸安装在u型支架上，所述弹簧支架安装在u型支架两端，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，所述吸盘安装在气缸轴末端上，所述手指压盘安装在气缸轴上；所述左仿形手指通过转轴与u型支架连接，所述压力传感器粘附在左仿形手指表面，所述左手指半圆压板设置在左仿形手指末端，所述右手指半圆压板设置在右仿形手指末端，所述左手指半圆压板和右手指半圆压板拼合成圆形，所述右仿形手指通过转轴与u型支架连接。

优选地，所述安装板两侧折页与水平面夹角为120°，所述一号气缸和二号汽缸成120°夹角设置于安装板。

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。

更优选地，所述左仿形手指和右仿形手指内表面都附有3mm的软硅胶材料。

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。

一种番茄吸附夹持同步采摘机构，是由机械手末端执行器、机械臂、移动平台、果实收纳箱和控制箱组成的，其特征是：所述机械手末端执行器安装在机械臂末端，机械臂安装在移动平台上，所述果实收纳箱设置于移动平台前面，所述控制箱设置于移动平台内部；其中机械手末端执行器进一步包括由一号气缸、安装板、二号汽缸、u型支架、吸盘气缸、弹簧支架、弹簧、仿形手指结构、吸盘、手指压盘和气缸轴，所述的仿形手指结构包括左仿形手指、压力传感器、转轴、左手指半圆压板、右手指半圆压板和右仿形手指，所述安装板与机械臂连接，所述一号气缸和二号汽缸成120°夹角设置于安装板上，所述一号气缸和二号汽缸的轴端与u型支架连接，所述吸盘气缸安装在u型支架上，所述弹簧支架安装在u型支架两端，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，所述吸盘安装在气缸轴末端上，所述手指压盘安装在气缸轴上；所述左仿形手指通过转轴与u型支架连接，所述压力传感器粘附在左仿形手指表面，所述左手指半圆压板设置在左仿形手指末端，所述右手指半圆压板设置在右仿形手指末端，所述左手指半圆压板和右手指半圆压板拼合成圆形，所述右仿形手指通过转轴与u型支架连接。

更优选地，所述果实收纳箱内表面附有10mm的软硅胶材料。

一种番茄吸附夹持同步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：图像处理获取番茄空间三维坐标，控制箱控制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，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慢慢将吸盘拉离果束的番茄夹持住，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。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明设计的番茄吸附夹持同步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，然后摆动折断果梗的采摘方式，解决了番茄采摘效率低的技术难题。

(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)本发明采用吸盘吸附果实，同时左仿形手指和右仿形手指慢慢将吸盘拉离果束的番茄夹持住，提升了夹持速率；

(3)本发明的采用两只气缸配合，使仿形手指结构左右摆动，采用折断果梗方式，比扭断果梗和拉断果梗更省力。

(4)本发明的左仿形手指和右仿形手指内表面都附有3mm的软硅胶材料，果实收纳箱内表面附有10mm的软硅胶材料，并有压力传感器检测压力，避免了夹持番茄带来损伤的问题。

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为本发明的采摘机构等轴测图；

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为本发明采摘步骤的对准果实工作状态示意图；

图5为本发明采摘步骤的吸附果实工作状态示意图；

图6为本发明采摘步骤的吸拉夹持工作状态示意图；

图7为本发明采摘步骤的摆动折断工作状态示意图。

图中：1机械手末端执行器，101一号气缸，102安装板，103二号气缸，104u型支架，105吸盘气缸，106弹簧支架，107弹簧，108仿形手指结构，1081左仿形手指，1082压力传感器，1083转轴，1084左手指半圆压板，1085右手指半圆压板，1086右仿形手指，109吸盘，110手指压盘,111气缸轴，2机械臂，3移动平台，4果实收纳箱，5控制箱。

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。

本发明设计的番茄吸附夹持同步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，然后摆动折断果梗的采摘方式，解决了番茄采摘效率低的技术难题。

参见图2和图3所示，一种番茄吸附夹持同步采摘末端执行器，是由一号气缸101、安装板102、二号汽缸103、u型支架104、吸盘气缸105、弹簧支架106、弹簧107、仿形手指结构108、吸盘109、手指压盘110和气缸轴111组成的，所述的仿形手指结构108包括左仿形手指1081、压力传感器1082、转轴1083、左手指半圆压板1084、右手指半圆压板1085和右仿形手指1086，其特征是：所述安装板102与机械臂2连接，所述一号气缸101和二号汽缸103成120°夹角设置于安装板102上，所述一号气缸101和二号汽缸103的轴端与u型支架104连接，所述吸盘气缸105安装在u型支架104上，所述弹簧支架106安装在u型支架104两端，所述弹簧107一端与弹簧支架106连接，另一端与仿形手指结构108连接，所述吸盘109安装在气缸轴111末端上，所述手指压盘110安装在气缸轴111上；所述左仿形手指1081通过转轴1083与u型支架104连接，所述压力传感器1082粘附在左仿形手指1081表面，所述左手指半圆压板1084设置在左仿形手指1081末端，所述右手指半圆压板1085设置在右仿形手指1086末端，所述左手指半圆压板1084和右手指半圆压板1085拼合成圆形，所述右仿形手指1086通过转轴1083与u型支架104连接。

参见图2所示，优选地，所述安装板102两侧折页与水平面夹角为120°，所述一号气缸101和二号汽缸103成120°夹角设置于安装板102。

参见图3所示，优选地，所述左手指半圆压板1084和右手指半圆压板1085拼合成圆孔直径为8.5mm，所述气缸轴111外径为8mm。

参见图2所示，优选地，所述手指压盘110外径为10mm，距离吸盘109有15mm。

参见图3所示，更优选地，所述左仿形手指1084和右仿形手指1086内表面都附有3mm的软硅胶材料。

参见图2所示，具体的，所述弹簧107原长状态使左仿形手指1081和右仿形手指1086开口距离为90mm。

参见图1所示，一种番茄吸附夹持同步采摘机构，是由机械手末端执行器1、机械臂2、移动平台3、果实收纳箱4和控制箱5组成的，其特征是：所述机械手末端执行器1安装在机械臂2末端，机械臂2安装在移动平台3上，所述果实收纳箱4设置于移动平台3前面，所述控制箱5设置于移动平台3内部；

参见图1所示，更优选地，所述果实收纳箱4内表面附有10mm的软硅胶材料。

为了帮助理解本发明的上述基本实施方式，参照图4至图7进行工作过程说明，本发明番茄吸附夹持同步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：图像处理获取番茄空间三维坐标，控制箱5控制机械臂2将机械手末端执行器1送至相应位置，完成对准果实过程；吸盘气缸105工作，气缸轴111伸出，手指压盘110离开左手指半圆压板1084和右手指半圆压板1085，左仿形手指1081和右仿形手指1086在弹簧107拉力作用下张开至90mm，吸盘109触碰到番茄时吸持住，完成吸附果实过程；吸盘气缸105工作，气缸轴111缩回，手指压盘110顶着左手指半圆压板1084和右手指半圆压板1085运动，同时左仿形手指1081和右仿形手指1086慢慢将吸盘109拉离果束的番茄夹持住，完成吸拉夹持过程；一号气缸101轴伸出同时二号汽缸轴103缩回，然后二号气缸103轴伸出同时一号汽缸101轴缩回，仿形手指结构108左右摆动，果梗受剪切力而折断，完成摆动折断过程。

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。