番茄果实串收获机械手末端执行器及其方法

摘要

本发明公开了一种番茄果实串收获机械手末端执行器，包括T形架、切割机构、夹持机构和控制系统,切割机构安装在T形架上方，夹持机构安装在T形架的前下方；夹持机构由步进电动驱动左、右夹持臂双向运动，通过夹持机构的左、右夹持臂夹住果实的主果梗，夹持力通过压电传感器感知并利用控制器设定，保证了夹持可靠且不夹断果梗；切割机构由上半刀、下半刀、刀轴构成剪刀，通过气缸驱动上半刀、下半刀张开和剪切，实现果实串与番茄主茎的分离，避免了通过拉拽采摘影响整株番茄后期生长；整个采摘过程由控制系统控制完成，实现了自动化。本发明结构紧凑，工作可靠，适应不同品种番茄成串采摘要求，为番茄果实串收获机器人提供了性能优良的末端执行器。

说明书

技术领域

本发明属于农业机械领域，具体涉及一种番茄果实串收获机械手末端执行器及其方法。

背景技术

目前，中国番茄的种植、加工和出口都处于持续增长状态，经过20多年的发展，中国已经成为全球最重要的番茄制品生产国和出口国，是继美国、欧盟之后的第三大生产地区和第一大出口国。番茄主要作业果酱加工原理的加工番茄和作业蔬菜水果的鲜食番茄。加工番茄果实相对结实不易损伤，我国加工番茄的收获已基本实现机械化；鲜食番茄在我国是一种普及率很高的果蔬，但由于鲜食番茄果皮稚嫩，极易发生机械损伤，番茄的采摘主要是以人工采摘，劳动强度大、效率低，难以实现完成采摘任务。随着城镇化建设、农村劳动力逐渐向工业和服务业转移，农业生产劳动力缺乏、人工成本高已现实，实现鲜食番茄机械化收获是解决农业劳动力不中的有效途径。另外，鲜食番茄成串采摘不仅保持了其新鲜度，贮运方便，同时可以提高产品的商业价质。因此，鲜食番茄生产特别需要一种能够实现果实串整串采摘的机器人，而末端执行器是采摘机器人的果实串采收的具体执行部件。

发明内容

本发明的目的是为了克服鲜食番茄人工采收的缺点和目前缺乏采摘机械的突出生产问题，并提供一种番茄果实串收获机械手末端执行器及其方法，实现鲜食番茄机械化成串采摘。

本发明解决技术问题所采取的技术方案是：

番茄果实串收获机械手末端执行器，包括T形架、切割机构、夹持机构和控制系统,切割机构安装在T形架上方，夹持机构安装在T形架的前下方；

夹持机构包括左旋滑块、左夹持臂、右夹持臂、右旋滑块、步进电机、柔性垫片、右支架、左支架、双向丝杆、导杆，右支架、左支架分别固定在T形架两端的下部，双向丝杆左端通过轴承安装在左支架上，步进电机固定在右支架外侧，步进电机动力输出轴穿过右支架并通过联轴器与双向丝杆右端连接；双向丝杆左、右两半部分别为设有左旋弧行螺旋槽、右旋弧行螺旋槽，左旋滑块安装在双向丝杆左半部，左旋滑块与双向丝杆构成左螺旋配合；右旋滑块安装在双向丝杆右半部，右旋滑块与双向丝杆构成右螺旋配合；导杆穿过左旋滑块、右旋滑块下部，左旋滑块、右旋滑块与导杆均构成移动副；导杆左右两端分别固定在左支架、右支架上，导杆与双向丝杆的轴线平行；

左夹持臂固定在左旋滑块前部，右夹持臂固定在右旋滑块前部，柔性垫片固定在右夹持臂的内侧；

切割机构包括气缸、双向连接件、推杆、轨道、滑块、连杆、下半刀、刀轴、上半刀，气缸、轨道、刀轴固定在T形架上部，滑块安装在轨道上，滑块与轨道构成移动副；双向连接件两端设有旋向相反的内螺纹，双向连接件一端通过螺旋配合与气缸的活塞杆连接，双向连接件另一端通过螺旋配合与推杆前端连接；推杆后端安装在滑块上；上半刀、下半刀中部安装在刀轴，上半刀后端与一支连杆的一端铰链连接，下半刀后端与另一支连杆的一端铰链连接，两支连杆的另一端铰链连接于推杆后端上部；上半刀、下半刀前部均为剪刀刃部并构成剪刀；两支连杆、上半刀、下半刀构成铰链四杆机构；

控制系统包括控制器、驱动器、压电传感器，压电传感器固定在左夹持臂内侧；

所述左夹持臂为倾斜“Z”字形，左夹持臂与右夹持臂为对称结构；左旋滑块与双向丝杆配合的孔内设有左旋弧行螺旋纹，右旋滑块与双向丝杆配合的孔内设有右旋弧行螺旋纹，左旋滑块与右旋滑块为对称结构；

所述的番茄果实串收获机械手末端执行器的夹持与剪切方法是：番茄果实串收获机械手末端执行器安装在其机械手的未端，通过上位机控制控制器使切割机构、夹持机构复位，控制器控制二位三通电磁阀使气缸的活塞杆伸出，气缸通过双向连接件带动推杆与滑块沿轨道向前运动，推杆向前推动两支连杆，两支连杆带动上半刀、下半刀运动并使前部的剪刀张开；控制器控制驱动器使步进电机转动，步进电机带动双向丝杆正向转动，左旋滑块与右旋滑块在双向丝杆正向转动作用下向两边移动，左夹持臂、右夹持臂分别随左旋滑块与右旋滑块移动，夹持机构打开；当机械手将末端执行器移动至果实串的主果梗时，上位机给指令控制器，控制器控制驱动器使步进电机反向旋转，双向丝杆也反向转动，左旋滑块与右旋滑块向中心移动，左夹持臂、右夹持臂向中心有主果梗的方向移动，当右旋滑块上的柔性垫片、左夹持臂上的压电传感器均接触到主果梗时，随着左夹持臂、右夹持臂进一步靠近夹持力增加，压电传感器将夹持压力信号传递至控制器，当夹持压力达到设定值时，步进电机停止转动并保持不动；此时控制器控制二位三通电磁阀使气缸的活塞杆收缩，气缸带动双向连接件、推杆、滑块沿轨道向后运动，从而拉动两支连杆向后运动，连接使上半刀、下半刀合拢，上半刀、下半刀的剪刀刃部将果实串的主果梗切断；然后机械手将末端执行器移动至盛放果实位置，控制器控制步进电机(16)使左夹持臂、右夹持臂分开，放下果实串，完成一次果实串采摘。

本发明带来的有益效果是：通过夹持机构的左、右夹持臂夹住果实的主果梗，且夹持力能够感知并可设定，在可靠夹持条件下避免了夹断果梗；在完成主果梗夹持后通过切割机构将主果梗上部割断，实现果实串与番茄主茎的分离，避免了通过拉拽采摘影响整株番茄后期生长等缺点；整采摘过程由控制系统控制完成，实现了果梗夹持、切断自动化。末端执行器结构紧凑，工作可靠，适应不同品种番茄成串采摘要求，为番茄果实串收获机器人提高了性能优良的末端执行器。

附图说明

图1是番茄果实串收获机械手末端执行器的轴测图；

图2是番茄果实串收获机械手末端执行器的主视图；

图3是番茄果实串收获机械手末端执行器的俯视图；

图4是番茄果实串收获机械手末端执行器的控制线路图；

图中：气缸1、T形架2、双向连接件3、推杆4、轨道5、滑块6、连杆7、下半刀8、刀轴9、上半刀10、左旋滑块11、左夹持臂12、压电传感器13、右夹持臂14、右旋滑块15、步进电机16、柔性垫片17、右支架18、左支架19、双向丝杆20、导杆21。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。下述实例中的技术特征在没有冲突的情况下，均可进行相互组合。

如图1、图2、图3、图4所示，番茄果实串收获机械手末端执行器包括T形架2、切割机构、夹持机构和控制系统,切割机构安装在T形架2上方，夹持机构安装在T形架2的前下方；

夹持机构包括左旋滑块11、左夹持臂12、右夹持臂14、右旋滑块15、步进电机16、柔性垫片17、右支架18、左支架19、双向丝杆20、导杆21，右支架18、左支架19分别固定在T形架2两端的下部，双向丝杆20左端通过轴承安装在左支架19上，步进电机16固定在右支架18外侧，步进电机16动力输出轴穿过右支架18并通过联轴器与双向丝杆20右端连接；双向丝杆20左、右两半部分别为设有左旋弧行螺旋槽、右旋弧行螺旋槽，左旋滑块11安装在双向丝杆20左半部，左旋滑块11与双向丝杆20构成左螺旋配合；右旋滑块15安装在双向丝杆20右半部，右旋滑块15与双向丝杆20构成右螺旋配合；导杆21穿过左旋滑块11、右旋滑块15下部，左旋滑块11、右旋滑块15与导杆21均构成移动副；导杆21左右两端分别固定在左支架19、右支架18上，导杆21与双向丝杆20的轴线平行；左夹持臂12固定在左旋滑块11前部，右夹持臂14固定在右旋滑块15前部，柔性垫片17固定在右夹持臂14的内侧；切割机构包括气缸1、双向连接件3、推杆4、轨道5、滑块6、连杆7、下半刀8、刀轴9、上半刀10，气缸1、轨道5、刀轴9固定在T形架2上部，滑块6安装在轨道5上，滑块6与轨道5构成移动副；双向连接件3两端设有旋向相反的内螺纹，双向连接件3一端通过螺旋配合与气缸1的活塞杆连接，双向连接件3另一端通过螺旋配合与推杆4前端连接；推杆4后端安装在滑块6上；上半刀10、下半刀8中部安装在刀轴9，上半刀10后端与一支连杆7的一端铰链连接，下半刀8后端与另一支连杆7的一端铰链连接，两支连杆7的另一端铰链连接于推杆4后端上部；上半刀10、下半刀8前部均为剪刀刃部并构成剪刀；两支连杆7、上半刀10、下半刀8构成铰链四杆机构；控制系统包括控制器、驱动器、压电传感器13，压电传感器13固定在左夹持臂12内侧。控制器与上位机连接，而控制器与驱动器、压电传感器13以及气缸1上的二位三通电磁阀相连，驱动器连接步进电机16。控制器接收压电传感器13反馈的夹持压力信号，并通过驱动器驱动步进电机16转动或者通过二位三通电磁阀控制气缸1的活塞杆伸缩。夹持机构对果实主果梗的夹持力通过压电传感器13感知并利用控制器设定，保证了夹持可靠且不夹断果梗。

左夹持臂12为倾斜“Z”字形，左夹持臂12与右夹持臂14为对称结构；左旋滑块11与双向丝杆20配合的孔内设有左旋弧行螺旋纹，右旋滑块15与双向丝杆20配合的孔内设有右旋弧行螺旋纹，左旋滑块11与右旋滑块15为对称结构。

基于上述番茄果实串收获机械手末端执行器的夹持与剪切方法是：番茄果实串收获机械手末端执行器安装在其机械手的未端，通过上位机控制控制器使切割机构、夹持机构复位，控制器控制二位三通电磁阀使气缸1的活塞杆伸出，气缸1通过双向连接件3带动推杆4与滑块6沿轨道5向前运动，推杆4向前推动两支连杆7，两支连杆7带动上半刀10、下半刀8运动并使前部的剪刀张开；控制器控制驱动器使步进电机16转动，步进电机16带动双向丝杆20正向转动，左旋滑块11与右旋滑块15在双向丝杆20正向转动作用下向两边移动，左夹持臂12、右夹持臂14分别随左旋滑块11与右旋滑块15移动，夹持机构打开；当机械手将末端执行器移动至果实串的主果梗时，上位机给指令控制器，控制器控制驱动器使步进电机16反向旋转，双向丝杆20也反向转动，左旋滑块11与右旋滑块15向中心移动，左夹持臂12、右夹持臂14向中心有主果梗的方向移动，当右旋滑块15上的柔性垫片17、左夹持臂12上的压电传感器13均接触到主果梗时，随着左夹持臂12、右夹持臂14进一步靠近夹持力增加，压电传感器13将夹持压力信号传递至控制器，当夹持压力达到设定值时，步进电机16停止转动并保持不动；此时控制器控制二位三通电磁阀使气缸1的活塞杆收缩，气缸1带动双向连接件3、推杆4、滑块6沿轨道5向后运动，从而拉动两支连杆7向后运动，连接使上半刀10、下半刀8合拢，上半刀10、下半刀8的剪刀刃部将果实串的主果梗切断；然后机械手将末端执行器移动至盛放果实位置，控制器控制步进电机16使左夹持臂12、右夹持臂14分开，放下果实串，完成一次果实串采摘。

上述实例仅用于解释说明本发明要求保护的内容，但并不是用于限制本发明的要求保护的范围。本领域技术人员在本发明精神内所做的改进和替换，均属于保护范围内。