一种夹持切割果梗的单驱动葡萄采摘机器人末端执行器

摘要

本发明提供一种夹持切割果梗的单驱动葡萄采摘机器人末端执行器，采用一个舵机作为驱动完成对葡萄果梗的夹持和剪切操作，主要包括执行器主体、夹爪、刀刃、螺柱、螺管、连杆、舵机、固定连接件；在采摘作业时，舵机带动螺柱做顺时针旋转运动，螺柱通过螺纹带动螺管做沿螺管导轨的线性滑动运动，螺管通过连杆带动夹爪做沿夹爪导轨槽的线性滑动运动从而收紧夹爪；夹爪表面的软接触胶垫接触到葡萄果梗时产生形变直至稳定夹持葡萄果梗，此时夹爪内部弹簧尚未产生形变；继续收紧夹爪，夹爪内部弹簧发生形变，左右刀刃逐渐靠近直至切入葡萄果梗完成剪切操作，此进程中夹爪始终稳定夹持葡萄果梗；完成采摘作业后，舵机带动螺柱做逆时针旋转运动，完成末端执行器的松放操作。

说明书

技术领域

本发明属于农业采摘技术领域，更具体地说，特别涉及一种夹持切割果梗的单驱动葡萄采摘机器人末端执行器。

背景技术

21世纪，农业由机械化向智能化方向发展，农业生产逐渐规模化和多样化。采摘机器人作为农业产业中的前沿技术，在降低劳动强度、节约生产成本、提高生产率、保证产品重量和实时采收等方面具有巨大的发展潜力。然而，尽管国内外学者进行了许多研究，但目前研制出的采摘机器人仍有很大的局限性，且绝大多数研发样机还处于实验室阶段，商用化采摘机器人非常少见。针对葡萄尤其是鲜食葡萄的采摘作业，目前国内外仍然主要依靠人力完成，其作业劳动强度大，采摘效率低，人为性的采摘损伤时有发生。因此，研发葡萄采摘机器人的关键技术已经成为设施农业生产发展中的迫切需要。

现有的鲜食葡萄采摘机器人，其采摘模式主要分为两种：第一种是双臂采摘模式，一条机械臂抓住葡萄，另一条机械臂配合完成剪切作业，但复杂的果园环境中存在多种障碍物，对双臂的协同作业造成了很大的挑战；第二种是单臂采摘模式，通过在机械臂末端附加多个驱动共同配合完成抓取和剪切操作，较前者更为适应果园环境，且经济成本更低，但这对采摘机器人的末端执行器提出了更高的要求。

末端执行器作为葡萄采摘机器人的一个重要执行机构，在采摘环节发挥了关键作用。目前国内外的葡萄采摘机器人机械臂末端大多采用多个电机作为驱动以完成夹持和剪切操作，但这种方式采用了较多的电机及其装配件，体积和重量大大增加的末端执行器，在实际应用中易产生较大偏差，对葡萄采摘提出了更高的挑战。同时，多电机配合完成作业的末端执行器在增大了控制难度的同时还增加了经济成本，以上种种都对葡萄采摘机器人的实用性和商业化造成了困扰。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供了一种夹持切割果梗的单驱动葡萄采摘机器人末端执行器，采用单个舵机作为驱动即可完成葡萄果梗的夹持和剪切操作，实现葡萄果实的无接触采摘作业；在避免了鲜食葡萄采摘过程中接触损伤的同时，经济成本减少、重量大为减轻的末端执行器适用性更强。

本发明夹持切割果梗的葡萄采摘机器人末端执行器的目的与功效，由以下具体技术手段所达成：

一种夹持切割果梗的单驱动葡萄采摘机器人末端执行器，包括执行器主体、夹爪、刀刃、螺柱、螺管、连杆、舵机、固定连接件；所述执行器主体为中空结构，内部设有夹爪导轨槽，连杆导轨槽，螺管导轨，螺管导轨槽以及螺柱底端嵌入槽；所述夹爪分为左夹爪、右夹爪两个部分，通过夹爪导轨脊与执行器主体内部的夹爪导轨槽连接；所述刀刃分为左刀刃、右刀刃两个部分，分别对应固定于左、右夹爪表面；所述螺柱分别对应连接于舵机和螺管；所述螺管通过螺管导轨脊与执行器主体内部的夹爪导轨槽连接；所述连杆分为左连杆、右连杆两个部分，上下两端分别连接于螺柱、夹爪，位于执行器主体内部的连杆导轨槽内；所述舵机作为本发明的驱动部分，为末端执行器完成夹持和切割操作提供动力，分别与螺柱底端和固定连接件连接；所述固定连接件将舵机与执行器主体固定连接在一起，并可与葡萄采摘机器人的机械臂连接。

进一步地，所述执行器主体中心设有螺管导轨，末端执行器作业时可供螺管进行前后运动，螺管导轨左右有延申出去的螺管导轨左、右槽，作业时可确保螺管进行线性滑动运动；所述执行器主体顶端左、右两侧分别设有左、右夹爪导轨槽，作业时可供左、右夹爪导轨脊做线性滑动运动；所述执行器主体中部设有左、右连杆导轨槽，末端执行器作业时可供左、右连杆进行运动；所述执行器主体末端设有螺柱底端嵌入槽，可容纳螺柱底端和舵机舵盘，保证采摘作业时末端执行器的稳定运行。

进一步地，所述夹爪分为左夹爪、右夹爪两个部分，其结构大小完全一致，仅左右相反，分别由凹槽结构、嵌入结构、软接触胶垫组成；所述左、右夹爪的左、右凹槽结构分别设有左、右夹爪导轨脊，与执行器主体内部的左、右夹爪导轨槽相连，同时通过左、右连杆与螺管左、右两侧连接。

进一步地，所述左、右凹槽结构设有凹槽部分，其里面分布有多个圆柱结构凸起，有弹簧绕凸起部分对应固定于凹槽部分；所述左、右夹爪的左、右嵌入结构设有与左、右凹槽部分的圆柱凸起一一对应的圆柱凹槽，两者之间以弹簧作为支撑；所述夹爪的嵌入结构设有多个螺孔，有软接触胶垫通过螺丝固定其上。

进一步地，所述夹爪的软接触胶垫的夹持表面设置有一定倾斜的角度，该角度通过测量大量的葡萄果梗上下端直径确定，以确保末端执行器的夹爪可以更为稳定可靠的夹取葡萄果梗，完成采摘作业。

进一步地，所述刀刃分为左刀刃、右刀刃两个部分，左刀刃和右刀刃高度不同，且分别以一定角度对应固定于左、右夹爪的凹槽结构表面，该角度为切割葡萄果梗时最省力的刀刃切入角度。

进一步地，所述螺柱底端分布有四个螺孔，通过螺丝与舵机舵盘固定在一起；所述螺柱底端的底面中心有一个圆柱空心结构，舵盘与舵机通过螺丝固定在一起时，可以用来容纳螺丝的螺帽，以便螺柱与舵机更稳定连接。

进一步地，所述螺管内部有一圈螺纹，与螺柱上的螺纹对应，在螺柱旋转运动时通过螺纹带动螺管做沿导轨的线性滑动运动；所述螺管外部为光滑表面，作业时沿执行器主体的螺管导轨做线性滑动运动；所述螺管外部左右分布有延申出去的螺管导轨左、右脊，分别与执行器主体的螺管导轨左、右槽相对应；所述螺管顶端左、右两侧有连接圆柱，通过左、右连杆与左、右夹爪对应连接。

进一步地，所述连杆分为左连杆、右连杆两个部分，作业时对应连接左、右夹爪和螺管顶部左、右两侧，于执行器主体的左、右连杆导轨槽内运动。

进一步地，所述舵机通过舵盘与螺柱底端固定连接在一起，共同置于执行器主体的螺柱底端嵌入槽中，是末端执行器的驱动部分。

进一步地，所述固定连接件将舵机与执行器主体固定连接在一起，并可将末端执行器与葡萄采摘机器人的机械臂相连。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

葡萄采摘机器人末端执行器采用一个舵机作为驱动的设置，结构功能设计合理，有利于减轻末端执行器的重量和体积，减少实际应用中葡萄采摘机械臂由于末端执行器的重量而产生的形变及偏差；有利于实现葡萄果实的无接触采摘作业，避免了采摘机构对葡萄果实的接触损伤；有利于减少造价成本，便于商业化；有利于降低控制难度，推动葡萄采摘机器人的研究和发展进程。

葡萄采摘机器人末端执行器夹持结构的设置，将舵机带动螺柱的旋转运动转化为螺管沿执行器主体内部螺管导轨的线性滑动运动；通过连杆带动末端执行器的夹爪完成夹持和松放运动，有利于实现对葡萄果梗更为稳定的夹持，且保障了夹紧之后不会由于葡萄果梗的重力对夹爪产生的推力分量使得夹爪松放。

葡萄采摘机器人末端执行器夹持结构表面软接触胶垫的设置，会在夹持作业过程中产生形变，有利于增大夹爪与葡萄果梗的摩擦力；有利于保护葡萄果梗不被夹扁夹碎，防止葡萄掉落，更好的完成采摘作业；同时，软接触胶垫表面的倾斜角度设计，有利于更好的贴合葡萄果梗上下粗细不同的形态学结构，在夹持形变过程中增大夹爪表面与葡萄果梗的接触面从而增大摩擦力，有利于更稳定的夹持葡萄果梗并确保其不会掉落。

葡萄采摘机器人末端执行器剪切结构的设置，其左、右刀刃分别以一定角度固定于左、右夹爪的凹槽结构表面，通过对刀刃切入角度的研究，选取最省力的切入角度，同时左右刀刃高度不同，于空间中上下错开一定距离，有利于更好的完成剪切作业。

葡萄采摘机器人末端执行器进行夹持和剪切操作，主要依托于由凹槽结构、嵌入结构、弹簧、软接触胶垫组成的夹爪结构。弹簧弹力较强，有利于保障在弹簧发生形变之前夹持结构已经夹紧葡萄果梗；之后舵机持续输出动力，夹爪的嵌入结构挤压弹簧进入凹槽结构，固定在凹槽结构表面的左、右刀刃同时靠近葡萄果梗，完成剪切任务，在此进程中弹簧的设置可保证左、右夹爪对葡萄果梗的始终夹紧，有利于采摘作业的高效完成。

本发明葡萄采摘机器人末端执行器的设置，有利于实现葡萄采摘机器人高效无损的采摘作业，有利于推动葡萄采摘机器人的研究和落地进程，有利于推动各领域采摘机器人的进一步发展，有利于推进农业发展的智能化进行，同时也给各行业的执行器结构提供了一种新的设计思路和创新。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的整体结构三维透视图。

图3是本发明的整体结构平面爆炸视图。

图4是本发明的开合结构三维透视图。

图5是本发明的闭合结构三维透视图。

图6是本发明的左夹爪部分结构分解示意图。

图7是本发明的左夹爪结构分解三维透视图。

图8是本发明的螺柱、螺管结构三维透视图。

图9是本发明的软接触胶垫结构示意图。

图10是本发明的左、右刀刃结构示意图。

图11是本发明的执行器主体结构三维透视图。

图12是本发明的执行器主体结构剖视图。

图13是本发明的固定连接件三维透视图。

图中，部件名称与附图编号的对应关系为：

执行器主体1、左夹爪导轨槽11、右夹爪导轨槽12、左连杆导轨槽13、右连杆导轨槽14、螺管导轨左槽15、螺管导轨右槽16、螺柱底端嵌入槽17、螺管导轨18；左夹爪2、左凹槽结构21、凹槽部分211、左圆柱凸起212、左弹簧213、接触面214、接触面215、左连杆连接圆柱216、左夹爪导轨脊217、左嵌入结构22、嵌入部分221、左圆柱凹槽222、螺孔223、接触面224、左软接触胶垫23、螺孔231、边线232、边线233；右夹爪3、右凹31、右凸32、右胶垫33、螺孔331、边线332、边线333；刀刃4、左刀41、接触面411、左刃角度412、边413 、边414、高415、右刀42、右刃角度422、边线423、边线424、高425；螺柱5、螺柱螺纹51、底面螺孔52、底面凹孔53；螺管6、左连杆连接圆柱61、右连杆连接圆柱62、螺管导轨左脊63、螺管导轨右脊64、螺管螺纹65；连杆7、左连杆71、左夹爪连接孔711、螺管左侧连接孔712、右连杆72、右夹爪连接孔721、螺管右侧连接孔722；舵机8、舵盘81；固定连接件9、固定连接件主体91、执行器主体固定框911、执行器主体固定框912、舵机固定框913、舵机固定螺孔914、舵机信号线出口915、末端执行器与机械臂连接面916、固定连接件盖子92。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图1-13对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。以下通过参考附图描述的实施方式是示例性的，用于解释本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“凹”、“凸”、“槽”、“脊”、“内部”、“中心”、“中空”、“前端”、“顶端”、“底端”、“表面”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，仅是为了便于简化对本发明的描述，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发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”、“嵌入”、“容纳”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是：本发明实施例中零部件“执行器主体”、“夹爪”、“刀刃”、“螺柱”、“螺管”、“连杆”、“固定连接件”及附图标注中的命名，并非限定术语，仅是为了便于简化对本发明的描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须使用该名称，；“软接触胶垫”的材料选取，可以有多种，包括但不限于橡胶、软接触塑料、硅胶等，以经济适用原则选取即可；关于驱动的选取，本实施例选取的“单轴舵机”仅仅为示例，并没有对驱动的选取做限制，可任选各类适宜的驱动替换。因此以上皆不能理解为对本发明的限制。

如附图1、2所示，本发明一种夹持切割果梗的单驱动葡萄采摘机器人末端执行器，用于夹持并切割果梗完成葡萄采摘，仅采用一个舵机为采摘作业提供动力，主要包括：

执行器主体1、左夹爪2、右夹爪3、刀刃4、螺柱5、螺管6、连杆7、舵机8、固定连接件9；执行器主体1为中空结构，内部设置多个导轨槽：左夹爪导轨槽11、右夹爪导轨槽12、左连杆导轨槽13、右连杆导轨槽14、螺管导轨左槽15、螺管导轨右槽16、螺柱底端嵌入槽17、螺管导轨18，左夹爪2、右夹爪3、螺柱5、螺管6、连杆7通过执行器主体1内部的各个导轨槽对应连接；其中左夹爪2、右夹爪3分别连接于执行器主体1顶端左、右两侧的左夹爪导轨槽11、右夹爪导轨槽12；刀刃4分为左刀刃41、右刀刃42两个部分，分别位于左夹爪2、右夹爪3表面；螺柱5底端位于螺柱底端嵌入槽17内部，并通过螺纹连接于螺管6内部；螺管6位于执行器主体1中心设置的螺管导轨18，其左、右两侧突出的脊分别连接于螺管导轨左、右两侧延申出去的螺管导轨左槽15、螺管导轨右槽16；连杆7分为左连杆71、右连杆72两个部分，分别位于执行器主体1内部的左连杆导轨槽13、右连杆导轨槽14内，左连杆71将左夹爪2与螺管6左侧顶端连接，右连杆72将右夹爪3与螺管6右侧顶端连接；舵机8的舵盘81与螺柱5底端连接在一起，共同位于螺柱底端嵌入槽17内部，为末端执行器提供动力；固定连接件9将舵机8与执行器主体1连接在一起，并可将末端执行器与葡萄采摘机器人的机械臂相连。

其中，如附图1、2、3、4、5、6、7、9、11、12 所示，本发明左夹爪2和右夹爪3的结构大小完全一致，仅左右相反，故以下关于夹爪的描述以左夹爪2为例；左夹爪2由左凹槽结构21、左嵌入结构22、左软接触胶垫23组成；左凹槽结构21上的左夹爪导轨脊217，与执行器主体1上的左夹爪导轨槽11连接，左连杆连接圆柱216与左连杆71上的左夹爪连接孔711连接；左凹槽结构21的凹槽部分211与左嵌入结构22的嵌入部分221嵌入连接，凹槽部分里面分布有多个左圆柱凸起212，有多个左弹簧213绕左圆柱凸起212对应固定于凹槽部分211，弹簧213的另一头支撑连接于左嵌入结构22的左圆柱凹槽222，左嵌入结构22的凸出距离以接触面224与接触面214重合为限；左软接触胶垫23与左嵌入结构22通过多个螺孔231和对应的螺孔223固定在一起；软接触胶垫表面设计有一定的倾斜角度，该角度通过测量大量的葡萄果梗上下端直径确定，确保末端执行器的夹爪可以更为稳定可靠的夹取葡萄果梗，完成采摘作业，左软接触胶垫23表面的倾斜角度由边线232和边线233决定，右软接触胶垫33表面的倾斜角度由边线332和边线333决定。

其中，如附图1、2、3、4、5、6、7、10所示，本发明刀刃4分为左刀刃41、右刀刃42两个部分，分别对应固定于左夹爪2、右夹爪3表面；以左夹爪为例，左刀刃41的底面411固定连接于左凹槽结构21的接触面215；左刀刃41的高度415和右刀刃的高度425不同，切割时上下错开一定距离，该距离以便于切割为原则；在进行切割作业时，左刀刃41对葡萄果梗的切入角度由左刃角度411和边线413与边线414的夹角角度共同决定，右刀刃42对葡萄果梗的切入角度由右刃角度422和边线423与边线424的夹角角度共同决定，两者的切入角度以省力为原则。

其中，如附图2、3、4、5、8、11、12所示，螺柱5通过底端设置的4个螺孔52与舵机8上的舵盘81固定在一起，共同位于执行器主体1的螺柱底端嵌入槽17内；螺柱5底端设置底面凹孔53，用以容纳舵盘固定螺丝螺帽，以便螺柱与舵机的稳定连接；螺柱5上的螺柱螺纹51与螺管6上的螺管螺纹65连接。

其中，如附图2、3、4、5、8、11、12所示，螺管6通过顶端设置的左连杆连接圆柱61与左连杆71上的螺管左侧连接孔712连接，通过顶端设置的右连杆连接圆柱62与右连杆72上的螺管右侧连接孔722连接，最终分别与左夹爪2和右夹爪3连接；螺管6位于执行器主体1中心的螺管导轨18内部，采摘作业时沿螺管导轨18做线性滑动运动；螺管6通过左、右两侧设置的螺管导轨左脊63和螺管导轨右脊64分别与执行器主体1内部的螺管导轨左槽15、螺管导轨右槽16连接，作业时可保证螺管6沿螺管导轨18做线性滑动运动时，不产生旋转运动；螺管6内部的螺管螺纹65与螺柱5上的螺柱螺纹51相对应，在舵机8带动螺柱5做旋转运动时，通过螺柱螺纹51与螺管螺纹65的配合带动螺管6做沿螺管导轨18的线性滑动运动。

其中，如附图2、3、4、5、6、7、8、11、12所示，连杆7分为左连杆71、右连杆72两个部分；左连杆71位于执行器主体1内部的左连杆导轨槽13内，通过上端的左夹爪连接孔711与左夹爪2上的左连杆连接圆柱216连接，通过下端的螺管左侧连接孔712与螺管6上的左连杆连接圆柱61连接；右连杆72位于执行器主体1内部的右连杆导轨槽14内，通过上端的右夹爪连接孔721与右夹爪3上的右连杆连接圆柱316连接，通过下端的螺管右侧连接孔722与螺管6上的右连杆连接圆柱62连接。

其中，如附图2、3、4、5、11、12、13所示，舵机8通过舵盘81与螺柱5底端设置的4个螺孔52固定在一起，共同置于执行器主体1的螺柱底端嵌入槽17内部；舵盘81中心的固定螺丝的螺帽容纳于螺柱5底端设置的底面凹孔53，便于螺柱与舵机的稳定连接。

其中，如附图1、2、3、4、5、13所示，固定连接件9通过执行器主体固定框911、执行器主体固定框912与舵机固定框913、舵机固定螺孔914将舵机8与执行器主体1固定连接在一起，并可通过末端执行器与机械臂连接面916将本发明与葡萄采摘机器人的机械臂相连。

本实施例的具体使用方式与作用：

具体应用中，该末端执行器安装到葡萄采摘机器人的机械臂上进行使用，通过机械臂驱动该末端执行器靠近葡萄果梗完成夹持和剪切操作。结合图4、5本发明的开合、闭合结构透视图所示，本发明一种夹持切割果梗的单驱动葡萄采摘机器人末端执行器的具体运行步骤如下。

步骤1：在葡萄采摘机器人的机械臂驱动下，末端执行器逐渐靠近葡萄果梗的中上部，直到葡萄果梗的中上部分位于左夹爪2和右夹爪3的中心处。

步骤2：夹持操作：舵机8带动螺柱5做顺时针旋转运动；螺柱5通过螺纹带动螺管6做沿螺管导轨左槽15、螺管导轨右槽16和螺管导轨18的向下的线性滑动运动；螺管6通过左连杆71、右连杆72带动左夹爪2、右夹爪3做沿左夹爪导轨槽11、右夹爪导轨槽12的线性滑动运动，从而收紧左夹爪2、右夹爪3，完成夹持操作；

在左夹爪2、右夹爪3的收紧过程中，需要说明的是：左软接触胶垫23、右软接触胶垫33在接触到葡萄果梗时，产生一定程度上的形变，直到第一次夹紧葡萄果梗，此时由于左夹爪2、右夹爪3内部弹簧弹力的选择，弹簧尚未产生形变，若在此时剪断葡萄果梗，末端执行器仍可稳定夹紧葡萄果梗；继续收紧左右夹爪，在弹簧发生形变后的夹紧过程中，末端执行器同样可以稳定夹紧葡萄果梗，防止夹持过程中葡萄的掉落。

步骤3：剪切操作：左刀刃41、右刀刃42分别固定于左夹爪2、右夹爪3的表面，刀刃的位置均未超过左软接触胶垫23与右软接触胶垫33，保证了在第一次夹紧葡萄果梗的过程中刀刃不会触碰到葡萄果梗；在弹簧发生形变后的夹紧过程中，左刀刃41和右刀刃42逐渐靠近，直到切入葡萄果梗，完成剪切操作，此时弹簧形变达到夹爪设置极限，夹爪完全收紧；

在上述剪切操作的过程中，需要说明的是：左刀刃41、右刀刃42的设置，从左、右两端同时给到葡萄果梗压力，避免了单刀刃切割过程中葡萄果梗受力形变及葡萄藤形变的问题；同时，由于左刀刃41、右刀刃42的高度不同，在剪切操作过程中两刀刃完全不会发生触碰，且左刀刃41、右刀刃42可分别同时完成剪切操作，可确保剪切操作的顺利完成。

步骤4：松放操作：在葡萄采摘机器人的机械臂驱动下，末端执行器夹持葡萄果梗运动到收集箱；然后舵机8带动螺柱5做逆时针旋转运动；螺柱5通过螺纹带动螺管6做沿螺管导轨左槽15、螺管导轨右槽16和螺管导轨18的向上的线性滑动运动；螺管6通过左连杆71、右连杆72带动左夹爪2、右夹爪3做沿左夹爪导轨槽11、右夹爪导轨槽12的线性滑动运动，从而张开左夹爪2、右夹爪3，完成松放操作。

以上所述本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，以更好说明本发明的原理和实际应用，并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式，不能因此而理解为对本发明的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形、改进、添加或替换，这些均属于本发明的保护范围。