一种苹果采摘机器人的采摘装置及其采摘方法

摘要

本发明提出了一种苹果采摘机器人的采摘装置及其采摘方法，属于农业工程领域。解决了现有技术中的采摘设备不便于在苹果园中转运，采摘成功率低的问题。它包括采摘执行器和移动框架，采摘执行器安装在移动框架上，采摘执行器包括采摘臂爪、驱动机构和稳定座，采摘臂爪的中部和尾部分别安装在驱动机构和稳定座内，驱动机构和稳定座皆安装在移动框架上：采摘臂爪包括旋转臂、单作用弹簧复位气压缸和采摘组件，旋转臂中部和尾部分别安装在驱动机构和稳定座内，采摘组件安装在单作用弹簧复位气压缸的输出端上，单作用弹簧复位气压缸的固定端与旋转臂连接。它主要用于矮化苹果品种的采摘。

说明书

技术领域

本发明属于农业工程领域，特别是涉及一种苹果采摘机器人的采摘装置及其采摘方法。

背景技术

面对苹果的巨大产能，传统的苹果人工采摘方式已无法适应当下需求，具体表现为：苹果采摘期较短，要求采摘工人具备一定熟练度；人工采摘效率低、劳动强度大；中国人口结构的改变，人力资源不断减少、人力成本不断上升等。

为解决上述问题，申请号为CN202110790607.4公开了一种苹果采摘机器人末端执行机构，该机构安装在采摘机器人上，通过电机带动连杆、滑块在导轨上运动使滑块带动手指外壳运动，实现夹持机构的开合以夹持苹果，同时带动切割机构闭合，实现切断果梗，但是该发明占用空间较大，容易在采摘中同时抓取较粗树枝，造成采摘失败；申请号为CN202110126500.X公开了一种自由度高的苹果采摘机器人，该采摘机器人通过增加机械手移动自由的解决了采摘机器人不方便调节的问题，但是该发明并未解决采摘终端适应性问题；申请号为 CN202010039178.2公开了一种用于苹果高效采摘机器人，包括旋转组件、升降组件、活动组件、抓取组件和切割组件，切割组件可将被抓取苹果的果梗剪断，但是该发明未考虑到苹果生长一致性较差，切割组件在剪切过程中无法准确切断果梗的情况；申请号为CN201910152791.2公开了一种苹果采摘机械手，该采摘机械手配有两关节手指，手指由螺旋弹簧固定后安装于掌盘，每根手指由两个指节、一个驱动连杆和一个从动连杆组成，驱动连杆上的腱绳贯穿掌盘后垂直固定在升降圆盘，升降圆盘另一端通过腱绳连接驱动电机，通过电机驱动、腱绳传动，带动手指聚拢，实现由一个电机同时驱动3个手指完成对苹果的包络抓取，但是该发明存在体积庞大的问题，对于果实较密集的果树，容易造成周围果实或树枝的损伤。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种苹果采摘机器人的采摘装置及其采摘方法, 以解决现有技术中的采摘设备不便于在苹果园中转运，采摘成功率低的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种苹果采摘机器人的采摘装置，包括采摘执行器和移动框架，所述采摘执行器安装在移动框架上，所述采摘执行器包括采摘臂爪、驱动机构和稳定座，采摘臂爪的中部和尾部分别安装在驱动机构和稳定座内，所述驱动机构和稳定座皆安装在移动框架上；

所述采摘臂爪包括旋转臂、单作用弹簧复位气压缸和采摘组件，所述旋转臂中部和尾部分别安装在驱动机构和稳定座内，所述采摘组件安装在单作用弹簧复位气压缸的输出端上，所述单作用弹簧复位气压缸的固定端与旋转臂连接。

更进一步的，所述采摘组件包括滑槽筒、滑动板、固定板、三个采摘指和连接杆，所述滑槽筒底端安装在旋转臂的头部，所述滑动板安装在单作用弹簧复位气压缸的输出端，所述滑动板滑动安装在滑槽筒内，所述固定板固定安装在滑槽筒的开口端，所述固定板均布铰接有三个连接杆，三个连接杆的另一端分别铰接在三个采摘指的中部，三个采摘指的尾部皆铰接在滑动板上。

更进一步的，所述驱动机构包括壳体、蜗杆、蜗轮、驱动电机、电机座、第一轴瓦以及第二轴瓦，所述蜗杆安装在驱动电机的输出轴上，所述驱动电机通过电机座安装在壳体上，所述蜗轮通过第二轴瓦转动安装在壳体内，所述蜗杆通过第一轴瓦转动安装在壳体内，所述蜗杆与蜗轮啮合连接，所述壳体外部安装有盖板，所述壳体安装在移动框架上，所述旋转臂中部与蜗轮同轴连接。

更进一步的，所述稳定座包括相互连接的安装座和固定轴承，所述旋转臂尾部与固定轴承内圈连接，所述安装座安装在移动框架上。

更进一步的，所述移动框架包括X向导轨组件、两个Y向导轨组件和两个Z 向导轨组件，所述X向导轨组件的两端分别滑动安装在两个Y向导轨组件上，两个Y向导轨组件分别滑动安装在两个Z向导轨组件上，所述安装座与壳体皆安装在X向导轨组件上。

更进一步的，所述采摘指的中部设有若干个调节孔，所述固定板外端均布三个第二安装臂，所述连接杆的两端分别与对应采摘指的其中一个调节孔和第二安装臂铰接。

更进一步的，所述采摘指头部为弧形，所述采摘指头部设有第二橡胶垫，所述固定板上设有第一橡胶垫。

更进一步的，所述滑动板外端均布设有三个第一安装臂，所述滑槽筒均布设有三个滑槽，三个第一安装臂分别滑动安装在三个滑槽内。

更进一步的，所述蜗轮上设有固定孔和中心孔，所述旋转臂穿过中心孔通过固定孔以及紧固件的配合与蜗轮固定连接。

一种苹果采摘机器人的采摘装置的采摘方法，它包括以下步骤:

步骤1：通过移动框架的Y向导轨组件以及Z向导轨组件将处于张开状态的采摘执行器移动至待采苹果正前方；

步骤2：通过移动框架的X向导轨组件将采摘执行器向待采苹果移动，直至待采苹果进入采摘臂爪的作用范围；

步骤3：向单作用弹簧复位气压缸进气口通气，气压缸的输出端伸出，实现滑动板、采摘指和连接杆的联动并与固定板一同实现对苹果的抓取；

步骤4：启动驱动电机带动采摘臂爪旋转，同时，通过X向导轨组件将采摘臂爪向X方向移动，使被抓取的苹果在旋转作用力及X向作用力的共同作用下被摘取；

步骤5：通过移动框架将采摘臂爪移动至收集盒上方:；

步骤6：关闭单作用弹簧复位气压缸，采摘臂爪返回张开状态，苹果在重力的作用下落入收集盒内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明采用旋转及向后牵引的叠加作用力采摘苹果，相对于现有技术中仅使用向后牵引的方法，可有效提升采摘成功率。

2、本发明中的采摘臂爪体积小巧、结构简便，在采摘过程中不易损伤周围苹果及树枝。

3、本发明可通过采摘指上的调节孔快速调整采摘臂爪的抓取空间，可以应对不同大小、不同品种的苹果，适应性较强。

4、本发明结构紧凑，可以整体安装在小车上，可实现在苹果园中的快速移动。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的轴测图；

图2为本发明的采摘执行器轴测图；

图3为本发明的采摘臂爪轴测图；

图4为本发明的滑槽筒主视图；

图5为本发明的滑动板轴测图；

图6为本发明的固定板轴测图；

图7为本发明的采摘指正视图；

图8为本发明的驱动机构拆除盖板视图；

图9为本发明的驱动机构安装盖板视图；

图10为本发明的蜗轮轴测图；

图11为本发明的稳定座轴测图；

图12为本发明的移动装置轴测图；

图13为本发明的采摘臂爪的张开状态的示意图；

图14为本发明的采摘臂爪的抓取状态的示意图。

1：采摘执行器，2：移动框架，1-1：采摘臂爪，1-1-1：旋转臂，1-1-2：单作用弹簧复位气压缸，1-1-3：滑槽筒，1-1-4：滑动板，1-1-5：固定板，1-1-6：采摘指，1-1-7：连接杆，1-1-8：第一橡胶垫，1-1-9：第二橡胶垫，1-1-10：滑槽，1-1-11：第一安装臂，1-1-12：第二安装臂，1-1-13：调节孔，1-2：驱动机构，1-2-1：壳体，1-2-2：电机座，1-2-3：驱动电机，1-2-4：蜗杆，1-2-5：蜗轮，1-2-6：第一轴瓦，1-2-7：盖板，1-2-8：固定孔，1-2-9：中心孔，1-2-10：第二轴瓦，1-3：稳定座，1-3-1：安装座，1-3-2：固定轴承，2-1：X向导轨组件，2-2：Y向导轨组件，2-3：Z向导轨组件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参见图1-14说明本实施方式，一种苹果采摘机器人的采摘装置，其包括采摘执行器1和移动框架2，采摘执行器1安装在移动框架2上，采摘执行器1 包括采摘臂爪1-1、驱动机构1-2和稳定座1-3，采摘臂爪1-1的中部和尾部分别安装在驱动机构1-2和稳定座1-3内，驱动机构1-2和稳定座1-3皆安装在移动框架2上，采摘臂爪1-1包括旋转臂1-1-1、单作用弹簧复位气压缸1-1-2 和采摘组件，旋转臂1-1-1中部和尾部分别安装在驱动机构1-2和稳定座1-3 内，采摘组件安装在单作用弹簧复位气压缸1-1-2的输出端上，单作用弹簧复位气压缸1-1-2的固定端与旋转臂1-1-1连接。

通过移动框架2将采摘执行器1向着待采苹果移动，通过单作用弹簧复位气压缸1-1-2使采摘组件将苹果夹取，然后启动驱动机构1-2，带动旋转臂1-1-1 旋转，进而使采摘组件能够夹持着苹果转动，同时通过移动框架2也能够对采摘组件施加一个X方向的牵引力，从而该采摘装置采用旋转和向后牵引的叠加作用力来采摘苹果，能够有效提高采摘成功率，该装置结构紧凑，可以整体安装在小车上，可实现在苹果园中的快速移动，该装置适用于一般苹果品种的采摘，尤其适用于矮化苹果品种，且栽培模式为二维平面树形，安装在采摘机器人上后，可根据提供的苹果位置坐标进行仿人手采摘，采摘成功率高。

进一步地，采摘组件包括滑槽筒1-1-3、滑动板1-1-4、固定板1-1-5、三个采摘指1-1-6和连接杆1-1-7，滑槽筒1-1-3底端安装在旋转臂1-1-1的头部，滑动板1-1-4安装在单作用弹簧复位气压缸1-1-2的输出端，滑动板1-1-4 滑动安装在滑槽筒1-1-3内，固定板1-1-5固定安装在滑槽筒1-1-3的开口端，固定板1-1-5均布铰接有三个连接杆1-1-7，三个连接杆1-1-7的另一端分别铰接在三个采摘指1-1-6的中部，三个采摘指1-1-6的尾部皆铰接在滑动板 1-1-4上，滑动板1-1-4外端均布设有三个第一安装臂1-1-11，滑槽筒1-1-3 均布设有三个滑槽1-1-10，三个第一安装臂1-1-11分别滑动安装在三个滑槽 1-1-10内，当单作用弹簧复位气压缸1-1-2的输出端位伸出时，滑动板1-1-4 处于滑槽筒1-1-3底部，此时，三个采摘指1-1-6处于张开状态，在抓取苹果时，单作用弹簧复位气压缸1-1-2进气通气时，输出端伸出，带动滑动板1-1-4 移动至滑槽筒1-1-3开口端，滑动板1-1-4通过第一安装臂1-1-11带动采摘指 1-1-6和连接杆1-1-7向着苹果的方向移动，并与固定板1-1-5形成抓取空间，来实现对苹果的抓取，完成抓取后，关闭单作用弹簧复位气压缸1-1-2，输出端在内部弹簧的作用下复位并且使三个采摘指1-1-6返回张开状态。

进一步地，驱动机构1-2包括壳体1-2-1、蜗杆1-2-4、蜗轮1-2-5、驱动电机1-2-3和电机座1-2-2，蜗杆1-2-4安装在驱动电机1-2-3的输出轴上，驱动电机1-2-3通过电机座1-2-2安装在壳体1-2-1上，蜗轮1-2-5通过第二轴瓦1-2-10转动安装在壳体1-2-1内，蜗杆1-2-4通过第一轴瓦1-2-6转动安装在壳体1-2-1内，蜗杆1-2-4与蜗轮1-2-5啮合连接，壳体1-2-1外部安装有盖板1-2-7，壳体1-2-1安装在移动框架2上，旋转臂1-1-1中部与蜗轮1-2-5同轴连接，稳定座1-3包括相互连接的安装座1-3-1和固定轴承1-3-2，旋转臂1-1-1尾部与固定轴承1-3-2内圈连接，安装座1-3-1安装在移动框架2上，蜗轮1-2-5上设有固定孔1-2-8和中心孔1-2-9，旋转臂1-1-1穿过中心孔1-2-9 通过固定孔1-2-8以及紧固件的配合与蜗轮1-2-5固定连接，在采摘指1-1-6 抓取苹果之后，启动驱动电机1-2-3，带动蜗杆1-2-4旋转，蜗轮1-2-5通过与蜗杆1-2-4啮合连接进行旋转，旋转臂1-1-1通过固定孔1-2-8以及紧固件与蜗轮1-2-5固定连接，从而在蜗轮1-2-5旋转时，能够带动旋转臂1-1-1旋转，并且在稳定座1-3上的固定轴承1-3-2支撑作用下，进而实现稳定的作业效果。

进一步地，移动框架2包括X向导轨组件2-1、两个Y向导轨组件2-2和两个Z向导轨组件2-3，X向导轨组件2-1的两端分别滑动安装在两个Y向导轨组件2-2上，两个Y向导轨组件2-2分别滑动安装在两个Z向导轨组件2-3上，安装座1-3-1与壳体1-2-1皆安装在X向导轨组件2-1上，通过X向导轨组件 2-1、Y向导轨组件2-2和Z向导轨组件2-3可实现采摘执行器在XYZ空间内的移动。

进一步地，采摘指1-1-6的中部设有若干个调节孔1-1-13，固定板1-1-5 外端均布三个第二安装臂1-1-12，连接杆1-1-7的两端分别与对应采摘指1-1-6 的其中一个调节孔1-1-13和第二安装臂1-1-12铰接，通过设有若干个调节孔，可用于调节采摘臂爪1-1的抓取范围，以适应不同大小、不同品种的苹果。

进一步地，采摘指1-1-6头部为弧形，采摘指1-1-6头部设有第二橡胶垫 1-1-9，固定板1-1-5上设有第一橡胶垫1-1-8，可以在采摘过程中避免对苹果表面的损伤。

一种苹果采摘机器人的采摘装置的采摘方法，它包括以下步骤：

步骤1：通过移动框架2的Y向导轨组件2-2以及Z向导轨组件2-3将处于张开状态的采摘执行器1移动至待采苹果正前方；

步骤2：通过移动框架2的X向导轨组件2-1将采摘执行器1向待采苹果移动，直至待采苹果进入采摘臂爪1-1的作用范围；

步骤3：向单作用弹簧复位气压缸1-1-2进气口通气，气压缸的输出端伸出，实现滑动板1-1-4、采摘指1-1-6和连接杆1-1-7的联动并与固定板1-1-5一同实现对苹果的抓取；

步骤4：启动驱动电机1-2-3带动采摘臂爪1-1旋转，同时，通过X向导轨组件2-1将采摘臂爪1-1向X方向移动，使被抓取的苹果在旋转作用力及X向作用力的共同作用下被摘取；

步骤5：通过移动框架2将采摘臂爪1-1移动至收集盒上方；

步骤6：关闭单作用弹簧复位气压缸1-1-2，采摘臂爪1-1返回张开状态，苹果在重力的作用下落入收集盒内。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。