全文摘要
果实采摘机械手，属于农业果蔬自动化采摘末端执行器技术领域，本实用新型为了解决现有采摘末端执行器在采摘过程中会对果实产生物理损伤，采摘过程复杂，效率低的问题。直线进给定位组件和剪切组件，所述直线进给定位组件上安装有剪切组件，剪切组件可在直线进给定位组件上做往复直线运动，直线进给定位组件可安装在采摘机器人的机械臂上。本实用新型的果实采摘机械手可避免与果实直接接触，通用性强，提高了采摘效率。
主设计要求
1.果实采摘机械手，其特征在于：包括直线进给定位组件和剪切组件，所述直线进给定位组件上安装有剪切组件，剪切组件可在直线进给定位组件上做往复直线运动，直线进给定位组件可安装在采摘机器人的机械臂上；所述剪切组件为圆筒剪切组件或方筒剪切组件。
设计方案
1.果实采摘机械手，其特征在于：包括直线进给定位组件和剪切组件，所述直线进给定位组件上安装有剪切组件，剪切组件可在直线进给定位组件上做往复直线运动，直线进给定位组件可安装在采摘机器人的机械臂上；
所述剪切组件为圆筒剪切组件或方筒剪切组件。
2.根据权利要求1所述的果实采摘机械手，其特征在于：所述直线进给定位组件包括基座(1)、直线导轨(2)、液压缸固定支座(3)、第一液压缸(5)、液压缸托架(6)、移动底板推片(8)和移动底板(9)；
所述移动底板(9)通过直线导轨(2)滑动安装在基座(1)上，液压缸固定支座(3)固定安装在基座(1)的下端面上，第一液压缸(5)通过第一圆柱销(4)铰接在液压缸固定支座(3)上，且第一液压缸(5)的缸体通过液压缸托架(6)固定在基座(1)的下端面上，第一液压缸(5)输出端的第一活塞杆(7)通过移动底板推片(8)与移动底板(9)相连接。
3.根据权利要求2所述的果实采摘机械手，其特征在于：所述剪切组件包括剪切执行器、外剪切筒(13)和内剪切筒(30)；
所述剪切执行器和外剪切筒(13)固定安装在移动底板(9)上，内剪切筒(30)固定安装在剪切执行器的输出端上，且位于外剪切筒(13)内。
4.根据权利要求3所述的果实采摘机械手，其特征在于：所述剪切执行器包括第一外剪切筒支座(10)、果实采收连接器(11)、第二外剪切筒支座(12)、液压缸上支座(38)、液压缸支座支架(39)、第二液压缸(40)和液压缸支座(42)；
所述外剪切筒(13)通过第一外剪切筒支座(10)和第二外剪切筒支座(12)固定安装在移动底板(9)的右端，液压缸支座(42)固定安装在移动底板(9)的左端，第二液压缸(40)通过第二圆柱销(41)铰接在液压缸支座(42)上，第一外剪切筒支座(10)和液压缸支座(42)之间还设有液压缸支座支架(39)，第二液压缸(40)的缸体通过液压缸上支座(38)固定安装在液压缸支座支架(39)上，第二液压缸(40)输出端的第二活塞杆(37)通过第一内剪切筒固定片(35)和第二内剪切筒固定片(36)与内剪切筒(30)相连接，且内剪切筒(30)位于外剪切筒(13)内部，果实采收连接器(11)镶嵌在移动底板(9)的右端，位于外剪切筒(13)的正下方，果实采收连接器(11)的入口端与外剪切筒(13)和内剪切筒(30)连通，果实采收连接器(11)的出口端与果实收集装置或收集袋连通。
5.根据权利要求3所述的果实采摘机械手，其特征在于：所述外剪切筒(13)的侧壁上开有X形剪切槽，X形剪切槽的两侧对称开有第一Y形剪切槽和第二Y形剪切槽，内剪切筒(30)的侧壁上对称开有两个梯形剪切槽，两个梯形剪切槽关于两个梯形剪切槽的交点对称。
6.根据权利要求5所述的果实采摘机械手，其特征在于：所述X形剪切槽包括左长导向边(18)、左切削刃(19)、左触发边(20)、左短导向边(21)、右短导向边(22)、右触发边(23)、右切削刃(24)和右长导向边(25)，所述左切削刃(19)与左短导向边(21)之间的垂直距离等于果梗直径的1.2倍，所述右切削刃(24)与右短导向边(22)之间的垂直距离等于果梗直径的1.2倍。
7.根据权利要求5所述的果实采摘机械手，其特征在于：所述第一Y形剪切槽包括第一L形导向边(14)、第一触发边(15)、第一切削刃(16)和第一上导向边(17)，第二Y形剪切槽包括第二L形导向边(29)、第二触发边(28)、第二切削刃(27)和第二上导向边(26)。
8.根据权利要求5所述的果实采摘机械手，其特征在于：所述两个梯形剪切槽包括第三切削刃(31)、第四切削刃(32)、第五切削刃(33)和第六切削刃(34)。
9.根据权利要求6所述的果实采摘机械手，其特征在于：所述左触发边(20)和右触发边(23)均安装有力传感器。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及一种末端执行器，具体涉及果实采摘机械手，属于农业果蔬自动化采摘末端执行器技术领域。
背景技术
我国是世界上最大的果蔬生产和消费国，据统计2016年我国果园、蔬菜种植面积分别为1298.2万hm2<\/sup>和2232.83万hm2<\/sup>，果蔬产量稳居世界第一。而果蔬采摘是生产链中最为耗时、费力的一个环节。目前，国内多数果蔬采摘采用人工采摘，采摘费用约占成本的50％—70％。实现果蔬的机械化采摘，对于解决水果产业的劳动力不足、生产成本高、生产效率低等问题以及提高果蔬的市场竞争力等方面均有重要的意义。
近年来，采摘机器人的研究已成为采摘机械研究的热点，大量研究人员对果实采摘机器人进行了研究。目前，实现采摘的方式主要有两种，一种是设计相应的机构对果实进行加持抓牢，再利用腕关节的两个垂直方向上的转动来模拟人手掰拧果梗的动作，其要求采摘果实的果梗与果实结合力小，同时需要严格控制果实加持力的大小，力太小果实与果梗无法分离，力太大对果实产生物理损伤。另一种是利用吸盘将果实吸牢，并将其拖入夹持手指之间，再利用剪刀将果梗打断，这种方式要求检测好果梗的位置与方向，并精确调整好末端执行器的相应采摘姿态，从而增加了控制难度和机构复杂程度。
现有的研究成果大多都停留在试验研发阶段，尚未有成熟的、能够商业化的产品。其主要原因是：1)现有采摘末端执行器在采摘过程中不可避免的与果实产生直接接触，对果实产生物理损伤；2)末端执行器结构复杂、外观尺寸大，应用受限于开放式的、复杂的果蔬种植园种植环境；3)果实采摘和果实收集过程复杂，效率低；4)果实分离采用单切削刃刀具切断果梗，切削过程中对果枝产生较大的作用力，果实采摘后果枝振动严重，使得果实图像识别系统无法识别确定果实位置，延长了两次采摘之间的时间；5)末端执行器通用性差，一种末端执行器只能够采摘一种果实，使用效率低。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供果实采摘机械手，以解决现有采摘末端执行器在采摘过程中会对果实产生物理损伤，采摘过程复杂，效率低的问题。
果实采摘机械手包括直线进给定位组件和剪切组件，所述直线进给定位组件上安装有剪切组件，剪切组件可在直线进给定位组件上做往复直线运动，直线进给定位组件可安装在采摘机器人的机械臂上；
所述剪切组件为圆筒剪切组件或方筒剪切组件。
优选的：直线进给定位组件包括基座、直线导轨、液压缸固定支座、第一液压缸、液压缸托架、移动底板推片和移动底板；
移动底板通过直线导轨滑动安装在基座上，液压缸固定支座固定安装在基座的下端面上，第一液压缸通过第一圆柱销铰接在液压缸固定支座上，且第一液压缸的缸体通过液压缸托架固定在基座的下端面上，第一液压缸输出端的第一活塞杆通过移动底板推片与移动底板相连接。
优选的：剪切组件包括剪切执行器、外剪切筒和内剪切筒；
剪切执行器和外剪切筒固定安装在移动底板上，内剪切筒固定安装在剪切执行器的输出端上，且位于外剪切筒内。
优选的：剪切执行器包括第一外剪切筒支座、果实采收连接器、第二外剪切筒支座、液压缸上支座、液压缸支座支架、第二液压缸和液压缸支座；
外剪切筒通过第一外剪切筒支座和第二外剪切筒支座固定安装在移动底板的右端，液压缸支座固定安装在移动底板的左端，第二液压缸通过第二圆柱销铰接在液压缸支座上，第一外剪切筒支座和液压缸支座之间还设有液压缸支座支架，第二液压缸的缸体通过液压缸上支座固定安装在液压缸支座支架上，第二液压缸输出端的第二活塞杆通过第一内剪切筒固定片和第二内剪切筒固定片与内剪切筒相连接，且内剪切筒位于外剪切筒内部，果实采收连接器镶嵌在移动底板的右端，位于外剪切筒的正下方，果实采收连接器的入口端与外剪切筒和内剪切筒连通，果实采收连接器的出口端与果实收集装置或收集袋连通。
优选的：基座的左端安装有机械臂连接板，且机械臂连接板的两侧通过第一肋板和第二肋板与基座加固。
优选的：外剪切筒的侧壁上开有X形剪切槽，X形剪切槽的两侧对称开有第一Y形剪切槽和第二Y形剪切槽，内剪切筒的侧壁上对称开有两个梯形剪切槽，两个梯形剪切槽关于两个梯形剪切槽的交点对称。
优选的：X形剪切槽包括左长导向边、左切削刃、左触发边、左短导向边、右短导向边、右触发边、右切削刃和右长导向边，所述左切削刃与左短导向边之间的垂直距离等于果梗直径的1.2倍，所述右切削刃与右短导向边之间的垂直距离等于果梗直径的1.2倍。
优选的：第一Y形剪切槽包括第一L形导向边、第一触发边、第一切削刃和第一上导向边，第二Y形剪切槽包括第二L形导向边、第二触发边、第二切削刃和第二上导向边。
优选的：两个梯形剪切槽包括第三切削刃、第四切削刃、第五切削刃和第六切削刃。
优选的：左触发边和右触发边均安装有力传感器。
本实用新型与现有产品相比具有以下效果：
1、内、外剪切筒不与果实表面直接接触，只是通过内、外剪切筒上的切削刃对果梗进行切割，省掉了现有采摘末端执行器的夹持机构及夹持力的控制部分，由于没有直接接触果实表面，所以在采摘过程中不存在损伤果实的情况；
2、由内、外剪切筒剪切槽之间的配合，无需判断检测果梗与末端执行器的相对位置，只要果实进入剪切筒内，本实用新型即可将果柄切断；
3、外剪切筒“X”形和“Y”形剪切槽的设计可最大限度的自适应果实在果枝上的自然生长状态，同时通过内、外剪切筒双剪切刃对果梗的剪切作用，可最大限度的降低果实剪切后引起的果枝振动，保证了连续采摘的进行；
4、果梗剪断后果实从果实采收连接器直接进入收集装置，省掉了传统采摘末端执行器的收集动作，提高采摘效率；
5、动力传动中间环节少，传动效率高，反应灵敏；
6、通用性强，不仅适用于球形果实，适用于能进入剪切筒内的任何形状的果实。
附图说明
图1是果实采摘机械手的结构示意图；
图2是外剪切筒的结构示意图；
图3是内剪切筒的结构示意图；
图4是内外剪切筒的装配示意图；
图5是连接通道的结构示意图；
图6是内外剪切筒工作时切削刃形成的切削梯形的结构示意图。
图中：1-基座、2-直线导轨、3-液压缸固定支座、4-第一圆柱销、5-第一液压缸、6-液压缸托架、7-第一活塞杆、8-移动底板推片、9-移动底板、10-第一外剪切筒支座、11-果实采收连接器、12-第二外剪切筒支座、13-外剪切筒、14-第一L形导向边、15-第一触发边、16-第一切削刃、17-第一上导向边、18-左长导向边、19-左切削刃、20-左触发边、21-左短导向边、22-右短导向边、23-右触发边、24-右切削刃、25-右长导向边、26-第二上导向边、27-第二切削刃、28-第二触发边、29-第二L形导向边、30-内剪切筒、31-第三切削刃、32-第四切削刃、33-第五切削刃、34-第六切削刃、35-第一内剪切筒固定片、36-第二内剪切筒固定片、37-第二活塞杆、38-液压缸上支座、39-液压缸支座支架、40-第二液压缸、41-第二圆柱销、42-液压缸支座、43-第一肋板、44-第二肋板、45-机械臂连接板、46-内剪切筒果实采收连接器接口、47-外剪切筒果实采收连接器接口。
具体实施方式
下面根据附图详细阐述本实用新型优选的实施方式。
如图1至图6所示，本实用新型所述的果实采摘机械手包括直线进给定位组件和剪切组件，所述直线进给定位组件上安装有剪切组件，剪切组件可在直线进给定位组件上做往复直线运动，直线进给定位组件可安装在采摘机器人的机械臂上；
剪切组件为圆筒剪切组件或方筒剪切组件。
进一步：直线进给定位组件包括基座1、直线导轨2、液压缸固定支座3、第一液压缸5、液压缸托架6、移动底板推片8和移动底板9；
移动底板9通过直线导轨2滑动安装在基座1上，液压缸固定支座3固定安装在基座1的下端面上，第一液压缸5通过第一圆柱销4铰接在液压缸固定支座3上，且第一液压缸5的缸体通过液压缸托架6固定在基座1的下端面上，第一液压缸5输出端的第一活塞杆7通过移动底板推片8与移动底板9相连接。
进一步：剪切组件包括剪切执行器、外剪切筒13和内剪切筒30；
剪切执行器和外剪切筒13固定安装在移动底板9上，内剪切筒30固定安装在剪切执行器的输出端上，且位于外剪切筒13内。
进一步：剪切执行器包括第一外剪切筒支座10、果实采收连接器11、第二外剪切筒支座12、液压缸上支座38、液压缸支座支架39、第二液压缸40和液压缸支座42；
外剪切筒13通过第一外剪切筒支座10和第二外剪切筒支座12固定安装在移动底板9的右端，液压缸支座42固定安装在移动底板9的左端，第二液压缸40通过第二圆柱销41铰接在液压缸支座42上，第一外剪切筒支座10和液压缸支座42之间还设有液压缸支座支架39，第二液压缸40的缸体通过液压缸上支座38固定安装在液压缸支座支架39上，第二液压缸40输出端的第二活塞杆37通过第一内剪切筒固定片35和第二内剪切筒固定片36与内剪切筒30相连接，且内剪切筒30位于外剪切筒13内部，果实采收连接器11镶嵌在移动底板9的右端，位于外剪切筒13的正下方，果实采收连接器11的入口端与外剪切筒13和内剪切筒30连通，果实采收连接器11的出口端与果实收集装置或收集袋连通。
进一步：基座1的左端安装有机械臂连接板45，且机械臂连接板45的两侧通过第一肋板43和第二肋板44与基座1加固。
进一步：外剪切筒13的侧壁上开有X形剪切槽，X形剪切槽的两侧对称开有第一Y形剪切槽和第二Y形剪切槽，内剪切筒30的侧壁上对称开有两个梯形剪切槽，两个梯形剪切槽关于两个梯形剪切槽的交点对称。
进一步：X形剪切槽包括左长导向边18、左切削刃19、左触发边20、左短导向边21、右短导向边22、右触发边23、右切削刃24和右长导向边25，左切削刃19与左短导向边21之间的垂直距离等于果梗直径的1.2倍，所述右切削刃24与右短导向边22之间的垂直距离等于果梗直径的1.2倍。
进一步：第一Y形剪切槽包括第一L形导向边14、第一触发边15、第一切削刃16和第一上导向边17，第二Y形剪切槽包括第二L形导向边29、第二触发边28、第二切削刃27和第二上导向边26。
其中第一L形导向边14、第一触发边15、第一切削刃16和第一上导向边17、左长导向边18、左切削刃19、左触发边20、左短导向边21、右短导向边22、右触发边23、右切削刃24、右长导向边25、第二上导向边26、第二切削刃27、第二触发边28和第二L形导向边29顺次首尾相连。
进一步：两个梯形剪切槽包括第三切削刃31、第四切削刃32、第五切削刃33和第六切削刃34；第三切削刃31、第四切削刃32、第五切削刃33和第六切削刃34顺次首尾相连。
进一步：左触发边20和右触发边23均安装有力传感器。
内剪切筒30和外剪切筒13在执行剪切动作时，外剪切筒13的第二Y形剪切槽的第二上导向边26、第二触发边28、第二切削刃27与内剪切筒30的第六切削刃34构成封闭的切削梯形。
内剪切筒30和外剪切筒13在执行剪切动作时，外剪切筒13的第一Y形剪切槽的第一上导向边17、第一触发边15、第一切削刃16与内剪切筒30的第三切削刃31构成封闭的切削梯形。
内剪切筒30和外剪切筒13在执行剪切动作时，外剪切筒13的X形剪切槽的左切削刃19、左触发边20、左短导向边21与内剪切筒30的第四切削刃32构成封闭的切削梯形。
内剪切筒30和外剪切筒13在执行剪切动作时，外剪切筒13的X形剪切槽的右切削刃24、右触发边28、右短导向边29与内剪切筒30的第五切削刃33构成封闭的切削梯形。
工作原理：
(1)果梗定位；第一液压缸5通入相应方向的液压油后，第一活塞杆7通过移动底板推片8带动移动底板9整体向前移动，果实进入外剪切筒13内部，果梗根据自身位置沿导向边自适应进入“X”形或“Y”形剪切槽；
(2)切断果梗与采集果实；果梗进入剪切槽后，第一活塞杆7继续伸出直至果梗触碰到“X”形或“Y”形剪切槽的触发边触发应力传感器，第一液压缸5的第一活塞杆7停止伸出，第二液压缸40的第二活塞杆37伸出推动内剪切筒30前进，外剪切筒13和内剪切筒30上的剪切槽构成封闭的切削梯形将果梗封闭在内，第二活塞杆37继续伸出，直至封闭的切削梯形的面积为零，在此过程中，外剪切筒13和内剪切筒30的切削刃共同作用实现果梗切断的功能，果梗切断后果实沿内剪切筒30的内壁滑到内剪切筒果实采收连接器接口46，并穿过外剪切筒果实采收连接器接口47进入果实采收连接器11，果实随即落入果实收集装置内，其中第二液压缸40的行程可由切削梯形的面积为零的位置决定，从而省掉了液压泵驱动内剪切筒30时所需限制位移的行程开关；内剪切筒30与外剪切筒13切削刃之间的剪切力由工作液体的压强决定。
利用果实采摘机械手进行采摘时，具体分为三步：
(1)首先果实采摘机器人通过视觉识别系统采集待采果实的图像，经过对采集到的果实图像的处理分析得到果实的空间坐标位置，然后由机器人控制机械臂各关节联动，带动本实用新型运动到待采摘位置上，在此过程中本实用新型的直线进给定位组件处于待采摘状态，即：第一液压缸5的第一活塞杆7保持未伸出状态，移动底板9相对基座1位移为最小，保证外剪切筒13能够前进的位移最大果实能够顺利进入外剪切筒13内；
(2)当果实处于外剪切筒13前方，并且在外剪切筒13的前进方向上果实全部位于外剪切筒13所在圆柱的内部，即末端执行器到达指定的采摘位置，通过控制第一液压缸5驱动其第一活塞杆7伸出，通过移动底板推片8使移动底板9整体向前移动，果实进入外剪切筒13内部，果梗根据自身位置沿导向边自适应进入“X”形或“Y”形剪切槽，直至果梗触碰到“X”形或“Y”形剪切槽的触发边触发应力传感器，然后第一液压缸5的第一活塞杆7停止伸出，第二液压缸40的第二活塞杆37伸出推动内剪切筒30前进，外剪切筒13和内剪切筒30上的剪切槽构成封闭的切削梯形将果梗封闭在内，第二活塞杆37继续伸出，直至封闭的切削梯形的面积为零，第二活塞杆37达到最大行程，在此过程中，外剪切筒13和内剪切筒30的切削刃共同作用将果梗切断；
(3)果实沿内剪切筒30的内壁滑到内剪切筒果实采收连接器接口46，并穿过外剪切筒果实采收连接器接口47进入果实采收连接器11，果实随即落入果实收集装置内，至此，末端执行器完成了对一个果实采摘的全过程。
上述果实采收连接器11可为带有法兰盘的方管。
直线进给定位组件用来保证剪切组件在液压缸的驱动下进行前后直线移动，实现任意位置果实进入外剪切筒内，果梗根据自身位置自适应进入外剪切筒的“X”形或“Y”形剪切槽中，这避免了执行器与果实的直接接触，也省掉了对果柄位置的检测；剪切组件用来保证果梗的顺利切割和果实的采集，通过外剪切筒和内剪切筒上的剪切槽构成封闭的切削梯形将果梗封闭在内，随着液压缸活塞杆的伸出切削梯形的面积逐渐减小直至为0时，外剪切筒和内剪切筒的切削刃共同作用将果梗切断，这无需判断检测果梗与末端执行器的相对位置，省掉了采摘末端执行器的夹持机构及夹持力的控制部分，将果梗切断后果枝的振动效应降低到最小，保证了连续采摘的进行，果梗切断后果实通过果实采收连接器，落入果实收集装置内。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920093854.7
申请日:2019-01-21
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:93(哈尔滨)
授权编号:CN209462955U
授权时间:20191008
主分类号:A01D 46/247
专利分类号:A01D46/247;A01D46/22
范畴分类:12A;
申请人:哈尔滨商业大学
第一申请人:哈尔滨商业大学
申请人地址:150028 黑龙江省哈尔滨市松北区学海街1号
发明人:许威
第一发明人:许威
当前权利人:哈尔滨商业大学
代理人:曹徐婷
代理机构:23209
代理机构编号:哈尔滨市伟晨专利代理事务所（普通合伙）
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计