一种夹剪一体式荔枝采摘末端执行器

1.本发明属于水果采摘机械领域，具体涉及一种夹剪一体式荔枝采摘末端执行器。


背景技术：

2.我国荔枝种植面积约789.11万亩，荔枝总产量253.1万吨。成熟期荔枝的及时、无损、高效的采收至关重要，亟需研发智能荔枝采摘机器人，进行高效率和高质量的采摘作业。现有的荔枝采摘末端执行器主要存在以下问题：(1)由于自然环境下荔枝果梗的结果方向具有不可穷举的特点，且周围多有树枝、树叶等遮挡物，现有采摘机器人的末端执行器不具备模糊采摘的特性，无法顺利分离母枝与果实，不能提高对非结构荔枝果园环境的适应能力，导致降低采摘成功率。(2)采摘机器人的末端执行器是与果实或果实串直接接触的机构，现有末端执行器多为刚性结构，不具备柔性采摘的特性，对果实损伤较大，导致无法大规模使用。(3)现有的末端执行器一般是对单串荔枝进行采摘，无法适用多串水果的采摘，如专利cn 115250743 a通过步进电机来驱动一个剪刀做开合运动剪切和夹持果梗，一次只能进行一串果实的采摘，耗时较长，采摘效率低。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种夹剪一体式荔枝采摘末端执行器，可以进行模糊采摘、柔性采摘，减少对荔枝果实的损伤，并且可以同时进行多串荔枝的采摘，采摘效率高。
4.本发明的目的通过下述技术方案实现：
5.一种夹剪一体式荔枝采摘末端执行器，包括气动部件、动力传动部件、动力控制系统、剪切部件、夹持部件；所述气动部件包括气泵和气缸；动力传动部件包括上下传动板和传动螺栓；剪切部件包括多组上下刀片；夹持部件包括硅胶移动板和硅胶条；动力控制系统用于控制气动部件的运动；气动部件与动力传动部件相连接；动力传动部件与剪切部件、夹持部件相连接。
6.所述气动部件包括气泵和气缸8，气泵通过气管的进出气控制气缸进行前后运动；气缸8安装在气缸前固定板7上，气缸的左方、右方和后方还分别设置有气缸左固定板5、气缸右固定板10和气缸后固定板9，前、后、左、右四块固定板分别两两固定连接；气缸通过气缸推杆螺栓28与推拉板29相连接，推拉板29与下传动板31通过卡板30进行固定连接；气缸左固定板5、右固定板10的外侧均分别与上固定板2、下固定板24相固定。
7.所述动力控制系统包括单片机、电磁阀，通过单片机的指令来使电磁阀和气泵对气缸进气和放气，完成剪切作业和夹持作业。
8.所述动力传动部件包括推拉板29、卡板30、上传动板16、下传动板31、传动螺栓4；下传动板31的后端设有卡槽，前端设有通孔；推拉板29设有安装气缸推杆螺栓28的通孔和连接下传动板31的开槽；下传动板31穿过推拉板29的开槽，通过卡板30与推拉板29进行固定连接；上传动板16通过固定板螺栓14和固定板螺母13固定在下传动板31上，上传动板16
的中间位置设有斜的开槽，传动螺栓4穿过上传动板16和下传动板31的开槽；传动螺栓4与上刀片移动板18和硅胶移动板23相连接。操作时，上传动板通过开槽将驱动力传输到传动螺栓，进而传输驱动力到两块移动板上。
9.所述剪切部件包括上刀片移动板18、下刀片固定板25、上刀片20、下刀片21；上刀片移动板18与传动螺栓4相连接，前端是指排结构；上刀片移动板18可在传动螺栓4的作用下左右移动，下刀片固定板25通过螺栓固定在左固定块1、右固定块17和气缸左右固定板上；上刀片和下刀片的结构是相同的，分别固定在上刀片移动板与下刀片固定板的前端指排处。上下刀片为带有尖端的多片刀片组合而成，刀片前的尖端具有引导作用，引导荔枝果梗进入到多个相同的剪切和夹持区域；上刀片移动板通过动力传动部件带动上刀片移动，从而配合下刀片完成一次剪切作业。
10.所述夹持部件包括下固定板24、硅胶移动板23、硅胶条22；硅胶移动板的末端开有可经传动螺栓4穿过的通孔，前端开有可容纳硅胶条22的“凸”型槽的指排结构，硅胶移动板可在传动螺栓4的作用下左右移动；下固定板24的末端开有横向的滑槽，前端是l型的指排结构，用于引导荔枝果梗到刀片的剪切区域，下固定板24通过螺栓固定在左固定块1、右固定块17和气缸左右固定板上，硅胶条22插入“凸”型槽与硅胶移动板连接。可拆卸的硅胶条22起到对荔枝果梗的夹紧包围作用，用于夹紧刀片切断的荔枝串，下固定板的l型指与硅胶移动板内的硅胶条配合完成对剪断荔枝果梗的夹持。
11.所述夹剪一体式荔枝采摘末端执行器的应用，包括下述步骤：
12.(1)搭载在机械臂上的大深度相机用于对荔枝果树进行图像识别，采用rgb-d图像处理方法，识别到荔枝串的结果母枝，机械臂带动所述末端执行器到荔枝串的结果母枝前；搭载在机械臂前端、末端执行器上方的小双目相机用于对结果母枝的采摘点进行定位；
13.(2)机械臂向前使末端执行器插入到荔枝串中间，剪切部件的上下刀片为尖端结构，可以引导多串的结果母枝进入到末端执行器的剪切和夹持的区域；
14.(3)气动控制系统通过单片机指令控制气泵通气来使气缸进行运动，气缸的气缸推杆通过推拉板和下传动板将驱动力传到传动螺栓上，传动螺栓与上刀片移动板和硅胶移动板连接，控制剪切部件和夹持部件完成一次运动，实现对多串荔枝结果母枝的剪切和夹持；
15.(4)机械臂通过指令的控制，驱使末端执行器带着夹持住的荔枝串返回机械臂下方的果实收集篮处，完成一次多荔枝串的采摘活动。
16.本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：
17.(1)本发明的末端执行器在采摘过程中，剪切部件的刀片尖端可以先对荔枝果梗进行一定程度的梳理，使荔枝的果梗能够平均有序地错落在多个刀片剪切区域位上，再进行对荔枝果梗的夹剪作业，可以实现更高效和精准的剪切和夹持多串荔枝水果，实现多串荔枝水果的采摘，提高荔枝采摘的作业效率。本发明具有先梳、后夹、再剪的特点，是梳理、夹剪一体的结构，在采摘荔枝果串时，剪断后荔枝果串能继续夹持荔枝果梗，可避免果实掉落，减少果实二次损伤。
18.(2)本发明采用多组刀片构成了多个相同的剪切区域，可以适应荔枝果园自然环境中果梗的结果方向具有不可穷举的特点，使荔枝采摘机器人的末端结构具备一定的模糊采摘的特性，从而提高对非结构荔枝果园环境的适应能力。
19.(3)本发明采用长的可拆卸的硅胶条，实现对荔枝果梗的夹紧作用，可提供较大的夹持力，使用气缸控制硅胶移动板和上刀片移动板一起运动，结构紧凑，小巧轻便，配件可更换，增加了末端执行器的柔性采摘，避免果实的损伤。
20.(4)本发明的末端执行器作业范围广，不仅适用于果园中串型荔枝采摘，还适用于其他串型类水果的采摘。
附图说明
21.图1为本发明末端执行器整体结构示意图；
22.图2为气动部件的结构示意图；
23.图3为动力传动部件的结构示意图；
24.图4为剪切部件的结构示意图；
25.图5为夹持部件的结构示意图；
26.图6为动力控制系统的详细流程图。
27.图中标号名称如下：
28.具体实施方式
29.为了便于理解本发明，下面将结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但是，不以任何形式限制本发明。应该指出的是，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，本发明还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
30.实施例1
31.如图1所示，一种夹剪一体式荔枝采摘末端执行器，包括气动部件、动力传动部件、动力控制系统、剪切部件、夹持部件；所述气动部件包括气泵和气缸；动力传动部件包括上下传动板和传动螺栓；动力控制系统包括单片机和电磁阀；剪切部件包括多组上下刀片和上下刀片固定板；夹持部件包括硅胶移动版和硅胶条。气动部件中的气缸与动力传动部件
相连接，气动部件中通过气管来连接气泵和气缸，气泵通过气管的进出气控制气缸的前后运动，将气缸产生的驱动力传输到动力传动部件中的传动螺栓上；动力控制系统用于控制气动部件的运动，通过单片机的指令来使电磁阀和气泵对气缸进气和放气；动力传动部件中的传动螺栓与剪切部件、夹持部件相连接，将气缸产生的力通过传动螺栓传到上刀片移动板和硅胶移动板，从而带动两块移动版实现同步运动，两块移动板上的上刀片和硅胶条进行往复运动，实行末端执行器的夹紧剪切和复位等动作。
32.所述气动部件包括550w-8l气泵空气压缩机和气缸8。如图2所示，气缸8通过气缸固定螺栓12安装在气缸前固定板7上，气缸8的左方、右方和后方还分别设置有气缸左固定板5、气缸右固定板10和气缸后固定板9，前、后、左、右四块固定板分别通过气缸固定板螺栓6和气缸固定板螺母11两两固定连接；气动部件的气缸左固定板5和气缸右固定板10通过自身的卡槽与上固定板2与下固定板24通过气缸固定板侧螺栓26和气缸固定板侧螺母27连接；将剪切部件、夹持部件包围在上下固定板之间；气缸8的型号为sda25
×
20，气缸的缸径为25mm，气缸推杆的行程为20mm。
33.如图3所示，所述动力传动部件包括推拉板29、卡板30、上传动板16、下传动板31、传动螺栓4、传动螺母3；气缸推杆与推拉板29通过气缸推杆螺栓28相连接；推拉板29与下传动板31通过卡板30进行固定连接；下传动板31的后端设有卡槽，前端设有通孔，推拉板29的中间设有安装气缸活塞杆和连接下传动板31的开槽，下传动板31穿过推拉板29的开槽，通过卡板30插入下传动板31的卡槽中固定连接，将推拉板29与下传动板31固定连接。上传动板16通过固定板螺栓14和固定板螺母13固定在下传动板31上，上传动板16的中间位置设有倾斜的开槽，传动螺栓4穿过开槽，上传动板16通过开槽将驱动力传输到传动螺栓4，传动螺栓4分别与上刀片移动板18和硅胶移动板23连接，进而传输驱动力到两块移动板上完成剪切和夹持动作。
34.如图6所示，所述动力控制系统包括stm32单片机、电磁阀、继电器、变压器和30v的电源组成。动力控制系统的主控系统为stm32开发板，主要用来控制电磁阀通道的变化；电磁阀通过气管连接起末端执行器的气缸，用来控制气缸的快进与快退动作。将30v的电源先设置一个总的开关，在相应模块连接后再打开电源，通过变压器的降压模块将30v的电压降为12v和5v，12v给电磁阀进行供电进行驱动，将通过变压器降低的5v电压设置分开关供电给单片机和继电器；单片机通过程序接收信号和改变端口高低电平改变继电器状态，然后继电器打开开关使电磁阀和气泵通电工作，气泵通过气管输放气来使气缸进行运动，进而通过动力传动部件来使末端执行器完成剪切和夹持动作。
35.如图4所示，所述剪切部件包括上刀片移动板18、下刀片固定板25、上刀片20、下刀片21、铆钉19。上下刀片的刃口角度为40
°
，厚度为3mm，材料为sk5钢。上刀片和下刀片的结构是相同的，共有12个，可以组成6对，采用上下分布结构，刀片上均有四个贯通的沉孔。上刀片移动板18的末端开有可经传动螺栓4穿过的通孔，前端是指排结构，留有铆钉孔；上刀片20使用铆钉19固定在上刀片移动板18上。下刀片固定板25的末端开有横向的滑槽，前端与上刀片移动板18相同；下刀片21通过铆钉19固定在下刀片固定板25上。上刀片移动板18与传动螺栓4相连接，前端是指排结构；上刀片移动板18可在传动螺栓4的作用下左右移动，下刀片固定板25通过固定块螺栓15和气缸固定板侧螺栓26固定在左右固定块和气缸左右固定板上；上下刀片为带有尖端的多片刀片组合而成，刀片前的尖端具有引导作用，引导荔
枝果梗进入到多个相同的剪切和夹持区域；上刀片移动板18通过动力传动部件带动上刀片20移动，从而配合下刀片21完成一次剪切作业。
36.如图5所示，所述夹持部件包括下固定板24、硅胶移动板23、硅胶条22。硅胶移动板23的末端开有可经传动螺栓4穿过的通孔，前端开有可容纳硅胶条22的“凸”型槽的指排结构，硅胶移动板可在传动螺栓4的作用下左右移动。下固定板24末端开有传动螺栓4横向移动的滑槽，前端是l型的的指排结构；下固定板24通过螺栓固定在左右固定块和左右气缸固定板上，硅胶条22通过插入“凸”型槽固定在硅胶移动板23的前端上，可以进行快速组装和更换。下固定板24的l型指与硅胶移动板23上的硅胶条22配合完成对剪断荔枝果梗的夹持。
37.本发明设计的末端执行器中，各部件结构均可采用轻质的可替代的材料设计制造，以求有效减轻末端执行器的自身重量，使得整个装置更加灵巧。并且末端执行器的上下刀片组是可以快速替换的，避免了采摘过程中刀片损坏导致的采摘作业中断的影响，使得单次作业更加稳定，持久。
38.利用该末端执行器进行荔枝串采摘的过程如下：
39.(1)夹剪一体式荔枝采摘末端执行器，气缸后固定板9上开有孔，可以固定安装在6自由度的机械臂上。在使用时，搭载在机械臂底盘上的大深度相机对将要采摘的荔枝果树进行图像识别，采用了rgb-d图像处理方法。识别到荔枝串的结果母枝，获取荔枝结果母枝串的位置，即荔枝结果母枝串与机械臂末端执行器的距离。机械臂带动所述末端执行器来到将要采摘的荔枝串的母枝面前；此时，搭载在机械臂前端，末端执行器的上方的小双目相机用于荔枝结果母枝采摘点进行定位。
40.(2)在大深度相机和小双目相机的结合下，机械臂将末端执行器移动到荔枝串平齐的位置，接着机械臂向前使末端执行器插入到荔枝串的中间，末端执行器的剪切部件为带有尖端的刀片，可以起到一定的梳理作用，将末端执行器插入到多串荔枝串中间。
41.(3)气动控制系统中的单片机通过程序和指令驱动继电器，继电器按照规定程序进行工作，继电器先打开开关使电磁阀和气泵通电工作，气泵通过气管吸气使气缸进行快退动作。气缸通过推拉板29将驱动力传到下传动板31上，下传动板31带动传动螺栓4进行运动，传动螺栓4将得到的驱动力带动上刀片移动板18和硅胶移动板23一起运动，完成荔枝果梗的夹持和剪切运动。
42.(4)在夹持和剪切后，机械臂根据指令回到初始位置，机械臂前端的末端执行器正好回到果实收集篮的下方，这时单片机的指令通过继电器使气泵进行放气，气缸进行快进动作，夹持部件复位，剪切部件也进行复位，夹持的荔枝果实掉进果篮收集篮，完成一次多串荔枝的无损采摘作业。
43.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种夹剪一体式荔枝采摘末端执行器，其特征在于：包括气动部件、动力传动部件、动力控制系统、剪切部件、夹持部件；所述动力传动部件包括上下传动板和传动螺栓；剪切部件包括多组上下刀片；夹持部件包括硅胶移动板和硅胶条；动力控制系统用于控制气动部件的运动；气动部件与动力传动部件相连接；动力传动部件与剪切部件、夹持部件相连接。2.根据权利要求1所述的夹剪一体式荔枝采摘末端执行器，其特征在于：所述动力控制系统包括单片机、电磁阀，通过单片机的指令来使电磁阀和气泵对气缸进气和放气，完成剪切作业和夹持作业。3.根据权利要求1所述的夹剪一体式荔枝采摘末端执行器，其特征在于：所述气动部件包括气泵和气缸，气泵用于控制气缸进行前后运动；气缸通过气缸推杆螺栓与推拉板相连接，推拉板与下传动板通过卡板进行固定连接。4.根据权利要求3所述的夹剪一体式荔枝采摘末端执行器，其特征在于：气缸安装在气缸前固定板上，气缸的左方、右方和后方还分别设置有气缸左固定板、气缸右固定板和气缸后固定板，前、后、左、右四块固定板分别两两固定连接；气缸左固定板、右固定板的外侧均分别与上固定板、下固定板相固定。5.根据权利要求1所述的夹剪一体式荔枝采摘末端执行器，其特征在于：所述动力传动部件包括推拉板、卡板、上传动板、下传动板、传动螺栓；下传动板的后端设有卡槽，前端设有通孔；推拉板设有安装气缸推杆螺栓的通孔和连接下传动板的开槽；下传动板穿过推拉板的开槽，通过卡板与推拉板进行固定连接；上传动板通过固定板螺栓固定在下传动板上，上传动板的中间位置设有斜的开槽，传动螺栓穿过上传动板和下传动板的开槽；传动螺栓与上刀片移动板和硅胶移动板相连接。6.根据权利要求1所述的夹剪一体式荔枝采摘末端执行器，其特征在于：所述剪切部件包括上刀片移动板、下刀片固定板、上刀片、下刀片；上刀片移动板与传动螺栓相连接，前端是指排结构；上刀片移动板在传动螺栓的作用下左右移动，下刀片固定板通过螺栓固定在左固定块、右固定块和气缸左右固定板上；上刀片和下刀片分别固定在上刀片移动板与下刀片固定板的前端指排处；上刀片移动板通过动力传动部件带动上刀片移动，从而配合下刀片完成剪切作业。7.根据权利要求6所述的夹剪一体式荔枝采摘末端执行器，其特征在于：上下刀片为带有尖端的多片刀片组合而成，刀片前的尖端具有引导作用，引导荔枝果梗进入到多个相同的剪切和夹持区域。8.根据权利要求1所述的夹剪一体式荔枝采摘末端执行器，其特征在于：所述夹持部件包括下固定板、硅胶移动板、硅胶条；硅胶移动板的末端开有可经传动螺栓穿过的通孔，前端开有可容纳硅胶条的“凸”型槽的指排结构，硅胶移动板在传动螺栓的作用下左右移动；下固定板的末端开有横向的滑槽，前端是l型的指排结构，用于引导荔枝果梗到刀片的剪切区域，下固定板通过螺栓固定在左固定块、右固定块和气缸左右固定板上，硅胶条插入“凸”型槽与硅胶移动板连接。9.一种权利要求1～8中任一项所述的夹剪一体式荔枝采摘末端执行器的应用，其特征在于包括下述步骤：(1)搭载在机械臂上的大深度相机用于对荔枝果树进行图像识别，采用rgb-d图像处理
方法，识别到荔枝串的结果母枝，机械臂带动所述末端执行器到荔枝串的结果母枝前；搭载在机械臂前端、末端执行器上方的小双目相机用于对结果母枝的采摘点进行定位；(2)机械臂向前使末端执行器插入到荔枝串中间，剪切部件的上下刀片为尖端结构，可以引导多串的结果母枝进入到末端执行器的剪切和夹持的区域；(3)气动控制系统通过单片机指令控制气泵通气来使气缸进行运动，气缸的气缸推杆通过推拉板和下传动板将驱动力传到传动螺栓上，传动螺栓与上刀片移动板和硅胶移动板连接，控制剪切部件和夹持部件完成一次运动，实现对多串荔枝结果母枝的剪切和夹持；(4)机械臂通过指令的控制，驱使末端执行器带着夹持住的荔枝串返回机械臂下方的果实收集篮处，完成一次多荔枝串的采摘活动。

技术总结
本发明公开了一种夹剪一体式荔枝采摘末端执行器，其包括气动部件、动力传动部件、动力控制系统、剪切部件、夹持部件；所述气动部件包括气泵和气缸；动力传动部件包括上下传动板和传动螺栓；剪切部件包括多组上下刀片；夹持部件包括硅胶移动板和硅胶条；动力控制系统用于控制气动部件的运动；气动部件与动力传动部件相连接；动力传动部件与剪切部件、夹持部件相连接。本发明可以进行模糊采摘、柔性采摘，减少对荔枝果实的损伤，并且可以同时进行多串荔枝的采摘，采摘效率高。采摘效率高。采摘效率高。


技术研发人员：熊俊涛 王潇 冯进宇 伍泽轩 姚兆燊 黄佳宝 李泽星 洪丹 林毓翰 何思颖 庄燕云
受保护的技术使用者：华南农业大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/12