一种通用果蔬采摘轻型切割装置及其机器人.pdf

本发明公开了一种通用果蔬采摘轻型切割装置及其机器人。所述通用果蔬采摘轻型切割装置，其切割刀具通过螺钉固定在刀具套筒上，刀具套筒与电机轴配合连接并通过紧定螺钉锁紧；电机设置于末端执行器外壳的内部且竖直穿过末端执行器底板，并通过电机座与底板垂直安装。所述通用果蔬采摘机器人，采用6个伺服电机，实现六自由度旋转关节的联合控制，配合末端执行器，能实现空间中任意位置的采摘需求；而且机器人运动灵活，避障能力比传统四自由度的采摘机器人更强，采摘成功率高。

权利要求书
1.  一种通用果蔬采摘轻型切割装置，其特征在于：包括切割刀具、刀具套 筒、电机和控制电路；切割刀具通过螺钉固定在刀具套筒上，刀具套筒与电机 轴配合连接并通过紧定螺钉锁紧；电机设置于末端执行器外壳的内部且竖直穿 过末端执行器底板，并通过电机座与末端执行器底板垂直安装；电机与控制电 路连接，通过电信号调整电机转动参数。

2.  一种带有通用果蔬采摘轻型切割装置的末端执行器，其特征在于：包括 权利要求1所述的通用果蔬采摘轻型切割装置、夹持机构和外壳，切割装置和 夹持机构均安装在末端执行器的内部；所述外壳为由末端执行器底板和法兰盘 连接板构成的盒状结构；所述夹持机构包括动夹指、定夹指和平移装置，动夹 指和定夹指的一端设置于外壳的内部，另一端伸出外壳；平移装置安装在电机 的后侧。

3.  根据权利要求2所述的带有通用果蔬采摘轻型切割装置的末端执行器， 其特征在于：动夹指和定夹指的内侧和背面贴有纤维增强复合塑料。

4.  根据权利要求2所述的带有通用果蔬采摘轻型切割装置的末端执行器， 其特征在于：动夹指、定夹指的内侧与纤维增强复合塑料的粘接处镶嵌有应变 片。

5.  一种通用果蔬采摘机器人，其特征在于：包括底座、机器人本体以及设 置于机器人末端的权利要求2～4任一项所述的末端执行器；机器人本体包括机 器人大臂和机器人小臂，机器人大臂的一端通过第二旋转关节安装在与第一旋 转关节相连的平台上，第一旋转关节带动机器人整体转动，机器人大臂的俯仰 姿态由第二旋转关节控制；机器人大臂的另一端与第三旋转关节连接，第三旋 转关节与小臂安装端相连；机器人小臂通过第四旋转关节安装在小臂安装端上， 机器人小臂的俯仰姿态由第三旋转关节控制，偏转姿态由第四旋转关节控制； 机器人小臂的另一端设置有旋转轴相互垂直的腕部关节，腕部关节由第五旋转 关节和第六旋转关节组成；末端执行器安装在第六旋转关节上，末端执行器的 姿态通过腕部关节调整。

6.  根据权利要求5所述的通用果蔬采摘机器人，其特征在于：机器人小臂 设置有立体视觉单元。

说明书一种通用果蔬采摘轻型切割装置及其机器人
技术领域
本发明涉及农业采摘机械领域，特别涉及一种通用果蔬采摘轻型切割装置 及其机器人。
背景技术
中国作为农业大国，果蔬产业是其中重要产业之一，果蔬采摘机器人是发 展现代化果蔬产业的重要手段，而切割装置是果蔬采摘作业能否成功完成的关 键。目前切割装置的设计大多局限于某种特定果蔬，在自然环境下作业时，功 能单一且结构复杂的切割装置增加了末端执行器和周边机器的重量、尺寸，增 大了机械臂和移动机构的负担，进一步影响机械臂移动时的惯性力和控制方法。 如专利ZL201010565235.7将切割装置安装在末端执行器外壳之外，机构庞大 且使用四自由度的机器人本体，避障能力较弱。因此，果蔬采摘机器人的切割 装置必须轻巧且能有效切割，并可以适用多种果蔬的采摘，这也是果蔬产业现 代化的迫切需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种切割装置轻巧、 对果蔬损伤小、适用于采摘多种果蔬的通用果蔬采摘轻型切割装置。
本发明的另一目的在于提供一种带有上述轻型切割装置的末端执行器及其 机器人。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种通用果蔬采摘轻型切割装置，包括切割刀具16、刀具套筒13、电机 18和控制电路；切割刀具16通过螺钉15固定在刀具套筒13上，刀具套筒13 与电机轴配合连接并通过紧定螺钉14锁紧；电机18设置于末端执行器外壳的 内部且竖直穿过末端执行器底板19，并通过电机座17与末端执行器底板19垂 直安装；电机18与控制电路连接，通过电信号调整电机转动参数。切割装置工 作时，通过控制电路控制电机18的转速，电机18的转动可以通过刀具套筒13 来带动切割刀具16回转，实现刀刃在夹指方向上的快速移动，从而切断果蔬。
一种带有通用果蔬采摘轻型切割装置的末端执行器12，包括上述通用果蔬 采摘轻型切割装置、夹持机构和外壳，切割装置和夹持机构均安装在末端执行 器的内部；所述外壳为由末端执行器底板19和法兰盘连接板20构成的盒状结 构，法兰盘连接板20的相邻两个连接板之间通过螺栓连接；所述夹持机构包括 动夹指22、定夹指23和平移装置24，动夹指22和定夹指23的一端设置于外 壳的内部，动夹指22和定夹指23的另一端伸出外壳；平移装置24安装在电机 18的后侧，可通过调整夹持机构的电信号来控制平移装置24的响应，实现夹 持动作。
动夹指22和定夹指23的内侧和背面贴有纤维增强复合塑料(FRP)25， 具有质量轻，机械强度高，耐腐蚀的优点。
动夹指22、定夹指23的内侧与纤维增强复合塑料(FRP)25的粘接处镶 嵌有应变片21，用于检测夹持力大小，确保输出合适的夹持力。
动夹指22和定夹指23由塑钢材料加工而成，其中段设计成V型，适合圆 形和近似圆截面目标的夹持。
一种通用果蔬采摘机器人，包括底座1、机器人本体以及设置于机器人末端 的末端执行器12；所述通用果蔬采摘机器人为六自由度机器人，采用基于数字 信号处理器的六轴联合控制；机器人本体包括机器人大臂4和机器人小臂6，机 器人大臂4的一端通过由伺服电机与谐波减速器组成的第二旋转关节3安装在 与第一旋转关节2相连的平台上，第一旋转关节2带动机器人整体转动，机器 人大臂4的俯仰姿态由第二旋转关节3控制；机器人大臂4的另一端与第三旋 转关节5连接，第三旋转关节5与小臂安装端8相连；机器人小臂6通过第四 旋转关节9安装在小臂安装端8上；机器人小臂6的俯仰姿态由第三旋转关节 5控制，偏转姿态由第四旋转关节9控制，从而实现机器人小臂6在垂直于第 三旋转关节5方向的旋转；机器人小臂6的另一端设置有旋转轴相互垂直的腕 部关节，腕部关节由第五旋转关节10和第六旋转关节11组成，可实现这两处 旋转自由度的转动；末端执行器12安装在第六旋转关节11上，末端执行器12 的姿态可通过腕部关节调整。
上述六个旋转关节均由谐波减速器与伺服电机控制，伺服电机产生的动力 通过减速器输出后传递到与旋转关节相连接的部件，从而实现转动；通过六个 旋转关节的联合控制，能有效的引导末端执行器12避开植株茎杆等障碍物，到 达果蔬目标位置并实施采摘。
上述通用果蔬采摘机器人的机器人小臂6设置有立体视觉单元7，可以为采 摘机器人提供采摘目标点空间坐标，并对目标的姿态进行识别，为机器人动作 提供控制信息，实现基于双目立体视觉反馈的果蔬采摘过程。
上述通用果蔬采摘机器人可以安装在自动导航小车上，可沿预定轨迹移动， 扩大机器人的工作范围，提高机器人的灵活性与实用性。
通用果蔬采摘机器人的工作过程如下：在果蔬采摘时，机器人带动末端执 行器12靠近果蔬目标位置，平移装置24通电工作，带动动夹指22向定夹指 23靠拢，动夹指22在移动的过程中与定夹指23配合将目标果蔬夹紧；镶嵌在 动夹指22和定夹指23上的应变片21可对夹持力进行测量，当夹持力达到预定 阈值时动夹指22停止运行，避免对果蔬造成夹持损伤；预定阈值根据视觉拍摄 的目标图像获取母枝直径、果串体积等数据后，根据数据库中的经验公式计算 目标重量并确定夹持力阈值；果蔬被夹紧后通过切割装置的电机18带动切割刀 具16旋转，刀刃沿夹指方向移动，快速切断果蔬实现采摘。
为了满足不同类型果蔬采摘的不同空间位置要求，使用六自由度的机器人 进行作业，伺服电机输出的动力通过减速器输出到旋转关节处，通过6台伺服 电机对机器人的动作进行联合控制。机器人固定安装在底座1上，底座1可以 与移动小车等工作平台连接；第一旋转关节2与底座1之间可实现转动，可改 变机器人的采摘工作方向；机器人大臂4通过第二旋转关节3安装在与旋转关 节2相连的平台上，第二旋转关节3实现机器人大臂4位姿角度的控制；第三 旋转关节5与第四旋转关节9相互垂直，可对机器人小臂6的姿态进行调整； 机器人小臂6的俯仰姿态由第三旋转关节5控制，偏转姿态由第四旋转关节9 控制；机器人小臂6的另一端与腕部关节连接，腕部关节由第五旋转关节10和 第六旋转关节11组成；末端执行器12安装在腕部关节处，通过相互垂直的第 五旋转关节10和第六旋转关节11调节末端执行器12的位姿。该机器人通过六 个伺服电机联合控制工作，实现末端执行器多空间位姿角度调整，满足空间不 同位置的采摘需求，比四自由度的机器人更加灵活。
本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：
(1)本发明的通用果蔬采摘轻型切割装置，通过电机旋转带动刀具转动， 刀刃在夹指方向上移动，将夹紧的果蔬快速切断；在切割不同类型的果蔬时， 夹持机构均能将目标控制在刀刃扫掠范围内，可实现通用果蔬采摘。
(2)本发明的切割装置中的刀具与电机轴直接连接，可实现同步高速转动， 没有传统切割装置在传动链上的功率损失；而且切割装置结构简单紧凑，采摘 速度快，效率高，维护成本低。
(3)夹持机构质量轻巧，纤维增强复合塑料(FRP)的应用增强了夹指的 耐用性。
(4)本发明的通用果蔬采摘机器人，采用6个伺服电机，实现六自由度旋 转关节的联合控制，配合末端执行器，能实现空间中任意位置的采摘需求；而 且机器人运动灵活，避障能力比传统四自由度的采摘机器人更强，采摘成功率 高。
附图说明
图1为本发明通用果蔬采摘机器人的结构示意图。
图2为本发明通用果蔬采摘轻型切割装置的结构示意图。
图3为本发明末端执行器的结构示意图。
图4为本发明末端执行器切割装置与夹持机构的结构示意图。
其中，1、底座；2、第一旋转关节；3、第二旋转关节；4、机器人大臂；5、 第三旋转关节；6、机器人小臂；7、立体视觉单元；8、小臂安装端；9、第四 旋转关节；10、第五旋转关节；11、第六旋转关节；12、末端执行器；13、刀 具套筒；14、紧定螺钉；15、螺钉；16、切割刀具；17、电机座；18、电机； 19、末端执行器底板；20、法兰盘连接板；21、应变片；22、动夹指；23、定 夹指；24、平移装置；25、纤维增强复合塑料。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。
实施例1
如图1所示，一种通用果蔬采摘机器人，包括底座1、机器人以及设置于机 器人末端的末端执行器12。所述通用果蔬采摘机器人为六自由度机器人，采用 基于数字信号处理器的六轴联合控制，可以安装在自动导航小车上，可沿预定 轨迹移动，扩大机器人的工作范围，提高机器人的灵活性与实用性。机器人包 括机器人大臂4和机器人小臂6，机器人大臂4的一端通过由伺服电机与谐波 减速器组成的第二旋转关节3安装在与第一旋转关节2相连的平台上，第一旋 转关节2带动机器人整体转动，机器人大臂4的俯仰姿态由第二旋转关节3控 制；机器人大臂4的另一端与第三旋转关节5连接，第三旋转关节5与小臂安 装端8相连；机器人小臂6通过第四旋转关节9安装在小臂安装端8上；机器 人小臂6的俯仰姿态由第三旋转关节5控制，偏转姿态由第四旋转关节9控制， 从而实现机器人小臂6在垂直于第三旋转关节5方向的旋转；机器人小臂6的 另一端设置有旋转轴相互垂直的腕部关节，腕部关节由第五旋转关节10和第六 旋转关节11组成，可实现这两处旋转自由度的转动；末端执行器12安装在第 六旋转关节11，末端执行器12的姿态可通过腕部关节调整。上述通用果蔬采 摘机器人的机器人小臂6设置有立体视觉单元7，可以为采摘机器人提供采摘目 标点空间坐标，并对目标的姿态进行识别，为机器人动作提供控制信息，实现 基于双目立体视觉反馈的果蔬采摘过程。
如图2所示，通用果蔬采摘轻型切割装置，包括切割刀具16、刀具套筒13、 电机18和控制电路；切割刀具16通过螺钉15固定在刀具套筒13上，刀具套 筒13与电机轴配合连接并通过紧定螺钉14锁紧；电机18设置于末端执行器外 壳的内部且竖直穿过末端执行器底板19，并通过电机座17与底板19垂直安装， 减小切割装置的纵向空间尺寸；电机18与控制电路连接，通过电信号调整电机 转动参数。切割装置工作时，通过控制电路控制电机18的转速，电机18的转 动可以通过刀具套筒13来带动切割刀具16回转，实现刀刃在夹指方向上的快 速移动，从而切断果蔬。
带有通用果蔬采摘轻型切割装置的末端执行器12，包括上述通用果蔬采摘 轻型切割装置、夹持机构和外壳；所述外壳为由末端执行器底板19和法兰盘连 接板20构成的盒状结构，法兰盘连接板20通过螺栓连接。如图3和图4所示， 所述夹持机构包括动夹指22、定夹指23和平移装置24，动夹指22和定夹指 23的一端设置于外壳的内部，动夹指22和定夹指23的另一端伸出外壳，平移 装置24安装在电机18的后侧，可通过调整夹持机构的电信号来控制平移装置 24的响应，实现夹持动作。动夹指22和定夹指23的内侧和背面贴有纤维增强 复合塑料(FRP)25，具有质量轻，机械强度高，耐腐蚀的优点。动夹指22和 定夹指23由塑钢材料加工而成，其中段设计成V型，适合圆形和近似圆截面目 标的夹持。动夹指22、定夹指23的内侧与纤维增强复合塑料(FRP)25的粘 接处镶嵌有应变片21，用于检测夹持力大小，确保输出合适的夹持力。
在果蔬采摘时，本实施例是使用6台伺服电机进行联合控制的六自由度采 摘机器人。机器人本体安装在移动小车上，小车可自主运行至目标果树附近。 机器人的第一旋转关节2与底座1之间可实现转动，其旋转角度由第一伺服电 机控制，可改变机器人的采摘工作方向；机器人大臂4与底座1的连接为第二 旋转关节3，第二伺服电机输出的动力通过减速器输出到第二旋转关节3处，实 现机器人大臂4位姿角度的控制；机器人小臂6俯仰角度通过第三旋转关节5 控制，机器人小臂6的姿态通过第四旋转关节9控制，第三旋转关节5与第四 旋转关节9相互垂直；小臂6的另一端与腕部关节连接，末端执行器12安装在 腕部关节处，此处安装有相互垂直的第四旋转关节9和第五旋转关节10，用以 调节末端执行器12的位姿。机器人带动末端执行器12靠近果蔬目标位置，平 移装置24通电工作，带动动夹指22向定夹指23靠拢，动夹指22在移动的过 程中与定夹指23配合将目标果蔬夹紧；镶嵌在动夹指22和定夹指23上的应变 片21可对夹持力进行测量，当夹持力达到预定阈值时动夹指22停止运行，避 免对果蔬造成夹持损伤；预定阈值根据视觉拍摄的目标图像获取母枝直径、果 串体积等数据后，根据数据库中的经验公式计算目标重量并确定夹持力阈值； 果蔬被夹紧后通过切割装置的电机18带动切割刀具16旋转，刀刃沿夹指方向 移动，快速切断果蔬实现采摘。