番茄吸附夹持同步采摘末端执行器及相应采摘机构和方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710945257.8 (22)申请日 2017.10.12 (71)申请人 谷新运 地址 712100 陕西省咸阳市杨凌区李台街 道西农路22号西北农林科技大学机械 与电子工程学院 (72)发明人 谷新运 孙文庆 宋宇 李豫明 (51)Int.Cl. A01D 46/30(2006.01) (54)发明名称 番茄吸附夹持同步采摘末端执行器及相应 采摘机构和方法 (57)摘要 本发明提供了番茄吸附夹持同步采摘末端 执行器及相应采摘机构和方法， 涉及农业采摘机 器人领域， 是。

2、由机械手末端执行器、 机械臂、 移动 平台、 果实收纳箱和控制箱组成的， 其特征是： 所 述机械手末端执行器安装在机械臂末端， 机械臂 安装在移动平台上； 其中机械手末端执行器进一 步包括由一号气缸、 安装板、 二号汽缸、 U型支架、 吸盘气缸、 弹簧支架、 弹簧、 仿形手指结构、 吸盘、 手指压盘和气缸轴， 本发明提供番茄吸附夹持同 步采摘末端执行器及相应采摘机构和方法， 克服 现有番茄手工采摘效率低、 机械化程度低的缺 陷， 本发明采用吸拉果实同步夹持， 然后摆动折 断果梗的采摘方式， 解决了番茄采摘效率低的技 术难题。 权利要求书2页 说明书4页 附图4页 CN 107711078 A 。

3、2018.02.23 CN 107711078 A 1.一种番茄吸附夹持同步采摘末端执行器， 其特征是： 是由一号气缸、 安装板、 二号汽 缸、 U型支架、 吸盘气缸、 弹簧支架、 弹簧、 仿形手指结构、 吸盘、 手指压盘和气缸轴组成的， 所 述的仿形手指结构包括左仿形手指、 压力传感器、 转轴、 左手指半圆压板、 右手指半圆压板 和右仿形手指， 所述安装板与机械臂连接， 所述一号气缸和二号汽缸成120 夹角设置于安 装板上， 所述一号气缸和二号汽缸的轴端与U型支架连接， 所述吸盘气缸安装在U型支架上， 所述弹簧支架安装在U型支架两端， 所述弹簧一端与弹簧支架连接， 另一端与仿形手指结构 连接。

4、， 所述吸盘安装在气缸轴末端上， 所述手指压盘安装在气缸轴上； 所述左仿形手指通过 转轴与U型支架连接， 所述压力传感器粘附在左仿形手指表面， 所述左手指半圆压板设置在 左仿形手指末端， 所述右手指半圆压板设置在右仿形手指末端， 所述左手指半圆压板和右 手指半圆压板拼合成圆形， 所述右仿形手指通过转轴与U型支架连接。 2.根据权利要求1所述的一种番茄吸附夹持同步采摘末端执行器， 其特征是： 所述安装 板两侧折页与水平面夹角为120 ， 所述一号气缸和二号汽缸成120 夹角设置于安装板。 3.根据权利要求1所述的一种番茄吸附夹持同步采摘末端执行器， 其特征是： 所述左手 指半圆压板和右手指半圆压。

5、板拼合成圆孔直径为8.5mm， 所述气缸轴外径为8mm。 4.根据权利要求1所述的一种番茄吸附夹持同步采摘末端执行器， 其特征是： 所述手指 压盘外径为10mm， 距离吸盘有15mm。 5.根据权利要求1所述的一种番茄吸附夹持同步采摘末端执行器， 其特征是： 所述左仿 形手指和右仿形手指内表面都附有3mm的软硅胶材料。 6.根据权利要求1所述的一种番茄吸附夹持同步采摘末端执行器， 其特征是： 所述弹簧 原长状态使左仿形手指和右仿形手指开口距离为90mm。 7.一种番茄吸附夹持同步采摘机构， 其特征是： 是由机械手末端执行器、 机械臂、 移动 平台、 果实收纳箱和控制箱组成的， 所述机械手末端执。

6、行器安装在机械臂末端， 机械臂安装 在移动平台上， 所述果实收纳箱设置于移动平台前面， 所述控制箱设置于移动平台内部； 其 中机械手末端执行器进一步包括由一号气缸、 安装板、 二号汽缸、 U型支架、 吸盘气缸、 弹簧 支架、 弹簧、 仿形手指结构、 吸盘、 手指压盘和气缸轴， 所述的仿形手指结构包括左仿形手 指、 压力传感器、 转轴、 左手指半圆压板、 右手指半圆压板和右仿形手指， 所述安装板与机械 臂连接， 所述一号气缸和二号汽缸成120 夹角设置于安装板上， 所述一号气缸和二号汽缸 的轴端与U型支架连接， 所述吸盘气缸安装在U型支架上， 所述弹簧支架安装在U型支架两 端， 所述弹簧一端与弹。

7、簧支架连接， 另一端与仿形手指结构连接， 所述吸盘安装在气缸轴末 端上， 所述手指压盘安装在气缸轴上； 所述左仿形手指通过转轴与U型支架连接， 所述压力 传感器粘附在左仿形手指表面， 所述左手指半圆压板设置在左仿形手指末端， 所述右手指 半圆压板设置在右仿形手指末端， 所述左手指半圆压板和右手指半圆压板拼合成圆形， 所 述右仿形手指通过转轴与U型支架连接。 8.根据权利要求7所述的一种番茄吸附夹持同步采摘机构， 其特征是： 所述果实收纳箱 内表面附有10mm的软硅胶材料。 9.根据权利要求7所述的一种番茄吸附夹持同步采摘机构的采摘方法， 其特征是： 包括 如下步骤： 1)对准果实 图像处理获取。

8、番茄空间三维坐标， 控制箱控制机械臂将机械手末端执行器送至相应位 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 107711078 A 2 置， 完成对准果实过程； 2)吸附果实 吸盘气缸工作， 气缸轴伸出， 手指压盘离开左手指半圆压板和右手指半圆压板， 左仿形 手指和右仿形手指在弹簧拉力作用下张开至90mm， 吸盘触碰到番茄时吸持住， 完成吸附果 实过程； 3)吸拉夹持 吸盘气缸工作， 气缸轴缩回， 手指压盘顶着左手指半圆压板和右手指半圆压板运动， 同 时左仿形手指和右仿形手指慢慢将吸盘拉离果束的番茄夹持住， 完成吸拉夹持过程； 4)摆动折断 一号气缸轴伸出同时二号汽缸轴缩回， 然后二号气缸轴伸。

9、出同时一号汽缸轴缩回， 仿 形手指结构左右摆动， 果梗受剪切力而折断， 完成摆动折断过程。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 107711078 A 3 番茄吸附夹持同步采摘末端执行器及相应采摘机构和方法 技术领域 0001 本发明涉及农业采摘机器人领域， 具体地， 涉及番茄吸附夹持同步采摘末端执行 器及相应采摘机构和方法。 背景技术 0002 随着我国大棚番茄种植技术推广， 种植面积及年产量越来越大， 番茄的果实营养 丰富， 具特殊风味， 可以生食、 煮食、 加工番茄酱、 汁或整果罐藏， 成为人们的主要蔬菜之一， 目前我国番茄的收获完全依靠人工采摘， 在我国番茄的人工收获作业量大， 。

10、劳动强度高， 效 率低， 随着我国城镇化进程和人口的老龄化， 农村劳动力不足现象日趋明显， 研究并推广番 茄自动化收获技术， 成为现阶段亟待解决的问题。 0003 番茄25个成束生长、 相互触碰， 采摘过程中末端执行器难以以理想姿态接近和 夹持果实， 极易造成夹持的失败和相邻果实的损伤， 番茄采收时应轻摘轻放， 摘时最好不带 果蒂， 以防装运中果实相互被刺伤， 目前对于番茄采摘机器人研究中有通过吸盘首先吸持 住番茄并将其拉离果束， 再夹持果实旋转分离果梗的采摘方法， 但是番茄果梗采用扭断或 拉断方式均需很长时间， 据试验数据分析折断果梗是最省力的方式， 所以该扭断果梗的方 法采摘效率太低。 0。

11、004 番茄采摘机器人的机械手末端执行器是安装在机械臂前端， 直接与番茄相接触， 是采摘的关键执行部分。 机械手末端执行器对于作业对象与环境的柔嫩性、 不规则性和复 杂多变性的适应能力决定了果实采摘的效率和成功率， 因此需要番茄吸附夹持同步采摘末 端执行器及相应采摘机构和方法， 而目前这种番茄吸附夹持同步采摘末端执行器市场上是 没有的。 番茄吸附夹持同步采摘末端执行器的机构参数将严重影响采摘效率和成功率， 其 研究发展对提高农业生产效率及番茄的市场价值均起着至关重要的作用。 发明内容 0005 针对上述现有技术中的缺陷， 本发明提供番茄吸附夹持同步采摘末端执行器及相 应采摘机构和方法， 克服现。

12、有番茄手工采摘效率低、 机械化程度低的缺陷， 本发明采用吸拉 果实同步夹持， 然后摆动折断果梗的采摘方式， 解决了番茄采摘效率低的技术难题。 0006 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是： 0007 一种番茄吸附夹持同步采摘末端执行器， 是由一号气缸、 安装板、 二号汽缸、 U型支 架、 吸盘气缸、 弹簧支架、 弹簧、 仿形手指结构、 吸盘、 手指压盘和气缸轴组成的， 所述的仿形 手指结构包括左仿形手指、 压力传感器、 转轴、 左手指半圆压板、 右手指半圆压板和右仿形 手指， 其特征是： 所述安装板与机械臂连接， 所述一号气缸和二号汽缸成120 夹角设置于安 装板上， 所述一号气缸和二号汽。

13、缸的轴端与U型支架连接， 所述吸盘气缸安装在U型支架上， 所述弹簧支架安装在U型支架两端， 所述弹簧一端与弹簧支架连接， 另一端与仿形手指结构 连接， 所述吸盘安装在气缸轴末端上， 所述手指压盘安装在气缸轴上； 所述左仿形手指通过 转轴与U型支架连接， 所述压力传感器粘附在左仿形手指表面， 所述左手指半圆压板设置在 说 明 书 1/4 页 4 CN 107711078 A 4 左仿形手指末端， 所述右手指半圆压板设置在右仿形手指末端， 所述左手指半圆压板和右 手指半圆压板拼合成圆形， 所述右仿形手指通过转轴与U型支架连接。 0008 优选地， 所述安装板两侧折页与水平面夹角为120 ， 所述一。

14、号气缸和二号汽缸成 120 夹角设置于安装板。 0009 优选地， 所述左手指半圆压板和右手指半圆压板拼合成圆孔直径为8.5mm， 所述气 缸轴外径为8mm。 0010 优选地， 所述手指压盘外径为10mm， 距离吸盘有15mm。 0011 更优选地， 所述左仿形手指和右仿形手指内表面都附有3mm的软硅胶材料。 0012 具体的， 所述弹簧原长状态使左仿形手指和右仿形手指开口距离为90mm。 0013 一种番茄吸附夹持同步采摘机构， 是由机械手末端执行器、 机械臂、 移动平台、 果 实收纳箱和控制箱组成的， 其特征是： 所述机械手末端执行器安装在机械臂末端， 机械臂安 装在移动平台上， 所述果。

15、实收纳箱设置于移动平台前面， 所述控制箱设置于移动平台内部； 其中机械手末端执行器进一步包括由一号气缸、 安装板、 二号汽缸、 U型支架、 吸盘气缸、 弹 簧支架、 弹簧、 仿形手指结构、 吸盘、 手指压盘和气缸轴， 所述的仿形手指结构包括左仿形手 指、 压力传感器、 转轴、 左手指半圆压板、 右手指半圆压板和右仿形手指， 所述安装板与机械 臂连接， 所述一号气缸和二号汽缸成120 夹角设置于安装板上， 所述一号气缸和二号汽缸 的轴端与U型支架连接， 所述吸盘气缸安装在U型支架上， 所述弹簧支架安装在U型支架两 端， 所述弹簧一端与弹簧支架连接， 另一端与仿形手指结构连接， 所述吸盘安装在气缸。

16、轴末 端上， 所述手指压盘安装在气缸轴上； 所述左仿形手指通过转轴与U型支架连接， 所述压力 传感器粘附在左仿形手指表面， 所述左手指半圆压板设置在左仿形手指末端， 所述右手指 半圆压板设置在右仿形手指末端， 所述左手指半圆压板和右手指半圆压板拼合成圆形， 所 述右仿形手指通过转轴与U型支架连接。 0014 更优选地， 所述果实收纳箱内表面附有10mm的软硅胶材料。 0015 一种番茄吸附夹持同步采摘机构的采摘方法， 包括如下步骤： 对准果实、 吸附果 实、 吸拉夹持和摆动折断， 其详细工作过程为： 图像处理获取番茄空间三维坐标， 控制箱控 制机械臂将机械手末端执行器送至相应位置， 完成对准果。

17、实过程； 吸盘气缸工作， 气缸轴伸 出， 手指压盘离开左手指半圆压板和右手指半圆压板， 左仿形手指和右仿形手指在弹簧拉 力作用下张开至90mm， 吸盘触碰到番茄时吸持住， 完成吸附果实过程； 吸盘气缸工作， 气缸 轴缩回， 手指压盘顶着左手指半圆压板和右手指半圆压板运动， 同时左仿形手指和右仿形 手指慢慢将吸盘拉离果束的番茄夹持住， 完成吸拉夹持过程； 一号气缸轴伸出同时二号汽 缸轴缩回， 然后二号气缸轴伸出同时一号汽缸轴缩回， 仿形手指结构左右摆动， 果梗受剪切 力而折断， 完成摆动折断过程。 0016 与现有技术相比， 本发明具有如下的有益效果： 0017 本发明设计的番茄吸附夹持同步采摘。

18、末端执行器及相应采摘机构和方法利用多 关节机械臂， 通过多传感器信息融合实时获取、 感知工作环境及番茄信息， 确保在不损伤番 茄的前提下， 完成对准果实、 吸附果实、 吸拉夹持和摆动折断工作过程， 本发明采用吸拉果 实同步夹持， 然后摆动折断果梗的采摘方式， 解决了番茄采摘效率低的技术难题。 0018 (1)本发明的伸缩机构选用气缸作动力， 可更方便快捷的调整工作速率， 且气缸具 有更高的可靠性和更长的使用寿命， 其动作速度一般小于1M/S， 比起液压缸和气电缸速度 说 明 书 2/4 页 5 CN 107711078 A 5 更快； 0019 (2)本发明采用吸盘吸附果实， 同时左仿形手指和。

19、右仿形手指慢慢将吸盘拉离果 束的番茄夹持住， 提升了夹持速率； 0020 (3)本发明的采用两只气缸配合， 使仿形手指结构左右摆动， 采用折断果梗方式， 比扭断果梗和拉断果梗更省力。 0021 (4)本发明的左仿形手指和右仿形手指内表面都附有3mm的软硅胶材料， 果实收纳 箱内表面附有10mm的软硅胶材料， 并有压力传感器检测压力， 避免了夹持番茄带来损伤的 问题。 0022 本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。 附图说明 0023 下列附图用来提供对本发明的进一步理解， 并且构成说明书的一部分， 其与下述 的具体实施方式一起用于解释本发明， 但本发明的保护范围并不局。

20、限于下述附图及具体实 施方式。 在附图中： 0024 图1为本发明的采摘机构等轴测图； 0025 图2为本发明的机械手末端执行器等轴测图； 0026 图3为本发明的仿形手指结构三维结构示意图； 0027 图4为本发明采摘步骤的对准果实工作状态示意图； 0028 图5为本发明采摘步骤的吸附果实工作状态示意图； 0029 图6为本发明采摘步骤的吸拉夹持工作状态示意图； 0030 图7为本发明采摘步骤的摆动折断工作状态示意图。 0031 图中： 1机械手末端执行器， 101一号气缸， 102安装板， 103二号气缸， 104U型支架， 105吸盘气缸， 106弹簧支架， 107弹簧， 108仿形手指。

21、结构， 1081 左仿形手指， 1082压力传感 器， 1083转轴， 1084左手指半圆压板， 1085右手指半圆压板， 1086右仿形手指， 109吸盘， 110 手指压盘,111气缸轴， 2机械臂， 3移动平台， 4果实收纳箱， 5控制箱。 具体实施方式 0032 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明， 应当理解的是， 此处所描 述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明， 本发明的保护范围并不局限于下述的具体实 施方式。 0033 本发明设计的番茄吸附夹持同步采摘末端执行器及相应采摘机构和方法利用多 关节机械臂， 通过多传感器信息融合实时获取、 感知工作环境及番茄信息， 确保在不。

22、损伤番 茄的前提下， 完成对准果实、 吸附果实、 吸拉夹持和摆动折断工作过程， 本发明采用吸拉果 实同步夹持， 然后摆动折断果梗的采摘方式， 解决了番茄采摘效率低的技术难题。 0034 参见图2和图3所示， 一种番茄吸附夹持同步采摘末端执行器， 是由一号气缸101、 安装板102、 二号汽缸103、 U型支架104、 吸盘气缸105、 弹簧支架 106、 弹簧107、 仿形手指结 构108、 吸盘109、 手指压盘110和气缸轴111组成的， 所述的仿形手指结构108包括左仿形手 指1081、 压力传感器1082、 转轴1083、 左手指半圆压板1084、 右手指半圆压板1085和右仿形 手指。

23、1086， 其特征是： 所述安装板102与机械臂2连接， 所述一号气缸101和二号汽缸103成 说 明 书 3/4 页 6 CN 107711078 A 6 120 夹角设置于安装板102上， 所述一号气缸101和二号汽缸103的轴端与U型支架 104连 接， 所述吸盘气缸105安装在U型支架104上， 所述弹簧支架106安装在 U型支架104两端， 所 述弹簧107一端与弹簧支架106连接， 另一端与仿形手指结构108连接， 所述吸盘109安装在 气缸轴111末端上， 所述手指压盘110安装在气缸轴111上； 所述左仿形手指1081通过转轴 1083与U型支架104连接， 所述压力传感器10。

24、82粘附在左仿形手指1081表面， 所述左手指半 圆压板1084 设置在左仿形手指1081末端， 所述右手指半圆压板1085设置在右仿形手指 1086 末端， 所述左手指半圆压板1084和右手指半圆压板1085拼合成圆形， 所述右仿形手指 1086通过转轴1083与U型支架104连接。 0035 参见图2所示， 优选地， 所述安装板102两侧折页与水平面夹角为120 ， 所述一号气 缸101和二号汽缸103成120 夹角设置于安装板102。 0036 参见图3所示， 优选地， 所述左手指半圆压板1084和右手指半圆压板1085 拼合成 圆孔直径为8.5mm， 所述气缸轴111外径为8mm。 0。

25、037 参见图2所示， 优选地， 所述手指压盘110外径为10mm， 距离吸盘109有 15mm。 0038 参见图3所示， 更优选地， 所述左仿形手指1084和右仿形手指1086内表面都附有 3mm的软硅胶材料。 0039 参见图2所示， 具体的， 所述弹簧107原长状态使左仿形手指1081和右仿形手指 1086开口距离为90mm。 0040 参见图1所示， 一种番茄吸附夹持同步采摘机构， 是由机械手末端执行器1、 机械臂 2、 移动平台3、 果实收纳箱4和控制箱5组成的， 其特征是： 所述机械手末端执行器1安装在机 械臂2末端， 机械臂2安装在移动平台3上， 所述果实收纳箱4设置于移动平台。

26、3前面， 所述控 制箱5设置于移动平台3内部； 0041 参见图1所示， 更优选地， 所述果实收纳箱4内表面附有10mm的软硅胶材料。 0042 为了帮助理解本发明的上述基本实施方式， 参照图4至图7进行工作过程说明， 本 发明番茄吸附夹持同步采摘末端执行器及相应采摘机构的工作过程包括对准果实、 吸附果 实、 吸拉夹持和摆动折断， 其详细工作过程为： 图像处理获取番茄空间三维坐标， 控制箱5控 制机械臂2将机械手末端执行器1送至相应位置， 完成对准果实过程； 吸盘气缸105工作， 气 缸轴111伸出， 手指压盘 110离开左手指半圆压板1084和右手指半圆压板1085， 左仿形手指 1081和。

27、右仿形手指1086在弹簧107拉力作用下张开至90mm， 吸盘109触碰到番茄时吸持住， 完成吸附果实过程； 吸盘气缸105工作， 气缸轴111缩回， 手指压盘110 顶着左手指半圆压板 1084和右手指半圆压板1085运动， 同时左仿形手指1081 和右仿形手指1086慢慢将吸盘109 拉离果束的番茄夹持住， 完成吸拉夹持过程； 一号气缸101轴伸出同时二号汽缸轴103缩回， 然后二号气缸103轴伸出同时一号汽缸101轴缩回， 仿形手指结构108左右摆动， 果梗受剪切 力而折断， 完成摆动折断过程。 0043 以上结合附图详细描述了本发明的具体实施方式， 需要说明的是， 在上述具体实 施方式。

28、中所描述的各个具体技术特征， 在不矛盾的情况下， 可以通过任何合适的方式进行 组合， 为了避免不必要的重复， 本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。 但是， 本发明 并不限于上述实施方式中的具体细节， 对于本领域的普通技术人员而言， 根据本发明的教 导， 在不脱离本发明的原理与精神的情况下， 对实施方式所进行的改变、 修改、 替换和变型 仍落入本发明的保护范围之内。 说 明 书 4/4 页 7 CN 107711078 A 7 图1 图2 说 明 书 附 图 1/4 页 8 CN 107711078 A 8 图3 图4 说 明 书 附 图 2/4 页 9 CN 107711078 A 9 图5 图6 说 明 书 附 图 3/4 页 10 CN 107711078 A 10 图7 说 明 书 附 图 4/4 页 11 CN 107711078 A 11 。