技术领域

本发明涉及农业采摘机器人领域，具体地，涉及一种黄瓜柔性采摘机械手末端执行器及采摘方法。

背景技术

随着温室大棚技术的发展，黄瓜在我国目前种植面积广大，而采摘作业是黄瓜生产链中最耗时、最费力的一个环节，季节性强、劳动强度大，目前主要依靠人工采摘，成本高，因此保证黄瓜适时采收、降低收获成本是农业增收的重要途径，研究适用温室环境黄瓜采摘机器人具有重要意义。

试验数据分析黄瓜物理特性有三点，第一：黄瓜中段和下段内部含有大量种子，而且种子很大，抗压能力低，晃动易折断；第二：黄瓜上段内部所含种子少，抗压能力好；第三：黄瓜上半段没有刺。黄瓜采摘机器人的机械手末端执行器是安装在机械臂前端，直接与黄瓜相接触，是采摘的关键执行部分。机械手末端执行器能否准确的抓取黄瓜上段，柔性的抓持黄瓜中下段并且保证黄瓜下段不晃动，准确的切割果梗，决定了果实采摘的效率和成功率，因此需要一种黄瓜柔性采摘机械手末端执行器及采摘方法，而目前这种柔性采摘机械手末端执行器市场上是没有的。

发明内容

针对上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种黄瓜柔性采摘机械手末端执行器及采摘方法，克服现有黄瓜手工采摘效率低、机械化程度低的缺陷，本发明采用柔性夹持壁夹持黄瓜中下段，夹持手指夹持黄瓜上段，切割手指切割果梗的采摘方式，解决了黄瓜采摘效率低、夹持易损伤和晃动易折断的技术难题。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种黄瓜柔性采摘机械手末端执行器，是由步进电机、光轴、丝杠、安装板、支撑板、螺母滑块、上顶板、视觉传感器、切割气缸、切割手指、夹持气缸、夹持手指、弹簧、柔性夹持壁、硅胶按键、激光传感器、夹持壁转轴和旋转电机组成的，其特征是：所述步进电机安装在安装板底端，所述光轴下端连接安装板，贯穿支撑板，上端连接上顶板；所述丝杠下端与步进电机轴连接，贯穿支撑板，与螺母滑块配合，上端连接上顶板，所述支撑板安装在安装板背面，所述螺母滑块安装在丝杠上，所述视觉传感器安装在上顶板前端，所述所述切割气缸与螺母滑块连接，所述切割手指安装在切割气缸滑轨上，所述夹持气缸安装在安装板上端，所述夹持手指安装在夹持气缸滑轨上，所述柔性夹持壁通过夹持壁转轴安装在安装板两侧，所述硅胶按键通过弹簧与柔性夹持壁连接，所述激光传感器设置于安装板上，位于左右柔性夹持壁之间，所述旋转电机与夹持壁转轴连接，固定于安装板上。

优选地，所述硅胶按键成3mm宽15mm长的长条形，成6行6列设置，左右间隙3mm上下间隙5mm，所有硅胶按键通过弹簧与柔性夹持壁连接，在一个平面上，所有硅胶按键表面安装有压力传感器，所述柔性夹持壁设置有弧形面，弧形面跨度为50mm，安装板两侧各设置一个柔性夹持壁。

优选地，所述切割手指最远端间距为30mm，所述夹持手指最远端间距为50mm。

优选地，所述夹持气缸和上顶板之间间距为60mm，切割气缸上下有效行程为40mm。

一种黄瓜柔性采摘机械手末端执行器的采摘方法，包括如下步骤：对准黄瓜、靠近黄瓜、夹持黄瓜上段、柔性夹持黄瓜中下段和切断果梗，其详细工作过程为：视觉传感器拍摄黄瓜图像，经图像处理获取黄瓜上端空间三维坐标，机械臂路径规划将机械手末端执行器送至指定位置，左右两柔性夹持壁在旋转电机驱动下缓慢打开，切割气缸工作打开切割手指，夹持气缸工作打开夹持手指，完成对准黄瓜过程；机械手末端执行器慢慢靠近黄瓜，黄瓜上段进入两夹持手指中间，黄瓜果梗进入两切割手指中间，当激光传感器检测到距离小于30mm时，停止运动，完成靠近黄瓜过程；夹持气缸工作，两夹持手指相向运动慢慢夹持住黄瓜上段，完成夹持黄瓜上段过程；旋转电机转动，两个柔性夹持壁夹角慢慢变小，硅胶按键自适应黄瓜外轮廓，当硅胶按键表面的压力传感器检测到采摘压力在阈值之内，旋转电机停止转动，完成柔性夹持黄瓜中下段过程；步进电机旋转，通过螺母滑块带动切割气缸到合适位置，切割气缸工作，两切割手指快速靠近，完成切断果梗过程。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明设计的一种黄瓜柔性采摘机械手末端执行器及采摘方法利用多关节机械臂，通过多传感器信息融合实时获取、感知工作环境及黄瓜信息，确保在不损伤黄瓜的前提下，完成对准黄瓜、靠近黄瓜、夹持黄瓜上段、柔性夹持黄瓜中下段和切断果梗工作过程，本发明采用柔性夹持壁柔性夹持黄瓜中段和下段，夹持手指夹持黄瓜上段，切割手指切割果梗的采摘方式，解决了黄瓜采摘效率低、夹持易损伤和晃动易折断的技术难题。

(1)本发明采用柔性夹持壁对黄瓜进行夹持，连接弹簧的硅胶按键能够自适应黄瓜外轮廓，并且稳固黄瓜中下段，防止其晃动避免折断，保证无损采摘；

(2)本发明采用丝杠和螺母滑块带动切割气缸上下移动，可以调整合适的切割果梗位置，适应性更强；

(3)本发明采用先固定黄瓜上段再固定黄瓜中下段的采摘流程，减少了黄瓜的晃动。

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

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限于下述附图及具体实施方式。在附图中：

图1为本发明的整体结构等轴测图；

图2为本发明的整体结构另一方向的三维结构示意图；

图3为本发明的柔性夹持壁三维结构示意图；

图4为本发明采摘步骤的对准黄瓜工作状态示意图；

图5为本发明采摘步骤的靠近黄瓜工作状态示意图；

图6为本发明采摘步骤的夹持黄瓜上段工作状态示意图；

图7为本发明采摘步骤的柔性夹持黄瓜中下段工作状态示意图；

图8为本发明采摘步骤的切断果梗工作状态示意图；

图中：1步进电机，2光轴，3丝杠，4安装板，5支撑板，6螺母滑块，7上顶板，8视觉传感器，9切割气缸，10切割手指，11夹持气缸，12夹持手指，13弹簧，14柔性夹持壁，15硅胶按键，16激光传感器，17夹持壁转轴，18旋转电机。

具体实施方式

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。

本发明设计的一种黄瓜柔性采摘机械手末端执行器及采摘方法利用多关节机械臂，通过多传感器信息融合实时获取、感知工作环境及黄瓜信息，确保在不损伤黄瓜的前提下，完成对准黄瓜、靠近黄瓜、夹持黄瓜上段、柔性夹持黄瓜中下段和切断果梗工作过程，本发明采用柔性夹持壁柔性夹持黄瓜中段和下段，夹持手指夹持黄瓜上段，切割手指切割果梗的采摘方式，解决了黄瓜采摘效率低、夹持易损伤和晃动易折断的技术难题。

参见图1至图3所示，一种黄瓜柔性采摘机械手末端执行器，是由步进电机1、光轴2、丝杠3、安装板4、支撑板5、螺母滑块6、上顶板7、视觉传感器8、切割气缸9、切割手指10、夹持气缸11、夹持手指12、弹簧13、柔性夹持壁14、硅胶按键15、激光传感器16、夹持壁转轴17和旋转电机18组成的，其特征是：所述步进电机1安装在安装板4底端，所述光轴2下端连接安装板4，贯穿支撑板5，上端连接上顶板7；所述丝杠3下端与步进电机1轴连接，贯穿支撑板5，与螺母滑块6配合，上端连接上顶板7，所述支撑板5安装在安装板4背面，所述螺母滑块6安装在丝杠3上，所述视觉传感器8安装在上顶板7前端，所述所述切割气缸9与螺母滑块6连接，所述切割手指9安装在切割气缸9滑轨上，所述夹持气缸11安装在安装板4上端，所述夹持手指12安装在夹持气缸11滑轨上，所述柔性夹持壁14通过夹持壁转轴17安装在安装板4两侧，所述硅胶按键15通过弹簧13与柔性夹持壁14连接，所述激光传感器16设置于安装板5上，位于左右柔性夹持壁14之间，所述旋转电机18与夹持壁转轴17连接，固定于安装板4上。

参见图3所示，优选地，所述硅胶按键15成3mm宽15mm长的长条形，成6行6列设置，左右间隙3mm上下间隙5mm，所有硅胶按键15通过弹簧13与柔性夹持壁14连接，在一个平面上，所有硅胶按键15表面安装有压力传感器，所述柔性夹持壁14设置有弧形面，弧形面跨度为50mm，安装板4两侧各设置一个柔性夹持壁14。

参见图1和图2所示，优选地，所述切割手指10最远端间距为30mm，所述夹持手指12最远端间距为50mm。

参见图1和图2所示，优选地，所述夹持气缸11和上顶板7之间间距为60mm，切割气缸9上下有效行程为40mm。

为了帮助理解本发明的上述基本实施方式，参照图4至图8进行工作过程说明，本发明一种黄瓜柔性采摘机械手末端执行器的采摘方法，包括如下步骤：对准黄瓜、靠近黄瓜、夹持黄瓜上段、柔性夹持黄瓜中下段和切断果梗，其详细工作过程为：视觉传感器8拍摄黄瓜图像，经图像处理获取黄瓜上端空间三维坐标，机械臂路径规划将机械手末端执行器送至指定位置，左右两柔性夹持壁17在旋转电机18驱动下缓慢打开，切割气缸9工作打开切割手指10，夹持气缸11工作打开夹持手指12，完成对准黄瓜过程；机械手末端执行器慢慢靠近黄瓜，黄瓜上段进入两夹持手指12中间，黄瓜果梗进入两切割手指9中间，当激光传感器16检测到距离小于30mm时，停止运动，完成靠近黄瓜过程；夹持气缸11工作，两夹持手指12相向运动慢慢夹持住黄瓜上段，完成夹持黄瓜上段过程；旋转电机18转动，两个柔性夹持壁17夹角慢慢变小，硅胶按键15自适应黄瓜外轮廓，当硅胶按键15表面的压力传感器检测到采摘压力在阈值之内，旋转电机18停止转动，完成柔性夹持黄瓜中下段过程；步进电机1旋转，通过螺母滑块6带动切割气缸9到合适位置，切割气缸9工作，两切割手指10快速靠近，完成切断果梗过程。

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。