一种柑橘采摘机器人及其未端执行器与柑橘采摘方法

本发明属于柑橘采摘技术领域，尤其涉及一种柑橘采摘机器人及其未端执行器与柑橘采摘方法。

背景技术：

柑橘采摘机器人的末端执行器是智能采摘机器人进行有效作业的关键核心部件，现阶段，国内外智能采摘机器人末端执行器结构复杂，大多附带有力传感器、触觉传感器，与之匹配的各级机器臂的动作精度要求非常高，所以末端执行器和与之匹配的机械臂成本昂贵。

其次，现有的末端执行器大多采用机械指头夹持水果，模仿人手向上抬的动作将水果摘下，采摘速度慢、效率低，在果梗接触处的果皮时有被拽掉的现象，受伤柑橘不易保存、卖像大大降低，使果农蒙受经济损失，同时，采用模仿手向上抬的动作强行拉拽的方式，可能会拉断树枝，导致果树受伤，影响柑橘树来年的收成，现有末端执行器的作业效果还有待大大提高。

此外，由于柑橘生长在柑橘树树冠里，果实形状复杂、个体大小差异大、生长朝向不固定，果树上有枝叶等障碍物，现有末端执行器用夹持指头采摘容易因受力不均、导致摘取失败，现有末端执行器漏采率居高不下。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种柑橘采摘机器人及其未端执行器与柑橘采摘方法，旨在提升柑橘的采摘成功率。

为此，本申请实施例一方面提供一种柑橘采摘机器人未端执行器，包括采摘筒和果梗切刀，所述采摘筒的前端设有采摘口，所述采摘口上设有若干沿其周向均布的切槽，每条所述切槽中均设有果梗切刀，所述采摘口套住所述柑橘时，所述柑橘的果梗插入所述切槽中并能被所述果梗切刀切断。

具体的，所述采摘口的前端上位于任一相邻的两个所述切槽之间均设有一个指头，相邻的两个所述指头之间形成有与对应的所述切槽连通的果梗导入槽，所述果梗导入槽的宽度从前到后逐渐变窄。

具体的，所述指头上套有柔性阻尼护套。

具体的，所述指头朝向所述采摘筒的中心倾斜向前设置。

具体的，所述采摘筒的底部设有落果口。

具体的，所述采摘筒上切刀安装孔，所述果梗切刀通过螺栓组件紧固安装在所述切刀安装孔上。

具体的，所述采摘筒的尾端设有用于与所述柑橘采摘机器人的机械臂连接的安装法兰。

具体的，所述采摘筒的尾端上均布有加强筋。

本申请实施例另一方面还提供一种包括上述未端执行器的柑橘采摘机器人,所述未端执行器与所述柑橘采摘机器人的机械臂连接。

本申请实施例另一方面还提供一种采用上述柑橘采摘机器人进行采摘的柑橘采摘方法，包括如下步骤：

第一步：首先利用机械臂将采摘筒调整至初始位置，此时采摘筒轴向水平正向对准需要采摘的柑橘；

第二步：机械臂带动采摘筒朝向柑橘运动，使得柑橘套入采摘筒的采摘口中，与此同时果梗进入切槽，并被切槽内的果梗切刀切割；当果梗切刀切入果梗设定深度后，末端执行器停止进给运动，机械臂驱动末端执行器向切槽有刀刃的一侧反向旋转设定角度，利用果梗切刀的刀刃对果梗作进一步切割；

第三步：接着末端执行器反转复位，这时果梗在弯曲剪切和切割力的作用下被完全断裂，柑橘与果梗完全分离，并落入采摘筒中；

第四步:机械臂带动末端执行器水平轴向收回至初始位置，进入下一次采摘果实指令。

与现有技术相比，本发明至少一个实施例具有如下有益效果：

1.本实施例末端执行器由于切槽围绕采摘口周向均布，所以无论柑橘的生长方向朝向何方，果梗总能进入其一个切槽，不会存在漏采的问题，采摘成功率可达到100％。

2.本实施例末端执行器运动形式简单，仅平动和旋转两种方式即可实现柑橘的高效采摘，机器人控制程序简单，末端执行器的采摘动作可以做到准、快、稳；此外，末端执行器自身不附带任何传感器及驱动装置，对机械臂的动作精度要求不高，所以制作成本大大降低，对柑橘采摘机器人的普及与推广提供了可能。

3.通过在末端执行器的采摘筒上设置与每条切槽相对的且前宽后窄的果梗导入槽，在每条指头上套有柔性阻尼护套，由于柑橘的重力绝大部分作用在果梗上，相当于柑橘悬吊在果梗上，所以有利于果实进入采摘口、果梗顺利导入切槽，而进入果梗导入槽的枝条和树叶，不会再进入切槽，同时可以避免采摘过程中对枝条和树叶造成伤害。

4.柑橘采摘机器人的末端执行器，在结构上可以通过选用比重轻、强度好的材料，通过设置筋板、去除材料等的合适工艺，达到末端执行器的重量控制在末端机械臂负载要求范围内且抗扭矩性能高的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的末端执行器结构示意图；

图2是本发明实施例提供的采摘筒纵向剖视图；

图3是本发明实施例提供的末端执行器摘果平行移动示意图；

图4是本发明实施例提供的末端执行器摘果旋转示意图；

其中：1、采摘筒；2、果梗切刀；3、采摘口；4、切槽；5、柑橘；6、果梗；7、落果口；8、指头；9、果梗导入槽；10、柔性阻尼护套；11、切刀安装孔；12、螺栓组件；13、安装法兰；14、加强筋。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参见图1-图4，本申请实施例提供的柑橘采摘机器人未端执行器，包括采摘筒1和果梗切刀2，采摘筒1的前端设有采摘口3，尾端用于与柑橘采摘机器人的机械臂连接，采摘口3上设有若干沿其周向均布的切槽4，每条切槽4中均设有果梗切刀2，采摘口3套住柑橘5时，柑橘5的果梗6能够插入切槽4中并被果梗切刀2切断。

本实施例末端执行器由于切槽4围绕采摘口3周向均布，所以无论柑橘的生长方向朝向何方，果梗6总能进入其一个切槽4，不会存在漏采的问题，采摘成功率可达到100％。

在具体的设计中，可以在采摘口3的前端部上采用去除材料的方式冲切出槽体，从而构成上述切槽4，而果梗切刀2则直接设置在该切槽4的底部或侧部，采摘筒1则可以采用刚性材质制作，采摘落下的柑橘5进入采摘筒1的内腔中。

参见图1和图2，此外，在采摘筒1的底部还可以设置与其内腔连通的落果口7，采摘筒1采摘下的柑橘5可以经落果口7及时落入采摘机器人的接果分拣装箱内，这样的设计的优点在于柑橘不会大量囤积在采摘筒1内，采摘过程中整个采摘筒1的重量不会增加太大，因此不会出现未端执行器重量超出机械臂的负载要求，造成机械臂变形甚至断裂的问题。

参见图1和图2，在一些实施例中，采摘口3的前端上位于任一相邻的两个切槽4之间均设有一个指头8，相邻的两个指头8之间形成有与对应的切槽4连通的果梗导入槽9，果梗6导入槽9的宽度从前到后逐渐变窄。

参见图1和图2，本实施例中，在采摘筒1的前端设置果梗导入槽9，果梗导入槽9前宽到后窄的设计，可以保证果梗能够顺利导入切槽4。此外，在每个指头8上还可以设置柔性阻尼护套10，设置柔性阻尼护套10具有如下优点：由于柑橘的重力绝大部分作用在果梗6上，相当于柑橘5悬吊在果梗6上，所以有利于果实进入采摘口3，而进入果梗导入槽9的枝条和树叶，则在柔性阻尼护套10的阻尼力作用下，不会再进入切槽4，因此枝条和树叶不会被切刀划伤；另外，柔性阻尼护套10良好的弹性能力，可以起到防止采摘筒1前端的刚性指头8碰伤果头、枝条和树叶的目的。

在实际应用中，柔性阻尼护套10可以采用橡胶或硅胶等材质制作，可以利用模具注塑成型柔性阻尼护套10后，脱模将柔性阻尼护套10套在指头8上，当然也可以直接在指头8的外表面上喷覆熔融态的制作原料并冷却形成柔性阻尼护套10。至于果梗导入槽9和切槽4的宽度，本领域技术人员可以根据需要采用的柑橘类型，进行适应性选择，只需要保证果梗能够顺利进入切槽4，但是枝条和树叶不能进入切槽4即可。

参见图1和图2，可以理解的是，指头8是朝向采摘筒1的中心倾斜向前设置的，这样的设计的优点在于可以防止采摘下的柑橘从采摘口3掉出。在具体的应用中，在采摘筒1上还可以设置切刀安装孔11，果梗切刀2通过螺栓组件12紧固安装在切刀安装孔11上，果梗切刀2通过螺栓组件12安装在采摘筒1上，果梗切刀2磨损后更换方便。

具体的，指头8的数量为3到n个，均周向分布，每个指头8靠里方向有一组切刀安装孔11，用于安装一块果梗切刀2，每个指头8上套有或喷涂有一个柔性阻尼护套10。此外，在采摘筒1的尾端还可以设置用于与柑橘采摘机器人的机械臂连接的安装法兰13，未端执行器安装时，将安装法兰13对准机械臂上的连接孔，然后拧紧法兰螺栓，即可将未端执行器牢固安装在机械臂上。

在另一实施例中，在采摘筒1的尾端上还可以设置加强筋14，加强筋14的数量为2到n个，呈周向均布，目的是为了减少末端执行器的结构重量，同时增加末端执行器旋转抗扭能力。

本申请实施例另一方面还提供一种包括上述未端执行器的柑橘采摘机器人，该未端执行器与柑橘采摘机器人的机械臂连接。由于本申请柑橘采摘机器人采用了上述任一实施例所述的未端执行器，因此至少具备上述实施例未端执行器具有的有益效果，在此不再赘述。

参见图3和图4，本申请实施例另一方面还提供一种采用上述柑橘采摘机器人进行采摘的柑橘采摘方法，包括如下步骤：

第一步：首先利用机械臂将采摘筒1调整至初始位置，此时采摘筒1轴向水平正向对准需要采摘的柑橘；

第二步：机械臂带动采摘筒1朝向柑橘运动，使得柑橘套入采摘筒1的采摘口3中，与此同时果梗进入切槽4，并被切槽4内的果梗切刀2切割；当果梗切刀2切入果梗设定深度后，末端执行器停止进给运动，机械臂驱动末端执行器向切槽4有刀刃的一侧反向旋转设定角度，利用果梗切刀2的刀刃对果梗作进一步切割；

第三步：接着末端执行器反转复位，这时果梗在弯曲剪切和切割力的作用下被完全断裂，柑橘与果梗完全分离，并落入采摘筒1中；

第四步:机械臂带动末端执行器水平轴向收回至初始位置，进入下一次采摘果实指令。

本实施例柑橘采摘方法末端执行器上不附带任何传感器和驱动装置，末端执行器采摘运动形式就两种：一种是平行移动、另一种是轴向转动，末端执行器的运动完全靠机器人的机械臂自身动作来驱动，成本大大降低，便于机器人在柑橘采摘中的推广与普及。

上述柑橘采摘方法的具体采摘过程如下：

带有此种末端执行器的柑橘采摘机器人在采摘时，末端执行器轴向水平正向对准需要采摘的柑橘、落果口7垂直朝下，受机械臂的驱动，末端执行器向柑橘直线运动靠近；

当柑橘进入采摘口3时，果梗进入果梗导入槽9，因指头8上套有减震阻尼套，因此果梗导入槽9具有阻尼作用，由于果梗导入槽9沿垂直面周向均布，所以不管柑橘果实的生长方向为任一，果梗总能进入一个果梗导入槽9；同时，部分枝条或树叶也会进入果梗导入槽9；由于柑橘的重力绝大部分作用在果梗上，相当于柑橘悬吊在果梗上，所以有利于果实进入采摘筒1、果梗顺利导入切槽4，而进入果梗导入槽9的枝条和树叶在阻尼力作用下，不会再进入切槽4，避免了采摘过程中对枝条和树叶的伤害；

在果梗进入果梗导入槽9的过程中，果梗被果梗切刀2的刀刃割进了一定的深度，此时，末端执行器进给运动停止，末端机械臂驱动末端执行器向剪切槽4有刀刃的一侧反向旋转一定的角度，角度值取5°-28°，果梗切刀2的刀刃对果梗继续切割的作用和折弯折断的作用；然后末端执行器进行反转回到初始角度位置，这时果梗在弯曲剪切和切割力的作用下被完全断裂，果实与果梗分离；果实经采摘筒1内腔和落果口7落入采摘机器人接果分拣装箱装置；

紧急着，末端执行器水平轴向收回至初始位置，进入下一次采摘果实指令。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。