水果采摘收集机构及采摘机器人的制作方法

1.本实用新型涉及自动化采摘技术领域，具体而言涉及水果采摘收集机构及采摘机器人。


背景技术：

2.近年来农业机械自动化技术的发展迅速，而发展动力在于为提高原有农业作业的效率、降低农业生产的劳动强度和降低农业产品生产的成本。果蔬收获机器人是发展现代化农业生产的主要手段之一，而采摘机器人的末端执行器是直接作用于作业对象，因此采摘机器人的末端执行器必须能直接、有效地实现果蔬的摘取功能。
3.如专利文献1和专利文献2所示的，目前的水果采摘机构一般是通过驱动器带动执行机构使夹爪夹紧水果实现采摘，但是这种方式难以控制施加到水果表面的力，这与上述的驱动方式有关，驱动器的行程、执行机构的精度、传感系统的灵敏度，都对最终的夹持力造成影响，因此如何更好的实现对果实的夹持是亟待解决的问题。
4.现有技术文献：
5.专利文献1：cn103548496a类圆果蔬采摘末端执行器、方法及机器人
6.专利文献2：cn108271532a一种仿人采摘动作的多爪气动无损果蔬采摘机械手


技术实现要素：

7.本实用新型目的在于提供一种水果采摘收集机构，包括：
8.第一弹性束紧部件，构成位于第一平面的第一开口；
9.第二弹性束紧部件，构成位于第二平面的第二开口；
10.筒形的支撑构件，第一端连接到所述第一弹性束紧部件，第二端连接到所述第二弹性束紧部件；
11.刚性支撑部件，设置在所述第二开口的中心位置，并通过弹性支撑部件连接到所述第二弹性束紧部件；
12.驱动部件；
13.其中，所述第一平面和第二平面平行，所述第一开口和第二开口中心的连线垂直于第二平面；
14.所述第一弹性束紧部件和第二弹性束紧部件在自然状态下，所述支撑构件保持为筒形；
15.所述第一弹性束紧部件和第二弹性束紧部件被设置成能被所述驱动部件束紧，所述第一弹性束紧部件和第二弹性束紧部件的周长减小，使第一开口和第二开口通径变小，所述支撑构件的第一端和第二端收缩并相互靠近，内部形成夹持果实的鼓形空间。
16.优选的，所述支撑构件包括多个线型弹性支撑部件，其中每个线型弹性支撑部件的第一端等间距连接到所述第一弹性束紧部件，每个线型弹性支撑部件的第二端等间距连接到所述第二弹性束紧部件；
17.多个线型弹性支撑部件为直线状态，使所述支撑构件内侧形成具有第一开口并用于容纳果实的筒形空间；
18.所述线型弹性支撑部件被设置成当所述第一弹性束紧部件和第二弹性束紧部件被所述驱动部件束紧时，所述线型弹性支撑部件的第一端向第一开口中心移动，所述线型弹性支撑部件的第二端向第二开口中心移动，多个所述线型弹性支撑部件同步弯曲，所述第一开口向第二开口靠近，形成夹持果实的鼓形空间。
19.优选的，每个线型弹性支撑部件的第一端能相对于所述第一弹性束紧部件沿第一轴线转动，所述第一轴线位于第一平面内，并垂直于连接点与第一开口中心的连线；每个线型弹性支撑部件的第二端能相对于所述第二弹性束紧部件沿第二轴线转动，所述第二轴线平行于所述第一轴线并位于第二平面内。
20.优选的，所述第一弹性束紧部件和第二弹性束紧部件至少包括一个自由状态和约束状态，在自由状态时，第一弹性束紧部件和第二弹性束紧部件处于第一周长，在被驱动部件所束紧过程中，第一周长缩小为第二周长，变为约束状态，且在约束状态下具有恢复至第一周长的弹力。
21.优选的，所述驱动部件包括收卷电机以及卷绕在收卷电机上的拉绳，所述第一弹性束紧部件和第二弹性束紧部件被设置成由穿过第一弹性束紧部件和/或第二弹性束紧部件的拉绳所收紧，由自由状态变为约束状态。
22.优选的，所述支撑构件包括至少两对线型弹性支撑部件，每对线型弹性支撑部件包括呈对称分布的第一线型弹性支撑部件和第二线型弹性支撑部件。
23.优选的，所述弹性支撑部件与所述线型弹性支撑部件一一对应分布，使同一平面内至少包括第一弹性支撑部件和第二弹性支撑部件，所述拉绳由刚性支撑部件穿出依次穿过第一弹性支撑部件-第一线型弹性支撑部件-第一弹性束紧部件-第二线型弹性支撑部件-第二弹性支撑部件，再穿入到所述刚性支撑部件，并连接到所述收卷电机；
24.其中，拉绳所穿过的第一弹性支撑部件-第一线型弹性支撑部件-第二线型弹性支撑部件
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第二弹性支撑部件位于同一平面内。
25.优选的，所述线型弹性支撑部件包括空心弹性杆。
26.优选的，所述空心弹性杆外壁靠近筒形空间的方向设有柔性垫体。
27.优选的，所述支撑构件的内侧设有柔性包覆膜。
28.本实用新型提出另一种技术方案，一种包括上述方案所述的水果采摘收集机构的采摘机器人，还包括：
29.驱动部件，连接到所述刚性支撑部件，用于控制所述水果采摘收集机构的空间位置；
30.剪断部件，用于将所述水果采摘收集机构所夹持果实的果梗剪断。
31.应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的实用新型主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的实用新型主题的一部分。
32.结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本实用新型教导的前述和其他方面、实施例和特征。本实用新型的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本实用新型教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
33.附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例，其中：
34.图1-2是本实用新型所示的水果采摘收集机构处于弹性支撑状态时的结构示意图；
35.图3-4是本实用新型所示的水果采摘收集机构处于束紧状态时的结构示意图；
36.图5是本实用新型所示的拉绳在处于束紧状态时的分布示意图；
37.图6是本实用新型所示的刚性支撑部件的结构示意图；
38.图7是本实用新型所示的拉绳所在平面的结构示意图。
具体实施方式
39.为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
40.在本公开中参照附图来描述本实用新型的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本实用新型的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意水果采摘收集机构及采摘机器人来实施，这是因为本实用新型所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本实用新型公开的一些方面可以单独使用，或者与本实用新型公开的其他方面的任何适当组合来使用。
41.由于现有技术中针对于水果采摘的夹持终端一般都是连杆机构等刚性传动构件，对施加到果实表面的力控制困难，因此，本实用新型旨在实现，以柔性驱动的方式，将开放式结构变成包裹式结构，对果实进行限位和夹持，尽量减少刚性构件与果实的接触，以达到保护果实的目的。
42.【水果采摘收集机构】
43.结合图1-2所示，本实用新型目的在于提供一种水果采摘收集机构，主要包括支撑构件、第一弹性束紧部件、第二弹性束紧部件和刚性支撑部件1。其中，支撑构件由多个等间距布置的线型弹性支撑部件4组成，形成上端开放的筒形结构，刚性支撑部件1连接到采摘机器人的驱动部件上。
44.如此，采摘机器人的驱动部件可带动支撑构件移动到果实的位置，对果实进行采摘。
45.第一弹性束紧部件
46.第一弹性束紧部件5是具有弹性的，可被弯曲两端对接形成闭合的环形，其周长能变大或变小，使闭合的环形内的直径变大或变小。
47.在可选的实施例中，第一弹性束紧部件5包括波纹管，具体为橡胶材质的波纹管，以下以波纹管为例，第一弹性束紧部件5旨在实现将多个线型弹性支撑部件4的第一端连接起来，并使多个线型弹性支撑部件4分布在同一圆周上，实现对线型弹性支撑部件4第一端的定位和支撑。
48.在其他的实施例中，第一弹性束紧部件5还可以是环形的螺旋弹簧，或嵌有螺旋弹簧的波纹管，另外，也可以是多段螺旋弹簧或波纹管串联形成的。
49.结合图2和图4所示，第一弹性束紧部件5至少包括一个自由状态和约束状态，在自由状态时，第一弹性束紧部件5处于自然状态，多个线型弹性支撑部件4的第一端分布在一个较大直径的圆周上，在约束状态时，第一弹性束紧部件5处于压缩状态，第一弹性束紧部件 5的直径变小，多个线型弹性支撑部件4的第一端分布在一个较小直径的圆周上。
50.如此，为形成鼓型的结构奠定基础。
51.第二弹性束紧部件
52.第二弹性束紧部件3是具有弹性的，可被弯曲两端对接形成闭合的环形，其周长能变大或变小，使闭合的环形内的直径变大或变小。
53.在可选的实施例中，第二弹性束紧部件3包括波纹管，具体为橡胶材质的波纹管，以下以波纹管为例，第二弹性束紧部件3旨在实现将多个线型弹性支撑部件4的第二端连接起来，并使多个线型弹性支撑部件4分布在同一圆周上，实现对线型弹性支撑部件4第二端的定位和支撑。
54.在其他的实施例中，第二弹性束紧部件3还可以是环形的螺旋弹簧，或嵌有螺旋弹簧的波纹管，另外，也可以是多段螺旋弹簧或波纹管串联形成的。
55.结合图2和图4所示，第二弹性束紧部件3至少包括一个自由状态和约束状态，在自由状态时，第二弹性束紧部件3处于自然状态，多个线型弹性支撑部件4的第二端分布在一个较大直径的圆周上，在约束状态时，第二弹性束紧部件3处于压缩状态，第二弹性束紧部件 3的直径变小，多个线型弹性支撑部件4的第二端分布在一个较小直径的圆周上。
56.如此，为形成鼓型的结构奠定基础。
57.进一步的，刚性支撑部件1弹性连接到第二弹性束紧部件3的内侧。
58.在可选的实施例中，刚性支撑部件1和第二弹性束紧部件3之间设有与线型弹性支撑部件4对应分布的压缩弹簧2。
59.如此，当第二弹性束紧部件3被压缩时，压缩弹簧2提供反弹力，使第二弹性束紧部件 3恢复原状。同时，压缩弹簧2起到连接作用，使刚性支撑部件1被连接到第二弹性束紧部件3内侧，能带动多个线型弹性支撑部件4移动。
60.支撑构件
61.支撑构件旨在提供一种筒形-鼓型弹性可变的结构，在筒形状态下，能装载球形果蔬，在鼓型状态下，可以对果蔬进行限位，从而为采摘水果奠定基础。
62.在可选的实施例中，夹持水果后，可采用转动使果梗脱落，或使用其他工具将果梗剪断的方式采摘水果。
63.在可选的实施例中，支撑构件是由橡胶材质制成的筒形结构，两端设有褶皱或被剪出三角口，以便在两端被束紧时，能够收缩，由筒形变为鼓型结构，并能在两端的约束解除后，恢复至筒形结构。
64.在优选的实施例中，结合图1所示，支撑构件由多个(图示为八个)等间距布置的线型弹性支撑部件4组成。
65.具体的，每个线型弹性支撑部件4的第一端等间距连接到所述第一弹性束紧部件，并能相对于第一弹性束紧部件5沿第一轴线转动，第一轴线位于第一平面内，并垂直于连接点与第一开口中心的连线，每个线型弹性支撑部件4的第二端等间距连接到第二弹性束紧部件3，并能相对于第二弹性束紧部件沿第二轴线转动，第二轴线平行于所述第一轴线并位
于第二平面内。
66.如此，当线型弹性支撑部件4的两端受力变形而弯曲时，线型弹性支撑部件4的弯曲方向沿着筒形空间的径向方向，使变形弯曲后的线型弹性支撑部件4仍保持等间距分布。
67.结合图1和图3所示，在自然状态下，线型弹性支撑部件4呈直线状态，并绕一个轴线呈中心对称分布，在第一弹性束紧部件5和第二弹性束紧部件3束紧时，使第一弹性束紧部件5和第二弹性束紧部件3的周长减小，线型弹性支撑部件4的第一端沿第一轴线与第一弹性束紧部件5相对转动，并向第一开口中心移动，线型弹性支撑部件4的第二端沿第二轴线相对于第二弹性束紧部件3相对转动，并向第二开口中心移动，多个线型弹性支撑部件4同步弯曲，第一开口向第二开口靠近，形成夹持果实的鼓形空间。
68.如此，第一弹性束紧部件5和第二弹性束紧部件3将多个线型弹性支撑部件4连接起来，形成一个筒形结构，内部足够容纳球形果实的筒形空间，第一弹性束紧部件5在筒形结构的第一端形成位于第一平面的第一开口，第二弹性束紧部件3在筒形结构的第二端形成位于第二平面的第二开口。
69.其中，线型弹性支撑部件4为截面为圆形、圆弧形的杆件，或带状杆件，杆件为具有弹性，能够提供支撑，并在弯曲后能够自恢复到原状态的塑料、橡胶、钢等具有良好的弹性的材料。
70.如此，当位于线型弹性支撑部件4两端的第一弹性束紧部件5和第二弹性束紧部件3被收紧时，线型弹性支撑部件4发生弯曲变形，两端的位置受力到向着筒形空间的轴线方向移动，因此，筒形结构变形成鼓型结构，结合图3-4所示，第一弹性束紧部件5和第二弹性束紧部件3的直径变小，内部形成中部大，而两端小的鼓型空间，实现对球形果实的夹持。
71.通过这种方式对果实夹持，可以降低对果实表面的压力，与果实接触的线型弹性支撑部件4也是柔性的，保护果实的表皮不受到挤压伤害。
72.驱动部件
73.在可选的实施例中，驱动部件包括收卷电机以及卷绕在收卷电机上的拉绳6，第一弹性束紧部件5和第二弹性束紧部件3被设置成由穿过波纹管的拉绳6所收紧，由弹性支撑状态变为束紧状态。
74.具体的，第一弹性束紧部件5和第二弹性束紧部件3分别由单独的拉绳6所控制，在驱动时，两个拉绳6同时被收卷，拉绳6由波纹管外壁的一个孔穿入，并穿过波纹管再由该孔穿出，当收卷拉绳6时，波纹管的直径由大变小，由弹性支撑状态变为束紧状态。
75.在可选的实施例中，第一弹性束紧部件5和第二弹性束紧部件3被一根拉绳6同时控制。
76.在优选的示例中，支撑构件包括至少两对线型弹性支撑部件4，每对线型弹性支撑部件4 中的两个呈对称分布。
77.结合图5-7所示，拉绳6由刚性支撑部件1的拉绳6孔11穿出，依次穿过第一压缩弹簧
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第一线型弹性支撑部件4-第一弹性束紧部件5(在波纹管中绕过半个圆弧)-第二线型弹性支撑部件4-第二压缩弹簧，再穿入到刚性支撑部件1，并连接到收卷电机。
78.其中，拉绳6所穿过的第一压缩弹簧2-第一线型弹性支撑部件4-第二线型弹性支撑部件4-第二压缩弹簧2位于同一平面内。
79.所述的第一压缩弹簧、第二压缩弹簧为对称分布在刚性支撑部件1两侧的两个，第
一线型弹性支撑部件4和第二线型弹性支撑部件4为对称分布在刚性支撑部件1两侧的两个。
80.如此，当拉绳6被收卷时，第一弹性束紧部件5和第二弹性束紧部件3同时受到束缚力，且处于对称位置的线型弹性支撑部件4的两端发生向着筒形空间轴线方向的发生弯曲，更容易形成鼓型结构。
81.如此，通过筒形-鼓型可变的结构，实现对球形果实的包裹和夹持，并且传动采用拉绳控制第一弹性束紧部件5和第二弹性束紧部件3束紧的方式，对果实的施力点为线型弹性支撑部件4的中部位置，驱动端为线型弹性支撑部件4的两端，驱动力不会直接施加到果实表面，果实表面受力小，包裹性好。
82.同时，这种驱动方式不同于气缸、电动伸缩杆等线性驱动方式，拉绳收卷的方式传动比大，传动形式为非刚性，对系统精度要求低，容错性大，且结构成本低。
83.在可选的实施例中，线型弹性支撑部件4包括空心弹性杆，内部设有供拉绳6穿过的空腔41，如此，拉绳6可穿过空心弹性杆，使拉绳6不会暴露在外部，形成对拉绳6的保护。
84.在优选的示例中，空心弹性杆外壁靠近筒形空间的方向设有柔性垫体，如带状的硅胶垫体或橡胶垫体。
85.进一步，支撑构件的内侧设有柔性包覆膜，可以形成对果实表面进一步的保护。
86.【水果采摘收集方法】
87.本实用新型提出另一种技术方案，利用上述方案的水果采摘收集机构，一种水果采摘收集方法，包括以下步骤：
88.步骤1、将支撑构件移动到合适位置，使果实位于多个平行布置的线型弹性支撑部件4 内侧形成的筒形空间内；
89.步骤2、收卷拉绳6，使第一弹性束紧部件5和第二弹性束紧部件3被束紧，多个平行布置的线型弹性支撑部件4的第一端和第二端向筒形空间轴线方向移动使线型弹性支撑部件4 弯曲，内侧形成夹持果实的鼓形空间，柔性的夹持住果实；
90.步骤3、使用剪断部件将果梗剪断；
91.步骤4、将支撑构件移动到收集位置，放卷拉绳6，使第一弹性束紧部件5和第二弹性束紧部件3恢复到弹性支撑状态，果实能自由的从筒形空间内滑出，完成采摘收集。
92.驱动部件控制刚性支撑部件1移动到果实位置，使多个平行布置的线型弹性支撑部件4 所形成的一端开放的筒形结构，果实由开放端进入，然后控制收卷机构收卷拉绳6，使拉绳6 长度变短，进而使第一弹性束紧部件5和第二弹性束紧部件3的长度变短，多个平行布置的线型弹性支撑部件4的第一端和第二端向筒形空间轴线方向移动使线型弹性支撑部件4弯曲，内侧形成夹持果实的鼓形空间，柔性的夹持住果实。
93.进一步的，将夹持住的果实通过剪断部件进行剪断，使果实脱离果树，再将水果采摘收集机构移动至收集容器，使拉绳6释放，第一弹性束紧部件5、第二弹性束紧部件3和线型弹性支撑部件4恢复至原状态，果实可以被倒出。
94.如此往复，即可完成果实的采摘。
95.【采摘机器人】
96.本实用新型提出另一种技术方案，一种包括上述方案的水果采摘收集机构的采摘机器人，还包括：
97.驱动部件，连接到所述刚性支撑部件，用于控制所述水果采摘收集机构的空间位置；
98.剪断部件，用于将所述水果采摘收集机构所夹持果实的果梗剪断。
99.其中，驱动部件为机械手，以控制水果采摘收集机构在空间上移动、转向等。
100.在可选的实施例中，剪断部件为铰接式剪刀结构，电机驱动凸轮或连杆机构实现两个剪刀合并和分开，完成剪断动作。
101.进一步的，采摘机器人还包括视觉部件，如双目摄像头，视觉部件获取采收位置的图像，并利用计算机视觉识别技术识别图像中的对象，确定该对象的空间位置。如此，驱动部件驱动水果采摘收集机构运动到采摘对象位置，并使开口端移动到果实外围，为包裹、夹持果实奠定基础。
102.结合以上实施例，本实用新型通过新型的筒形-鼓型可变的结构，实现对球形果实的包裹和夹持，并且传动采用拉绳控制第一弹性束紧部件和第二弹性束紧部件束紧的方式，对果实的施力点为线型弹性支撑部件的中部位置，为驱动端为线型弹性支撑部件的两端，驱动力不会直接施加到果实表面，果实表面受力小，包裹性好。
103.虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。