一种升降夹剪式柑橘采摘末端执行器及其方法

本发明涉及果实采摘设备领域，具体涉及一种升降夹剪式柑橘采摘末端执行器及其方法。

背景技术：

1、柑橘田间生产包括灌溉、施肥、修剪、采摘和运输五个工序，其中采摘工序是生产过程中复杂程度最高、劳动力需求最大的一个环节，采摘成本占整个生产成本对的30％到40％。

2、由于果实生长环境的多样性和采摘过程的不确定性，目前仍没有商业化的采摘机器人上市。

3、机器人技术在农业装备领域得到了应用，农业机器人技术也逐渐走向成熟，但在实际运用中，仍存在非结构化果园、果实分布稠密及识别的不准确性等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种升降夹剪式柑橘采摘末端执行器及其方法，解决现有采摘设备在实际运用中，仍存在非结构化果园、果实分布稠密及识别的不准确性等问题。

2、为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供了一种升降夹剪式柑橘采摘末端执行器，所述执行器包括：

4、夹持装置，用于夹持目标果实；

5、剪切装置，位于夹持装置的上方，用于对夹持装置上被夹紧的目标果实的果梗进行剪切，以使目标果实与其果梗分离；

6、升降装置，所述夹持装置和剪切装置均搭载于升降装置上，用于控制夹持装置上升且同时控制剪切装置下降，或控制夹持装置下降且同时控制剪切装置上升；

7、相机装置，搭载于剪切装置上，用于对果树上的果实进行识别，得到目标果实信息，根据目标果实信息控制夹持装置夹住目标果实，然后控制剪切装置对目标果实的果梗进行剪切。

8、优选地，所述夹持装置包括：基底，所述基底的前端设有柔性夹爪，所述基底上设有用于驱动柔性夹爪撑开或闭合的第一驱动组件。

9、优选地，所述柔性夹爪包括：两根柔性爪臂和一个中心固定块，两根柔性爪臂分别铰接在中心固定块的两侧，所述中心固定块安装在基底上；

10、所述第一驱动组件包括：设置在中心固定块后方的夹持电机，所述夹持电机上连接有一块固定板，所述固定板安装在基底上，所述夹持电机的驱动端连接有螺杆，所述夹持电机与中心固定块之间设有一根推板，所述螺杆穿设在推板的中部且与推板构成螺纹配合，所述推板的两端均铰接有一根摆动连杆，两根摆动连杆远离推板的一端分别铰接在对应的柔性爪臂上。

11、优选地，两根柔性爪臂的内侧面上均设有压力传感器。

12、优选地，所述剪切装置包括：顶部支撑板，位于顶部支撑板的下方设有连接架，所述连接架上设有剪切部，所述剪切部包括：定刀片和弧形刀片，所述定刀片固定在连接架上，所述弧形刀片转动连接在连接架上；所述连接架上设有用于驱动弧形刀片旋转的第二驱动组件。

13、优选地，所述第二驱动组件包括：安装在顶部支撑板上的剪切电机，所述剪切电机的驱动端上安装有主动齿轮，所述弧形刀片上同轴连接有转盘，所述转盘上设有一段从动齿，所述从动齿与主动齿轮相啮合。

14、优选地，所述从动齿的弧度与定刀片和弧形刀片的最大撑开角度相同。

15、优选地，所述升降装置包括：设置在夹持装置于剪切装置之间的升降固定板，所述升降固定板的顶部滑动连接有升降上板，所述升降上板的顶部与剪切装置相连，所述升降固定板的底部滑动连接有升降下板，所述升降下板的底部与夹持装置相连，所述升降固定板的内侧面上设有中间支撑板；

16、位于夹持装置于剪切装置之间的区域中设有多根双向丝杆，所述双向丝杆穿设在中间支撑板上，所述双向丝杆的中部均转动连接在中部支撑板上，每个竖向丝杆的两段螺纹段外均套设有套管，且与套管构成螺纹配合，位于中部支撑板上方的各套管的顶部均固定连接在剪切装置上，位于中部支撑板下方的各套管的底部均固定连接在夹持装置上；所述中部支撑板上设有驱动多根双向丝杆同时旋转的第三驱动组件。

17、优选地，所述第三驱动组件包括：升降电机，所述升降电机的驱动端连接有驱动轮，在每根双向丝杆上安装有从动轮，所述驱动轮通过皮带与所有的从动轮传动相连。

18、优选地，所述剪切装置还包括：刀盒，所述刀盒的前端设有开口，所述定刀片的一端固定连接在刀盒的外壁上，所述弧形刀片的一端沿着开口插设在刀盒内，所述刀盒的前端两侧铰接在连接架的底座上，所述刀盒的中部前端设有一段条形缺口，位于条形缺口内的弧形刀片上设有腰型孔，所述腰型孔内插设有连接轴，位于连接轴两侧的所述弧形刀片的上表面设有一对铰接座，所述铰接座与连接轴铰接相连；且铰接座与连接轴之间的铰接轴与刀盒和底座之间的铰接轴同轴设置，所述转盘套设在连接轴的顶部。

19、在刀盒的后端设有刀柄，所述刀柄上设有一段条形孔，所述刀柄位于升降装置其中一根双向丝杆的上方，该双向丝杆的顶部转动连接有旋转头，所述旋转头插设在条形孔内，所述刀柄的两侧壁上设有与条形孔相连通的导向槽，所述旋转头的侧壁上设有一对导向柱，所述导向柱插设在导向槽内。

20、第二方面，本发明提供了一种采摘方法，基于上述的升降夹剪式柑橘采摘末端执行器实现，所述方法包括：

21、利用相机装置对果树上果实进行扫描，得到目标果实信息，所述目标果实信息包括：目标果实的空间位置、目标果实的体积和目标果实的果梗长度；

22、基于目标果实的空间位置，控制升降夹剪式柑橘采摘末端执行器移动到目标果实的采摘范围，对升降夹剪式柑橘采摘末端执行器的剪切装置、夹持装置和升降装置进行初始化；

23、基于目标果实的体积和目标果实的果梗长度，确定升降夹剪式柑橘采摘末端执行器的最佳采摘姿态，所述最佳采摘姿态包括：剪切装置与夹持装置之间的最佳间距；

24、当升降夹剪式柑橘采摘末端执行器处于最佳采摘姿态时，控制夹持装置对目标果实进行夹持，在目标果实被夹住后，控制剪切装置对目标果实的果梗进行剪切。

25、本发明的有益效果集中体现在：

26、1、本发明的相机装置的设置，可以实时获取末端执行器附近的视野，从而实现视觉反馈，同时提高了果实的识别率与识别精度，进一步提高了采摘效率；

27、2、针对果实大小以及果梗长度，设计了升降装置，可在竖直方向调节夹持装置与剪切装置之间的相对相距，即能够对目标果实剪切点和夹持点进行调整，从而适应不同品种果实大小。同时，还可防止在存储果实的过程中因果梗过长损伤果实。

技术特征：

1.一种升降夹剪式柑橘采摘末端执行器，其特征在于，所述执行器包括：

2.根据权利要求1所述的升降夹剪式柑橘采摘末端执行器，其特征在于，所述夹持装置包括：基底(1)，所述基底(1)的前端设有柔性夹爪，所述基底(1)上设有用于驱动柔性夹爪撑开或闭合的第一驱动组件。

3.根据权利要求2所述的升降夹剪式柑橘采摘末端执行器，其特征在于，所述柔性夹爪包括：两根柔性爪臂(2)和一个中心固定块(3)，两根柔性爪臂(2)分别铰接在中心固定块(3)的两侧，所述中心固定块(3)安装在基底(1)上；

4.根据权利要求3所述的升降夹剪式柑橘采摘末端执行器，其特征在于，两根柔性爪臂(2)的内侧面上均设有压力传感器。

5.根据权利要求3所述的升降夹剪式柑橘采摘末端执行器，其特征在于，所述剪切装置包括：顶部支撑板(9)，位于顶部支撑板(9)的下方设有连接架(10)，所述连接架(10)上设有剪切部，所述剪切部包括：定刀片(11)和弧形刀片(12)，所述定刀片(11)固定在连接架(10)上，所述弧形刀片(12)转动连接在连接架(10)上；所述连接架(10)上设有用于驱动弧形刀片(11)旋转的第二驱动组件。

6.根据权利要求5所述的升降夹剪式柑橘采摘末端执行器，其特征在于，所述第二驱动组件包括：安装在顶部支撑板(9)上的剪切电机(13)，所述剪切电机(13)的驱动端上安装有主动齿轮(14)，所述弧形刀片上同轴连接有转盘(15)，所述转盘(15)上设有一段从动齿，所述从动齿与主动齿轮(14)相啮合。

7.根据权利要求6所述的升降夹剪式柑橘采摘末端执行器，其特征在于，所述升降装置包括：设置在夹持装置于剪切装置之间的升降固定板(16)，所述升降固定板(16)的顶部滑动连接有升降上板(17)，所述升降上板(17)的顶部与剪切装置相连，所述升降固定板(16)的底部滑动连接有升降下板(18)，所述升降下板(18)的底部与夹持装置相连，所述升降固定板(16)的内侧面上设有中间支撑板(19)；

8.根据权利要求7所述的升降夹剪式柑橘采摘末端执行器，其特征在于，所述第三驱动组件包括：升降电机(22)，所述升降电机(22)的驱动端连接有驱动轮，在每根双向丝杆(20)上安装有从动轮(23)，所述驱动轮通过皮带(24)与所有的从动轮(23)传动相连。

9.根据权利要求7所述的升降夹剪式柑橘采摘末端执行器，其特征在于，所述剪切装置还包括：刀盒(28)，所述刀盒(28)的前端设有开口，所述定刀片(11)的一端固定连接在刀盒(28)的外壁上，所述弧形刀片(12)的一端沿着开口插设在刀盒(28)内，所述刀盒(28)的前端两侧铰接在连接架(10)的底座上，所述刀盒(28)的中部前端设有一段条形缺口(29)，位于条形缺口(29)内的弧形刀片(12)上设有腰型孔(30)，所述腰型孔(30)内插设有连接轴(31)，位于连接轴(31)两侧的所述弧形刀片(12)的上表面设有一对铰接座(32)，所述铰接座(32)与连接轴(31)铰接相连；且铰接座(32)与连接轴(31)之间的铰接轴与刀盒(28)和底座之间的铰接轴同轴设置，所述转盘(15)套设在连接轴(31)的顶部；

10.一种采摘方法，基于权利要求1-9中任一项所述的升降夹剪式柑橘采摘末端执行器实现，其特征在于，所述方法包括：

技术总结本发明涉及果实采摘设备领域，公开了一种升降夹剪式柑橘采摘末端执行器及其方法，所述执行器包括：夹持装置，用于夹持目标果实；剪切装置，位于夹持装置的上方，用于对夹持装置上被夹紧的目标果实的果梗进行剪切，以使目标果实与其果梗分离；升降装置，所述夹持装置和剪切装置均搭载于升降装置上，用于控制夹持装置上升且同时控制剪切装置下降，或控制夹持装置下降且同时控制剪切装置上升；相机装置，搭载于剪切装置上，用于对果树上的果实进行识别，得到目标果实信息，根据目标果实信息控制夹持装置夹住目标果实，然后控制剪切装置对目标果实的果梗进行剪切。本发明能够对目标果实剪切点和夹持点进行调整，从而适应不同品种果实大小。技术研发人员：许丽佳,汤磊磊,周龙,唐座亮,王玉超,伍志军,赵永鹏,李灏洋,石小仕受保护的技术使用者：四川农业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11