草莓采摘机器人精准采摘执行机构及垄作草莓采摘机器人制作方法

张凯良, 张铁中, 杨丽, 王粮局, 罗亨亮

2012年7月18日

2012年2月17日

2012年2月17日

中国农业大学

A01D46/30GK102577755SQ20121003796

采摘 执行机构 草莓 精准 机器人

1.一种草莓采摘机器人精准采摘执行机构，其特征在于所述机构包括混合坐标式运动装置、与所述混合坐标式运动装置相连接的机械爪装置以及固定所述混合坐标式运动装置的支撑连接装置2.根据权利要求I所述的草莓采摘机器人精准采摘执行机构，其特征在于所述混合坐标式运动装置包括水平运动单元、竖直运动单元、旋转运动单元、俯仰调节单元以及纵深运动单元，其中所述水平运动单元包括水平运动单元电机(I)、水平运动单元导轨-丝杠模组(2)、水平运动单元滑块(3)以及水平运动单元第一传感器固定板(4a)、水平运动单元第二传感器固定板(4b)，其中，水平运动单元电机(I)通过连轴器与水平运动单元导轨-丝杠模组(2) 的一端连接，水平运动单元滑块(3)可滑动地连接在水平运动单元导轨-丝杠模组(2)上， 水平运动单元第一传感器固定板4a、水平运动单元第二传感器固定板4b固定连接在水平运动单元导轨-丝杠模组(2)的一侧的两端；所述竖直运动单元包括竖直运动单元电机(5)、竖直运动单元导轨-丝杠模组￠)、竖直运动单元滑块(7)以及竖直运动单元第一传感器固定板(8a)、竖直运动单元第二传感器固定板(8b)，其中，竖直运动单元电机(5)通过连轴器与竖直运动单元导轨-丝杠模组(6) 的一端连接，竖直运动单元滑块(7)可滑动地连接在竖直运动单元导轨-丝杠模组(6)上， 竖直运动单元第一传感器固定板(8a)、竖直运动单元第二传感器固定板(Sb)连接在竖直运动单元导轨-丝杠模组￠)的一侧的两端；所述旋转运动单元包括旋转运动单元电机(9)、框架法兰(10),其中,旋转运动单元电机(9)的机身与框架法兰(10)的一侧固定连接，旋转运动单元电机(9)的电机轴与框架法兰(10)另一侧的圆孔保持同轴；所述俯仰调节单元包括传动连接轴(11)、一侧开有弧形长孔(15)的俯仰支撑架(12)、 固定销钉(13)以及活动销钉(14)，其中，固定销钉(13)穿过俯仰支撑架(12)的下部固定连接传动连接轴(11)与俯仰支撑架(12)，活动销钉(14)通过弧形长孔(15)连接传动连接轴(11)与俯仰支撑架(12)；所述纵深运动单元包括纵深运动单元电机(16)、纵深运动单元导轨-丝杠模组(17)、 纵深运动单元滑块(18)以及纵深运动单元传感器固定板(19)，其中，纵深运动单元电机(16)与纵深运动单元导轨-丝杠模组(17)连接，纵深运动单元滑块(18)可滑动地连接在纵深运动单元导轨-丝杠模组(17)上，纵深运动单元导轨-丝杠模组(17)的一侧连接有纵深运动单元传感器固定板(19)；所述水平运动单元滑块(3)和竖直运动单元滑块(7)固定连接，旋转运动单元通过其上的框架法兰(10)与竖直运动单元导轨-丝杠模组(6)的下端固定连接，俯仰调节单元的传动连接轴(11)穿过框架法兰(10)上的圆孔与旋转运动单元电机(9)的电机轴连接，纵深运动单元滑块(18)与俯仰支撑架(12)的底部固定连接，且通过调节活动销钉(14)在弧形长孔(15)中的位置可间接调节纵深运动单元的倾斜角度3.根据权利要求2所述的草莓采摘机器人精准采摘执行机构，其特征在于所述机械爪装置包括平行气爪(20)、第一气爪滑块(21)、第二气爪滑块(22)、第一机械指(23)、第二机械指(24)、刀片(25)、第一指间物体感应传感器固定块(26)、第二指间物体感应传感器固定块(27)、摄像头固定块(28)以及摄像头(29)，其中，第一气爪滑块(21)、第二气爪滑块(22)分别可滑动地连接在平行气爪(20)上，第一机械指(23)、第二机械指(24)的一端分别与第一气爪滑块(21)、第二气爪滑块(22)固定连接，且第一机械指(23)、第二机械指(24)的另一端分别固定连接第一指间物体感应传感器固定块(26)、第二指间物体感应传感器固定块(27)，且第一机械指(23)上还固定连接了刀片(25)，摄像头固定块(28)与平行气爪(20)的下部固定连接，摄像头(29)固定在摄像头固定块(28)上，所述平行气爪 (20)固定连接纵深运动单元导轨-丝杠模组(17)的一端4.根据权利要求2所述的草莓采摘机器人精准采摘执行机构，其特征在于所述支撑连接装置包括第一连接杆(30a)、第二连接杆(30b)、支撑框(31)、控制箱(32)，其中，第一连接杆(30a)和第二连接杆(30b)固定连接在支撑框(31)底部，控制箱(32)固定连接在支撑框(31)上部，所述水平运动单元导轨-丝杠模组(2)的两端与支撑连接装置的第一连接杆(30a)、第二连接杆(30b)固定连接5.—种垄作草莓米摘机器人,其特征在于所述垄作草莓采摘机器人包括精密采摘收纳装置以及大范围移动支撑装置；所述精密采摘收纳装置包括如权利要求1-4所述的草莓采摘机器人精准采摘执行机构(101)，一端固定连接在草莓采摘机器人精准采摘执行机构(101)上、另一端分别与第三收纳连杆(104)、第四收纳连杆(105)固定连接的第一收纳连接杆(102)、第二收纳连接杆 (103)，固定连接在第三收纳连杆(104)、第四收纳连杆(105)上的收纳托盘(106)，与草莓采摘机器人精准采摘执行机构(101)的支撑连接装置固定连接的第一直线滑块(107a)、第二直线滑块(107b)、第三直线滑块(107c)、第四直线滑块(107d)，通过行走电机法兰(108) 与草莓采摘机器人精准采摘执行机构(101)固定连接的行走电机(109)，以及与行走电机 (109)的电机轴固连，在行走电机(109)的带动下转动的行走齿轮(110)；大范围移动支撑装置包括框架(111)，平行放置在框架(111)上且与框架(111)固定连接的第一导轨(112a)、第二导轨(112b)，以及布置在框架(111)内侧的齿条(113)；其中，精密采摘收纳装置通过第一直线滑块(107a)、第二直线滑块(107b)、第三直线滑块(107c)、第四直线滑块(107d)与大范围移动支撑装置的第一导轨(112a)、第二导轨 (112b)连接，行走齿轮(110)与齿条(113)啮合，在行走电机(109)的带动下，精密采摘收纳装置在大范围移动支撑装置上移动6.根据权利要求5所述的垄作草莓采摘机器人，其特征在于所述框架(111)的下端安装有4个行走轮，该行走轮的朝向垂直于草莓垄的方向7.根据权利要求5所述的垄作草莓采摘机器人，其特征在于所述框架(111)的下端安装有4个行走轮，该行走轮的朝向平行于草莓垄的方向

本发明属于农业机械领域，涉及一种草莓采摘机器人精准采摘执行机构以及一种垄作草莓采摘机器人，其能够实现垄作草莓的自动采摘

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明如图I 10所示，本发明的一种草莓采摘机器人精准采摘执行机构，包括混合坐标式运动装置、机械爪装置以及支撑连接装置其中，如图2 7所示，混合坐标式运动装置包括水平运动单元、竖直运动单元、旋转运动单元、俯仰调节单元以及纵深运动单元如图3所示，水平运动单元包括水平运动单元电机I、水平运动单元导轨-丝杠模组2、水平运动单元滑块3以及水平运动单元第一传感器固定板4a、水平运动单元第二传感器固定板4b水平运动单元电机I通过连轴器与水平运动单元导轨-丝杠模组2的一端连接，水平运动单元滑块3可滑动地连接在水平运动单元导轨-丝杠模组2上，当水平运动单元电机I带动水平运动单元导轨丝杠模组2的丝杠轴转动时，水平运动单元滑块3沿水平运动单元导轨-丝杠模组2滑动水平运动单元第一传感器固定板4a、水平运动单元第二传感器固定板4b固定连接在水平运动单元导轨-丝杠模组2的一侧的两端，便于安装各种规格的限位传感器如图4所示，竖直运动单元包括竖直运动单元电机5、竖直运动单元导轨-丝杠模组6、竖直运动单元滑块7以及竖直运动单元第一传感器固定板8a、竖直运动单元第二传感器固定板Sb竖直运动单元电机5通过连轴器与竖直运动单元导轨-丝杠模组6的一端连接，竖直运动单元滑块7可滑动地连接在竖直运动单元导轨-丝杠模组6上，当竖直运动单元电机5带动竖直运动单元导轨丝杠模组6的丝杠轴转动时，竖直运动单元滑块7沿竖直运动单元导轨-丝杠模组6滑动竖直运动单元第一传感器固定板8a、竖直运动单元第二传感器固定板8b连接在竖直运动单元导轨-丝杠模组6的一侧的两端，便于安装各种规格的限位传感器如图5所示,旋转运动单元包括旋转运动单元电机9、框架法兰10旋转运动单元电机9的机身与框架法兰10的一侧固定连接，旋转运动单元电机9的电机轴与框架法兰10 另一侧的圆孔保持同轴如图6所示，俯仰调节单元包括传动连接轴11、一侧开有弧形长孔15的俯仰支撑架12、固定销钉13以及活动销钉14固定销钉13穿过俯仰支撑架12的下部固定连接传动连接轴11与俯仰支撑架12，活动销钉14通过弧形长孔15连接传动连接轴11与俯仰支撑架12如图7所示，纵深运动单元包括纵深运动单元电机16、纵深运动单元导轨-丝杠模组17、纵深运动单元滑块18、纵深运动单元传感器固定板19纵深运动单元电机16与纵深运动单元导轨-丝杠模组17连接，纵深运动单元滑块18可滑动地连接在纵深运动单元导轨-丝杠模组17上，当纵深运动单元电机16带动纵深运动单元导轨-丝杠模组17的丝杠轴转动时，纵深运动单元滑块18沿纵深运动单元导轨-丝杠模组17滑动纵深运动单元导轨-丝杠模组17的一侧连接有纵深运动单元传感器固定板19，其两端可安装各种规格的限位传感器请参阅图2，其中，水平运动单元滑块3和竖直运动单元滑块7固定连接旋转运动单元的框架法兰10上与旋转运动单元电机9平行的一侧与竖直运动单元导轨-丝杠模组6的下端固定连接俯仰调节单元的传动连接轴11穿过框架法兰10上的圆孔与旋转运动单元电机9 的电机轴连接，传动连接轴11在旋转运动单元电机9的带动下可绕固定销钉13进行旋转运动纵深运动单元滑块18与俯仰支撑架12的底部固定连接，且通过调节活动销钉14 在弧形长孔15中的位置可间接调节纵深运动单元的倾斜角度如图8 9所示，机械爪装置包括平行气爪20，第一气爪滑块21、第二气爪滑块 22，第一机械指23、第二机械指24，刀片25，第一指间物体感应传感器固定块26、第二指间物体感应传感器固定块27，摄像头固定块28以及摄像头29第一气爪滑块21、第二气爪滑块22分别可滑动地连接在平行气爪20上，第一机械指23、第二机械指24的一端分别与第一气爪滑块21、第二气爪滑块22固定连接，且第一机械指23、第二机械指24的另一端分别固定连接第一指间物体感应传感器固定块26、第二指间物体感应传感器固定块27，且第一机械指23上还固定连接了刀片25，第二机械指24的前端与刀片25相对应的位置开有纳刀缝隙25. 5摄像头固定块28与平行气爪20的下部固定连接，摄像头29固定在摄像头固定块28上在气体动力下，第一气爪滑块21、第二气爪滑块22分别带动第一机械指23、第二机械指24做相向平动如图10所示，支撑连接装置包括第一连接杆30a、第二连接杆30b、支撑框31、控制箱32其中，第一连接杆30a和第二连接杆30b固定连接在支撑框31底部，控制箱32固定连接在支撑框31上部支撑框31的边缘可进一步加工连接孔，便于在其上安装扩展功能装置，或将该装置安装在不同类型的草莓采摘机器人上如图I所示，混合坐标式运动装置的水平运动单元导轨-丝杠模组2的两端与支撑连接装置的第一连接杆30a、第一连接杆30b固定连接，并且，机械爪装置的平行气爪20 固定连接于混合坐标式运动装置的纵深运动单元导轨-丝杠模组17的一端如图11所示，本发明的一种垄作草莓采摘机器人包括精密采摘收纳装置和大范围移动支撑装置如图I、图12 13所示，精密采摘收纳装置包括草莓采摘机器人精准采摘执行机构101，第一收纳连杆102、第二收纳连杆103，第三收纳连杆104、第四收纳连杆105，收纳托盘106，第一直线滑块107a、第二直线滑块107b、第三直线滑块107c、第四直线滑块107d，行走电机法兰108，行走电机109，以及行走齿轮110其中，第一收纳连杆102、第二收纳连杆103的一端固定连接在草莓米摘机器人精准采摘执行机构101的支撑框31的两端，且另一端分别与第三收纳连杆104、第四收纳连杆 105固定连接收纳托盘106固定连接在第三收纳连杆104、第四收纳连杆105上，且其上可放置用来盛放草莓果实的容器第一直线滑块107a、第二直线滑块107b、第三直线滑块 107c、第四直线滑块107d与草莓采摘机器人精准采摘执行机构101的支撑框31固定连接 行走电机109通过行走电机法兰108固定连接在草莓采摘机器人精准采摘执行机构101的支撑框31上，且行走齿轮110与行走电机109的电机轴固连，在行走电机109的带动下转动如图14所示，大范围移动支撑装置包括框架111，第一导轨112a、第二导轨112b， 以及齿条113第一导轨112a、第二导轨112b平行布置、且都与框架111上表面固连,齿条 113布置在框架111内侧 框架111的下端还可安装4个行走轮，该行走轮的朝向既可垂直于草莓垄，也可平行于草莓垄，即其既可在电机的驱动下沿着与草莓垄垂直方向行进，依次进行下一垄草莓采摘，也可在电机的驱动下沿着草莓垄的方向行进，实现长距离垄沟草莓采摘如图11所示，精密采摘收纳装置通过第一直线滑块107a、第二直线滑块107b、第三直线滑块107c、第四直线滑块107d与大范围移动支撑装置的第一导轨112a、第二导轨 112b连接，行走齿轮110与齿条113啮合，在行走电机109的带动下，精密采摘收纳装置可在大范围移动支撑装置上移动工作过程(一)草莓采摘机器人精准采摘执行机构的工作过程I.在水平运动单元电机I的带动下，水平运动单元滑块3在水平运动单元导轨-丝杠模组2上水平移动，从而带动竖直运动单元、旋转运动单元、俯仰调节单元、纵深运动单元以及机械爪装置水平移动，实现摄像头29在水平方向搜索并使机械爪接近目标草莓的动作2.在竖直运动单元电机5的带动下，竖直运动单元滑块7在竖直运动单元导轨-丝杠模组6上竖直移动，从而带动旋转运动单元、俯仰调节单元、纵深运动单元以及机械爪装置在竖直方向移动，实现摄像头爪在竖直方向搜索并使机械手接近草莓的动作3.在旋转运动单元电机9的带动下，俯仰调节单元、纵深运动单元以及机械爪装置可实现以传动连接轴11为轴线的360°的转动，便于摘取沟垄两侧的草莓和以不同方位将草莓果实放置于果盘中4.通过调节活动销钉14在弧形长孔15中的位置，便于调节机械爪的前进角度，以适应不同栽培模式的草莓采摘5.纵深运动单元电机16的带动下，纵深运动单元滑块18在纵深运动单元导轨-丝杠模组17上纵深方向移动，连同机械爪一同纵深方向运动，实现接近或收回草莓果实的动作6.当机械爪在第一机械指23、第二机械指24张开状态下接近目标草莓果柄时，第一指间物体感应传感器固定块26、第二指间物体感应传感器固定块27上固定的传感器可及时感应到果柄是否已经进入到第一机械指23和第二机械指24之间，并在气体动力的驱动下迅速闭合机械指，首先第一机械指23和第二机械指24实现对草莓果柄的夹持，随后固定在第一机械指23上的刀片25进入第二机械指纳刀缝隙中完成草莓果柄的切割( 二)垄作草莓采摘机器人的工作过程I.将垄作草莓采摘机器人整体机构放置于垄作草莓垄沟之中，并调整草莓采摘机器人精准采摘执行机构101中机械爪朝向挂有草莓果实垄壁，即可开始进行草莓果实的自动米摘2.将草莓果实收纳器皿放置在收纳托盘106上，收纳托盘106可跟随整个草莓采摘机器人精准采摘执行机构101运动，当一个草莓被采摘下来后，小范围调整机械爪的水平位置，并转动机械爪到收纳器皿上方，机械爪松开放下草莓果实接着机械爪恢复到垄壁朝向，在小范围继续对采摘目标果实进行搜索3.当较小范围内的需要采摘的草莓被采完，或草莓采摘机器人精准采摘执行机构 101水平放下的运动位置到达极限时，行走电机109开启，即可带动行走齿轮110在齿条 113中啮合行走，从而使整个精密采摘收纳装置在大范围移动支撑装置上平稳运动，从而沿草莓垄的方向进行更大范围的运动4. 一般情况下，大范围移动支撑装置的长度略长于草莓垄的长度并横跨草莓垄两端，当采摘完一垄草莓后，其上的4个行走轮在电机的驱动下，沿与草莓垄垂直方向行进至下一垄草莓垄沟之上，依次进行采摘当草莓垄的长度较长时，可改变行走轮的方向，使其沿草莓垄的方向行进，从而实现长距离垄沟草莓采摘