一种手指与吸盘相结合的双孢菇采摘末端执行器

技术领域

本发明专利涉及农机设备技术领域，具体是一种手指与吸盘相结合的双孢菇采摘末端执行器。

背景技术

双孢菇作为世界性栽培和消费的菇类作物，具有生产成本低、生长周期短、经济效益高等优点，在我国种植非常普遍。在日常生活中，为了确保双孢菇具有优良的质量和完好的外观，大部分双孢菇都需要依靠人工进行收获。但是人工收获劳动强度高，因此实现双孢菇采摘机械化、自动化的需求十分迫切。末端执行器作为采摘机器人的核心装置，对于双孢菇的采摘质量有着至关重要的作用。

专利号为CN114747432A的中国发明专利公开了一种无损双孢菇采摘机械手及其采摘方法，其由相互连接的采摘爪和折弯组件组成，弧形轨道上设有弧形内齿轮条，弧形内齿轮条与驱动外齿轮啮合连接，采摘爪固定安装在弧形轨道的下端，电机通过驱动外齿轮带动弧形导轨、采摘爪和待采蘑菇绕蘑菇根部旋转达到采摘的目的。但该发明采用的结构过于复杂，且由于采摘爪直径大小是固定的，对于不同菇盖直径的双孢菇不能达到很好地采摘效果。

专利号为CN111955289A的中国发明专利公开了一种双孢菇采摘机器人的末端执行器。其包括连接壳体、力矩电机、夹持机构、电机控制器、扭矩传感器、通过平行四边形机构的开合来实现对双孢菇的采摘。但由于其内部控制系统过于复杂，当控制系统损坏时，不易维修。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种手指与吸盘相结合的双孢菇采摘末端执行器，该执行器应具有采摘品质高、结构简单、工作效率高的特点。

本发明的技术方案是：

一种手指与吸盘相结合的双孢菇采摘末端执行器，其特征在于：该执行器包括用于抓取双孢菇的抓手机构、用于吸附双孢菇的吸盘机构、用于驱动抓手机构与吸盘机构进行旋转与伸缩的驱动机构。

所述抓手机构包括围绕吸盘机构布置的三条手指；所述手指包括依次布置且可转动地前后铰接的连接端、第一指节、第二指节、第三指节、第四指节；所述手指还包括带动所有指节同时弯曲的绳驱组件以及分别带动各指节张开的扭簧。

所述绳驱组件包括绳驱电机、与绳驱电机转轴固定的主滑轮、分别与各指节铰接轴固定的副滑轮、同时缠绕在主滑轮与所有副滑轮上的驱动绳；所述驱动绳的两端还分别与主滑轮以及末端的副滑轮固定；所述指节滑轮包括第一指节滑轮、第二指节滑轮、第三指节滑轮、第四指节滑轮。

所述吸盘机构包括内吸盘、设置在内吸盘顶部的真空室、通过导管连通真空室的气泵、包围住内吸盘的外吸盘；所述内吸盘的中心设有连通真空室的通孔。

所述内吸盘与外吸盘的内壁设有柔性缓冲垫。

所述驱动机构包括上机架、可转动地定位在上机架上的下机架、可滑动地定位在下机架上的伸缩架、旋转电机、传递旋转电机动力驱动下机架转动的旋转传动组件、伸缩电机、传递伸缩电机动力驱动伸缩架移动的伸缩传动组件。

所述伸缩架通过导杆可滑动地定位在下机架上；所述手指的连接端与伸缩架固定；所述吸附机构与导杆固定。

所述旋转传动组件包括与旋转电机转轴固定的第一旋转齿轮、与下机架转轴固定并与第一旋转齿轮啮合的第二旋转齿轮。

所述伸缩传动组件包括与伸缩电机转轴固定的第一连杆、可转动地铰接在第一连杆上的第二连杆、设置在伸缩架上的滑槽、设置第二连杆上并可沿着滑槽滑动的销轴。

本发明的有益效果是：

本发明采用手指与吸盘相结合的方式来抓取双孢菇，再通过旋转与移动相结合的方式来完成抓取，有效提高了采摘效率；本发明采用内吸盘与外吸盘组成的嵌套式结构，以此满足不同大小菇盖的双孢菇的采摘需求，并且在吸盘内安装了柔性缓冲垫，以防止吸盘与蘑菇表面直接接触造成采摘损伤，在采摘过程中对目标蘑菇进行有效保护；本发明的整体结构简单易维护、采摘品质高，在保证采摘质量的情况下，有效提高了采摘效率。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的旋转传动组件的示意图。

图3是本发明的伸缩传动组件的示意图。

图4是本发明的手指的立体结构示意图。

图5是本发明的绳驱组件的立体结构示意图。

图6是本发明的伸缩架的立体结构示意图。

图7是本发明的吸附机构的立体结构示意图之一。

图8是本发明的吸附机构的立体结构示意图之二。

图9是本发明的上机架、下机架、伸缩架的连接关系示意图。

图10是本发明的工作步骤示意图之一。

图11是本发明的工作步骤示意图之二。

附图标记：

抓手机构1、吸盘机构2、驱动机构3、连接端100、第一指节101、第二指节102、第三指节103、第四指节104、绳驱电机111、主滑轮112、驱动绳113、第一副滑轮131、第二副滑轮132、第三副滑轮133、第四副滑轮134、内吸盘201、外吸盘203、气泵202、真空室205、通孔204、导管206、上机架301、下机架302、伸缩架303、旋转电机304、伸缩电机305、导杆306、第一旋转齿轮311、第二旋转齿轮312、第一连杆321、第二连杆322、滑槽323、销轴324、连接板325、顶板326、菇盖A、菇柄B。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种手指与吸盘相结合的双孢菇采摘末端执行器，包括抓手机构1、吸盘机构2、驱动机构3。所述抓手机构用于抓取双孢菇，吸盘机构用于吸附双孢菇，驱动机构用于驱动抓手机构与吸盘机构进行旋转与伸缩。

所述抓手机构包括若干手指，这些手指均匀布置在吸盘机构周围。每条手指包括连接端100、第一指节101、第二指节102、第三指节103、第四指节104、绳驱组件、扭簧。

所述连接端、第一指节、第二指节、第三指节、第四指节从前往后依次布置，第一指节通过第一铰接轴可转动地铰接在连接端上(第一指节与第一铰接轴固定)，第二指节通过第二铰接轴可转动地铰接在第一指节上(第二指节与第二铰接轴固定)，第三指节通过第三铰接轴可转动地铰接在第二指节上(第三指节与第三铰接轴固定)，第四指节通过第四铰接轴可转动地铰接在第三指节上(第四指节与第四铰接轴固定)。图中省略上述各铰接轴。

所述扭簧分别设置在手指的各关节之间，用于分别带动各指节张开。所述扭簧包括设置在连接端与第一指节之间的第一扭簧、设置在第一指节与第二指节之间的第二扭簧、设置在第二指节与第三指节之间的第三扭簧、设置在第三指节与第四指节之间的第四扭簧。图中省略上述各扭簧。

所述第一扭簧装套在第一铰接轴上，其两条扭臂分别与连接端及第一指节固定。所述第二扭簧装套在第二铰接轴上，其两条扭臂分别与第一指节及第二指节固定。所述第三扭簧装套在第三铰接轴上，其两条扭臂分别与第二指节及第三指节固定。所述第四扭簧装套在第四铰接轴上，其两条扭臂分别与第三指节及第四指节固定。

所述绳驱组件用于带动同一手指的所有指节同时弯曲。所述绳驱组件包括绳驱电机111、主滑轮112、副滑轮、驱动绳113。所述绳驱电机与连接端固定，主滑轮与绳驱电机的转轴固定。所述副滑轮包括与第一铰接轴固定的第一副滑轮131、与第二铰接轴固定的第二副滑轮132、与第三铰接轴固定的第三副滑轮133、与第四铰接轴固定的第四副滑轮134。

所述驱动绳同时缠绕在主滑轮与副滑轮上，并且驱动绳的两端还分别与主滑轮以及末端的副滑轮固定。所述驱动绳先缠绕固定在主滑轮上，再依次缠绕在第一副滑轮、第二副滑轮、第三副滑轮上，最后缠绕固定在第四副滑轮上。所述驱动绳在主滑轮与各个副滑轮上的缠绕方向相同。

所述手指的数量为三条，其数量对抓手机构的抓取范围、抓取力、稳定性等有着直接的影响。通常为了保持对物体施加力的平衡，至少需要有两个不同方向的力施加在物体表面，因此设置两条手指时，理论上可以完成对物体的抓取，但是存在难以保持稳定抓取的问题，特别是在抓取不规则物体时，需要在物体上规划出合适的抓取点才能顺利地完成抓取任务。当设置两条以上的手指时，理论上可以通过力封闭来实现稳定抓取。针对于双孢菇采摘的任务，三条手指既能实现稳定抓取，又能避免由于手指过多而导致灵活性差、控制系统复杂等问题。

所述吸盘机构包括内吸盘201、外吸盘203、气泵202。所述内吸盘顶部设有真空室205，内吸盘的中心设有连通真空室内腔的若干通孔204。所述气泵通过导管206连通真空室。所述外吸盘设置在内吸盘外部，外吸盘包围住内吸盘的四周。所述内吸盘与外吸盘的内壁设有柔性缓冲垫(图中省略)。所述内吸盘、外吸盘均为上小下大的喇叭形，喇叭形的较小端与真空室固定，喇叭形的较大端用于贴合双孢菇。

该内吸盘与外吸盘组成的嵌套式结构能够适应不同大小菇盖的双孢菇的采摘需求。面对较小的双孢菇时，内吸盘贴合双孢菇的菇盖，内吸盘的开口边沿与菇盖接触，内吸盘与菇盖之间形成负压实现吸附。面对较大的双孢菇时，外吸盘贴合双孢菇的菇盖，外吸盘的开口边沿与菇盖接触，外吸盘与菇盖之间形成负压实现吸附。

所述驱动机构包括上机架301、下机架302、伸缩架303、旋转电机304、伸缩电机305、旋转传动组件、伸缩传动组件。

所述上机架与外部手臂(图中省略)固定，下机架可转动地定位在上机架上(图1中上机架的下方)，伸缩架可滑动地定位在下机架上(图1中下机架的下方)，旋转电机与上机架固定，旋转传动组件用于传递旋转电机动力驱动下机架转动，伸缩电机与下机架固定，伸缩传动组件用于传递伸缩电机动力驱动伸缩架移动。

所述旋转传动组件包括第一旋转齿轮311、第二旋转齿轮312。所述第一旋转齿轮与旋转电机转轴固定，第二旋转齿轮与下机架转轴固定并与第一旋转齿轮啮合。

所述伸缩传动组件包括第一连杆321、第二连杆322、滑槽323、销轴324。所述第一连杆的一端与伸缩电机转轴固定，第二连杆的一端可转动地铰接在第一连杆另一端，第二连杆的另一端设有销轴，伸缩架上设置带有滑槽的连接板325，销轴可沿着滑槽滑动。

所述下机架设有三条导杆306，伸缩架可滑动地定位在导杆上，真空室的顶板326与导杆固定(图中导杆的下端)。所述手指的连接端与伸缩架固定。

该执行器还包括控制器(图中省略)、设置在第四指节上的摄像头(图中省略)。每条手指的第四指节均设有摄像头。所述控制器电连接摄像头、伸缩电机、旋转电机、绳驱电机、气泵。

本发明的各部件均为现有技术，可外购获得。

该执行器的工作原理是：

1、采摘开始，外部手臂带动执行器移动至成熟的双孢菇上方(图10)；

2、外部手臂带动执行器下降，吸盘机构接触双孢菇；吸盘机构的内吸盘或者外吸盘贴住双孢菇的菇盖A，气泵启动，吸盘机构的内吸盘或者外吸盘与菇盖之间产生负压吸住双孢菇；

3、绳驱电机启动，带动三条手指合拢，抓住双孢菇的菇盖；

4、伸缩电机启动，通过伸缩传动组件驱动抓手机构上升，同时旋转电机启动，通过旋转传动组件驱动抓手机构与吸盘机构旋转，模拟人工操作时的采摘动作，将双孢菇的菇柄B与基土分离(图11)；

双孢菇的菇盖受到抓手机构与吸盘机构的轻微挤压，并且吸盘机构完全吸住双孢菇；

5、外部手臂带动执行器移动至收集箱上方，气泵关闭，绳驱电机反转，扭簧带动手指张开，双孢菇落入收集箱中；采摘完成。

附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。