一种果蔬采摘机械手、采摘机器人及其采摘方法

技术领域

本发明涉及果蔬采摘技术领域，尤其涉及一种果蔬采摘机械手、采摘机器人及其采摘方法。

背景技术

近年来，对于农业果蔬的采摘工作已经逐渐从大范围的人工操作逐渐转向采摘机器人工作，使得采摘这类劳动密集型工作逐渐向自动化方向发展，采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和生产费用，提高劳动生产率和产品质量，保证果实适时采收，从而具有很大发展的潜力。

但是现有的采摘机器人在对果蔬采摘的过程中，往往是利用切割装置将果蔬的枝干剪断，从而使得果蔬掉落在收集网内，采摘的果蔬大小需要后期进行分拣分类，仍然需要消耗较多的人力成本，与此同时，现有的采摘机器人大多适用于果树上水果的采摘，在采摘过程中不能较好地固定果蔬，从而会在切割枝干的过程中对果蔬产生误伤，进而影响到果蔬的采摘质量，同时也会因枝干的柔韧性使得枝干在切割接触时弹开。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种果蔬采摘机械手、采摘机器人及其采摘方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种果蔬采摘机械手，包括机械手本体，所述机械手本体包括机械手外壳、四个机械爪和两个辊筒，所述机械手外壳的顶壁开设有滑腔，所述滑腔的内壁嵌设有通电线圈，所述滑腔内壁通过支座固定连接有磁致伸缩棒，所述磁致伸缩棒的两端均固定连接有活塞，所述活塞密封滑动连接在滑腔内，所述机械手外壳顶壁开设有通孔，所述通孔内壁对称固定连接有弹性气囊，每个所述弹性气囊内均装有磁流变液，每个所述弹性气囊的一端均固定连接有推板，所述机械手外壳内壁通过转轴转动连接有四个机械爪，相邻的两个所述机械爪互相垂直，所述机械爪由矩形滤网框和切割刀焊接组成，每个所述机械爪的侧壁均固定连接有重力传感器，每个所述机械爪内壁均嵌设有电磁铁，所述机械手外壳内壁通过第一转杆和第二转杆转动连接有对果蔬表面进行清理的清洁部件。

优选地，所述清洁部件包括分别焊接固定在第一转杆和第二转杆上的两个辊筒，每个所述辊筒外部均固定连接有多个刷毛，所述刷毛由高分子尼龙材料制成。

优选地，每个所述辊筒内壁均开设有环形腔，所述环形腔的内壁开设有多个吸尘孔，所述环形腔通过软管和滑腔的两端固定连通，所述软管内设有进气单向阀。

优选地，所述第一转杆侧壁固定连接有叶轮，所述机械手外壳内壁固定连接有喷头，所述喷头通过圆管和滑腔中间位置的内壁固定连通。

优选地，所述机械手外壳内壁嵌设有磁体，所述机械手外壳的内壁开设有空腔，所述机械手外壳内壁开设有凹槽，所述机械手外壳内壁转动连接有直板，所述直板的另一端滑动连接在凹槽内，所述空腔的侧壁固定连接有励磁线圈，所述空腔内壁贯穿滑动连接有顶杆，且所述顶杆的顶端延伸至空腔内，所述顶杆的底部侧壁固定连接有动线圈，所述顶杆的侧壁对称固定连接有弹簧。

优选地，所述机械手外壳开设有滑孔，所述滑孔内滑动连接有抽屉，所述抽屉内壁固定连接有两个分隔板，所述直板内壁依次开设有三种宽度逐渐增大的滤孔。

优选地，所述机械手外壳侧壁固定连接有集尘袋，集尘袋内壁通过粗管和滑腔的两端固定连通，所述粗管内设有出气单向阀，所述机械手外壳内壁固定连接有卡座，所述卡座内通过对称的弹簧弹性连接有两个卡块。

一种采摘机器人，包括机器人底座及如权利要求1至7任一所述的果蔬采摘机械手，所述机器人底座顶壁固定连接有电动推杆，所述电动推杆的顶部通过L形杆固定连接有电机，所述电机的输出端固定连接在机械手外壳侧壁，所述机械手外壳转动连接在电动推杆活动端的顶部，所述机器人底座内壁开设有电池腔，所述电池腔内固定连接有蓄电池，所述蓄电池和重力传感器、通电线圈、电磁铁电性连接，所述蓄电池通过逆变器和动线圈电性连接，所述蓄电池和励磁线圈电性连接。

一种如权利要求8所述的采摘机器人的采摘方法：

S1、获取并确定需要进行采摘果蔬的位置，电机带动机械手外壳转动一定的角度，电动推杆推动机械手外壳上下运动；

S2、接而果蔬从通孔进入到机械手外壳内压动重力传感器，弹性气囊带动推板对果蔬的枝干进行固定；

S3、接而机械爪转动带动切割刀将果蔬进行采摘分离，接着果蔬通过辊筒进行清理表面污垢，最后在直板上进行分类，从而最终获取多类别大小的果蔬。

本发明具有以下有益效果：

1、通过设置弹性气囊、机械手外壳和磁流变液等结构，使用者在需要对果蔬进行采摘的时候，果蔬与其中一个机械爪侧壁的重力传感器相抵，使通电线圈通电产生磁场，接而通电线圈产生的磁场使得弹性气囊内的磁流变液由流动态变为固态，接而推动弹性气囊一端的推板运动，两个推板共同对果蔬的枝干进行固定，类似于人的手部对枝干进行拿捏，方便接下来的采摘操作，避免在切割枝干的过程中对果蔬产生误伤，进而影响到果蔬的采摘质量，同时也避免了因枝干的柔韧性使得枝干在切割接触时弹开的情况；

2、通过设置磁致伸缩棒、活塞和电磁铁等结构，磁致伸缩棒在磁场的作用下，当磁致伸缩棒伸长的时候，带动两端的活塞向滑腔的两侧密封滑动，其中一个电磁铁通电产生极性，磁体吸引该电磁铁和对应的机械爪顺时针转动，机械爪上的切割刀对果蔬的枝干进行切割，使得果蔬脱离在机械爪的滤网上同步转动进入到辊筒上，防止果蔬摔坏；

3、通过设置辊筒、多个转杆和喷头等结构，接而果蔬掉落在两个辊筒上，两个活塞相向密封滑动，使滑腔中间部分的气体从喷头处喷出，对叶轮进行吹动，使得叶轮带动第一转杆转动，从而第一转杆带动对应的辊筒顺时针转动，辊筒表面的刷毛对果蔬表面进行刷洗，并且使果蔬从两个辊筒内掉落到直板上面，同时辊筒内设有环形腔，在磁致伸缩棒收缩的时候，两个活塞相向密封滑动，从而通过辊筒内壁开设的吸尘孔将刷洗的灰尘等杂物进行吸入到滑腔的两侧位置，接而在下一轮活塞在滑腔内背向滑动的时候，将含有灰尘等杂物的气体挤压到集尘袋内进行收集；

4、通过设置直板、动线圈和励磁线圈等结构，动线圈受到周期变化的电磁激励力的作用带动顶杆作往复运动，顶杆的顶端间歇性的撞击直板，使直板上下抖动，从而使得果蔬在直板上滚动，不同直径大小的果蔬从不同的滤孔内掉落到抽屉对应的空间内进行分类，避免了后期人工再对采摘的果蔬进行分类。

附图说明

图1为本发明提出的一种果蔬采摘机械手、采摘机器人及其采摘方法的结构示意图；

图2为图1中的A处结构放大示意图；

图3为图1中的叶轮、喷头和第一转杆部分的立体结构示意图；

图4为图1中的立体示意图；

图5为图1中机械爪部分的立体示意图。

图中：1机械手外壳、2滑腔、3通电线圈、4磁致伸缩棒、5活塞、6弹性气囊、7推板、8通孔、9转轴、10机械爪、11切割刀、12电磁铁、13重力传感器、14第一转杆、15辊筒、16刷毛、17环形腔、18吸尘孔、19第二转杆、20凹槽、21直板、22滤孔、23空腔、24顶杆、25动线圈、26励磁线圈、27弹簧、28抽屉、29分隔板、30电动推杆、31机器人底座、32蓄电池、33磁体、34L形杆、35电机、36粗管、37软管、38喷头、39叶轮、40集尘袋、41卡座。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

参照图1-5，一种果蔬采摘机械手，包括机械手本体，机械手本体包括机械手外壳1、四个机械爪10和两个辊筒15，机械手外壳1的顶壁开设有滑腔2，滑腔2的内壁嵌设有通电线圈3，滑腔2内壁通过支座固定连接有磁致伸缩棒4，磁致伸缩棒4的两端均固定连接有活塞5，活塞5密封滑动连接在滑腔2内，机械手外壳1顶壁开设有通孔8，通孔8内壁对称固定连接有弹性气囊6，每个弹性气囊6内均装有磁流变液，每个弹性气囊6的一端均固定连接有推板7，机械手外壳1内壁通过转轴9转动连接有四个机械爪10，相邻的两个机械爪10互相垂直，机械爪10由矩形滤网框和切割刀11焊接组成，每个机械爪10的侧壁均固定连接有重力传感器13，每个机械爪10内壁均嵌设有电磁铁12，机械手外壳1内壁通过第一转杆14和第二转杆19转动连接有对果蔬表面进行清理的清洁部件。

清洁部件包括分别焊接固定在第一转杆14和第二转杆19上的两个辊筒15，每个辊筒15外部均固定连接有多个刷毛16，刷毛16由高分子尼龙材料制成，第一转杆14转动的时候带动其中一个辊筒15转动，从而通过多个刷毛16对果蔬的外表面进行刷洗清洁。

每个辊筒15内壁均开设有环形腔17，环形腔17的内壁开设有多个吸尘孔18，环形腔17通过软管37和滑腔2的两端固定连通，软管37内设有进气单向阀，进气单向阀只允许辊筒15外侧的气体和灰尘进入到环形腔17内，将刷毛16刷落的灰尘等杂物进行收集。

第一转杆14侧壁固定连接有叶轮39，机械手外壳1内壁固定连接有喷头38，喷头38通过圆管和滑腔2中间位置的内壁固定连通，喷头38位于叶轮39的正下方位置，滑腔2中间位置的内壁通过单向进气管和外界连通，向滑腔2的中间位置补充气体，接而此气体被两个活塞5挤压后通过喷头38喷出，接而对叶轮39进行冲击，使得叶轮39转动，带动第一转杆14和其中一个辊筒15转动。

机械手外壳1内壁嵌设有磁体33，机械手外壳1的内壁开设有空腔23，机械手外壳1内壁开设有凹槽20，机械手外壳1内壁转动连接有直板21，直板21的另一端滑动连接在凹槽20内，空腔23的侧壁固定连接有励磁线圈26，空腔23内壁贯穿滑动连接有顶杆24，且顶杆24的顶端延伸至空腔23内，顶杆24的底部侧壁固定连接有动线圈25，顶杆24的侧壁对称固定连接有弹簧27，蓄电池32通过逆变器对动线圈25提供交流电，而对励磁线圈26提供直流电，恒定磁场是借直流电通入励磁线圈26而产生的，再将交流电通入动线圈25中，动线圈25受到周期变化的电磁激励力的作用带动顶杆24作往复运动，顶杆24的顶端间歇性的撞击直板21，使直板21上下抖动，从而使得果蔬在直板21上滚动，进行分类。

机械手外壳1开设有滑孔，滑孔内滑动连接有抽屉28，抽屉28内壁固定连接有两个分隔板29，直板21内壁依次开设有三种宽度逐渐增大的滤孔22，不同直径大小的果蔬从不同的滤孔22内掉落到抽屉28对应的空间内，从而进行分类，方便后期的包装和识别。

机械手外壳1侧壁固定连接有集尘袋40，集尘袋40内壁通过粗管36和滑腔2的两端固定连通，粗管36内设有出气单向阀，机械手外壳1内壁固定连接有卡座41，卡座41内通过对称的弹簧弹性连接有两个卡块，出气单向阀只允许滑腔2的两端的气体和灰尘等杂物进入到集尘袋40内收集，卡座41可对其中任意一个机械爪10进行固定，从而使得4个相互垂直的机械爪10呈十字形结构，使得其中的一个重力传感器13可与从通孔8进入的果蔬相抵产生电信号。

本发明中，使用者在需要对果蔬进行采摘的时候，使果蔬穿过通孔8进入到机械手外壳1内部，因卡座41内通过对称的弹簧弹性连接有两个卡块，卡座41可对其中任意一个机械爪10进行固定，从而使得在采摘的初始状态时，四个相互垂直的机械爪10保持十字形结构，从而果蔬与其中一个机械爪10侧壁的重力传感器13相抵，重力传感器13和通电线圈3电性连接，使得通电线圈3通电产生磁场，接而通电线圈3产生的磁场使得弹性气囊6内的磁流变液由流动态变为固态，接而推动弹性气囊6一端的推板7运动，两个推板7共同对果蔬的枝干进行固定，类似于人的手部对枝干进行拿捏，方便接下来的采摘操作。

磁致伸缩棒4在磁场的作用下，由中间位置向两端进行伸缩，当磁致伸缩棒4伸长的时候，带动两端的活塞5向滑腔2的两侧密封滑动，滑腔2的中间位置从外界吸入气体，每一个重力传感器13和逆时针方向相邻的电磁铁12电性连接，从而使得该电磁铁12通电产生极性，因该电磁铁12和磁体33的极性相同互为磁吸力，那么磁体33将吸引该电磁铁12和对应的机械爪10顺时针转动，机械爪10上的切割刀11对果蔬的枝干进行切割，使得果蔬脱离在机械爪10的滤网上同步转动进入到辊筒15上，防止果蔬摔坏。

接而果蔬掉落在两个辊筒15上，此时重力传感器13未有压力感应，故电磁铁12和通电线圈3处于断电状态，磁致伸缩棒4马上从伸长状态进行收缩，接而带动两个活塞5相向密封滑动，使滑腔2中间部分的气体从喷头38处喷出，对叶轮39进行吹动，使得叶轮39带动第一转杆14转动，从而第一转杆14带动对应的辊筒15顺时针转动，辊筒15表面的刷毛16对果蔬表面进行刷洗，并且使果蔬从两个辊筒15内掉落到直板21上面。

同时辊筒15内设有环形腔17，在磁致伸缩棒4收缩的时候，两个活塞5相向密封滑动，从而通过辊筒15内壁开设的吸尘孔18将刷洗的灰尘等杂物进行吸入到滑腔2的两侧位置，接而在下一轮活塞5在滑腔2内背向滑动的时候，将含有灰尘等杂物的气体挤压到集尘袋40内进行收集。

直板21由弹性材质制成且表面粘合固定有海绵垫，防止果蔬碰撞受损，对动线圈25提供交流电，而对励磁线圈26提供直流电，恒定磁场是借直流电通入励磁线圈26而产生的，再将交流电通入动线圈25中，动线圈25受到周期变化的电磁激励力的作用带动顶杆24作往复运动，顶杆24的顶端间歇性的撞击直板21，使直板21上下抖动，从而使得果蔬在直板21上滚动，不同直径大小的果蔬从不同的滤孔22内掉落到抽屉28对应的空间内进行分类。

一种采摘机器人，包括机器人底座31及如权利要求1至7任一的果蔬采摘机械手，机器人底座31顶壁固定连接有电动推杆30，电动推杆30的顶部通过L形杆34固定连接有电机35，电机35的输出端固定连接在机械手外壳1侧壁，机械手外壳1转动连接在电动推杆30活动端的顶部，机器人底座31内壁开设有电池腔，电池腔内固定连接有蓄电池32，蓄电池32和重力传感器13、通电线圈3、电磁铁12电性连接，蓄电池32通过逆变器和动线圈25电性连接，蓄电池和励磁线圈26电性连接。

本发明中，机器人底座31可通过滑轮进行移动，电机35控制机械手外壳1的转动角度，电动推杆30控制机械手外壳1的上升高度，从而适用于不同高度的果蔬采摘作业，蓄电池32通过逆变器对动线圈25通电，蓄电池32对励磁线圈26通电，使得动线圈25受到周期变化的电磁激励力的作用带动顶杆24作往复运动，且蓄电池32对重力传感器13、通电线圈3供电，蓄电池32对重力传感器13、与该重力传感器13相邻的一个电磁铁12供电。

一种如权利要求8所述的采摘机器人的采摘方法：

S1、获取并确定需要进行采摘果蔬的位置，电机35带动机械手外壳1转动一定的角度，电动推杆30推动机械手外壳1上下运动；

S2、接而果蔬从通孔8进入到机械手外壳1内压动重力传感器13，弹性气囊6带动推板7对果蔬的枝干进行固定；

S3、接而机械爪10转动带动切割刀11将果蔬进行采摘分离，接着果蔬通过辊筒15进行清理表面污垢，最后在直板21上进行分类，从而最终获取多类别大小的果蔬。

本发明中，电机35控制机械手外壳1的转动角度，从而适用于不同枝干上的果蔬，而电动推杆30则控制采摘的高度，推板7对枝干的固定类比于人手对枝干的握住，避免切割刀11与枝干接触后，直杆因自身柔韧而弹开，从而使得采摘工作顺利进行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。