[发明专利]一种柔顺包络式小浆果采摘机械爪及果实采摘方法

说明书

本发明涉及水果选择性采摘机器人的末端执行器，为一种柔顺包络式小浆果采摘机械爪及果实采摘方法，本发明采摘机械爪包括柔顺手指部分和驱动控制部分，柔顺手指部分包括“梁‑梁”接触的并联柔顺指，并联柔顺指包括多组相配合的变形内梁和变形外梁，并联柔顺指通过电机驱动产生变形实现“花瓣式”的开合从而采摘果实。本发明提出了包络弱接触式采摘方式可实现果实的弱接触、低损伤采摘，为水果采摘末端执行器的小型化、开环式控制提供了解决方案，可对易损伤水果实现低损伤采摘。

技术领域

本发明涉及水果选择性自动化采摘领域，特别是涉及一种柔顺包络式小浆果采摘机械爪及果实采摘方法。

背景技术

除了重要粮食作物外，水果在营养提供、农业多样性等方面扮演重要角色。近年来，小浆果因富含维生素和微量营养素，具有较高的保健营养价值，独特的鲜食风味，逐渐成为市场热门产品，种植量的逐年递增给机械化采收装备提出新需求。小浆果泛指果实较小、柔软多汁的肉质果，常见的有越橘、树莓、草莓、桑葚等，水果机械化采收是农业现代化发展重要方向，但小浆果体积小，皮薄多汁，其娇嫩易损的生物学特性使得小浆果机械化无损采收面临较大挑战。

目前小浆果多采用振动采收，通过对果树主干或侧枝施加振动激励使果实脱落，此方式生产效率高，但是同时带来果实损伤大，后续分拣困难等问题，一般用于对果实外观要求不高的果汁、果酱加工。对于需要挑选无损单果的使用场合，例如药用桑葚或鲜食浆果，振动采收的巨大损伤并不能满足市场要求。为了减少振动采收带来的冲击损伤，可使用机器人进行选择性采摘，但水果采摘机器人搭载的末端执行器(如机械爪)多采用夹持或包裹方式，刚性夹持容易损伤浆果，而软体包裹体积大，难以小型化，并且刚度不足，难以分离果实。传统采摘机械爪要实现无损采摘，通常要加入力反馈控制，不仅令机械爪结构复杂，降低了鲁棒性，还增加了制造成本和控制难度。

综上所述，选择性采摘机器人是小浆果采摘的理想方式，但要解决损伤问题，则末端执行器的设计至关重要，为满足小浆果的无损采摘，小型化、开环控制的柔顺包络式小浆果采摘机械爪是一种合适的解决方案。

发明内容

针对现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种柔顺包络式小浆果采摘机械爪及果实采摘方法，采用柔顺并联机构作为采摘机械爪的手指，并联柔顺指采用弹性薄片加工而成，易于加工装配，成本低；并通过优化设计实现了包络式的采摘，机械爪整体结构紧凑，可实现小型化设计，开环化控制和低损伤率采摘，易于集成到选择性采摘机器人上实现自动化采摘。

本发明采摘机械爪采用如下技术方案来实现：一种柔顺包络式小浆果采摘机械爪，包括柔顺手指部分和驱动控制部分；其中：

柔顺手指部分包括“梁-梁”接触的并联柔顺指和上法兰，“梁-梁”接触的并联柔顺指包括多组相配合的变形内梁和变形外梁，变形内梁下端固定于上法兰的内梁固定槽中，变形内梁上端与变形外梁连接，变形外梁下端在上法兰的外梁导向槽中上下移动；

驱动控制部分包括丝杆、丝杆电机、下法兰、移动滑块和多根直线导轨，丝杆电机与下法兰固定连接；直线导轨的数量与并联柔顺指中相配合的变形外梁与变形内梁的组数相同，每根直线导轨的一端与下法兰固定连接；移动滑块嵌有与直线导轨数量相同的直线轴承和一个位于几何中心的丝杆螺母，丝杆螺母将丝杆电机的旋转运动转换成直线运动，在直线导轨与直线轴承的约束下，移动滑块上下平移运动，并带动变形外梁的下端在上法兰的外梁导向槽约束下做上下平移运动；

变形外梁为驱动梁，与移动滑块连接；变形内梁为被动梁；当移动滑块往上运动时，变形内梁、变形外梁因“梁-梁”接触约束均产生向内变形而使机械爪呈包络式闭合，当移动滑块往下运动时，变形内梁、变形外梁因“梁-梁”接触约束均产生向外变形而使机械爪张开。

在优选的实施例中，变形外梁为直梁，变形内梁投影呈花瓣状，花瓣状的变形内梁在向内变形时相邻变形内梁之间的左右侧面曲线呈现相接的状态，使机械爪呈现“笼”式包络闭合状态。