[发明专利]一种球面剪切式果实采摘末端执行器及其方法

权利要求书

1.一种球面剪切式果实采摘末端执行器，其特征在于，包括剪切装置，剪切装置安装在安装法兰座上；所述剪切装置为球形包拢结构，包括弧形刀片，连杆开合机构、支撑架和直线气缸，弧形刀片远离安装法兰座的一端设置有圆孔，将弧形刀片安装在连杆开合机构上，连杆开合机构控制弧形刀片的剪切动作；

包括直线气缸，直线气缸带动连杆开合机构作往复直线运动，带动连杆开合机构做张开和闭合的两个动作，球形包拢结构包拢果实，驱动弧形刀片对果实的果梗进行剪切；

包括果实保护机构，果实保护机构对称设在弧形刀片上，覆盖弧形刀片刃口面；果实保护机构包括固定块、保护手指、扭转弹簧和弹簧固定销，所述固定块与弧形刀片连接，所述保护手指通过弹簧固定销与固定块连接；

所述果实保护机构面对果实的一面设有薄膜型压力传感器，扭转弹簧安装在弹簧固定销上，扭转弹簧一端的弹簧引脚与保护手指表面接触，另一端与固定块表面接触；

包括控制系统，当果实表面与果实保护机构发生接触，控制系统接收到薄膜型压力传感器传输的压力值；当接触压力小于设定的安全阈值时，保护手指在接触压力的作用下，会绕着弹簧固定销旋转，在扭转弹簧的作用下具有缓冲和复位作用；当弧形刀片闭合程度加深，果实表面与果实保护机构的接触压力随之增大，接触压力大于设定的安全阈值时；控制系统向三位五通中封换向阀发送打开端、闭合端断电信号，三位五通中封换向阀处于中位截止状态，直线气缸停止运动，弧形刀片停止剪切动作；控制系统调整采摘末端执行器采摘姿态，三位五通中封换向阀闭合端得电，弧形刀片继续执行剪切动作；

所述支撑架整体为凹字形，通过连接螺母与带有外螺纹的连接杆一端固定；所述安装法兰座有一凸面，平面上设有两个对称的螺纹孔，安装法兰座为圆形平面，圆形平面上设有均布的四个圆孔，用于安装法兰座和机械臂的连接；

包括直线气缸，直线气缸通过固定螺栓安装在支撑架上，所述直线气缸位于支撑架和安装法兰座之间；

所述连杆开合机构包括推杆、摆动连杆、开合连杆和中心连接块，所述推杆与直线气缸的活塞杆通过螺纹连接，位于凹字形支撑架的开口处；所述开合连杆为J型结构，设有三个圆孔，开合连杆的一端与推杆连接，另一端与弧形刀片连接；所述摆动连杆设有开口槽，开口槽的一端设有圆孔，与开合连杆通过连杆铰链销连接，另一端通过铰链销与中心连接块连接；

包括气路控制单元，所述气路控制单元包括气泵与气动三联件串联，并持续给气动回路提供气体压力，通过气动三联件的过滤可以保持进入气动回路的气体洁净；

三位五通中封式电磁阀进气口与气动三联件相连，三位五通中封式电磁阀两个排气口均单独与一个消音器相连；三位五通中封式电磁阀打开端和闭合端出气口均通过一个单向调速阀与气缸相连。

2.根据权利要求1所述的球面剪切式果实采摘末端执行器，其特征在于，所述中心连接块的两端设有开口槽，开口槽的方形缺口上开有圆孔，安装在支撑架的前端；所述中心连接块包括圆形凸台，在面对果实的一面设有距离传感器；

包括传感器保护罩，传感器保护罩安装在中心连接块上，设置传感器保护罩保护所述距离传感器。

3.根据权利要求2所述的球面剪切式果实采摘末端执行器，其特征在于，所述弧形刀片远离安装法兰座的一端设有圆孔，安装在开合连杆上；所述弧形刀片靠近安装法兰座的一端设有腰形孔，通过中心连接块上设置的圆形凸台，安装在中心连接块上。

4.根据权利要求3所述的球面剪切式果实采摘末端执行器，其特征在于，包括接果篮，接果篮远离安装法兰座的一端固定在开合连杆上，靠近安装法兰座的一端设有腰形孔安装在中心连接块上；所述接果篮为球面镂空结构。

5.根据权利要求1-4任一项所述的球面剪切式果实采摘末端执行器的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：包括三位五通中封式电磁阀，在进行果实采摘前，采摘末端执行器首先进行复位操作；三位五通中封式电磁阀的打开端通电，推杆朝安装法兰座方向移动，使得开合连杆打开；末端执行器恢复到初始状态；所述三位五通中封式电磁阀左端为闭合端，右边为打开端；

S2：在已知果实位置信息的情况下，机械臂运动从而使得采摘末端执行器到达待采摘果实附近；此时通过在中心连接块上的距离传感器感知的距离信息与系统获得的果实位置信息可以形成采摘末端执行器位置的闭环控制；采摘末端执行器到达准确的采摘位置点；

S3：当距离传感器返回的数值达到预先设定的最佳采摘距离，三位五通中封式电磁阀闭合端通电，推杆朝待采摘果实方向移动，使得开合连杆带动弧形刀片闭合；在此期间，果实保护机构保护果实表面无法与弧线刀片刃口位置接触，保护果实表面不被破坏；

所属弧形刀片在闭合过程中包括两种情况：

情况一：果实表面与弧形刀片无接触，推杆正常运动，等到直线气缸触碰三位五通中封式电磁阀的闭合端限位开关，弧形刀片完成对果实果梗剪切动作；

情况二：果实表面一侧或者两侧与果实保护机构发生接触；当发生接触的初始阶段，保护手指受到果实表面的压力，在扭转弹簧和弹簧固定销的作用下，保护手指可绕弹簧固定销旋转并且具有一种弹性，使得果实保护机构具有一种退让性；若接触进一步发生，保护手指上的薄膜压力传感器感知的接触压力增大且达到预先设定的安全接触压力阈值；此时三位五通中封式电磁阀打开端、闭合端同时断电，直线气缸为中位截止状态，剪切机构停止剪切动作；采摘末端执行器调整采摘姿态，重复以上动作，直至为情况一所述状态,完成弧形刀片对果实果梗剪切；

S4：末端执行器剪切的果实掉入接果篮中，采摘末端执行器回到果实储存箱的果实放入位置，三位五通中封式电磁阀打开端通电，推杆朝安装法兰座方向移动，使得开合连杆打开，果实存入果实储存箱；等到直线气缸触碰三位五通中封式电磁阀的打开端限位开关，末端执行器恢复到初始状态；等待系统发送下一个待采摘果实位置信息，继续执行步骤S2。