本发明涉及采摘末端执行器领域，特别是一种基于手眼系统的一次可采摘多颗草莓的大容差草莓采摘末端执行器及其工作方法。本发明的目的在于提供一种采摘簇状果实的、对机械臂采摘定位苛求度不高的草莓采摘末端执行器及其工作方法。本发明以草莓果实区域(单粒或靠近的多粒成熟的草莓果实)为采摘对象，不必再进行粘连成熟果实的分离，降低了识别定位目标果实的算法复杂度和计算时耗；根据摄像机的内参外参可比较准确将目标果实的图像度坐标转换成世界坐标，提高定位精度和速度；一次可采摘多颗草莓，在成熟果实靠近或粘连的情况下，能大大提高采摘效率；具有大容差，在机械臂定位精度不必十分苛求的情况下，提高采摘成功率。
摄像机单元，机械爪连接块(2)，垄壁感应单元(3)以及机械爪(4)；所述摄像机单元的摄像机(11)布置于机械爪连接块(2)上侧；所述末端执行器通过机械爪连接块(2)与机械臂连接；
所述垄壁感应单元(3)中，垄壁导轨(32)与机械爪连接块(2)相连，垄壁导轨(32)下方设置垄壁导轨滑块(35)，前后端分别设置第一垄壁导轨限位块(31)和第二垄壁导轨限位块(38)，垄壁导轨滑块(35)在第一垄壁导轨限位块(31)和第二垄壁导轨限位块(38)之间沿垄壁导轨(32)前、后滑动；第一电磁开关(33)和第二电磁开关(37)嵌在电磁开关安装座(34)的直线槽内，电磁开关安装座(34)以其直线槽平行于垄壁导轨滑块(35)滑动方向固连于垄壁导轨(32)侧面；磁铁(36)固连于垄壁导轨滑块(35)上，与第一电磁开关(33)和第二电磁开关(37)处于同一平面，机械手连接板(39)固连于垄壁导轨滑块(35)下侧；
所述机械爪(4)中，机械爪固定座(43)固连于机械手连接板(39)的前端下侧，其左右对称面与摄像机(11)的左右对称面重合；齿轮轴(42)固连于驱动电机(41)轴上，驱动电机(41)固连于机械爪固定座(43)后端面，电机轴线与机械爪固定座轴线相重合；手指导轨(419)固连于机械爪固定座(43)前端面，手指导轨(419)的左右两端分别设置第一手指导轨限位块(46)和第二手指导轨限位块(417)，手指导轨(419)的中间设置第一手指滑块(45)和第二手指滑块(418)，所述第一手指滑块(45)和第二手指滑块(418)沿手指导轨(419)在第一手指导轨限位块(46)和第二手指导轨限位块(417)间左右滑动；第一手指连接(47)和第二手指连接(416)分别与第一手指滑块(45)和第二手指滑块(418)连接；所述第一手指连接(47)的一端面固连上齿条(44)，另一端面连接刀片手指(48)；所述第二手指连接(416)的一端面固连下齿条(420)，另一端面连接切槽手指(415)；所述上齿条(44)和下齿条(420)分别与齿轮轴(42)齿轮两侧啮合；刀片手指(48)前端上侧装有剪切刀片(49)，剪切刀片(49)下方装有夹持刀片(421)；刀片手指(48)的下侧面间隔安装有第一滑轮(410)和第三滑轮(413)，切槽手指(415)的下侧面间隔安装有第二滑轮(412)和第四滑轮(414)，拢果绳(411)两端分别固定于第一手指导轨限位块(46)和第二手指导轨限位块(417)上，所述拢果绳(411)分别绕过所述第三滑轮(413)、第一滑轮(410)、第二滑轮(412)和第四滑轮(414)。
2.如权利要求1所述的草莓采摘末端执行器，其特征在于：所述刀片手指(48)和切槽手指(415)的前端面为一球形，切槽手指(415)的侧面开有切槽；刀片手指(48)上端面安装有剪切刀片(49)，剪切刀片(49)安装后与切槽手指(415)切槽中心面重合；刀片手指(48)中部与剪切刀片(49)平行安装有夹持刀片(421)，且夹持刀片(421)伸出刀片手指(48)的长度短于剪切刀片(49)伸出刀片手指(48)的长度。
3.如权利要求1或2所述的草莓采摘末端执行器，其特征在于：当垄壁导轨滑块(35)滑动使磁铁(36)处于第一电磁开关(33)或第二电磁开关(37)正下侧时，其对应的电磁开关触发。
4.一种如权利要求1所述的草莓采摘末端执行器的工作过程，其特征在于：包括以下步骤：
a.机械臂带动所述末端执行器沿垂直于垄的方向向前运动使刀片手指(48)与切槽手指(415)前端抵在垄壁上，末端执行器继续沿垂直于垄的方向向前运动从而使垄壁导轨(32)沿垄壁导轨滑块(35)向前滑动，当第一电磁开关(33)位于磁铁(36)正上方时，第一电磁开关(33)被触发，末端执行器停止沿垂直于垄的方向的运动；
b.机械臂带动末端执行器沿垄的方向运动，摄像机(11)不断采集当前位置图像，直至发现成熟草莓果实区域，获取草莓果实区域中心位置坐标及草莓果实区域宽度(1)；
c.机械臂带动末端执行器运动至草莓果实区域中心位置偏下处，同时驱动电机(41)带动齿轮轴(42)顺时针旋转使刀片手指(48)和切槽手指(415)张开至稍大于草莓果实区域宽度(1)；
d.机械臂带动末端执行器沿竖直向上运动至草莓果梗底部，此处的草莓均落入刀片手指(48)、切槽手指(415)及拢果绳(411)组成的矩形区域内；
e.机械臂带动末端执行器沿垂直于垄的方向向后运动，从而使垄壁导轨(32)沿垄壁导轨滑块(35)向后滑动，当第二电磁开关(37)位于磁铁(36)正上方时，第二电磁开关(37)被触发，第二电磁开关(37)被触发后，末端执行器停止运动，草莓被拢果绳(411)拢至刀片手指(48)和切槽手指(415)之间；驱动电机(41)带动齿轮轴(42)逆时针旋转，刀片手指(48)和切槽手指(415)闭合，剪切刀片(49)切断草莓果梗，夹持刀片(421)和切槽手指(415)夹持其下半段；
f.机械臂带动末端执行器运动至草莓收纳盒处，驱动电机(41)顺时针旋转，刀片手指(48)和切槽手指(415)放开草莓，草莓落入收纳盒内。
一种草莓采摘末端执行器及其工作过程
技术领域
[0001] 本发明涉及采摘末端执行器领域，特别是一种基于手眼系统的一次可采摘多颗草莓的大容差草莓采摘末端执行器及其工作过程。
背景技术
[0002] 选择性的果实采摘是农业上最为耗时费力的作业环节，30年来，人类一直试图采用机器人从事该类作业。草莓作为一种常见水果，具有广大的种植面积，每年到了收获季节采摘工需要每隔一段时间就要对成熟草莓进行弯腰采摘，直至草莓生长期末。作业过程繁重且单调。因此一些农业发达国家分别研制出了具有机器视觉的草莓采摘机器人装置。在这些装置研究中，草莓采摘方法主要为机器视觉检测成熟果实、分割出单颗成熟果实并予以定位、再由末端执行器切断或热断果梗、夹持果实或果梗将其放入收纳容器内的方法。而实际生产中，草莓果实多为簇状分布，常常是几颗成熟果实聚集在一起，且多存在枝叶遮挡果实的情况，在这种条件下，单颗的采摘方式不仅增加了图像识别、分割的时耗，也增加了机械手的采摘次数和采摘难度，降低了作业效率。另外，单颗采摘，对机械臂定位精度有较高要求，这降低了机械的容差能力、也影响到采摘作业效率和质量。
发明内容
[0003] 针对以上问题，本发明的目的在于提供一种采摘簇状果实的、对机械臂定位精度要求不必十分苛求的高效率的草莓采摘末端执行器及其工作过程。
[0004] 为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：
[0005] 一种草莓采摘末端执行器，包括摄像机单元，机械爪连接块2，垄壁感应单元3以及机械爪4；所述摄像机单元的摄像机11布置于机械爪连接块2上侧；所述末端执行器通过机械爪连接块2与机械臂连接；
[0006] 所述垄壁感应单元3中，垄壁导轨32与机械爪连接块2相连，垄壁导轨32下方设置垄壁导轨滑块35，前后端分别设置第一垄壁导轨限位块31和第二垄壁导轨限位块38，垄壁导轨滑块35在第一垄壁导轨限位块31和第二垄壁导轨限位块38之间沿垄壁导轨32前、后滑动；第一电磁开关33和第二电磁开关37嵌在电磁开关安装座34的直线槽内，电磁开关安装座34以其直线槽平行于垄壁导轨滑块35滑动方向固连于垄壁导轨32侧面；磁铁36固连于垄壁导轨滑块35上，与第一电磁开关33和第二电磁开关37处于同一平面，机械手连接板39固连于垄壁导轨滑块35下侧；
[0007] 所述机械爪4中，机械爪固定座43固连于机械手连接板39的前端下侧，其左右对称面与摄像机11的左右对称面重合；齿轮轴42固连于驱动电机41轴上，驱动电机41固连于机械爪固定座43后端面，电机轴线与机械爪固定座轴线相重合；手指导轨419固连于机械爪固定座43前端面，手指导轨419的左右两端分别设置第一手指导轨限位块46和第二手指导轨限位块417，手指导轨419的中间设置第一手指滑块45和第二手指滑块418，所述第一手指滑块45和第二手指滑块418沿手指导轨419在第一手指导轨限位块46和第二手指导轨限位块417间左右滑动；第一手指连接47和第二手指连接416分别与第一手指滑块45和第二手指滑块418连接；所述第一手指连接47的一端面固连上齿条44，另一端面连接刀片手指48；所述第二手指连接416的一端面固连下齿条420，另一端面连接切槽手指415；所述上齿条44和下齿条420分别与齿轮轴42齿轮两侧啮合；刀片手指48前端上侧装有剪切刀片49，剪切刀片49下方装有夹持刀片421；刀片手指48的下侧面间隔安装有第一滑轮410和第三滑轮413，切槽手指415的下侧面间隔安装有第二滑轮412和第四滑轮
414，拢果绳411两端分别固定于第一手指导轨限位块46和第二手指导轨限位块417上，所述拢果绳411分别绕过所述第三滑轮413、第一滑轮410、第二滑轮412和第四滑轮414。
[0008] 所述刀片手指48和切槽手指415的前端面为一球形，切槽手指415的侧面开有切槽；刀片手指48上端面安装有剪切刀片49，剪切刀片49安装后与切槽手指415切槽中心面重合；刀片手指48中部与剪切刀片49平行安装有夹持刀片421，且夹持刀片421伸出刀片手指48的长度短于剪切刀片49伸出刀片手指48的长度。
[0009] 当垄壁导轨滑块35滑动使磁铁36处于第一电磁开关33或第二电磁开关37正下侧时，其对应的电磁开关触发。
[0010] 一种草莓采摘末端执行器的工作过程，其包括以下步骤：
[0011] a.机械臂带动所述末端执行器沿垂直于垄的方向向前运动使刀片手指48与切槽手指415前端抵在垄壁上，末端执行器继续沿垂直于垄的方向向前运动从而使垄壁导轨32沿垄壁导轨滑块35向前滑动，当第一电磁开关33位于磁铁36正上方时，第一电磁开关33被触发，末端执行器停止沿垂直于垄的方向的运动；
[0012] b.机械臂带动末端执行器沿垄的方向运动，摄像机11不断采集当前位置图像，直至发现成熟草莓果实区域，获取草莓果实区域中心位置坐标及草莓果实区域宽度1；
[0013] c.机械臂带动末端执行器运动至草莓果实区域中心位置偏下处，同时驱动电机41带动齿轮轴42顺时针旋转使刀片手指48和切槽手指415张开至稍大于草莓果实区域宽度1；
[0014] d.机械臂带动末端执行器沿竖直向上运动至草莓果梗底部，此处的草莓均落入刀片手指48、切槽手指415及拢果绳411组成的矩形区域内；
[0015] e.机械臂带动末端执行器沿垂直于垄的方向向后运动，从而使垄壁导轨32沿垄壁导轨滑块35向后滑动，当第二电磁开关37位于磁铁36正上方时，第二电磁开关37被触发，第二电磁开关37被触发后，末端执行器停止运动，草莓被拢果绳411拢至刀片手指48和切槽手指415之间；驱动电机41带动齿轮轴42逆时针旋转，刀片手指48和切槽手指415闭合，剪切刀片49切断草莓果梗，夹持刀片421和切槽手指415夹持其下半段；
[0016] f.机械臂带动末端执行器运动至草莓收纳盒处，驱动电机41顺时针旋转，刀片手指48和切槽手指415放开草莓，草莓落入收纳盒内。
[0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0018] 1、以草莓果实区域为采摘对象，不必再进行粘连成熟果实的分离，降低了识别定位目标果实的算法复杂度和时耗；
[0019] 2、采用垄壁传感器，能计算出摄像机到垄壁的距离，根据摄像机的成像投影原理，可较准确地将目标果实的图像坐标转换成世界坐标，提高定位精度和速度；
[0020] 3、一次可采摘多颗草莓，在成熟果实靠近或粘连的情况下，能大幅度提高采摘效率；
[0021] 4.具有大容差，对机械臂定位精度要求不高，提高采摘成功率。
附图说明
[0022] 图1是本发明的草莓采摘末端执行器的整体示意图；
[0023] 图2是本发明的垄壁感应单元的示意图；
[0024] 图3是本发明的机械爪的示意图；
[0025] 图4是本发明的机械爪的爆炸视图；
[0026] 图5是本发明的机械爪驱动执行示意图；
[0027] 图6是本发明的机械爪的剪切夹持草莓梗示意图；
[0028] 图7a是本发明的草莓采摘末端执行器的第一采摘状态示意图；
[0029] 图7b是本发明的草莓采摘末端执行器的第二采摘状态示意图；
[0030] 图7c是本发明的草莓采摘末端执行器的第三采摘状态示意图；
[0031] 图7d是本发明的草莓采摘末端执行器的第四采摘状态示意图；
[0032] 图7e是本发明的草莓采摘末端执行器的第五采摘状态示意图。
[0033] 【主要组件符号说明】
[0034] 1 草莓果实区域宽度
[0035] 11 摄像机
[0036] 12 光源
[0037] 2 机械爪连接块
[0038] 3 垄壁感应单元
[0039] 31 第一垄壁导轨限位块
[0040] 32 垄壁导轨
[0041] 33 第一电磁开关
[0042] 34 电磁开关安装座
[0043] 35 垄壁导轨滑块
[0044] 36 磁铁
[0045] 37 第二电磁开关
[0046] 38 第二垄壁导轨限位块
[0047] 39 机械手连接板
[0048] 4 机械爪
[0049] 41 驱动电机
[0050] 42 齿轮轴
[0051] 43 机械爪固定座
[0052] 44 上齿条
[0053] 45 第一手指滑块
[0054] 46 第一手指导轨限位块
[0055] 47 第一手指连接
[0056] 48 刀片手指
[0057] 49 剪切刀片
[0058] 410 第一滑轮
[0059] 411 拢果绳
[0060] 412 第二滑轮
[0061] 413 第三滑轮
[0062] 414 第四滑轮
[0063] 415 切槽手指
[0064] 416 第二手指连接
[0065] 417 第二手指导轨限位块
[0066] 418 第二手指滑块
[0067] 419 手指导轨
[0068] 420 下齿条
[0069] 421 夹持刀片
具体实施方式
[0070] 下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
[0071] 如图1所示，是本发明的草莓采摘末端执行器的整体示意图、图2是本发明的垄壁感应单元的示意图、图3是本发明的机械爪的示意图、图4是所述机械爪的爆炸视图、图5是本发明的机械爪驱动执行示意图、图6是本发明的机械爪的前视图。
[0072] 如图1所示，所述末端执行器包括摄像机单元、机械爪连接块2、垄壁感应单元3以及机械爪4；其中，所述摄像机单元包括摄像机11和光源12，摄像机11布置于机械爪连接块2上侧；所述末端执行器通过机械爪连接块2与机械臂连接，从而实现末端执行器在空间各点的运动。
[0073] 如图1及图2所示，其中，所述垄壁感应单元3包括第一垄壁导轨限位块31、第二垄壁导轨限位块38、垄壁导轨32、第一电磁开关33、第二电磁开关37、电磁开关安装座34、垄壁导轨滑块35、磁铁36和机械手连接板39。
[0074] 其中，所述垄壁导轨32通过螺栓与机械爪连接块2相连，垄壁导轨32下方设置垄壁导轨滑块35，垄壁导轨滑块35的前、后方分别设置第一垄壁导轨限位块31和第二垄壁导轨限位块38，垄壁导轨滑块35能在第一垄壁导轨限位块31和第二垄壁导轨限位块38之间沿垄壁导轨32前后滑动。第一电磁开关33和第二电磁开关37嵌在电磁开关安装座34的直线槽内，电磁开关安装座34以其直线槽平行于垄壁导轨滑块35滑动方向固连于垄壁导轨32侧面。磁铁36固连于垄壁导轨滑块35上，与第一电磁开关33和第二电磁开关37处于同一平面，当垄壁导轨滑块35滑动使磁铁36处于第一电磁开关33或第二电磁开关37正下侧时，其对应的电磁开关触发，向机械臂传送命令，机械臂停止在垄壁导轨滑块35滑动方向的运动。机械手连接板39固连于垄壁导轨滑块35下侧。
[0075] 如图1、3、4、6所示，所述机械爪4包括驱动电机41、齿轮轴42、机械爪固定座43、上齿条44、下齿条420、第一手指滑块45、第二手指滑块418、第一手指导轨限位块46、第二手指导轨限位块417、第一手指连接47、第二手指连接416、刀片手指48、剪切刀片49、夹持刀片421、第一滑轮410、第二滑轮412、第三滑轮413、第四滑轮414、拢果绳411、切槽手指415和手指导轨419。
[0076] 所述机械爪固定座43固连于机械手连接板39的前端下侧，机械爪固定座43左右对称面与摄像机11的左右对称面重合。齿轮轴42固连于驱动电机41的轴上，驱动电机41固连于机械爪固定座43后端面，电机轴线与机械爪固定座轴线相重合。手指导轨419固连于机械爪固定座43前端面，手指导轨419的左右两端分别设置第一手指导轨限位块46和第二手指导轨限位块417，手指导轨419的中间设置第一手指滑块45和第二手指滑块418，所述第一手指滑块45和第二手指滑块418沿手指导轨419在第一手指导轨限位块46和第二手指导轨限位块417间左右滑动。第一手指连接47和第二手指连接416分别与第一手指滑块45和第二手指滑块418连接。所述第一手指连接47的一端面固连上齿条44，另一端面连接刀片手指48；所述第二手指连接416的一端面固连下齿条420，另一端面连接切槽手指415。所述上齿条44和下齿条420分别与齿轮轴42的齿轮两侧啮合。刀片手指48前端上侧装有剪切刀片49，剪切刀片49下方装有夹持刀片421。刀片手指48的下侧面间隔安装有第一滑轮410和第三滑轮413，切槽手指415的下侧面间隔安装有第三滑轮412和第四滑轮414，拢果绳411两端分别固定于第一手指导轨限位块46和第二手指导轨限位块417上，拢果绳411分别绕过所述四个滑轮。
[0077] 如图5所示，所述机械爪4由驱动电机41提供动力，实现刀片手指48和切槽手指415的开闭。其中，电机41带动齿轮轴42按顺时针方向转动，与其啮合的上齿条44和下齿条420做方向相反的远离运动，从而带动刀片手指48和切槽手指415向两侧沿手指导轨
419做对称打开运动，机械爪4张开。电机41按与逆时针方向运动，机械爪4闭合。
[0078] 如图4、6所示，所述刀片手指48和切槽手指415的前端面为一球形，以减小与垄壁接触时的摩擦力。切槽手指415侧面开有切槽。刀片手指48上端面安装有剪切刀片49，剪切刀片49安装后与切槽手指415切槽中心面重合；刀片手指48中部与剪切刀片49平行安装有夹持刀片421，且夹持刀片421伸出刀片手指48的长度短于剪切刀片49伸出刀片手指48的长度。当切槽手指415和刀片手指48完全闭合时，其距离为最大果梗直径；剪切刀片49和切槽手指415之间距离为0(或稍小于0，考虑到果梗切割变形)，以保证果梗完全被切断；夹持刀片421和切槽手指415之间的距离稍小于最小果梗直径(果梗直径一般在1-2.4mm范围内，故该最小距离一般取1mm即可，但可根据不同的草莓品种具体确定)，以保证夹持刀片421切入果梗又不将果梗切断。这样就可实现在草莓梗切断之后仍被夹持在夹持刀片421和切槽手指415之间。
[0079] 如图7a-7e所示，是本发明的草莓采摘末端执行器的五个采摘状态的示意图。本发明的草莓采摘末端执行器的工作过程包括：
[0080] a.如图7a、7b所示，机械臂带动所述末端执行器沿垂直于垄的方向向前运动，使刀片手指48与切槽手指415前端抵在垄壁上，末端执行器继续沿垂直于垄的方向向前运动从而使垄壁导轨32沿垄壁导轨滑块35向前滑动，当第一电磁开关33位于磁铁36正上方时，第一电磁开关33被触发，末端执行器停止沿垂直于垄的方向的运动。
[0081] b.机械臂带动末端执行器沿垄的方向运动，摄像机11不断采集当前位置图像，直至发现成熟草莓果实区域(一颗或多颗簇状成熟草莓)，获取草莓果实区域中心位置坐标及草莓果实区域宽度1。
[0082] c.如图7c所示，机械臂带动末端执行器运动至草莓果实区域中心位置偏下处，同时驱动电机41带动齿轮轴42顺时针旋转使刀片手指48和切槽手指415张开至稍大于草莓果实区域宽度1。
[0083] d.如图7d所示，机械臂带动末端执行器沿竖直向上运动至草莓果梗底部，此处的草莓均落入刀片手指48、切槽手指415及拢果绳411组成的矩形区域内；
[0084] e.如图7e所示，机械臂带动末端执行器沿垂直于垄的方向向后运动，从而使垄壁导轨32沿垄壁导轨滑块35向后滑动，当第二电磁开关37位于磁铁36正上方时，第二电磁开关37被触发，第二电磁开关37被触发后，末端执行器停止运动，草莓被拢果绳411拢至刀片手指48和切槽手指415之间；驱动电机41带动齿轮轴42逆时针旋转，刀片手指48和切槽手指415闭合，剪切刀片49切断草莓果梗，夹持刀片421和切槽手指415夹持其下半段。
[0085] f.机械臂带动末端执行器运动至草莓收纳盒处，驱动电机41顺时针旋转，刀片手指48和切槽手指415放开草莓，草莓落入收纳盒内。
