[发明专利]用于采摘银杏花穗的末端执行器的采摘部分的设计方法

说明书

一种用于采摘银杏花穗的末端执行器的采摘部分的设计方法，步骤包括：1)通过银杏花穗的采样，确定设计方案；2)根据设计方案进行结构设计；3)对设计得到结构进行仿真分析。步骤2)中，咬合功能结构：通过模仿博比特虫口腔设计咬合机构，能够准确咬合包裹住花穗；分离功能结构：通过模仿博比特虫抓住猎物后用勾爪由外向内翻转将猎物吞进体内，设计末端执行器口腔咬合包裹花穗后的分离花穗机构，将花穗从短枝上分离，实现分离的功能；吞咽功能结构：通过模仿博比特虫将猎物通过喉部咽进身体，其喉部呈空管状，设计孔洞结构将分离后的花穗，从口腔内部的管道进入收集箱。本方法确保末端执行器的采摘部分在采摘花穗过程中不伤害到短枝和花穗。

技术领域

本发明创造属于林业机械技术领域，具体是一种用于采摘银杏花穗的末端执行器的采摘部分的设计方法。

背景技术

常见的果蔬采摘机器人的机械系统是由行走机构、机械臂和末端执行器组成。

采摘银杏花穗，银杏是乔木，且是珍稀树种，银杏从种植到能够开花结果需要几十年的时间，所以在采摘是尽可能不伤害到短枝叶片；银杏花穗体型较小且本体脆弱，这对末端执行器有很高的控制要求，传统的采摘机器人就不满足采摘银杏花穗的要求。对于种植园内的嫁接雄株银杏，银杏这种大型乔木与种植的蔬菜不同，大部分蔬菜都是一年生的，所以在收获果实前，可以将作物的茎叶去除后，可减少对采摘的干扰。但是银杏的生长周期很长，所以在采摘花穗时，要尽可能不损害叶片和短枝。

采摘机器人的核心技术是末端执行器的设计，末端执行器直接作用于采摘目标，在农林业生产过程中被采摘的果实一般都比较脆弱，并且同种果实的形状与生长情况都各不相同，所以末端执行器的结构和力学性能都要准确。同时在采摘过程中果实和作物的枝条叶片很容易被损伤，如对果实的位置判断错误或者是定位不够准确；末端执行器抓握机构对目标的夹持力超过目标得最大承受力；末端执行器抓取不稳定，果实会易脱落，造成采摘的浪费，从而导致采摘效率的降低。对于抓握动作，若采用传统的末端执行器抓取，往往会因抓取力或夹持力过大而压伤果实，因此末端执行器结构的设计以及对末端执行器的控制十分重要。

发明内容

由于本发明的研究的采摘对象是银杏花穗，并且银杏树枝短枝上既长有银杏花穗，也长有银杏树叶，且形状、体积和颜色大小也都差不多。

通过实地银杏的观察以及对花穗叶片的力学测试，整理分析数据，发现采摘银杏花穗需要的力大约是叶片的三分之一，为了避免伤害到叶片和短枝，则用滚筒刷将花穗采摘下来。

本发明研究银杏花穗智能采摘系统的末端执行器的机械口腔部分，具体实现将采摘机构将目标花穗从所在枝条分离的动作的方案与机械结构设计，并在虚拟仿真环境中进行采摘验证。

本采摘末端执行器是以银杏花穗为采摘对象，末端执行器仿生博比特虫的捕猎，其中：

仿生博比特虫的口器是抱爪机构，抱爪机构连接在机械臂末端，用来把机械臂与被采摘花枝粗定位。

仿生博比特虫的口腔是采摘部分，采摘机构连接在机械臂末端，用来把被采摘花穗包裹并从花枝上分离下来，最后送入传送管道直到收集箱。

仿生博比特虫的虫身是回转机构，回转机构连接在机械臂与采摘机构之间，用来调整采摘机构与花穗之间的位置。

本发明主要涉及末端执行器的采摘部分，其仿生博比特虫的口腔部分，负责采摘花穗和“吞咽”花穗。

首先分析整体末端执行器的设计需求，整合口腔、虫身、口器三个仿生部分的设计不同需求；然后进行实地实验，收集银杏花穗、叶片和短枝的尺寸及力学数据。