[發(fā)明專利]用于采摘銀杏花穗的末端執(zhí)行器的采摘部分的設(shè)計方法

在審

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• 申請日: 2021-07-21
• 公開（公告）號: CN113591293A
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 汪希偉;劉佳傲;趙茂程;曾帆
• 申請（專利權(quán)）人: 南京林業(yè)大學(xué);泰州學(xué)院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/17;G06T17/00;G01L5/00;A01D46/30;G06F119/14
• 代理公司: 南京科闊知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32400
• 代理人: 蘇興建

一種用于采摘銀杏花穗的末端執(zhí)行器的采摘部分的設(shè)計方法，步驟包括：1)通過銀杏花穗的采樣，確定設(shè)計方案；2)根據(jù)設(shè)計方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計；3)對設(shè)計得到結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。步驟2)中，咬合功能結(jié)構(gòu)：通過模仿博比特蟲口腔設(shè)計咬合機(jī)構(gòu)，能夠準(zhǔn)確咬合包裹住花穗；分離功能結(jié)構(gòu)：通過模仿博比特蟲抓住獵物后用勾爪由外向內(nèi)翻轉(zhuǎn)將獵物吞進(jìn)體內(nèi)，設(shè)計末端執(zhí)行器口腔咬合包裹花穗后的分離花穗機(jī)構(gòu)，將花穗從短枝上分離，實(shí)現(xiàn)分離的功能；吞咽功能結(jié)構(gòu)：通過模仿博比特蟲將獵物通過喉部咽進(jìn)身體，其喉部呈空管狀，設(shè)計孔洞結(jié)構(gòu)將分離后的花穗，從口腔內(nèi)部的管道進(jìn)入收集箱。本方法確保末端執(zhí)行器的采摘部分在采摘花穗過程中不傷害到短枝和花穗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明創(chuàng)造屬于林業(yè)機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種用于采摘銀杏花穗的末端執(zhí)行器的采摘部分的設(shè)計方法。

背景技術(shù)

常見的果蔬采摘機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)是由行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂和末端執(zhí)行器組成。

采摘銀杏花穗，銀杏是喬木，且是珍稀樹種，銀杏從種植到能夠開花結(jié)果需要幾十年的時間，所以在采摘是盡可能不傷害到短枝葉片；銀杏花穗體型較小且本體脆弱，這對末端執(zhí)行器有很高的控制要求，傳統(tǒng)的采摘機(jī)器人就不滿足采摘銀杏花穗的要求。對于種植園內(nèi)的嫁接雄株銀杏，銀杏這種大型喬木與種植的蔬菜不同，大部分蔬菜都是一年生的，所以在收獲果實(shí)前，可以將作物的莖葉去除后，可減少對采摘的干擾。但是銀杏的生長周期很長，所以在采摘花穗時，要盡可能不損害葉片和短枝。

采摘機(jī)器人的核心技術(shù)是末端執(zhí)行器的設(shè)計，末端執(zhí)行器直接作用于采摘目標(biāo)，在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過程中被采摘的果實(shí)一般都比較脆弱，并且同種果實(shí)的形狀與生長情況都各不相同，所以末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能都要準(zhǔn)確。同時在采摘過程中果實(shí)和作物的枝條葉片很容易被損傷，如對果實(shí)的位置判斷錯誤或者是定位不夠準(zhǔn)確；末端執(zhí)行器抓握機(jī)構(gòu)對目標(biāo)的夾持力超過目標(biāo)得最大承受力；末端執(zhí)行器抓取不穩(wěn)定，果實(shí)會易脫落，造成采摘的浪費(fèi)，從而導(dǎo)致采摘效率的降低。對于抓握動作，若采用傳統(tǒng)的末端執(zhí)行器抓取，往往會因抓取力或夾持力過大而壓傷果實(shí)，因此末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及對末端執(zhí)行器的控制十分重要。

發(fā)明內(nèi)容

由于本發(fā)明的研究的采摘對象是銀杏花穗，并且銀杏樹枝短枝上既長有銀杏花穗，也長有銀杏樹葉，且形狀、體積和顏色大小也都差不多。

通過實(shí)地銀杏的觀察以及對花穗葉片的力學(xué)測試，整理分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)采摘銀杏花穗需要的力大約是葉片的三分之一，為了避免傷害到葉片和短枝，則用滾筒刷將花穗采摘下來。

本發(fā)明研究銀杏花穗智能采摘系統(tǒng)的末端執(zhí)行器的機(jī)械口腔部分，具體實(shí)現(xiàn)將采摘機(jī)構(gòu)將目標(biāo)花穗從所在枝條分離的動作的方案與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，并在虛擬仿真環(huán)境中進(jìn)行采摘驗(yàn)證。

本采摘末端執(zhí)行器是以銀杏花穗為采摘對象，末端執(zhí)行器仿生博比特蟲的捕獵，其中：

仿生博比特蟲的口器是抱爪機(jī)構(gòu)，抱爪機(jī)構(gòu)連接在機(jī)械臂末端，用來把機(jī)械臂與被采摘花枝粗定位。

仿生博比特蟲的口腔是采摘部分，采摘機(jī)構(gòu)連接在機(jī)械臂末端，用來把被采摘花穗包裹并從花枝上分離下來，最后送入傳送管道直到收集箱。

仿生博比特蟲的蟲身是回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接在機(jī)械臂與采摘機(jī)構(gòu)之間，用來調(diào)整采摘機(jī)構(gòu)與花穗之間的位置。

本發(fā)明主要涉及末端執(zhí)行器的采摘部分，其仿生博比特蟲的口腔部分，負(fù)責(zé)采摘花穗和“吞咽”花穗。

首先分析整體末端執(zhí)行器的設(shè)計需求，整合口腔、蟲身、口器三個仿生部分的設(shè)計不同需求；然后進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)，收集銀杏花穗、葉片和短枝的尺寸及力學(xué)數(shù)據(jù)。