一种具有叶片清理功能的采摘末端执行器的制作方法

本发明涉及智能采摘领域，更具体的说，尤其涉及一种具有叶片清理功能的采摘末端执行器。

背景技术：

目前，国内大部分的果实采摘仍需要依靠人工完成。人工采摘方式劳动效率较低、劳动耗时较长，对于采摘季较短的果实，依靠人工采摘的方式往往来不及完成全部果实的采摘。并且对于一些长在高处的果实，采摘工人需要攀爬扶梯才能够进行采摘，具有一定的危险性。此外，人工采摘需要用到大量的劳动力，但随着大量劳动力向城市工厂转移和人口逐渐老龄化，可用劳动力逐渐减少，采摘雇工价格逐年攀升，造成果实采摘成本越来越高，对自动化果实采摘设备的需求也日益提高。

在水果采摘自动化领域中，目前采摘末端执行器的研究主要有辅助人工式、振动冲击式、机械手抓取式。辅助人工式采摘机器人为工人提供一个空间三自由度移动的升降平台，工人站在升降平台上进行采摘作业。这取消了传统人工采摘爬梯子，转移梯子等过程，大大提高了采摘效率，但仍依赖人工。振动冲击式采摘机器人直接对果树进行振动冲击，从而使得果实掉落，进行收集。这种方式对果实损伤太大，一是不利于保存，二是果实品相破坏影响销售。机械手抓取式是目前大多数研究的选择，其采用仿人手指的末端结构，模仿人采摘的方式对目标果实进行抓取。使目标果实与果梗分离采摘方式主要有两种，一种是在机械手抓紧果实后，进行扭转拉拔直接采摘；另一种则是通过外加的刀片、激光或者通电金属丝对果梗进行切割。这种方式与人工采摘方式极为接近，可以很好地实现无损化采摘，但由于对果实的抓取需要精确定位，采摘步骤也较为复杂，使得采摘效率低下，这是限制其实用性的最大因素。

负压吸附采摘方式因其采摘动作简单迅速，具有较高的采摘效率，并且在合理的缓冲设计下，在采摘过程中对果实的损伤也较小，经试验后证明了其在自动化采摘领域的价值，被应用于采摘机器人。因此，需要为采摘机器人设计与负压吸附采摘方式相适应的负压吸附采摘末端执行器。

申请号为cn201580075405.4的国内发明专利公布了一种用于机器人收获的末端执行器，其具体公开了包括真空生成子系统和连接到真空生成子系统的末端执行器。末端执行器具有：第一管，其具有第一直径；以及第二管，其具有小于第一直径的第二直径，因此第二管配合在第一管内侧。该发明通过吸力采摘方式，大大提高了采摘效率。

申请号cn201910418059.5的国内发明专利公布了一种用于机器人收获的末端执行器，其具体公开了包括空气入口、与真空发生系统连接的真空吸口和位于下端的落果出口。该发明利用缓冲腔内产生的环形气流对果实产生向上的提拉力，对抗果实被采摘后下落时的自由落体作用，降低果实下落抛物线在水平方向上距离过长而撞到后端延伸部的落果减伤后壁的概率，减少采摘下落过程中造成果实损伤。

但以上发明专利中均未对可能被吸入采摘末端执行器中的果树树叶提出有效的处理方案。

在水果采摘自动化领域中，采用负压吸附采摘的果实摘取方式不可避免的会有一些果树树叶被吸入到末端执行器中。由于末端执行器内部具有特殊的气道结构设计，部分气道处较为狭隘，一旦吸入的果树树叶过多，很有可能会造成末端执行器中的部分气道被堵塞，进而影响到实际采摘效果。并且由于末端执行器曲折的气道结构，进入气道中的树叶极难通过人工清理。因此，本发明设计了一种能够在采摘过程中自动抽离叶片的采摘执行末端装置。

为进一步防止被吸入末端执行器中的叶片阻塞气道导致末端执行器发生故障的情况发生，我们设计了一种更好的具有叶片清理功能的采摘末端执行器。通过在缓冲腔和负压腔之间增设了叶片处理出口和叶片过滤网，能够在不影响末端执行器正常工作的情况下，将叶片抽离末端执行器，防止叶片被吸入负压腔中，造成气道堵塞。通过增设带有可控开关门的外接叶片收集箱，能够在连续的采摘过程中暂时存储抽离出的叶片，并在采摘间隙控制开关打开，倒出树叶。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有果实采集末端执行器在果实采集过程中容易对果实造成损失的问题，提出了一种具有叶片清理功能的采摘末端执行器，能有效减少果实在采摘过程中造成的损伤并清除采摘过程中获得的树叶。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种具有叶片清理功能的采摘末端执行器，包括直管、负压腔外壁、缓冲腔外壁、叶片处理出口、叶片过滤网、叶片抽离腔、抽气软管、外接叶片收集箱、凸形叶片过滤网、可控开关门和落果出口，所述负压腔外壁的一端与缓冲腔外壁的一端固定连接，负压腔外壁的另一端固定连接在直管的外壁上，负压腔外壁与直管伸入负压腔外壁内部的外侧壁之间构成负压腔，缓冲腔外壁内部设置有缓冲腔，所述缓冲腔与所述负压腔相连通；所述负压腔外壁上设置有风管口，风管口通过抽气管连接外接抽气装置；所述直管伸入负压腔的一端端部与与缓冲腔连接，且缓冲腔内部还设置有所述直管的延长部分，所述延长部分延伸至缓冲腔内，延长部分下端的负压腔与缓冲腔之间设置有隔离墙，隔离墙设置在落果出口一侧，负压腔与缓冲腔在延长部分的上端设置有换气口，负压腔与缓冲腔内的空气通过延长部分长短的换气口进行换气；所述直管内部设置有与直管相贴合的直管缓冲面，直管缓冲面的后端与隔离墙的端面贴合，所述落果出口设置在缓冲腔外壳的下端，落果出口靠近直管一侧的隔离墙的下内壁上设置有缓冲腔缓冲面，所述缓冲腔缓冲面的一端贴近落果出口，缓冲腔缓冲面的另一端的端面与隔离墙的端面在同一竖直平面内，果实经过直管缓冲面后直接落到缓冲腔缓冲面上；所述落果出口远离直管一侧的缓冲腔外壳的内壁上设置有凹型缓冲面，且凹型缓冲面向下延伸至落果出口的侧面上；所述落果出口的一侧设置有开口槽，落果门穿过开口槽并伸入到落果出口内，落果门的另一端连接落果门驱动器并受落果门驱动器的驱动在水平方向上直线运动；

所述叶片处理出口设置在缓冲腔外壁的上端，负压腔外壁和缓冲腔外壁之间的连接处设置有叶片过滤网，叶片抽离腔设置在叶片处理出口处，抽气软管的一端连接叶片处理出口，抽气软管的另一端连接外接叶片收集箱；所述外接叶片收集箱的下底面上设置有可控开关门，外接叶片收集箱的上端面设置有抽风口，且外接叶片收集箱的抽风口处设置有凸形叶片过滤网，外接抽风机通过抽气管连接外接叶片收集箱的抽风口。

进一步的，所述落果出口为到圆锥状的出口仓，开口槽设置在落果出口的上端靠近直管的一侧，所述落果门驱动器通过螺栓固定在负压腔外壁的下端外壳上。

进一步的，所述落果门驱动器为能驱动落果门水平运动的直线气缸或直线电机。

进一步的，所述负压腔外壁整体呈圆柱状，负压腔外壁的前端逐渐向内收缩至与其直径与直管的外径相配合，负压腔外壁的前端与直管的外壁密封连接。

进一步的，所述隔离墙中部设置有圆柱形通孔，隔离墙的外壁与缓冲腔外壁固定连接。缓冲腔缓冲面设置在隔离墙的圆柱形通孔内。

进一步的，所述水平开口的下端设置有支撑所述落果门的水平挡板。所述水平开口的大小应与落果门的侧面大小尽可能保持一致以提高气密性，所述水平挡板为落果门的平移运动提供垂直方向的支撑以保证落果门运动过程中尽可能的平直。

进一步的，所述负压壳体与缓冲壳体的连接为一体成型，负压壳体和缓冲壳体之间的连接处仅在换气口处连通，其余位置皆为密封状态。

进一步的，所述缓冲腔缓冲面和凹型缓冲面采用聚乙烯或聚丙烯或聚苯乙烯或聚氨酯海绵材料制成。

进一步的，所示直管缓冲面采用聚乙烯或聚丙烯或聚苯乙烯或聚氨酯海绵材料制成。进一步的，所述负压腔和风管口设置有左右对称设置的一对。所述风管口也可以采用更多的数量以增加气流量进而提高负压吸附力。

本发明的有益效果在于：。

1、本发明通过在缓冲腔和负压腔之间增设了叶片过滤网，能够在不影响末端执行器正常工作的情况下，防止叶片被吸入负压腔中，造成气道堵塞。

2、本发明在末端执行器缓冲腔上方增设叶片抽离风管口，能够将被叶片过滤网阻挡的叶片吸入到外接叶片收集箱中，防止叶片完全遮挡叶片过滤网。

3、本发明增设了外接叶片收集箱，通过抽气软管与末端执行器的叶片抽离风管口相连，能够将从末端执行器中吸出的叶片暂时储存，并在可控开关门作用下定期清理叶片。

4、本发明在外接叶片收集箱抽风口处增设了凸形叶片过滤网，凸形设计可以增大叶片过滤网的可接触表面积，进一步防止叶片过滤网被叶片完全遮挡进而导致气道阻塞的情况发生。

5、本发明通过直管内侧设置直管缓冲面能够减少有效进风面积，使得在风机效率不变的前提下获得更大的吸力，提高负压利用率，降低能耗。

6、本发明通过在直管内侧设置直管缓冲面能够防止果实的在直管内部运输过程中，因上下颠簸而与直管内壁发生碰撞，降低果实受损的概率。

7、本发明在直管内侧设置的直管缓冲面能够提供一个与果实运动方向相反的动摩擦力，降低果实进入缓冲腔时的速度，进而降低与缓冲腔内壁碰撞受损的概率。

8、本发明通过设置在缓冲腔上方的换气口能够使缓冲腔中产生斜向上方向的气流，进而在缓冲腔内对果实产生斜向上的吸附力。

9、本发明利用缓冲腔内部的减速区的气流使得果实产生一个斜向上的力，进一步降低果实水平速度的同时减缓其自由下落的趋势，实现缓冲作用。

10、本发明通过缓冲腔后壁的凹型缓冲面能够在比一般平缓冲面在占用更少体积的同时，获得更好的缓冲效果，并降低果实自由落体的趋势，防止果实碰撞受损。

11、本发明通过缓冲腔后壁的凹型缓冲面可以一定程度上避免缓冲腔内部涡流的产生，从而提高气流的利用率。

附图说明

图1是本发明一种具有叶片清理功能的采摘末端执行器的整体结构示意图。

图2是本发明一种具有叶片清理功能的采摘末端执行器的主视剖视图。

图3是本发明一种具有叶片清理功能的采摘末端执行器的右视图。

图4是本发明一种具有叶片清理功能的采摘末端执行器的主视图。

图5是本发明一种具有叶片清理功能的采摘末端执行器的右视剖视图。

图6是本发明抽气状态下外接叶片收集箱的结构示意图。

图7是本发明停止抽气状态下的外接叶片收集箱的结构示意图。

图中，1-直管、2-负压腔外壁、3-缓冲腔外壁、4-落果出口、5-负压腔、6-缓冲腔、7-风管口、8-延长部分、9-隔离墙、10-直管缓冲面、11-缓冲腔缓冲面、12-凹型缓冲面、13-落果门、14-落果门驱动器、15-换气口、16-叶片处理出口、17-叶片过滤网、18-叶片抽离腔、19-抽气软管、20-外接叶片收集箱、21-凸形叶片过滤网、22-可控开关门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1～7所示，一种具有叶片清理功能的采摘末端执行器，包括直管1、负压腔外壁2、缓冲腔外壁3、叶片处理出口16、叶片过滤网17、叶片抽离腔18、抽气软管19、外接叶片收集箱20、凸形叶片过滤网21、可控开关门22和落果出口4，所述负压腔外壁2的一端与缓冲腔外壁3的一端固定连接，负压腔外壁2的另一端固定连接在直管1的外壁上，负压腔外壁2与直管1伸入负压腔外壁2内部的外侧壁之间构成负压腔5，缓冲腔外壁3内部设置有缓冲腔6，所述缓冲腔6与所述负压腔5仅通过换气口15相连通，其余接触部分皆被隔离墙9所封闭；所述负压腔外壁2上设置有风管口7，风管口7通过抽气管连接外接抽气装置；所述直管1伸入负压腔5的一端端部与与缓冲腔6连接，且缓冲腔6内部还设置有所述直管1的延长部分8，所述延长部分8延伸至缓冲腔6内，延长部分8下端的负压腔5与缓冲腔6之间设置有隔离墙9，所述隔离墙9处于直管1和缓冲腔6的交界竖直平面，由延长部分8、直管1靠近缓冲腔6一侧的端面以及缓冲腔外壁3包裹形成类似“凹”字的形状，负压腔5与缓冲腔6在延长部分8的上端设置有换气口15，负压腔5与缓冲腔6内的空气通过延长部分8长短的换气口15流通；所述直管1内部设置有与直管1相贴合的直管缓冲面10，直管缓冲面10的后端与隔离墙9的端面贴合，所述落果出口4设置在缓冲腔6外壳的下端，在落果出口4靠近直管1一侧设置有缓冲腔缓冲面11，所述缓冲腔缓冲面11的一端贴近落果出口4，缓冲腔缓冲面11的另一端的端面与隔离墙9的端面在同一竖直平面内；所述落果出口4远离直管1一侧的缓冲腔6外壳的内壁上设置有凹型缓冲面12，且凹型缓冲面12向下延伸至落果出口4的侧面上；所述落果出口4的一侧设置有开口槽，落果门13穿过开口槽并伸入到落果出口4内，落果门13的另一端连接落果门驱动器14并受落果门驱动器14的驱动在水平方向上直线运动。

所述叶片处理出口16设置在缓冲腔外壁的上端，负压腔和缓冲腔间的换气口15前方设置有叶片过滤网17，叶片过滤网17阻止叶片进入到负压腔5中，叶片抽离腔18设置在叶片处理出口16处，抽气软管19的一端连接叶片处理出口16，抽气软管19的另一端连接外接叶片收集箱20；所述外接叶片收集箱20的下底面上设置有可控开关门22，外接叶片收集箱20的上端面设置有抽风口，且外接叶片收集箱20的抽风口处设置有凸形叶片过滤网21，外接抽风机通过抽气管连接外接叶片收集箱20的抽风口。所述凸形叶片过滤网21是为了增大叶片与过滤网之间的接触面积，防止叶片被吸附在过滤网上导致气道阻塞。所述外接叶片收集箱20能够在连续的采摘过程中暂时存储被抽离的叶片。所述可控开关门22可采用任意能够实现可控开关的结构设计，可控开关门22在采摘间隙时打开以倒出其中叶片。

所述落果出口4为到圆锥状的出口仓，开口槽设置在落果出口4的上端靠近直管1的一侧，所述落果门驱动器14通过螺栓固定在负压腔外壁2的下端外壳上。

所述落果门驱动器14为能驱动落果门13水平运动的直线气缸或直线电机，也可采用拉线弹簧配合普通电机等可以实现直线往复运动的设计。

所述负压腔外壁2整体呈圆柱状，负压腔外壁2的前端逐渐向内收缩至与其直径与直管1的外径相配合，负压腔外壁2的前端与直管1的外壁密封连接。

所述水平开口的下端设置有支撑所述落果门13的水平挡板，所述水平开口的大小应与落果门的侧面大小尽可能保持一致以提高气密性，所述水平挡板为落果门的平移运动提供垂直方向的支撑以保证落果门运动过程中尽可能的平直。

所述负压壳体与缓冲壳体的连接为一体成型，负压壳体和缓冲壳体之间的连接处仅在换气口15处连通，其余位置皆为密封状态。

所述缓冲腔缓冲面11和凹型缓冲面12可采用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯海绵等材料制成。所示直管缓冲面10可采用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯海绵材料制成。

所述负压腔5和风管口7设置有左右对称设置的一对，左右对称的设置是为了末端执行器在运动过程中受到的来自左右两侧的抽气软管的力尽可能一致。所述风管口7也可以采用更多的数量以增加气流量进而提高负压吸附力。

采摘工作开始时，落果门13闭合，风机开始抽气，果实从直管1入口被吸入直管1，与直管1内部直管缓冲面10接触，直管缓冲面10以一定压力包裹果实表面，为其提供一个与运动方向相反的摩擦力，实现第一级挤压摩擦缓冲，同时防止了果实因上下颠簸与内壁碰撞产生损伤，由于直管缓冲面10的存在使直管1有效进风面积减小，加大了吸力，提高负压利用率，降低能耗。在果实进入缓冲腔6内部时，由于果实所受到的吸力大于其在直管缓冲面10内受到的摩擦力，因此苹果从直管1进入缓冲腔6内部时已具有一定的初速度。负压腔5与缓冲腔6在延长部分8的下方被隔离墙9所隔离，仅在延长部分8上方留有换气口15，从而形成独特的气流。当风机工作，从风管口7抽取负压腔5内部气体使其内部产生负压，气体从缓冲腔6内通过换气口15进入负压腔5，该气体流动轨迹使得在缓冲腔6内部形成减速区，为通过直管1进入缓冲腔6的果实提供减缓水平速度和对抗自由落体的合力，实现第二级空流缓冲，使其运动速度进一步降低，从而防止苹果因速度过大而与缓冲腔6内部凹型缓冲面12发生碰撞损伤。经过二级缓冲后的果实将撞击缓冲腔6内部凹型缓冲面12，将水平速度降至最小值，并使果实延凹型缓冲面12向落果出口4缓缓滚动而下，减少果实因自由落体与缓冲腔6底部产生的撞击，实现第三级碰撞缓冲。此时落果门13由落果门驱动器14控制打开，果实落入落果出口4中向收集系统运输，果实通过后关闭落果门13以保持缓冲腔6密封性，这样就完成一次采摘。

在采摘过程中，被采摘果实与叶片一同被吸入到末端执行器中，通过直管1进入到缓冲腔6中。一部分较重的叶片可能会伴随着果实，通过自动打开的落果门13，进入落果出口4，最终到达收集装置，另一部分叶片则会在气流作用下被吸入上方换气口15。由于在缓冲腔6与负压腔5之间装有叶片过滤网17，叶片不能够进入到负压腔5中造成堵塞，只能在吸附力作用下被吸入叶片抽离腔18中，并进一步通过叶片处理出口16和抽气软管19进入到外接叶片收集箱20中。外接叶片收集箱20装有凸形叶片过滤网21和可控开关门22。将此处的凸形叶片过滤网21设计为凸形是为了增大叶片过滤网的可接触表面积，防止被吸入的叶片完全贴合导致气道不畅。可控开关门22处于常闭状态，仅在采摘机器人将当前位置可以采摘的果实采摘完成，关闭负压发生装置并从当前位置移动到下一采摘位置时打开。可控开关门22打开后，叶片在重力作用下倒出外接叶片收集箱20，完成叶片清理工作。

这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图限制本发明。除非另外定义，否则本文使用的所有术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，常用术语应该被解释为具有与其在相关领域和本公开内容中的含义一致的含义。本公开将被认为是本发明的示例，并且不旨在将本发明限制到特定实施例。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

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