CN119974036A - 一种球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法，具体涉及菠萝自动采摘领域，包括控制盒、有刷电机、包裹导轨、球形包裹机构、磁编码器、法兰盘和控制系统。控制盒输出轴转动带动中心包裹器逆时针翻转，从而带动与它相连的外侧包裹器相应翻转，使外侧包裹器以顺时针翻转而内侧包裹器逆时针翻转，在内侧包裹器与外侧包裹器以相反的方向同角度扩张的同时会因包裹导轨的导向以弧形的路径扩张，呈球形包裹结构展开形成类似球形的空间；同时球形包裹结构沿菠萝的表面以弧形路径展开，可以有效避开菠萝周围的叶片，并且不和菠萝的根茎接触，通过此球形空间对菠萝进行包裹定位；从而达到防止菠萝采摘时损伤茎秆、球茎与果实的效果。

Description

一种球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法

技术领域

本发明涉及菠萝自动采摘技术领域，具体是一种球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法。

背景技术

菠萝是一种热带水果作物，在全球一共有70余种栽培品种。菠萝原产于南美、中美洲一带。如今，菠萝已经成为了我国最重要的热带水果作物之一，种植面积约一百万亩，产量约165万吨，是广东、海南等地的重要支柱性产业。菠萝具有较高的营养价值。据测定，菠萝维生素C的含量是苹果的5倍，又富含肮酶，能帮助人体对蛋白质的消化。菠萝的副产物也十分具有经济价值，如菠萝纤维可以制成织物，果皮与根叶可入药等。

完整菠萝植株包括菠萝茎秆、叶与球茎、果实等部分，果实生长于菠萝茎秆的最顶端，被叶、球茎等包裹，而。其中菠萝果实是大众认知中常见的菠萝产生经济效益部分，但对于种植者而言，菠萝的叶、球茎等由于可以用于种植新的菠萝植株，与菠萝果实具有同样的经济效益。

中国专利公开了公开号为CN217722072U的一种可伸缩便携式菠萝采摘机械手，申请日为2022.06.08，该专利技术通过第二舵机工作，第二舵机工作带动第二齿轮顺时针向外侧转动，第二齿轮转动带动与之啮合连接的第三齿轮逆时针转动，第二齿轮顺时针向外侧转动，第三齿轮逆时针向外侧转动，第二齿轮和第三齿轮转动带动第二摆动杆张开，此时，将两个第二摆动杆一端的夹持块置于待采摘菠萝位置处，第二舵机工作，第二舵机工作带动第二齿轮逆时针向内侧转动，第二齿轮转动带动与之啮合连接的第三齿轮顺时针转动，第二齿轮顺时针向内侧转动，第三齿轮顺时针向内侧转动，第二齿轮和第三齿轮转动带动第二摆动杆夹持住菠萝；

中国专利公开了公开号为CN208572771U的一种菠萝采摘机械手，申请日为2018.06.26，该专利技术采用先抓取再扭转的方式对菠萝进行采摘，完成菠萝的机械化采收过程，采摘菠萝机构均由电机带动，在采摘方式上达到突破，采摘效率高。

中国专利公开了公开号为CN221748981U的一种菠萝采摘末端执行装置，申请日为2024.01.29，该专利技术通过伸缩机构带动抱手夹紧菠萝，再通过旋转机构带动伸缩机构转动，伸缩机构带动抱手转动，以实现抱扭菠萝；在抱扭菠萝过程中，当菠萝与菠萝茎之间的连接无法扭断时，补切割机构可对菠萝茎进行补切割，切断菠萝与菠萝茎的连接。

中国专利公开了公开号为CN205694358U的一种菠萝采摘机械手，申请日为2016.05.10，该专利技术解决人工采摘菠萝时，费时费力，效率低，果农容易受伤等难题，而且菠萝采摘机械手结构简单，操作方便，能更好地促进菠萝产业的发展；

但是，由于菠萝杆、球茎、叶与果实的距离极为贴近，而上述四则专利中使用的采摘机构在对菠萝采摘时，依旧无法避开菠萝果实周围茎杆上球茎、叶子等障碍物的阻挡，进而无法在不损伤茎秆、球茎与果实的条件下将果实分离摘下。因此，本发明人提供了一种球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法，达到防止菠萝采摘时损伤茎秆、球茎与果实的效果。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

其中一个方案：一种球形菠萝采摘末端机械手，包括控制盒、有刷电机、包裹导轨、球形包裹机构、磁编码器、法兰盘和控制系统；所述控制盒包括控制盒左侧板、控制盒前板、控制盒底板、控制盒输出轴、控制盒右侧板、控制盒锥齿轮传动器、控制盒联轴器、控制盒顶板、控制盒后板，其中所述控制盒左侧板、控制盒前板、控制盒右侧板、控制盒后板，所述控制盒顶板、控制盒右侧板、控制盒底板、控制盒左侧板分别通过组角码与螺栓螺母固定连接；所述控制盒顶板、控制盒前板、控制盒底板、控制盒后板。

作为本发明再进一步的方案：所述控制盒通过角码与螺栓螺母固定连接形成封闭盒，所述控制盒锥齿轮传动器的前向输出轴通过控制盒联轴器与控制盒输出轴连接，所述控制盒输出轴左侧通过所述控制盒联轴器与所述有刷电机连接，所述控制盒输出轴右侧通过所述控制盒联轴器与所述磁编码器连接。

作为本发明再进一步的方案：所述控制盒后板上安装有所述法兰盘，球形包裹机构通过所述法兰盘与安装有视觉系统和上位机的采摘控制机械臂末端安装平台固定连接；所述控制系统安装于控制盒顶板上，所述包裹导轨固定连接于所述控制盒前板上。

作为本发明再进一步的方案：所述球形包裹结构包括内侧包裹器，外侧包裹器，边缘内法兰轴承，中心包裹器，中心内法兰轴承，中心推力球轴承，边缘外法兰轴承，中心外法兰轴承，边缘推力球轴承，滑块，主控法兰盘；其中所述内侧包裹器和外侧包裹器均为球壳状连杆，在其上、下两端分别设置带台阶的孔，用于与所述中心内法兰轴承、所述边缘内法兰轴承、所述中心外法兰轴承和边缘推力球轴承进行过盈配合连接；所述中心内法兰轴承与所述中心外法兰轴承间夹隔安装中心推力球轴承；所述中心包裹器的内表面上开设有圆形槽和多个圆孔，所述圆形槽用于与主控法兰盘固定连接。

作为本发明再进一步的方案：所述球形包裹结构的背后安装有所述包裹导轨配合与其滑动连接的滑块，其中所述滑块与所述包裹导轨的内部U型凹槽相适配；所述包裹导轨与控制盒前板固定连接；同时对应侧滑块与外侧包裹器转动连接。

作为本发明再进一步的方案：所述内侧包裹器和所述外侧包裹器在其端部通过法兰轴承和推力球轴承连接；所述边缘外法兰轴承过盈安装于所述外侧包裹器的台阶孔上。

作为本发明再进一步的方案：所述有刷电机和磁编码器与控制系统电性连接，通过PID算法控制所述有刷电机的转动，实现所述球形包裹结构的精确角度调整和定点控制。

另外一种方案：一种球形菠萝采摘方法，菠萝采摘过程包括以下步骤：

1、所述球形包裹结构完全收缩，内侧包裹器贴合，形成约度的覆盖球面，利用视觉系统识别和定位菠萝果实，移动至果实前的预备进给位置，并等待所述控制系统的运动指令；

2、机械臂前伸，使球形包裹结构接触菠萝表面，视觉系统识别菠萝表面与预定掰断方向的遮挡物，若检测到遮挡物，机械臂绕果实转动，避开菠萝周围的叶片和球茎；

3、根据所述视觉系统的识别指令，所述控制系统控制有刷电机驱动球形包裹结构展开，将菠萝果实包裹至球形空间内；

4机械臂末端关节快速转动，带动球形包裹结构沿避开球茎的方向掰下果实；

5、果实分离后，机械臂将包裹结构旋转至与初始位置呈90度角的位置，移至指定位置，电机恢复初始状态并放下果实，完成采摘过程。

一种球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法，在采摘过程中，视觉系统用于识别菠萝果实的位置和方位角以及周边障碍物信息，所述控制系统根据识别结果调整机械手的运动轨迹，以避免菠萝茎叶等干扰采摘。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

该球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法，所述控制盒输出轴转动带动中心包裹器逆时针翻转时，由于中心包裹器正后侧的外侧包裹器与中心包裹器转动连接，因此不会直接被控制盒输出轴直接带动也不会影响到整体结构的展开，而中心包裹器翻转时，会带动与它相连的外侧包裹器相背翻转，而外侧包裹器翻转会带动内侧包裹器与中心包裹器同向翻转，进而实现中心包裹器横截面变大同时内侧包裹器与相邻外侧包裹器上下两侧的夹角逐渐扩大，在内侧包裹器与外侧包裹器以相反的方向同角度扩张的同时，相互交叉的内侧包裹器与外侧包裹器会因包裹导轨的导向以弧形的路径扩张，直到将整个球形包裹结构变成类似150度的球形空间，从而达到球形包裹结构展开的效果；同时球形包裹结构沿菠萝的表面以弧形路径展开，可以有效避开菠萝周围的叶片，并且不和菠萝的根茎接触，通过此球形空间对菠萝进行包裹定位；从而达到防止菠萝采摘时损伤茎秆、球茎与果实的效果。

另外该球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法，通过所述机械臂的末端转动关节开始快速转动，带动所述球形菠萝采摘末端机械手将所述菠萝果实沿避开菠萝球茎的方向从菠萝茎秆上掰下，待菠萝果实与茎秆分离后，所述机械臂将所述球形菠萝采摘末端机械手旋转至与初态呈90度角的位置，随后将菠萝果实转移至指定位置，由上位机指令所述控制系统，指令所述有刷电机输出端转动，恢复为第一次状态初的所述初始状态，将果实放下。从而达到菠萝果实采摘的效果。

附图说明

图1为一种球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法整体结构示意图；

图2为一种球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法中球形包裹结构的正面示意图；

图3为一种球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法中球形包裹机构的侧面示意图；

图4为一种球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法中控制结构的示意图；

图5为一种球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法中球形包裹结构边缘转动固定结构的剖面示意图；

图6为一种球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法中球形包裹结构中心转动固定结构的剖面示意图；

图7为一种球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法中球形菠萝采摘末端机械手在进给阶段与菠萝果实的位置示意图；

图8为一种球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法中球形菠萝采摘末端机械手在包裹阶段与菠萝果实的位置示意图；

图9为一种球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法中控制盒与球形包裹结构分裂示意图。

图中：1、控制盒；101、控制盒左侧板；102、控制盒前板；103、控制盒底板；104、控制盒输出轴；105、控制盒右侧板；106、控制盒锥齿轮传动器；107、控制盒联轴器；108、控制盒顶板；109、控制盒后板；2、有刷电机；3、包裹导轨；4、球形包裹结构；401、内侧包裹器；402、外侧包裹器；403、边缘内法兰轴承；404、中心包裹器；405、中心内法兰轴承；406、中心推力球轴承；407、边缘外法兰轴承；408、中心外法兰轴承；409、边缘推力球轴承；410、滑块；411、主控法兰盘；5、磁编码器；6、法兰盘；7、控制系统。

具体实施方式

如图1所示，一种球形菠萝采摘末端机械手与采摘方法，如图1-图6所示，一种球形菠萝采摘末端机械手，包括控制盒1、有刷电机2、包裹导轨3、球形包裹机构4、磁编码器5、法兰盘6、控制系统7。

如图1、图4所示，所述控制盒1包括控制盒左侧板101、控制盒前板102、控制盒底板103、控制盒输出轴104、控制盒右侧板105、控制盒锥齿轮传动器106、控制盒联轴器107、控制盒顶板108、控制盒后板109，其中所述控制盒左侧板101、控制盒前板102、控制盒右侧板105、控制盒后板109，所述控制盒顶板108、控制盒右侧板105、控制盒底板103、控制盒左侧板101分别通过1组角码与螺栓螺母固定连接；所述控制盒顶板108、控制盒前板102、控制盒底板103、控制盒后板109分别通过两组角码与螺栓螺母连接固定，最后形成一个封闭的盒式空间。

如图4所示，由所述控制盒锥齿轮传动器106通过4组铝柱与螺栓螺母固定于所述控制盒底板103上，其中所述控制盒锥齿轮传动器106的前向输出轴与所述控制盒前板102的中心孔同轴心，并通过所述控制盒联轴器107与控制盒输出轴104连接；其左侧输出轴与所述控制盒左侧板101的电机主轴孔同轴心，并通过所述控制盒联轴器107与所述有刷电机2的输出轴连接；右侧输出轴与所述控制盒右侧板105的编码器主轴孔同轴心，并通过所述控制盒联轴器107与所述磁编码器5的输出轴连接；其底面与所述控制盒底板103平行。另外，所述控制盒锥齿轮传动器106的锥齿轮传动比为1:1:1。

优选的，所述控制盒后板109的后侧通过螺栓螺母安装有所述法兰盘6，其中所述球形菠萝采摘末端机械手通过所述法兰盘6与安装有视觉系统与上位机的采摘控制机械臂的末端安装平台固定连接。所述控制盒顶板108上安装有所述控制系统7。所述控制盒前板102上通过螺栓螺母固定连接有包裹导轨3。

具体的，所述有刷电机2通过螺栓与弹簧垫片固定安装于控制盒左侧板101上，其输出轴通过所述控制盒联轴器107与所述控制盒锥齿轮传动器106连接，所述磁编码器5通过螺栓与弹簧垫片固定安装于控制盒右侧板105上，其输出轴通过所述控制盒联轴器107与所述控制盒锥齿轮传动器106的右侧输出轴连接。所述有刷电机2、磁编码器5与控制系统7电性连接，通过PID算法实现固定的角度控制输出。

参考图，由图2、图3、图4、图9可知，所述球形包裹结构4，包括内侧包裹器401，外侧包裹器402，边缘内法兰轴承403，中心包裹器404，中心内法兰轴承405，中心推力球轴承406，边缘外法兰轴承407，中心外法兰轴承408，边缘推力球轴承409，滑块410，主控法兰盘411。其中所述内侧包裹器401为厚度为5的球壳状连杆，在内表面的中心与上、下两端分别开有一带台阶的孔，分别用于与所述中心内法兰轴承405、边缘内法兰轴承403过盈配合连接。所述内侧包裹器在两侧分别开有一圆弧外围的凹槽。

优选的，所述外侧包裹器402为厚度为5的球壳状连杆，在外表面的中心与上、下两端分别开有一带台阶的孔，分别用于与所述中心外法兰轴承408、边缘外法兰轴承407过盈配合连接。

优选的，所述中心包裹器404为厚度为5的球壳状连杆，其内表面球心半径与所述内侧包裹器401相同，在内表面上、下两端分别开有一带台阶的孔，分别用于与所述中心内法兰轴承405、边缘内法兰轴承403过盈配合连接。所述中心包裹器404在内表面中心开有圆形槽，槽中又开有5个圆孔，其中4个圆孔围绕着中心圆孔，间隔角度为90度。其与所述主控法兰盘411固定连接，其中所述主控法兰盘411的法兰平面与所述中心包裹器404的槽直接接触。

具体的，如图5、图6所示，所述球形包裹结构中共包括7组内侧包裹器401、6组外侧包裹器402与1组中心包裹器404。其中所述内侧包裹器401与外侧包裹器402分别在上下端与中心连接。如图5所示，在所述球形包裹结构的上端或下端，所述边缘内法兰轴承403过盈安装于所述内侧包裹器401的台阶孔上，所述边缘外法兰轴承407过盈安装于所述外侧包裹器402的台阶孔上，所述边缘内法兰轴承403与所述边缘外法兰轴承407间夹隔安装边缘推力球轴承409，并使用螺栓螺母转动连接所述三者。

进一步的，如图6所示，在所述球形包裹结构44的中间部分，所述中心内法兰轴承405过盈安装于所述内侧包裹器401的台阶孔上，所述中心外法兰轴承408过盈安装于所述外侧包裹器402的台阶孔上，所述中心内法兰轴承405与所述中心外法兰轴承408间夹隔安装中心推力球轴承406，并使用螺栓螺母副转动连接所述三者。

类似的，在所述球形包裹结构4的中心，所述中心包裹器404与外侧包裹器402分别在上下端和中心转动连接：所述边缘内法兰轴承403过盈安装于所述中心包裹器404的台阶孔上，所述边缘外法兰轴承407过盈安装于所述外侧包裹器402的台阶孔上，所述边缘内法兰轴承403与所述边缘外法兰轴承407间夹隔安装边缘推力球轴承409，并使用螺栓螺母转动连接所述三者。

优选的，如图1所示，在所述球形包裹结构4的中间部分，所述主控法兰盘411通过螺栓安装于所述中心包裹器404的圆形槽中，所述中心外法兰轴承408过盈安装于所述外侧包裹器402的台阶孔上，所述中心内法兰轴承405与所述中心外法兰轴承408间夹隔安装中心推力球轴承406，所述控制盒输出轴104将三者连接，并与所述主控法兰盘411固定连接。

进一步的，如图3所示，所述球形包裹结构4的背后安装有所述包裹导轨3和与包裹导轨3滑动连接的一对滑块410，其中一对所述滑块410与所述包裹导轨3的内部U型凹槽相适配，从而实现所述球形包裹结构4在滚转角的限位，所述包裹导轨3与控制盒前板102固定连接；而且对应侧滑块410与中心包裹器404左右两侧相邻的外侧包裹器402与内侧包裹器401中心连接处后端转动连接。从而在球形包裹结构4展开时，内侧包裹器401与外侧包裹器402会带动滑块410沿包裹导轨3的内部滑动，从而达到对球形包裹结构4展开和收缩时导向的效果。

如图2所示，所述控制盒输出轴104转动带动中心包裹器404逆时针翻转时，由于中心包裹器404正后侧的外侧包裹器402与中心包裹器404转动连接，因此不会直接被控制盒输出轴104直接带动也不会影响到整体结构的展开，而中心包裹器404翻转时，会带动与它相连的外侧包裹器402相背翻转，而外侧包裹器402翻转会带动内侧包裹器401与中心包裹器404同向翻转，进而实现中心包裹器404横截面变大同时内侧包裹器401与相邻外侧包裹器402上下两侧的夹角逐渐扩大，在内侧包裹器401与外侧包裹器402以相反的方向同角度扩张的同时，相互交叉的内侧包裹器401与外侧包裹器402会因包裹导轨3的导向以弧形的路径扩张，直到将整个球形包裹结构4变成类似150度球形空间，从而达到球形包裹结构展开的效果；同理当控制盒输出轴104反向转动时，会带动中心包裹器404顺时针转动，使交叉连接的一组内侧包裹器401与一组外侧包裹器402之间的夹角逐渐缩小，并且内侧包裹器401与外侧包裹器402沿包裹导轨3的路径收缩，直到球形包裹结构4收缩为初始状态。使用时，首先将未展开的球形包裹结构贴近菠萝的一侧表面，再通过上述方式展开球形包裹结构4，使球形包裹结构4沿菠萝的表面以弧形路径展开，有效避开菠萝周围的叶片，并且由于球形包裹结构4展开时上下两侧留有空缺因此不与菠萝的根茎接触，通过此球形空间达到对菠萝进行包裹定位的效果；并且在菠萝采摘后，可以通过将球形包裹结构4收缩使其内部的菠萝失去支撑垂直下落，通过这种方式可以将完成对菠萝采摘后的放置。

参考图，所述控制系统7包括PLC数据转换模块、STM32F407单片机、电源模块，其中所述PLC数据转换模块用于接收安装有视觉系统与上位机的采摘控制机械臂的上位机所传输的指令，并将其转换为STM32可识别的格式，同时进行相关回传；所述STM32F407单片机与所述有刷电机2、磁编码器5电性连接，在接收所述机械臂上位机的指令后，控制有刷电机2转动，同时接收磁编码器5回传数据；所述电源模块用于接收所述机械臂供电，并转换电压为所述有刷电机2、磁编码器5可用电压。所述控制系统7通过PID算法，控制所述有刷电机2、磁编码器5，带动所述球形包裹结构4转动到所述机械臂上位机所指定的角度。

如图7所示，在初始状态，所述球形菠萝末端采摘机械手可以令所述球形包裹结构4收缩到所述内侧包裹器401完全贴合，以降低对菠萝果实与茎叶的干涉程度；如图8所示，在完全展开状态，所述球形菠萝末端采摘机械手可以令所述球形包裹结构4完全展开，包裹出一个直径约为120mm的球形空间。

一种球形菠萝采摘末端机械手的采摘方法，包括三个采摘阶段，第一个阶段包括菠萝采摘末端机械手进给位置的确定与姿态展开，第二个阶段包括菠萝末端采摘机械手包围包裹菠萝果实的动作执行，第三个阶段用于将菠萝果实与菠萝茎杆分离。

第一个阶段包括以下步骤：

1)初态下，所述球形包裹结构4完全收缩，令所述内侧包裹机401完全贴合，从而形成实现一个覆盖角度约为150度的球面。

2)安装有所述球形菠萝采摘末端机械手的机械臂根据其上所安装的视觉系统识别、选定的菠萝果实位置，运动到菠萝果实前的预备进给位置后等待。所述控制系统7接收安装所传输的运动指令。

3)安装有所述球形菠萝采摘末端机械手的机械臂根据其上位机的指令，带动所述球形菠萝采摘末端机械手前伸，令所述球形包裹结构4与菠萝表面接触。随后所述机械臂安装的视觉系统识别所述菠萝果实表面与预定掰断方向是否有物体遮挡，如检测有物体遮挡，由所述机械臂带动所述球形菠萝采摘末端机械手绕菠萝果实转动，从而避开所述菠萝果实附近的叶、球茎。

第二个阶段包括以下步骤：

(1)所述安装有所述球形菠萝采摘末端机械手的机械臂的上位机通过PLC格式向所述控制系统7传输指令，令所述控制系统7控制所述有刷电机2顺时针作动，通过所述控制盒锥齿轮传动器106带动所述控制盒输出轴104、所述磁编码器5转动，从而令所述球状包裹结构4展开，包裹成一球形空间。

(2)所述磁编码器5记录所述有刷电机2转动角度，当所记录角度达到预定角度A时，所述控制系统7控制有刷电机2停止转动，并根据实际角度B与预定角度A的关系，通过PID算法进行微调。此时所述球状包裹结构展开包裹成一球形空间，将菠萝果实包裹于中间，但与菠萝果实尚未产生接触。

(3)所述机械臂的末端转动关节开始缓速转动，当所述机械臂安装的视觉系统识别到所述球形菠萝采摘末端机械手的一侧与菠萝果实发生接触时，令所述机械臂的末端转动关节停止转动。此时所述球形菠萝采摘末端机械手的上端与下端分别与所述菠萝果实的两端接触。

第三个阶段包括以下步骤：

(1)所述机械臂的末端转动关节开始快速转动，带动所述球形菠萝采摘末端机械手将所述菠萝果实沿避开菠萝球茎的方向从菠萝茎秆上掰下。

(2)待菠萝果实与茎秆分离后，所述机械臂将所述球形菠萝采摘末端机械手旋转至与初态呈90度角的位置。随后将菠萝果实转移至指定位置，由上位机指令所述控制系统7，指令所述有刷电机2输出端转动，恢复为第一次状态初的所述初始状态，将果实放下。即完成一次采摘过程。

在这一实施例中，菠萝采摘末端机械手应用于菠萝自动采摘机器人，菠萝自动采摘机器人搭配无人履带越野底盘、安装有视觉模块和控制上位机的机械臂，由所述机械臂安装的视觉模块识别菠萝果实的位置与所述菠萝采摘末端机械手的位置，由所述机械臂将菠萝采摘末端机械手位置进行转移，并配合所述菠萝采摘末端机械手进行动作。由此解决了现有的机械手在对菠萝进行采摘时，受到菠萝球茎、叶芽等阻碍，无法在不损伤菠萝球茎、叶芽等的情况顺利进入并对菠萝进行抓取采摘的问题，降低果实与菠萝茎芽损伤程度，从而实现降低人工投入下的提高单位果实种植收入。

本发明的工作原理是：所述控制盒输出轴104转动带动中心包裹器404逆时针翻转时，由于中心包裹器404正后侧的外侧包裹器402与中心包裹器404转动连接，因此不会直接被控制盒输出轴104直接带动也不会影响到整体结构的展开，而中心包裹器404翻转时，会带动与它相连的外侧包裹器402相背翻转，而外侧包裹器402翻转会带动内侧包裹器401与中心包裹器404同向翻转，进而实现中心包裹器404横截面变大同时内侧包裹器401与相邻外侧包裹器402上下两侧的夹角逐渐扩大，在内侧包裹器401与外侧包裹器402以相反的方向同角度扩张的同时，相互交叉的内侧包裹器401与外侧包裹器402会因包裹导轨3的导向以弧形的路径扩张，直到将整个球形包裹结构4变成类似150度球形空间，从而达到球形包裹结构展开的效果；同理当控制盒输出轴104反向转动时，会带动中心包裹器404顺时针转动，使交叉连接的一组内侧包裹器401与一组外侧包裹器402之间的夹角逐渐缩小，并且内侧包裹器401与外侧包裹器402沿包裹导轨3的路径收缩，直到球形包裹结构4收缩为初始状态。使用时，首先将未展开的球形包裹结构贴近菠萝的一侧表面，再通过上述方式展开球形包裹结构4，使球形包裹结构4沿菠萝的表面以弧形路径展开，有效避开菠萝周围的叶片，并且由于球形包裹结构4展开时上下两侧留有空缺因此不与菠萝的根茎接触，通过此球形空间达到对菠萝进行包裹定位的效果；并且在菠萝采摘后，可以通过将球形包裹结构4收缩使其内部的菠萝失去支撑垂直下落，通过这种方式可以将完成对菠萝采摘后的放置。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种球形菠萝采摘末端机械手，其特征在于，包括控制盒(1)、有刷电机(2)、包裹导轨(3)、球形包裹机构(4)、磁编码器(5)、法兰盘(6)和控制系统(7)；所述控制盒(1)包括控制盒左侧板(101)、控制盒前板(102)、控制盒底板(103)、控制盒输出轴(104)、控制盒右侧板(105)、控制盒锥齿轮传动器(106)、控制盒联轴器(107)、控制盒顶板(108)、控制盒后板(109)，其中所述控制盒左侧板(101)、控制盒前板(102)、控制盒右侧板(105)、控制盒后板(109)，所述控制盒顶板(108)、控制盒右侧板(105)、控制盒底板(103)、控制盒左侧板(101)分别通过(1)组角码与螺栓螺母固定连接；所述控制盒顶板(108)、控制盒前板(102)、控制盒底板(103)、控制盒后板(109)。

2.根据权利要求1所述的一种球形菠萝采摘末端机械手，其特征在于，所述控制盒(1)通过角码与螺栓螺母固定连接形成封闭盒，所述控制盒锥齿轮传动器(106)的前向输出轴通过控制盒联轴器(107)与控制盒输出轴(104)连接，所述控制盒输出轴(104)左侧通过所述控制盒联轴器(107)与所述有刷电机(2)连接，所述控制盒输出轴(104)右侧通过所述控制盒联轴器(107)与所述磁编码器(5)连接。

3.根据权利要求1所述的一种球形菠萝采摘末端机械手，其特征在于，所述控制盒后板(109)上安装有所述法兰盘(6)，球形包裹机构(4)通过所述法兰盘(6)与安装有视觉系统和上位机的采摘控制机械臂末端安装平台固定连接；所述控制系统(7)安装于控制盒顶板(108)上，所述包裹导轨(3)固定连接于所述控制盒前板(102)上。

4.根据权利要求3所述的一种球形菠萝采摘末端机械手，其特征在于，所述球形包裹结构4包括内侧包裹器(401)，外侧包裹器(402)，边缘内法兰轴承(403)，中心包裹器(404)，中心内法兰轴承(405)，中心推力球轴承(406)，边缘外法兰轴承(407)，中心外法兰轴承(408)，边缘推力球轴承(409)，滑块(410)，主控法兰盘(411)；其中所述内侧包裹器(401)和外侧包裹器(402)均为球壳状连杆，在其上、下两端分别设置带台阶的孔，用于与所述中心内法兰轴承(405)、所述边缘内法兰轴承(403)、所述中心外法兰轴承(408)和边缘推力球轴承(409)进行过盈配合连接；所述中心内法兰轴承(405)与所述中心外法兰轴承(408)间夹隔安装中心推力球轴承(406)；所述中心包裹器(404)的内表面上开设有圆形槽和多个圆孔，所述圆形槽用于与主控法兰盘(411)固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种球形菠萝采摘末端机械手，其特征在于，所述球形包裹结构(4)的背后安装有所述包裹导轨(3)配合与其滑动连接的滑块(410)，其中所述滑块(410)与所述包裹导轨(3)的内部U型凹槽相适配；所述包裹导轨(3)与控制盒前板(102)固定连接；同时对应侧滑块(410)与外侧包裹器(402)转动连接。

6.根据权利要求4所述的一种球形菠萝采摘末端机械手，其特征在于，所述内侧包裹器(401)和所述外侧包裹器(402)在其端部通过法兰轴承和推力球轴承连接；所述边缘外法兰轴承(407)过盈安装于所述外侧包裹器(402)的台阶孔上。

7.根据权利要求1所述的一种球形菠萝采摘末端机械手，其特征在于，所述有刷电机(2)和磁编码器(5)与控制系统(7)电性连接，通过PID算法控制所述有刷电机(2)的转动，实现所述球形包裹结构(4)的精确角度调整和定点控制。

8.根据权利要求3所述的一种球形菠萝采摘末端机械手，其特征在于，所述球形包裹结构(4)在初始状态下完全收缩形成覆盖角度约150度的球面，当机械手处于采摘状态时，所述球形包裹结构(4)展开形成直径约120mm的球形空间用于包裹菠萝果实。

9.一种球形菠萝采摘方法，应用于权利要求1-8任意一项所述的球形菠萝采摘末端机械手，其特征在于，菠萝采摘过程包括以下步骤：

S1、所述球形包裹结构4完全收缩，内侧包裹器(401)贴合，形成约150度的覆盖球面，利用视觉系统识别和定位菠萝果实，移动至果实前的预备进给位置，并等待所述控制系统(7)的运动指令；

S2、机械臂前伸，使球形包裹结构(4)接触菠萝表面，视觉系统识别菠萝表面与预定掰断方向的遮挡物，若检测到遮挡物，机械臂绕果实转动，避开菠萝周围的叶片和球茎；

S3、根据所述视觉系统(7)的识别指令，所述控制系统(7)控制有刷电机(2)驱动球形包裹结构(4)展开，将菠萝果实包裹至球形空间内；

S4、机械臂末端关节快速转动，带动球形包裹结构(4)沿避开球茎的方向掰下果实；

S5、果实分离后，机械臂将包裹结构旋转至与初始位置呈90度角，移至指定位置，电机恢复初始状态并放下果实，完成采摘过程。

10.根据权利要求9所述的采摘方法，其特征在于，在采摘过程中，视觉系统用于识别菠萝果实的位置和方位角以及周边障碍物信息，所述控制系统(7)根据识别结果调整机械手的运动轨迹，以避免菠萝茎叶等干扰采摘。