(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210853147.X (22)申请日 2022.07.07 (71)申请人 中国农业大 学 地址 100083 北京市海淀区清华 东路17号 (72)发明人 李伟　郭辉　尹金亮　袁挺　 (74)专利代理 机构 北京中安信知识产权代理事 务所(普通 合伙) 11248 专利代理师 李彬　徐林 (51)Int.Cl. B25J 9/04(2006.01) B25J 9/16(2006.01) B25J 15/00(2006.01) A01D 46/30(2006.01) A01D 46/22(2006.01) (54)发明名称 一种非接触式串番茄自动采摘机械手及采 摘方法 (57)摘要 本发明属于农业果蔬自动化采摘机器人技 术领域， 具体涉及一种非接触式串番茄自动采摘 机械手及采摘方法。 通过相机实时识别番茄串信 息， 通过整串果实的信息来推导位于番茄串上方 合适的切割点位置， 同时获取到执行器在切割点 处的位置和姿态信息， 控制多关节机械臂运动， 将采摘机械手移动至指定采摘位置。 采摘机械手 的执行器从番茄串下方最低点的果实 中心对准, 自下往上移动套入果实， 到达果梗剪切位置时， 驱动七连杆仿人手机构剪切果梗， 之后夹住番茄 串， 控制机械臂将番茄串放到指定的收集筐中， 完成采摘任务。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 115194742 A 2022.10.18 CN 115194742 A 1.一种非接触式串番茄自动采摘 机械手， 用于串番茄的自动采摘， 其特征在于， 包括机 械臂(2)、 支 架(3)、 执 行器(4)和深度相机(5)； 所述支架(3)固接在机械臂(2)的末端； 所述深度相机(5)和执行器(4)分别固接在支架 (3)的上部和下部； 所述机 械臂(2)的附近设有收集筐(1)； 所述执行器(4)包括外壳(410)、 气缸(409)和七连杆仿人手机构； 所述七连杆仿人手机 构包括左 剪切刀(401)、 右剪切刀(402)、 左拨杆(403)、 右拨杆(404)、 左连杆(405)、 右连杆 (406)和接头(407)； 所述外壳(410)通过螺栓固接在支架(3)上； 外壳(410)的前端设有拨杆连接部(410 ‑ 1)； 外壳(410)的后部设有气缸安装槽(410 ‑2)， 所述气缸(409 )固接在所述气缸安装槽 (410‑2)内， 气缸(409)的活塞杆(408)在外壳(410)的前部空间内自由伸缩； 所述外壳(410) 的前部左右两侧设有分别用于左连 杆(405)和右连 杆(406)前后移动的长 槽(410‑3)； 所述接头(407)通过螺纹和锁紧螺母与气缸(409)的活塞杆(408)的端部固接； 所述左 连杆(405)和右连杆(406)的后端分别与接头(407)的左右两侧铰接； 左连杆(405)和右连杆 (406)分别从外壳(410)的前部左右两侧的长槽(410 ‑3)穿出， 并能够随活塞 杆(408)的伸缩 在长槽(410 ‑3)中前后滑动； 所述左连杆(405)的前端与左拨杆(403)的后端铰接， 右连杆 (406)的前端与右拨杆(404)的后端铰接； 所述左拨杆(403)的前端与左剪切刀(401)的后端 铰接， 所述右拨杆(404)的前端与右剪切刀(402)的后端铰接； 所述左剪切刀(401)的前端与 右剪切刀(402)的前端相互铰接； 所述左拨杆(403)和右拨杆(404)的中部分别与拨杆连接 部(410‑1)的左右两侧铰接； 当气缸(409)的活塞杆(408)处于收缩状态时， 拨杆连接部(410 ‑1)、 左拨杆(403)和右 拨杆(404)的前部以及左剪切刀(401)和右剪切刀(402)共同构成一允许果串(6)通过的采 摘环； 当气缸(409)的活塞杆(408)处于伸展状态时， 左剪切刀(401)与右剪切刀(402)相互合 拢， 将果串(6)的果梗(7)切断并夹持； 所述深度相机(5)获取串番茄的位置数据， 控制器根据串番茄的位置数据识别出串番 茄的姿态， 确定切割位置并拟合出执行器(4)的运动轨迹； 操作七连杆仿人手机构， 使其形 成允许果串(6)通过的采摘环， 控制执行器(4)按照运动轨迹移动， 到达果实串上方的果梗 (7)上的切割位置； 操作七连杆仿人手机构闭合将果串(6)的果梗(7)切断并夹持； 操作机械 臂(2)将执行器(4)移动到放置收集筐(1)上方， 操作七连杆仿人手机构展开将果串(6)放置 在收集筐(1)中。 2.根据权利要求1所述的非接触式串番茄自动采摘 机械手， 其特征在于， 所述左剪切刀 (401)包括上下并列设置的剪切刀片(401 ‑1)和左夹持部(401 ‑2)； 所述右剪切刀(402)包括 与剪切刀片(401 ‑1)相对应的刀槽(402 ‑1)和与左夹持部(401 ‑2)相对应的右夹持部(402 ‑ 2)； 所述剪切刀片(401 ‑1)的后部与左夹持部(401 ‑2)的后部通过一个销轴(401 ‑4)铰接； 所述剪切刀片(401 ‑1)上沿其过销轴(401 ‑4)的轴线设有至少一个垂直于刀片平面的固定 栓(401‑1‑1)； 所述左夹持部(401 ‑2)上设有与固定栓(401 ‑1‑1)一一对应的活动槽(401 ‑2‑ 1)， 所述活动槽(401 ‑2‑1)为以销轴(401 ‑4)为圆心的圆弧形； 所述复位弹簧(401 ‑3)和剪切 刀片(401 ‑1)的固定栓(401 ‑1‑1)位于左夹持部(401 ‑2)的活动槽(401 ‑2‑1)内； 且复位弹簧权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115194742 A 2(401‑3)位于活动槽(401 ‑2‑1)的靠近夹持工作面的一端与固定栓(401 ‑1‑1)之间， 使得左 夹持部(401 ‑2)相对于剪切刀片(401 ‑1)能够以销轴(401 ‑4)为圆心作小幅转动， 并能在复 位弹簧(401 ‑3)的作用下复位， 进而使得左剪切刀(401)和右剪切刀(402)在相互合拢剪切 果梗(7)时， 剪切刀片(401 ‑1)能够完全进入刀槽(402 ‑1)， 避免不完整剪切。 3.根据权利要求2所述的非接触式串番茄自动采摘 机械手， 其特征在于， 所述左夹持部 (401‑2)和右夹持部(402 ‑2)为相互 咬合的齿状结构。 4.根据权利要求2所述的非接触式串番茄自动采摘 机械手， 其特征在于， 所述左夹持部 (401‑2)和右夹持部(402 ‑2)的材质采用不锈钢材 料。 5.一种利用权利要求1 ‑4任一项所述的非接触式串番茄自动采摘 机械手的非接触式串 番茄自动采摘方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： S1、 串番茄姿态识别； 根据深度相机(5)获取果串(6)的位置数据识别出串 番茄姿态； S2、 根据串 番茄姿态确定切割位置并拟合出 执行器4的运动轨 迹； 根据串番茄姿态定位出果串(6)的各个运动节点a、 b、 c、 d和e， 根据运动节点a、 b、 c、 d、 e 拟合执行器(4)的运动轨 迹； 运动节点a为识别到的果串(6)中高度最低的两个番茄果实的质心的连线中点； 运动节 点b为识别到的果串(6)中高度最高的两个番茄果实的质心的连线中点； 运动节点c位于运 动节点a的下方位置， 是执行器(4)进行采摘作业时套入果串(6)的起始目标点； 运动节点d 位于运动节点b的上方位置， 为执行器(4)进 行采摘作业时套入果串(6)的终止目标点； 运动 节点e是运动节 点d所在水平 面与果串(6)果 实拟合的空间线相交的点， 是执行器(4)进 行剪 切果串(6)上果梗(7)的刀片切割点； S3、 串番茄采收； 操作七连杆仿人手机构， 使其形成允许果串(6)通过的采摘环， 并移动至果串(6)下方 的起始目标点； 控制执行器(4)按照运动轨迹移动， 到达果串(6)的上方位置； 控制执行器 (4)移动至刀片切割点： 向后移动一定距离并且转动一定角度， 使得果梗(7)垂直地位于左 剪切刀(401)和右剪切刀(402)的剪切平面内； 操作左剪切刀(401)与右剪切刀(402)相互合 拢将果串(6)的果梗(7)切断并夹持； 操作机械臂(2)将执行器(4)移动到放置收集筐(1)上 方， 操作七连 杆仿人手机构展开将果串(6)放置在收集筐(1)中。 6.根据权利要求1所述的非接触 式串番茄自动采摘方法， 其特征在于， 所述步骤S1采用 基于YOLOv4深度学习的姿态检测方法， 判断番茄果串与果梗关节点的对应位置关系， 通过 识别番茄果串和果梗关节点的连通关系， 实现果串(6)识别定位。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115194742 A 3