[0001] 本发明涉及农业采摘技术领域，特别涉及一种柔性采摘机器人。

[0002] 农业采摘领域如松塔等生长于野生山林之间的果实采摘难度极大，普遍仅能通过人工利用带钩的长杆采摘；劳动强度大而且危险性较高，采收过程不当也容易损伤树木。部
分果实如橘子等利用通用振动机械臂采摘，较大的振动幅值容易造成果实损伤，不适当的
激振参数容易引起树木本身的损伤。另外，振动的方式选取有可能造成不成熟的果实也一
并被采摘机器人振落，影响经济收成。振动机器人通常采用用于大型作业的履带设备等进
行作业，其对场地要求高，易造成人工种植林的大量空地浪费且不适合山地作业。

[0003] 山地崎岖地带人工采摘作业危险且作业难度极高；基于履带式或者大型轮式设备的采摘振动机器人进行作业受制于使用环境，采摘产品的成熟度不容易控制即容易造成成
熟度不高的果实一并脱落；不适当的激励幅值容易造成果树的损坏；更重要的是山林等崎
岖地带无法展开作业。

[0042] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发
明，而不构成对本发明的限制。

[0043] 参考图1至图7所示，示意出了根据本发明一个实施例的柔性采摘机器人100。

[0044] 参考图1至图7所示，所述柔性采摘机器人100包括：

[0045] 柔性机器人执行本体10，控制装置20以及柔性机器人采摘作业臂30；

[0046] 所述柔性机器人执行本体10包括压电材料层1；

[0047] 所述控制装置20用于通过控制所述柔性机器人执行本体10的压电材料层1的电场对所述柔性机器人执行本体10进行控制以实现柔性机器人执行本体10的爬行和夹持；

[0048] 所述柔性机器人采摘作业臂30设置在所述柔性机器人执行本体10上，并可在所述控制装置20的控制下进行采摘操作。

[0049] 压电材料即具有压电效应的一类功能材料。压电效应是指材料在压力作用下产生电信号的效应；或者在电场作用下，材料发生机械形变的现象。一般来说，压电材料应具备
以下几个主要特性：

[0050] (1)转换特性：要求具有较高的压电常数；

[0051] (2)机械性能：机械强度高、刚度大；

[0052] (3)电性能：高电阻率和高介电常数，防止加载驱动电场时被击穿；

[0053] (4)环境适应性：温度和湿度稳定性好，要求具有较高的居里点，工作温度范围宽；

[0054] (5)时间稳定性：要求压电性能不随时间变化，增强压电材料工作稳定性和寿命。

[0055] 本发明实施例的压电材料层1自身在外部电场作用下发生形变，通过控制外部电场强度、方向从而控制压电材料整体变形的方向，进而控制柔性爬行采摘机器人的运动和
夹持运动载荷。其中压电材料层1应变与外置电场公式为：

[0056] S＝μE2

[0057] 其中，μ为压电伸缩系数，E为外加电场强度，S为结构应变。由于柔性采摘机器人100具有一定的分布变形，在理论上可以具有无穷多的分支，也就导致了一个超冗余的配置
空间：在这个空间中，柔性机器人采摘作业臂30尖端可以达到三维工作空间中的每一点，而
柔性采摘机器人100的形状或配置是无限的。

[0058] 在一些实施例中，参考图1和图2所示，所述压电材料层1包括：第一压电材料层11和设置在所述第一压电材料层11下面的第二压电材料层12，所述第一压电材料层11和所述
第二压电材料层12之间通过绝缘保护层2进行绝缘保护。绝缘保护层2等可以通过通用性低
弹性系数如聚酰亚胺、酚醛等材料实现绝缘保护和结构主体材料的分布制作。

[0059] 在一些实施例中，所述第一压电材料层11包括多个平行设置的第一压电材料层条111；

[0060] 所述第二压电材料层12包括多个平行设置的第二压电材料层条121；

[0061] 所述第一压电材料层条111和所述第二压电材料层条121在所述压电材料层1的投影平面内交叉设置。

[0062] 在一些实施例中，第一压电材料层条111为大于等于3个，且第一压电材料层条111之间的间距相等。第二压电材料层条121为大于等于3个，且第二压电材料层条121之间的间
距相等。

[0063] 在一些实施例中，所述第一压电材料层条111和所述第二压电材料层条121垂直设置。即包括多个横向布置的第一压电材料层条111和多个纵向布置的第二压电材料层条
121。

[0064] 在一些实施例中，所述柔性机器人执行本体10还包括摩擦阻尼材料层3，所述摩擦阻尼材料层3设置在所述压电材料层1上。

[0065] 在一些实施例中，所述摩擦阻尼材料层3包括第一摩擦阻尼材料层31和第二摩擦阻尼材料层32，所述第一摩擦阻尼材料层31设置在所述压电材料层1的上表面，所述第二摩
擦阻尼材料层32设置在所述压电材料层1的下表面。

[0066] 在一些实施例中，柔性采摘机器人100的柔性机器人执行本体10可通过柔性电路板制作工艺完成，以三明治的夹层形式发挥作用。

[0067] 在一些实施例中，所述柔性采摘机器人100还包括检测装置40，所述检测装置40设置在所述柔性机器人执行本体10上并与所述控制装置20连接，所述检测装置40用于分析和
判定待采摘果实成熟度并进行路径规划，并将所述信息反馈给所述控制装置20，所述控制
装置20通过所述检测装置40传输的信息可对所述柔性机器人采摘作业臂30进行控制。

[0068] 在一些实施例中，所述检测装置40包括前置探路雷达401和前置探路摄像头402；

[0069] 所述前置探路雷达401用于进行路径规划；

[0070] 所述前置探路摄像头402用于分析和判定待采摘果实成熟度。

[0071] 在一些实施例中，所述绝缘保护层2的材料为低弹性系数绝缘材料。

[0072] 在一些实施例中，所述控制装置20，通过控制所述柔性机器人执行本体10的压电材料层1的电场强度、方向对所述柔性机器人执行本体10进行控制。

[0073] 本发明的技术效果：本发明公开的柔性采摘机器人的柔性机器人执行本体包括压电材料层；所述控制装置通过控制压电材料层的电场来实现柔性机器人执行本体的爬行和
夹持，并通过所述控制装置对柔性机器人采摘作业臂的控制进行采摘操作。本发明公开的
柔性爬行机器人包括压电材料层，可实现柔性采摘机器人无限自由度控制，可以适用于各
种工况下的采摘作业。因压电材料层是柔性材料制作，柔性采摘机器人可通过性极佳，可以
适用于各种山林、崎岖地带的采摘作业。另外，采摘机器人通过对压电材料层的控制，理论
上有无穷多自由度布置，可以实现爬行和夹持操作。且压电材料层本身的质量不高，避免了
自重引起的振幅大导致果实跌落的问题。

[0074] 下面结合具体的实施例对本发明提供的柔性采摘机器人100进行详细的说明。

[0075] 实施例1：

[0076] 本发明实施例的柔性采摘机器人100可参考如图1至图7所示。

[0077] 如图1-图7所示,本发明实施例涉及一种柔性采摘机器人100，包括柔性采摘机器人执行本体10，柔性机器人采摘作业臂30，前置探路雷达401，前置探路摄像头402，电源50
以及控制装置20。

[0078] 本发明所述柔性采摘机器人100材料成剖视图如附图1所示，包括柔性采摘机器人100绝缘保护层2、第一压电材料层11和第二压电材料层12、柔性采摘机器人100摩擦阻尼材
料层3。此柔性采摘机器人100可通过柔性电路板制作工艺完成，以三明治的夹层形式发挥
作用。柔性采摘机器人100绝缘保护层2等可以通过通用性低弹性系数如聚酰亚胺、酚醛等
材料实现绝缘保护和结构主体材料的分布制作。

[0079] 本发明所述压电材料为，压电材料自身在外部电场作用下发生形变，通过控制外部电场强度、方向从而控制压电材料整体变形的方向，进而控制柔性采摘机器人100的运动
和夹持运动载荷。其中压电材料应变与外置电场公式为：

[0080] S＝μE2

[0081] 其中，μ为压电伸缩系数，E为外加电场强度，S为结构应变。由于柔性采摘机器人100具有一定的分布变形，在理论上可以具有无穷多的分支，也就导致了一个超冗余的配置
空间：在这个空间中，柔性机器人采摘作业臂30的尖端可以达到三维工作空间中的每一点，
而机器人的形状或配置是无限的。

[0082] 本发明实施例中柔性采摘机器人100压电分布材料包括压电材料以及需要施加压电材料的电场线缆等其余结构。

[0083] 附图2为一个简单的压电材料分布示意图，其中第一压电材料层11和第二压电材料层12分别通过绝缘材料层隔开，图示2的分布可以实现如附图3的平直展开模式、附图4的
横向或纵向弯曲变形、附图5的扭转弯曲变形等运动模式。通过合理的控制压电电场的分
布，可以将柔性采摘机器人100做类蛇形爬行的功能，配置相应的切割机构进行采摘作业。

[0084] 因此，由于柔性采摘机器人100更好的伸缩性，可通过性和避障性能极佳。通过配置微型探路雷达、微型探路摄像头以及电源50和控制装置20等，可以完成负载树梢工况下
的爬树60、树梢段剪切果实等操作。

[0085] 附图7为本发明所述爬行采摘柔性机器人机器人，其中包括柔性机器人执行本体10、控制装置20、电源50、柔性机器人前置探路摄像头402、柔性机器人前置探路微型雷达
401、柔性采摘机器人采摘作业臂30组成。

[0086] 本发明所述柔性机器人，由于机器人执行本体和柔性采摘机器人采摘作业臂30核心结构采取相同的机构材料设计，因此可以理论上有无穷多自由度布置，通过布置于柔性
机器人执行本体10正反面的摩擦阻尼材料层3，本柔性采摘机器人100既可以通过正面抱树
60的方式进行攀爬，也可以反面抱树60方式进行攀爬。柔性机器人爬树60的状态如附图7所
示。由于本发明所述柔性采摘机器人100可以实现类似图3到图5中各种执行方式，可以通过
合理的操控设计完成各种工况下的爬上树60，且能应付树梢多路分叉结构下的攀爬。

[0087] 如前所述，通过前置探路雷达401和前置探路摄像头402的路径规划，当到达指定采摘点时，通过安装在最前端柔性机器人采摘作业臂30完成剪切作业。本发明所示剪切作
业示意图如附图7所示。通过检测装置40的前置探路雷达401和前置探路摄像头402分析可
以判定待采摘果实成熟度，进而通过柔性机器人采摘作业臂30完成采摘作业。

[0088] 本发明实施例提供的柔性采摘机器人，机器人本体因材料由柔性材料制作，采摘机器人可通过性极佳，可以适用于各种山林、崎岖地带的采摘作业。另外，采摘机器人由于
机构自身的特点，质量非常的小，可以最大程度上避免掉振动机器对于树木的破坏性采摘
作业。第三方面是，本柔性机器人可以批量化大规模作业，同时并行采摘可最大化实现经济
效益。

[0089] 本发明实施例提供的柔性采摘机器人，利用增加摩擦系数材料层增加爬树的摩擦力从而实现复杂树梢等条件下的攀爬；利用正反面设置摩擦阻尼材料系数层实现柔性采摘
机器人的360度运动空间范围；利用检测装置实现柔性采摘机器人的路径规划以及果实成
熟度辨识；利用附着于柔性采摘机器人最前端的柔性机器人采摘作业臂实现机器人在复杂
附着状态下的采摘作业。

[0090] 本领域内的技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清
楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组
成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计
约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但
是这种实现不应认为超出本发明的范围。

[0091] 结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器
(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域
内所公知的任意其它形式的存储介质中。

[0092] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，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。

[0093] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。

[0094] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0095] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0096] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和组合。

[0097] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述
实施例进行变化、修改、替换和变型。

[0098] 以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保
护范围内。