用于水果采摘机器人的末端执行器具有一个远端部分，包括用于抓取和摘取水果的工具；一个近端部分，包括用于将末端执行器安装到机器人手臂上的接口；以及一个用于存放已采摘水果的存储舱。该存储舱沿纵向延伸，并在纵向方向上具有贯穿全长的排出口。一个水果支撑部件具有沿纵向延伸的边缘，该边缘限定了排出口的位置。翻译而来供参考，亦可加入知识星球阅读英文原版、中文译本（见文末）。
图1是本发明中机器人1的示意图，机器人位于一排果树2的前方，树上挂着待采摘的果实3。机器人1包括一个小车4，优选为自动导引车（AGV），其尺寸和设计使其能够在果园中树木间的走廊中自动移动，这在商业果园中是常见的。小车4可以配有轮子或履带（未示出）。
在小车4的顶部有一个关节臂6的基座5，基座旁边有一个支架7，用于放置装水果的箱子。通常，支架7的形状设计用于与EUR 1或EUR 2型的标准托盘箱8进行锁定配合，即长度为1.2米，宽度分别为0.8米或1.0米的托盘箱。优选使用宽度为0.8米的托盘箱8，因为在果园的树排间移动时，比1.0米宽的托盘箱更容易移动。小车4的宽度与托盘箱8的宽度相同。支架7的设计使得当托盘箱8放置在支架上时，其底部的水平通道9仍保持开放，方便使用叉车将托盘箱8放置在支架7上或在装满时将其取下。小车4可以配备一个集成的升降装置，用于装卸箱子8。
虽然图1中支架7的位置与基座5大致处于相同的高度，但它也可以位于较低的水平位置，这样可以使机械臂6在卸下采摘的水果时更容易伸入箱子8。
关节臂6包括一个通过垂直轴与基座5旋转连接的近端电机单元10，其中设置有一个用于驱动旋转的第一电机11。近端电机单元10中还配有第二电机12，用于通过水平轴驱动一个近端连杆13的旋转。一个中间电机单元14安装在近端连杆13的远端，包含两个电机15和16，其中一个电机16用于驱动远端连杆17沿其纵轴18旋转。在远端连杆17的远端，还设置有一个关节36和一个第五电机19，用于通过垂直于轴18的轴21旋转一个适配器20。适配器20上安装有末端执行器22的近端部分23。
末端执行器22呈现大致管状或截头圆锥形状，其近端部分23形成一个截锥形的宽基部，其轴线定义了末端执行器22的纵轴24。在垂直于纵轴24的平面中，末端执行器的截面呈长条形。适配器20中还设置有一个第六电机（未显示），用于沿纵轴24旋转末端执行器22，这样无论关节臂6处于何种姿态，截面较长的一边总是水平延展。因此，传感器25（通常为摄像头）位于近端部分23的顶部，在任何姿态下都能保持传感器25的视线平行于纵轴24。传感器25提供轴线24上及其周围物体的图像给控制器（未显示），从而使控制器能够识别要采摘的水果3，并瞄准末端执行器22对准它。
末端执行器22的远端部分26具有一个入口开口27，用于套住选择采摘的水果3，并配备有用于切断连接水果3与树木的茎的装置28。一种常见的切割装置28可以包括位于入口开口27两侧的可移动或可充气的手指42（参见图4），以抓住水果，切割装置28可以通过末端执行器22的后退运动来切割水果的茎。装有水果的喷嘴43位于手指42下方，当手指42释放水果时，水果将通过喷嘴43被引导到末端执行器22的中间部分29的存储区。
在实际采摘水果3时，末端执行器22的纵轴24从远端部分26到近端部分23稍微向下倾斜，这样当水果3从树上摘下并由切割装置28释放时，水果会从入口开口27滚动或滑动到中间部分29的存储区。
手指42的尖端到远端关节36的距离略小于箱子8的长度，即1.20米，这样末端执行器22可以以其纵轴24平行于箱子侧壁的方式伸入箱子。
图2为末端执行器22的中间部分29沿垂直于纵轴24的平面的剖视图。存储仓30由一个上壳体31和一个由塑料或薄金属板制成的支撑构件37限定。支撑构件37包括通过铰链33连接到上壳体31纵向边缘的两个翻盖32。果实探测传感器25（例如能够在三维空间中定位果实的立体摄像头）安装在上壳体31的顶部。当翻盖32锁定在图中所示的位置时，它们形成一个凹面，采摘的果实3能够保持在稳定的位置，不会滚动。末端执行器22沿轴线24倾斜时（如图4所示），果实3将交错排列，左右相互错开，偏离轴线24。在存储仓30的近端，仓口可能足够宽，可以让果实沿轴线24两侧排列成两排。而相对的，入口开口27的宽度仅够一次通过一个果实。
图3显示了末端执行器22的近端部分23和中间部分29的底视图。锁扣34旋转安装在近端部分23上。在采摘操作中，锁扣34延伸至翻盖31的下方，并将其锁定在关闭位置，如图3中的实线所示。
当存储仓30装满并需要卸载内容物时，锁扣34由设置在近端部分23中的执行器旋转到图3中虚线所示的解锁位置，从而使翻盖31在存储仓30内果实的重量作用下自动打开。一个接近传感器41沿着至少一个与铰链33相对的翻盖32的边缘延伸。
铰链33可以配有弹簧，例如扭力弹簧35，弹簧将翻盖32推向关闭位置，但只有在翻盖32上没有果实时才足够强大。因此，在所有果实卸载后，弹簧35可以将翻盖31再次抬起，并且锁扣34可以旋转回到实线所示的位置，从而将翻盖31锁定在关闭位置。或者，当锁扣34从解锁位置旋转回锁定位置时，其尖端会压住翻盖32，并将翻盖32重新摆动回关闭位置。正如图2所示，当翻盖32向下摆动时，它们相对边缘之间的卸料口40会逐渐变宽，支撑在翻盖32上的果实3会逐渐下滑，直到卸料口40足够宽可以让果实通过。如果翻盖32的开启运动被适当地控制，在卸料口40足够宽让果实通过之前，果实3可能已经被下方的表面（即箱子8的底部或箱子8中的其他果实）支撑住。因此，可以完全避免在卸载过程中果实3掉落。
图4展示了末端执行器22在采摘水果的过程中。
在远端部分26和存储仓30之间，可以设置一个阀门翻板44。阀门翻板44通过靠近其上缘的轴摆动，如图4所示，当它处于关闭位置时，它会阻挡远端部分26到存储仓30的通道。该翻板只能向存储仓30的方向移动，因此当末端执行器向下倾斜时，采摘的果实3可以推动翻板44进入存储仓；但当末端执行器向上倾斜时，存储仓30中的果实可能会施加压力在翻板44上，但不会将其打开。
尽管中间连杆17的倾斜角度可能会根据采摘水果3的高度而大幅变化，但末端执行器的倾斜角度尽量保持不变，这样存储仓30中的果实3在加入更多果实时不会移动。
允许采摘水果的最大倾斜角度可能因水果种类而异。对于苹果，允许的倾斜角度可能比软性水果（例如猕猴桃）大。该角度还可能根据存储仓30的装满程度而变化：存储仓越满，果实从远端部分26进入存储仓的路径越短，因此存储仓30越满，允许的倾斜角度越陡。控制器可以通过计算采摘的果实数量来判断存储仓30是否已满，需要进行卸载。或者，控制器可以根据作用在电机19和控制末端执行器22绕轴线24旋转的电机上的扭矩来估算存储仓30中的果实重量。当该重量超过预设的阈值时，存储仓30被判断为已满，必须将果实卸载。为此，末端执行器22需要移动到托盘箱8中。近端连杆13的长度设计使其在向托盘箱8倾斜时，中间电机单元14可以位于箱子8的上边缘上方，从而远端连杆17垂直向下延伸，能够深入到托盘箱8的底部并将末端执行器22放置在靠近箱子底部的位置。为了防止果实滚动，末端执行器22在此过程中保持倾斜，因此当末端执行器22到达箱底时，远端连杆17的轴线18和末端执行器22的轴线24形成一个锐角α。为了确保末端执行器始终可以到达箱子的底部，远端连杆17的长度应等于或略大于箱子8的高度。
接近传感器40检测末端执行器22与托盘箱8的底部或已经存在于托盘箱8中的水果之间的距离是否低于预设阈值；只有在这种情况下，控制器才会允许解锁翻盖32。
接近传感器可以提供末端执行器22到托盘箱8中水果的距离的定量测量，或者可以提供一个二进制输出，仅指示距离是否低于阈值。后一种传感器成本较低，但有一个缺点是，当末端执行器22在箱子8内时，其前进速度必须限制在一个足够低的安全速度，以便在检测到距离低于阈值时，末端执行器22可以安全地停止，避免碰撞到水果。控制器可以记录箱子8内检测到的水果水平；当下次需要卸载存储仓30时，控制器可以使末端执行器22以明显高于安全速度的速度进入箱子8，并仅在接近记录的水果水平时减速至安全速度。这样可以大大缩短卸载过程的时间。
在实际卸载水果之前，末端执行器22可以通过轴21旋转到底部滑面几乎水平的位置，这样即使靠近存储仓30的远端，水果也不会在存储仓30开启时掉出，而是平稳、逐步地下降。
通过将锁扣34旋转至解锁位置，翻盖31会逐渐向下摆动，水果也会逐渐滑向正在开启的出口口，当翻盖31之间的出口口打开时，水果将停留在箱子8的底部或已经在箱子中的其他水果上，然后出口口才会足够宽让水果通过。图6是根据本发明第二实施例的末端执行器的横截面图，垂直于纵轴24。存储仓30为圆柱形或锥形，包含一个支撑构件37，该构件可滑动地嵌入近端部分23的圆形轨道38中，因此可以绕纵轴24旋转。在关闭位置，支撑构件37的纵向边缘39高度相等并与上壳体31的边缘重叠。在图6中，支撑构件37顺时针旋转离开关闭位置，因此在支撑构件37和上壳体31之间开始打开一个卸料口40。
在图7的实施例中，支撑构件37固定在末端执行器的近端部分23上，而末端执行器22固定在适配器20上，因此上述第六个电机不仅旋转适配器20，还通过其纵轴24旋转整个末端执行器22。在此过程中，水果将在支撑构件27上滚动或滑动，直到它们通过支撑构件37的纵向边缘39之一，从而从存储仓30中卸载。
支撑构件可以围绕纵向延伸的轴旋转，以通过卸料口排出水果。支撑构件可以相对于末端执行器的近端部分自由旋转，或者末端部分和支撑构件都可以通过末端执行器的安装适配器和机器人手臂的纵向轴旋转来进行旋转。虽然采摘工具可能需要根据不同水果的类型进行专门设计，但存储仓几乎不需要这样的适应，可能只需调整其尺寸。因此，本发明的末端执行器可以用于采摘苹果、梨、核果、柑橘类水果以及浆果、番茄、黄瓜、辣椒、茄子、南瓜、西葫芦、洋蓟等。
当一个水果被远端部分采摘并转移到中间部分的存储仓时，远端部分可以自由地继续采摘另一个水果，而无需先处理前一个水果。因此，悬挂在同一树枝上的多个水果可以连续快速采摘，而末端执行器在此过程中无需离开植物，直到存储仓装满为止。
中间部分的纵向尺寸可以是远端部分横向尺寸的倍数。远端部分的横向尺寸应足够宽以容纳要采摘的水果；当中间部分的纵向尺寸为其倍数时，可以在存储仓内纵向排列多个水果（或交错排列），直到存储仓装满并需要卸载为止。
当存储仓的尺寸适合容纳单行或交错排列的水果时，水果在卸载前可以有效防止在存储仓内滚动，从而最大限度地减少水果在存储仓内受损的风险。
存储仓有远端和近端，存储仓通过远端的入口口接收来自远端部分采摘的水果。存储仓的近端应比远端更宽，这样在存储仓装满水果时，大部分水果可以聚集在近端，从而减少作用在携带末端执行器的机器人手臂远端关节上的扭矩。支撑构件可以呈纵向延伸的槽形，因此通过绕纵轴旋转支撑构件，可以使槽的开口面朝下，从而排出水果。当支撑构件呈圆柱形且纵轴位于其中心时，可以将其放置在一个表面上，通过绕纵轴旋转，水果可以平滑地从支撑构件上滚落到表面上，而不会有突然的跌落。
在另一种实施方式中，支撑构件可以包括两个沿纵向延伸的翻盖，卸料口由这两个翻盖相对的纵向边缘之间形成。在这里，翻盖也可以是圆柱形，翻盖的摆动轴位于各自圆柱体的中心，从而在卸料过程中避免水果的高度发生变化。或者，这里的翻盖可以具有任意形状，水果在卸料过程中可以通过两翻盖相对的边缘逐渐移动而被轻柔地放下，同时卸料口逐渐打开。
支撑构件可以通过弹簧偏置到其关闭位置。
当支撑构件包括前述的翻盖时，弹簧的强度应足以在没有水果支撑时将翻盖推回关闭位置，但也要足够弱，以便当一个水果压在翻盖上时，翻盖能够被推开。因此，当存储仓内还有水果时，翻盖不会关闭，但一旦存储仓空了，翻盖会再次关闭。
末端执行器还应包含一个锁扣，用于将翻盖锁定在关闭位置，以防在采摘过程中打开并掉落水果，并且在需要卸载存储仓时，执行器可以用于移动锁扣。执行器可以是一个机械开关，由收集箱底部或收集箱中已存在的水果接触触发。这种机械开关可以确保翻盖不会打开，除非水果下降的距离足够短，不会对水果造成损坏。或者，执行器可以由远程控制器操作，以防止由于例如与树枝接触而导致的意外打开。末端执行器的远端部分可以配备一个果实探测传感器，例如摄像头。通过将传感器与存储仓中的水果分隔开，可以避免传感器与承载水果的植物发生潜在的有害接触；此外，当传感器定位到一个水果并进行采摘时，它可以同时用于定位附近的其他水果。
末端执行器还可以包括一个传感器，用于检测支撑构件与下方表面之间的距离。因此，除非传感器检测到与表面的距离足够小，以防止对水果造成损坏，否则存储仓的卸载功能将被禁用。
根据本发明的第二个方面，目标通过包括上述末端执行器和携带末端执行器的关节臂的果实采摘机器人实现。
当关节臂的远端连杆通过远端关节连接到末端执行器时，该关节应能操作，以便在末端执行器的纵轴和远端连杆的纵轴之间形成直角或锐角。通过这种方式，末端执行器和关节臂的远端部分可以从上方进入收集箱，并将末端执行器放置在靠近箱子水平底部的位置，以便水果能够轻柔地卸载，而不会掉落。为了确保末端执行器能够到达箱子的底部，远端连杆的长度应不小于箱子的高度。箱子的高度可以根据采摘水果的类型而变化。对于标准的EUR1或EUR2类型的箱子，其高度可以为60或80厘米，因此远端连杆的长度应大于60厘米，最好是80厘米。
关节臂的远端关节与末端执行器的远端部分之间的距离应略小于箱子的两个水平尺寸之一。这样，末端执行器可以平行于箱子的一侧壁放置在箱子中，几乎延伸到该侧壁的整个长度。通过在连续的卸载过程中将末端执行器放置在不同的距离处，可以逐排卸载水果，从而防止形成圆锥堆积。一方面，这可以确保箱子空间的有效利用；另一方面，水果在滚落圆锥堆积的斜坡时不会受损。
机器人的控制器可以设置为仅在纵轴从远端部分向近端部分倾斜时执行采摘操作，这样一旦果实从植物上摘下，不会从远端部分掉落，而是会在其自身重量的作用下进入存储仓。控制器还可以设置为仅在纵轴的倾斜角度低于第一个预定阈值时执行采摘操作，这样水果会缓慢进入存储仓，而不会被损坏或损坏已存在的水果。在采摘完一个水果后，且在卸载之前，末端执行器应保持向下倾斜，以防止水果在存储仓内滚动甚至从远端部分掉落。在此期间，倾斜角度应保持在第二个预定阈值以下，以防止存储仓中的水果在卸载到收集箱之前发生位置变化。控制器可以使用安装在关节臂远端关节处的重量传感器或扭矩传感器来估算已采摘的水果数量，并基于此决定存储仓是否已满，是否需要在采摘更多水果之前进行卸载。或者，控制器也可以设置为计算已采摘的水果数量（或者准确地说，是末端执行器的采摘操作次数），并在达到最大数量时卸载存储仓。
关节臂的适配器应能够绕纵轴旋转。这种旋转可能是必要的，以保持末端执行器的方向，并防止水果在采摘过程中滚动，直到存储仓需要卸载为止。卸载时，可以通过旋转适配器以及整个末端执行器来完成，同时保持关节臂的其余部分静止。
机器人还可以包括一个安装有关节臂的小车，小车上可以选择性地配备一个水果收集箱支架，末端执行器可以进入该箱子进行水果的卸载。小车可以是由拖拉机或类似设备牵引的拖车，最好是能够自行导航的AGV（自动导引车），例如能够在果园的树木之间自主导航。
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