CN101238775B - 果蔬收获机器人柔顺采摘末端执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明为通过被动柔顺结构和主动柔顺控制的结合来实现果实的柔顺采摘的装置。其被动柔顺结构包括真空波纹吸盘和球副组成的真空吸盘柔顺结构、手指前端3维指力传感器安装及柔顺结构；主动柔顺控制通过两指内侧安装的3维指力传感器和腕部安装的6维腕力传感器来感知并反馈力信息来实现。通过真空波纹吸盘和球副联接，自动适应果实与真空波纹吸盘间的位置、角度偏差和变化；通过手指前端柔顺结构，自动调整指面与果实的姿态偏差，实现夹持过程的缓冲；通过3维指力传感器的安装结构完全感知手指与果实之间的夹持力和摩擦力信息，并与6维腕力传感器所感知的信息一起反馈回控制系统，进行采摘过程的柔顺控制。
Description
技术领域
本发明涉及农业机器人领域，特别涉及一种果蔬收获机器人柔顺采摘末端执行器。
背景技术
果蔬收获机器人在作业时，一般由机械手将末端执行器运送至果实附近，并确定末端执行器的姿态，再由末端执行器完成对果实的抓取和分离。由于果实的柔嫩性，在采摘过程中避免末端执行器动作所造成被采摘果实的破裂和损伤，以及因采摘动作而对相邻果实造成的碰撞伤害，对于提高收获成功率、保证果实的品质和延长果实的贮藏保鲜周期具有非常重要的意义。现有收获机器人末端执行器均难以实现果蔬的柔顺采摘。如荷兰E.J.VAN HENTEN等开发的黄瓜收获机器人(An Autonomous Robot for Harvesting Cucumbers in Greenhouses.AutonomousRobots 13，241-258，2002.)，其末端执行器的夹持器由工业用夹持器改造而成，手指为刚性结构；日本M.MONTA等开发的番茄收获机器人(End-Effectors forTomato Harvesting Robot.Artificial Intelligence Review 12：11-25，1998.)，仅在末端执行器的平板手指内侧贴一层橡胶，在加紧果实后扭断果梗的过程中需要较大夹持力，而手指与果皮接触面积很小，容易造成果实的损伤甚至破裂；而日本N.KONDO等开发的番茄收获机器人，四指由橡胶管构成，通过马达带动钢丝拉动手指闭合抓住果实，但欠驱动，运动精度受到影响。以上收获机器人均无法实现果蔬的柔顺采摘。而专利200710020500.1通过3维指力传感器和6维腕力传感器的力反馈实现末端执行器的主动柔顺控制，为增大夹持时果实与手指的接触面积而采用了圆弧面和橡胶层，但如何使安装于手指的3维指力传感器获得果实与手指面间的全部作用力，这一问题并未得到解决；在夹持时，由于视觉系统误差、机械手运动误差和枝叶遮挡、阻碍造成的末端执行器与果实的姿态偏差，容易造成果实的夹持失效或损伤；同时真空吸盘固定于移动部件上，采摘过程中果实与吸盘的位置、角度偏差，以及吸盘运动过程中与果实相对位置、角度的变化很容易造成真空吸盘与果实的脱离。
发明内容
为了克服现有收获机器人采摘装置的不足，本发明提供一种果蔬收获机器人柔顺采摘末端执行器，通过被动柔顺结构和主动柔顺控制的结合来实现果实的柔顺采摘。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：被动柔顺结构包括真空波纹吸盘和球副组成的真空吸盘柔顺结构、手指前端3维指力传感器安装及浮动回转支承结构；主动柔顺控制通过两指内侧安装的3维指力传感器和腕部安装的6维腕力传感器感知并反馈力信息来实现。其特征在于，将一受力附件安装于3维指力传感器的受力体上，将3维指力传感器的本体通过一浮动回转支承结构联接于手指上；通过球副将真空波纹吸盘联接于齿条上。
本发明的有益效果是，与现有专利相比，通过手指前端浮动回转支承结构，可以自动调整指面与果实的姿态偏差，实现夹持的被动柔顺；通过手指前端3维指力传感器安装结构，使3维指力传感器受力体可以感受果实与手指面间全部夹持力和摩擦力信息，并与6维腕力传感器所感知的信息一起反馈回控制系统，进行采摘过程的主动柔顺控制；通过采用球副代替固定联接，能够自动适应果实与真空波纹吸盘间的位置、角度偏差和变化。
附图说明
图1为果蔬收获机器人柔顺采摘末端执行器主体结构示意图，图2为手指前端3维指力传感器安装及浮动回转支承结构主视图，图3为手指前端3维指力传感器安装及浮动回转支承结构俯视图，图4为浮动回转支承结构对姿态偏差的顺应示意图。
图中1.手指，2.双头螺杆，3.导杆，4.齿轮，5.齿条，6.6维腕力传感器，7.电机，8.锥齿轮，9.锥齿轮，10.球副，11.真空波纹吸盘，12.3维指力传感器，13.3维指力传感器受力体，14.3维指力传感器本体，15.端盖，16.拉伸弹簧，17.下法兰，18.滚珠，19.手指头，20.手指架，21.受力附件，22.弹性材料，23.螺钉，24.凸耳，25.螺栓/螺母，26.凸耳。
具体实施方式
如图1所示，果蔬收获机器人柔顺采摘末端执行器中，电机(7)通过锥齿轮(8)和锥齿轮(9)带动双头螺杆(2)转动，通过螺旋传动驱动两手指(1)平行相对移动，合拢和张开。另一电机通过齿轮(4)与齿条(5)的传动，驱动齿条(5)前进和后退。真空波纹吸盘(11)通过一球副(10)连接于齿条(5)上。在两手指的内侧面分别安装有3维指力传感器(12)，在末端执行器与机械手联接的腕部安装有6维腕力传感器(6)。
图2及图3表示手指(1)前端3维指力传感器安装及浮动回转支承结构。3维指力传感器本体(14)通过平头螺钉与下法兰(17)固定，下法兰(17)、三个滚珠(18)与端盖(15)组成推力球轴承，使下法兰(17)与端盖(15)之间可以相对转动。端盖(15)通过螺钉(23)固定在手指头(19)上。在下法兰(17)上有一凸耳(24)，在端盖(15)上有两个凸耳(26)相对分布，下法兰上的凸耳(24)与端盖上的两个凸耳(26)之间分别连接一拉伸弹簧(16)。手指头(19)与手指架(20)通过螺栓/螺母(25)固定。受力附件(21)通过平头螺钉固定于3维指力传感器受力体(13)的受力面上，受力附件(21)圆弧型内侧面上贴有弹性材料(22)。
为实现果实的柔顺采摘，采用了被动柔顺结构与主动柔顺控制相结合的方式。被动柔顺结构包括手指前端3维指力传感器安装及浮动回转支承结构、真空波纹吸盘(11)和球副(10)组成的真空吸盘柔顺结构；主动柔顺控制通过两指内侧安装的3维指力传感器(12)和腕部安装的6维腕力传感器(6)感知并反馈力信息来实现。采摘时，一电机通过齿轮(4)驱动齿条(5)前进，真空波纹吸盘(11)吸住果实后，由齿条(5)带动真空波纹吸盘(11)向后拉动一定距离，以避免两手指(1)夹持目标果实时碰伤相邻果实。在此过程中由于果实的曲面和定位误差等造成的果实与真空波纹吸盘(11)间的位置与角度偏差，可以通过真空波纹吸盘(11)与齿条(5)之间的球副(10)进行自动调整。同时，在真空波纹吸盘(11)吸住果实向后拉动时，由于齿条(5)沿一固定导线移动，而果实受到真空波纹吸盘(11)拉力后产生转动，使真空波纹吸盘(11)与果实间的位置与角度发生变化，这一变化由波纹吸盘(11)的变形和球副(10)的运动进行补偿，以保持对果实的可靠吸持。
当真空波纹吸盘(11)吸持果实向后拉动一定距离后，电机(7)通过锥齿轮(8)、锥齿轮(9)传动带动双头螺杆(2)转动，驱动两手指(1)合拢，抓住果实。通过两3维指力传感器受力体(13)上安装的受力附件(21)，可以保证两3维指力传感器(12)完全感知手指(1)与果实之间的夹持力和摩擦力信息。在受力附件(21)内侧的弹性材料(22)可以减小夹持时手指(1)与果实之间的碰撞。当受力附件(21)的圆弧形内侧面与果实姿态之间存在一定偏差时，夹持时下法兰(17)连同3维指力传感器(12)、受力附件(21)和弹性材料(22)可以相对端盖(15)及手指头(10)转动，从而自动调整顺应(图4)。当结束夹持时，放开果实，由于两拉伸弹簧(16)的作用，又使受力附件(21)回到原来状态。
两3维指力传感器(12)主要用以感知两手指(1)对果实的夹持力和横、纵向摩擦力，用于判断手指(1)与果实之间的接触与滑动情况。6维腕力传感器(6)用以获取采摘过程中腕部全部的六维力/力矩信息，并利用该信息确定采摘扭矩或拉力、进行采摘完成的判断。同时，在末端执行器与植株接触而即将发生碰撞前，将由腕力传感器(6)的力/力矩信息的变化来迅速感知。通过两3维指力传感器(12)和6维腕力传感器(6)所获得力信息的反馈，进行采摘过程的主动柔顺控制，可以实现采摘过程中末端执行器与果实之间作用力的主动控制，并防止末端执行器与植株的碰撞。
Claims (4)
1.一种果蔬收获机器人柔性采摘末端执行器，采取被动柔顺结构和主动柔顺控制相结合，被动柔顺结构包括真空波纹吸盘和球副组成的真空吸盘柔顺结构、手指前端3维指力传感器安装及浮动回转支承结构；主动柔顺控制通过两指内侧安装的3维指力传感器和腕部安装的6维腕力传感器感知并反馈力信息来实现，其特征在于，将一受力附件安装于3维指力传感器的受力体上，将3维指力传感器的本体通过一浮动回转支承结构联接于手指上；通过球副将真空波纹吸盘联接于齿条上。
2.根据权利要求1所述的果蔬收获机器人柔顺采摘末端执行器，其特征是：所述的浮动回转支承结构为：3维指力传感器本体(14)通过平头螺钉与下法兰(17)固定，下法兰(17)、三个滚珠(18)与端盖(15)组成推力球轴承；端盖(15)通过螺钉(23)固定在手指头(19)上，在下法兰(17)上有一凸耳(24)，在端盖(15)上有两个凸耳(26)相对分布，下法兰上的凸耳(24)与端盖上的两个凸耳(26)之间分别连接一拉伸弹簧(16)，手指头(19)与手指架(20)通过螺栓组(25)固定。
3.根据权利要求1所述的果蔬收获机器人柔性采摘末端执行器，其特征在于：受力附件(21)通过平头螺钉固定于3维指力传感器受力体(13)上，受力附件(21)圆弧型内侧面上贴有弹性材料(22)。
4.根据权利要求1所述的果蔬收获机器人柔性采摘末端执行器，其特征在于：真空波纹吸盘(11)通过一球副(10)连接于齿条(5)上。
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