CN102090210B - 多果型果蔬采摘机器人的末端执行器及机器人 - Google Patents

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本发明公开一种多果型果蔬采摘机器人的末端执行器及机器人，末端执行器包括夹持器、电磁铁组件、偏心刀片、执行器电机和执行器外壳，夹持器一端设于执行器外壳内部，另一端伸出执行器外壳，夹持器设于执行器外壳内部的一端设有实现夹持器夹紧或张开用的电磁铁组件，偏心刀片通过偏心机构设于执行器外壳的内侧，执行器电机与偏心机构连接；机器人包括依次连接的工作台、大臂、小臂和末端执行器，工作台设于固定机构上，大臂和小臂组成机械手，机器人上设有相应的4个伺服电机和4个旋转关节，实现4个自由度控制。本发明使用时，其反应灵活、使用方便，采摘速度快、采摘效率也高。

Description

多果型果蔬采摘机器人的末端执行器及机器人
技术领域
本发明涉及轻化量的采摘机器人技术领域，特别涉及一种多果型果蔬采摘机器人的末端执行器及机器人。
背景技术
我国是农业大国，同时也是一个水果生产大国。尤其在我国南方，荔枝、龙眼等特色水果的种植面积逐年增加。以广东省为例，2007年全省水果种植面积101.9万hm2，产量829.22万t。与1986年相比，全省水果种植面积增长了2倍，产量增长率3.25倍。然而，现在大部分地区的水果采摘仍采用人工上树进行高空作业的收获方式。工人劳动强度大、生产效率低、且易发生危险，这远远满足不了水果种植业的发展要求。虽然目前国内外研究中已出现了一些简易的采摘机械手，但是这些产品大多数只是针对某种水果的采摘，功能单一，通用性较差。为了改善劳动条件，在提高采摘效率及机械化率的同时降低作业费用，故有必要对果蔬采摘机器人进行研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多果型果蔬采摘机器人的末端执行器，该末端执行器使得机器人的采摘效率高、并且可适用于多种果型的采摘。
本发明的另一目的在于提供一种带有上述末端执行器的多果型果蔬采摘机器人。
本发明的技术方案为：一种多果型果蔬采摘机器人的末端执行器，设于机器人的机械手末端，包括夹持器、电磁铁组件、偏心刀片、执行器电机和执行器外壳，夹持器一端设于执行器外壳内部，另一端伸出执行器外壳，夹持器设于执行器外壳内部的一端设有实现夹持器夹紧或张开用的电磁铁组件，偏心刀片通过偏心机构设于执行器外壳的内侧，执行器电机与偏心机构连接。
所述电磁铁组件包括电磁铁芯和电磁铁外壳，电磁铁外壳设于电磁铁芯外部，夹持器包括两个夹持柄，电磁铁芯与一个夹持柄固定连接，电磁铁外壳与另一个夹持柄固定连接，电磁铁组件设于执行器外壳内部。
所述执行器外壳由多个连接板构成盒状结构，相邻两个连接板之间通过螺栓固定连接。
所述执行器电机为步进电机。
上述末端执行器结构中，根据果蔬种类的不同，可以更换偏心刀片或夹持器的类型，使其采摘效率更高。
一种带有上述末端执行器的多果型果蔬采摘机器人，包括依次连接的工作台、大臂、小臂和末端执行器，工作台设于固定机构上，大臂和小臂组成机械手；工作台与固定机构的连接处设有相连接的第一旋转关节和第一伺服电机，大臂与工作台的连接处设有依次连接的第二旋转关节、传动齿轮组和第二伺服电机，小臂与大臂的连接处设有相连接的第三旋转关节和第三伺服电机，末端执行器与小臂的连接处设有相连接的第四旋转关节和第四伺服电机。
所述工作台为履带式小车结构的移动平台，使得机器人具有较高的机动性。
所述末端执行器上设有双目视觉单元或单目视觉单元，方便操作，可以与控制系统构成基于视觉系统的果蔬采摘机器人。
为了有效减轻机器人的自重，机器人中各部分结构(包括大臂、小臂等)可以采用轻质的材料进行设计。
本多果型果蔬采摘机器人及其末端执行器使用时，其工作原理为：多果型果蔬采摘机器人中，采用4台伺服电机控制，具有4个自由度。机械手安装在可旋转的工作台上，工作台与第一旋转关节相连，第一旋转关节的旋转角度由第一伺服电机控制，第一旋转关节与第一伺服电机之间通过一对啮合的齿轮联接；大臂与工作台的连接处，传动齿轮组由两个大小不相等的齿轮同轴设置组成，第二伺服电机输出的动力通过传动齿轮组传递到第二旋转关节，从而实现减速增矩的功能及对大臂的位姿角度的控制；小臂与大臂的连接处，第三伺服电机控制第三旋转关节转动，从而实现对小臂的位姿角度的控制；末端执行器与小臂的连接处，第四伺服电机控制第四旋转关节转动，从而实现对末端执行器的位姿角度的控制。该机械手通过控制4个伺服电机的工作状态，即能改变末端执行器的空间位姿，满足不同位置的采摘需要。
末端执行器中，夹持器的两个夹持柄分别固定在电磁铁芯和电磁铁外壳上，进行果蔬采摘时，当电磁铁组件通电时，电磁铁芯和电磁铁外壳吸合，带动夹持器的两个夹持柄夹紧果蔬或果梗，然后通过执行器电机带动偏心刀片旋转，从而实现果蔬采摘。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本多果型果蔬采摘机器人的末端执行器使用于果蔬采摘时，其反应灵活，使用方便。夹持器通过电磁铁组件的吸合进行夹持，其使用可靠，结构也相对简单；采用偏心刀片作为剪切机构，偏心机构在电机的带动下，驱动偏心刀片进行剪切，其采摘速度快，采摘效率高。
本多果型果蔬采摘机器人使用时，通过4个伺服电机控制4个旋转关节，使得末端执行器可以任意配合不同位置的采摘需要，其运动灵活，伺服电机比传统的采摘机械手使用的步进电机控制也更加精确。
附图说明
图1为本多果型果蔬采摘机器人的结构示意图。
图2为本多果型果蔬采摘机器人的末端执行器的结构示意图。
图3为图2中A方向上夹持器与电磁铁组件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
本实施例一种多果型果蔬采摘机器人的末端执行器，设于机器人的机械手末端，其结构如图2所示，包括夹持器15、电磁铁组件14、偏心刀片13、执行器电机12和执行器外壳16，夹持器15一端设于执行器外壳16内部，另一端伸出执行器外壳16，夹持器15设于执行器外壳16内部的一端设有实现夹持器15夹紧或张开用的电磁铁组件14，偏心刀片13通过偏心机构设于执行器外壳16的内侧，执行器电机12与偏心机构连接。
上述结构中，如图3所示，电磁铁组件14包括电磁铁芯17和电磁铁外壳18，电磁铁外壳18设于电磁铁芯17外部，夹持器15包括两个夹持柄，电磁铁芯17与一个夹持柄固定连接，电磁铁外壳18与另一个夹持柄固定连接，如图2所示，电磁铁组件14设于执行器外壳16内部。
如图2所示，执行器外壳16由多个连接板构成盒状结构，相邻两个连接板之间通过螺栓固定连接。
本实施例中，执行器电机12为步进电机。
上述末端执行器结构中，根据果蔬种类的不同，可以更换偏心刀片或夹持器的类型，使其采摘效率更高。
本多果型果蔬采摘机器人的末端执行器使用时，夹持器15的两个夹持柄分别固定在电磁铁芯17和电磁铁外壳18上，进行果蔬采摘时，当电磁铁组件14通电时，电磁铁芯17和电磁铁外壳18吸合，带动夹持器15的两个夹持柄夹紧果蔬或果梗，然后通过执行器电机12带动偏心刀片13旋转，从而实现果蔬采摘。
实施例二
本实施例一种带有实施例一所述末端执行器的多果型果蔬采摘机器人，其结构如图1所示，包括依次连接的工作台11、大臂6、小臂8和末端执行器10(末端执行器的具体结构如图2和3所示)，工作台11设于固定机构上，大臂6和小臂8组成机械手；工作台11与固定机构的连接处设有相连接的第一旋转关节1和第一伺服电机2，大臂6与工作台11的连接处设有依次连接的第二旋转关节5、传动齿轮组4和第二伺服电机3，小臂8与大臂6的连接处设有相连接的第三旋转关节7和第三伺服电机，末端执行器10与小臂8的连接处设有相连接的第四旋转关节9和第四伺服电机(图中未示出第三伺服电机和第四伺服电机)。
上述机器人结构中，工作台11为履带式小车结构的移动平台，使得机器人具有较高的机动性。
末端执行器10上还可以设有双目视觉单元或单目视觉单元，方便操作，可以与控制系统构成基于视觉系统的果蔬采摘机器人。
为了有效减轻机器人的自重，机器人中各部分结构(包括大臂、小臂等)可以采用轻质的材料进行设计。
本多果型果蔬采摘机器人及其末端执行器使用时，其工作原理为：多果型果蔬采摘机器人中采用4台伺服电机控制，具有4个自由度。机械手安装在可旋转的工作台11上，工作台11与第一旋转关节1相连，第一旋转关节1的旋转角度由第一伺服电机2控制，第一旋转关节1与第一伺服电机2之间通过一对啮合的齿轮联接；大臂6与工作台11的连接处，传动齿轮组4由两个大小不相等的齿轮同轴设置组成，第二伺服电机3输出的动力通过传动齿轮组4传递到第二旋转关节5，从而实现减速增矩的功能及对大臂6的位姿角度的控制；小臂8与大臂6的连接处，第三伺服电机控制第三旋转关节7转动，从而实现对小臂8的位姿角度的控制；末端执行器10与小臂8的连接处，第四伺服电机控制第四旋转关节9转动，从而实现对末端执行器10的位姿角度的控制。该机械手通过控制4个伺服电机的工作状态，即能改变末端执行器10的空间位姿，满足不同位置的采摘需要。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (7)

1.多果型果蔬采摘机器人的末端执行器，设于机器人的机械手末端，其特征在于，包括夹持器、电磁铁组件、偏心刀片、执行器电机和执行器外壳，夹持器一端设于执行器外壳内部，另一端伸出执行器外壳，夹持器设于执行器外壳内部的一端设有实现夹持器夹紧或张开用的电磁铁组件，偏心刀片通过偏心机构设于执行器外壳的内侧，执行器电机与偏心机构连接。
2.根据权利要求1所述多果型果蔬采摘机器人的末端执行器，其特征在于，所述电磁铁组件包括电磁铁芯和电磁铁外壳，电磁铁外壳设于电磁铁芯外部，夹持器包括两个夹持柄，电磁铁芯与一个夹持柄固定连接，电磁铁外壳与另一个夹持柄固定连接，电磁铁组件设于执行器外壳内部。
3.根据权利要求1所述多果型果蔬采摘机器人的末端执行器，其特征在于，所述执行器外壳由多个连接板构成盒状结构，相邻两个连接板之间通过螺栓固定连接。
4.根据权利要求1所述多果型果蔬采摘机器人的末端执行器，其特征在于，所述执行器电机为步进电机。
5.带有权利要求1～4任一项所述末端执行器的多果型果蔬采摘机器人，其特征在于，包括依次连接的工作台、大臂、小臂和末端执行器，工作台设于固定机构上，大臂和小臂组成机械手；工作台与固定机构的连接处设有相连接的第一旋转关节和第一伺服电机，大臂与工作台的连接处设有依次连接的第二旋转关节、传动齿轮组和第二伺服电机，小臂与大臂的连接处设有相连接的第三旋转关节和第三伺服电机，末端执行器与小臂的连接处设有相连接的第四旋转关节和第四伺服电机；
所述末端执行器包括夹持器、电磁铁组件、偏心刀片、执行器电机和执行器外壳，夹持器一端设于执行器外壳内部，另一端伸出执行器外壳，夹持器设于执行器外壳内部的一端设有实现夹持器夹紧或张开用的电磁铁组件，偏心刀片通过偏心机构设于执行器外壳的内侧，执行器电机与偏心机构连接。
6.根据权利要求5所述多果型果蔬采摘机器人，其特征在于，所述工作台为履带式小车结构的移动平台。
7.根据权利要求5所述多果型果蔬采摘机器人，其特征在于，所述末端执行器上设有双目视觉单元或单目视觉单元。
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