CN102428802A

CN102428802A - 一种猕猴桃采摘末端执行器

Info

Publication number: CN102428802A
Application number: CN2011102704725A
Authority: CN
Inventors: 陈军; 王虎; 高�浩; 蒋浩然; 雷王利; 韩冰; 武涛; 袁池
Original assignee: Northwest A&F University
Current assignee: Northwest A&F University
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2012-05-02

Abstract

本发明公开一种猕猴桃采摘末端执行器，该末端执行器主要由机械装置和传感系统两部分组成。机械装置包括夹持组合，靠近组合，手臂末端旋转组合，用于实现手指开合、进退和翻转；传感系统由红外位置开关、压力传感器、霍尔位置传感器和碰撞传感器组成，在末端执行器移动过程中起到为控制器提供控制信息的作用。通过本发明设计而成的末端执行器模拟人工采摘猕猴桃方式，结构简单可靠，智能化高，控制难度低，成本低廉。

Description

一种猕猴桃采摘末端执行器

技术领域

本发明涉及采摘机器人技术领域，特别涉及一种猕猴桃采摘末端执行器。

背景技术

末端执行器一般安装在机械手臂前端，是机器人直接接触对象果实的重要工作部件，采摘机器人工作对象的大小和形状一般不完全相同，且工作对象质地柔软，容易损坏，因此，末端执行器的设计尤为重要。猕猴桃是当今世界三大新兴水果之一，因富含维生素C被誉为“水果之王”，近些年猕猴桃的发展速度在不断加快。目前，猕猴桃的采摘还都是要靠人工来完成，费时费力，因此，研究开发猕猴桃采摘机器人，实现猕猴桃采摘的机械化、自动化与智能化，对于提高采摘率，解决劳动力不足，改善作业环境，都有重要意义。以日本为代表的西方发达国家针对采摘机器人做了大量的研究工作，试验成功了多种具有人工智能的采摘机器人及其末端执行器，由于成本和操作复杂等原因，很大程度上影响了其实用化。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题与不足，本发明的目的在于提供一种用于猕猴桃采摘的末端执行器，其采摘方式简单，控制难度低，成本低廉，适用于猕猴桃和其它球状果实采摘机器人的机器人采摘工作。

实现上述发明目的的技术方案是：一种猕猴桃采摘末端执行器，包括机械装置和传感系统，所述机械装置由夹持组合、靠近组合和手臂末端旋转组合组成，所述夹持组合包括左右旋丝杠、螺母、手指、撑杆、直线轴承和内壳，所述手指套在螺母上，所述螺母与左右旋丝杠的左旋螺纹和右旋螺纹连接，所述左右旋丝杠一端与内壳的一侧用轴承连接，另一端与电机I 的动力输出轴连接，所述直线轴承固定在所述手指的后边，撑杆穿过直线轴承与内壳两边侧壁连接；所述靠近组合包括滚珠丝杠、滚珠螺母、导轨、滑块和外壳，所述滚珠丝杠一端穿过外壳与安装在内壳上的滚珠螺母连接，另一端与电机II连接，所述外壳上还设有导轨，所述滑块套在导轨上；所述旋转组合包括套筒、电机III，电机III安装在套筒上，电机III的动力输出轴穿过套筒与外壳连接；

所述左、右手指成圆弧状，内侧贴有橡胶材料；

所述传感系统由红外位置开关、压力传感器、霍尔位置传感器、碰撞传感器组成，所述红外位置开关和压力传感器安装在手指的中央；所述霍尔位置传感器安装在直线轴承上；所述碰撞传感器安装在手指的前端。

本发明猕猴桃采摘末端执行器的工作原理：

电机I带动左右旋丝杠旋转，实现手指做相对靠近或远离的动作，手指内侧贴有橡胶材料，设计成圆弧状，可以增大猕猴桃与手指摩擦力，校正夹持误差，缓冲部分夹持力；电机II带动滚珠丝杠旋转，控制套在滚珠螺母上的内壳做直线运动；电机III动力输出轴通过一根加长轴与外壳相连从而带动末端执行器整体在竖直平面内旋转，旋拧下猕猴桃。

红外位置开关检测猕猴桃的位置，由红外发光二极管和红外一体接收管组成，分别安装在两个手指上，单片机发出脉冲信号控制红外发光二极管发出红外光，当红外发光二极管和一体接收管间无障碍物时，一体接收管输出低电平，有障碍物时，一体接收管接收不到红外信号，输出高电平；压力传感器检测手指夹持力的大小，安装在手指中间，主要元件是力敏电阻，力敏电阻承受的压力值越大，其输出的电压值也就越大，到达一定值后，输出低电平；霍尔位置传感器检测末端执行器位置进行复位，安装在直线轴承和支架上，由霍尔传感芯片和磁块组成，应用霍尔效应原理，磁块靠近时，芯片表面通过的磁通量增加，到达一定值时，输出低电平。碰撞传感器防止手指撞上树枝后对树枝或末端执行器有所损伤，安装在手指指尖位置，原理与压力传感器相同。执行器电机均为步进电机，步进电机易通过脉冲控制其转速和转向，电机I与左右旋丝杠连接，电机II与滚珠丝杠连接，电机III安装在套筒上其动力输出轴与连接在外壳上的加长轴相连，控制系统为单片机系统。

与现有技术相比较，本发明的优点是：通过力觉、距离等多方面传感信息融合感知环境信息，提供控制信息；末端执行器在竖直平面内旋拧采摘果实，减少了检测果柄位姿所带来的麻烦，结构简单，控制难度低。

附图说明

图1为猕猴桃采摘末端执行器结构示意图；

图2为猕猴桃采摘末端执行器另一角度的结构示意图；

图3为猕猴桃采摘末端执行器采摘方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行比较详细的描述：

如图1、图2所示，一种猕猴桃采摘末端执行器，包括机械装置和传感系统，其特征在于，所述机械装置由夹持组合、靠近组合和手臂末端旋转组合组成，所述夹持组合包括左右旋丝杠7、螺母8、手指4、撑杆11、直线轴承12和内壳9，所述手指4套在螺母8上，所述螺母8与左右旋丝杠7的左旋螺纹和右旋螺纹连接，所述左右旋丝杠7一端与内壳9的一侧用轴承连接，另一端与电机I 3的动力输出轴连接，所述直线轴承12固定在所述手指4的后边，撑杆11穿过直线轴承12与内壳9两边侧壁连接；所述靠近组合包括滚珠丝杠19、滚珠螺母17、导轨2、滑块1和外壳13，所述滚珠丝杠19一端穿过外壳13与安装在内壳9上的滚珠螺母17连接，另一端与电机II16连接，所述外壳13上还设有导轨2，所述滑块1套在导轨2上；所述旋转组合包括套筒14、电机III15，电机III15安装在套筒14上，电机III15的动力轴穿过套筒14与外壳13连接；

所述左、右手指成圆弧状，内侧贴有橡胶材料；

所述传感系统由红外位置开关6、压力传感器5、霍尔位置传感器10、碰撞传感器18组成，所述红外位置开关6和压力传感器5安装在手指的中央；所述霍尔位置传感器10安装在直线轴承上；所述碰撞传感器18安装在手指的前端。

为减轻末端执行器的重量，机构非标准件都采用铝合金材料。末端执行器图3为猕猴桃采摘末端执行器采摘方法的流程图，采摘过程具体步骤如下：

1、复位，使机构回到初始位置。控制器带动电机I、电机II、电机III同时开始反转，每个电机带动其运动机构到达初始位置时霍尔传感器会输出低电平给外部中断，从而使单片机控制步进电机停止反转，等待下一步指令。

2、靠近，电机II带动接近猕猴桃，安装在手指末端的红外位置传感器检测到猕猴桃进入手指，控制电机II停止转动。若前进过程中手指撞到树枝等硬物，则由碰撞传感器反馈信号给单片机，发出信号控制手指停止向前运动。

3、夹持，电机I带动手指夹持猕猴桃，安装在手指圆弧中间的压力传感器检测夹持力大小，输出电压与压力大小呈线性变化，夹持压力增大，输出电压也增大，达到设定阈值后信号发生改变，由单片机控制停止夹持。

4、旋拧，安装在末端执行器尾部的电机III连接末端轴，末端轴固定在外壳上，电机旋转带动整个末端执行器在竖直平面做旋转运动，正转半圈再反转半圈旋拧下果实。

5、释放果实，当机械臂带着夹持着果实的末端执行器运动到收获装置上方时，单片机控制手指张开，猕猴桃落入收获装置，完成了采摘猕猴桃的任务。

Claims

1.一种猕猴桃采摘末端执行器，包括机械装置和传感系统，其特征在于，所述机械装置由夹持组合、靠近组合和手臂末端旋转组合组成，所述夹持组合包括左右旋丝杠（7）、螺母（8）、手指（4）、撑杆（11）、直线轴承(12)和内壳（9），所述手指（4）套在螺母（8）上，所述螺母（8）与左右旋丝杠（7）的左旋螺纹和右旋螺纹连接，所述左右旋丝杠（7）一端与内壳（9）的一侧用轴承连接，另一端与电机I （3）的动力输出轴连接，所述直线轴承（12）固定在所述手指（4）的后边，撑杆（11）穿过直线轴承（12）与内壳（9）两边侧壁连接；所述靠近组合包括滚珠丝杠（19）、滚珠螺母（17）、导轨（2）、滑块（1）和外壳（13），所述滚珠丝杠（19）一端穿过外壳（13）与安装在内壳（9）上的滚珠螺母（17）连接，另一端与电机II（16）连接，所述外壳（13）上还设有导轨（2），所述滑块（1）套在导轨（2）上；所述旋转组合包括套筒（14）、电机III（15），电机III（15）安装在套筒（14）上，电机III（15）的动力输出轴穿过套筒（14）与外壳（13）连接；

所述左、右手指成圆弧状，内侧贴有橡胶材料；

所述传感系统由红外位置开关（6）、压力传感器（5）、霍尔位置传感器（10）、碰撞传感器（18）组成，所述红外位置开关（6）和压力传感器（5）安装在手指的中央；所述霍尔位置传感器（10）安装在直线轴承上；所述碰撞传感器（18）安装在手指的前端。