CN102550217A - 新型收获机器人末端执行器及柔性控制方法 - Google Patents

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李萍萍
杨志波
杨红玲
刘继展
赵波
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一种新型收获机器人末端执行器及其柔性控制方法，涉及收获机器人领域。末端执行器仅用一个伺服电机按照作业顺序分别拖动手指抓取机构和果梗分离机构完成果实抓取与果梗分离任务；手指内侧的两个压力传感器采用上下平行式布置方式，手指面上方的压力传感器实时监测手指对果实的抓取力大小，手指面下方的压力传感器实时检测果实在手指面上的滑动状况；手指内侧黏贴具有一定厚度的海绵垫，防止快速抓取时手指与果实高速碰撞；果梗分离机构采用独特的V型剪刀式刀片结构，通过刀刃与果梗的高速碰撞剪断果梗；果梗分离时依据编码器所反馈的伺服电机转速变化规律判断果梗是否被剪断。本发明结构简单，设计合理，新颖独特，能够实现果实的柔性收获。

Description

新型收获机器人末端执行器及柔性控制方法
技术领域
本发明涉及收获机器人领域，特别涉及一种新型收获机器人末端执行器及柔性控制方法。
背景技术
目前，小麦、玉米和水稻等农作物的收获都已基本实现机械化，大大降低了人类的劳动强度，然而果蔬的机械化收获所面临的主要难点为收获后果蔬的过载机械损伤和跌落损伤较大，导致其货架期明显缩短。收获机器人的末端执行器是与果蔬直接接触的部件，因而如何改进末端执行器的机械结构和控制方法有效防止和降低果蔬的机械损伤成为近年来国内外的研究热点。目前国内外常见的收获机器人末端执行器如：水果采摘机器人末端执行器(中国，CN101669423B)、果蔬采摘机器人末端执行器(中国，CN101238775B和CN100512621，韩国，KR20020078311(A))、苹果采摘机器人末端执行器(中国，CN101395989B)、草莓采摘机器人末端执行器(韩国，KR100784830(B1))和番茄收获机器人末端执行器(日本，JP2001145412(A))等，大多数末端执行器的防过载损伤和防滑动跌落损伤能力较弱，智能化程度不高；末端执行器依据执行机构的数量确定使用电机的数目，自动化和集成度较低；手指抓取机构的指面内侧主要黏贴橡胶材料，面向特定果蔬采摘时逐显柔韧性不足，此外果梗分离机构主要采用采用扭断和折断，对果蔬抓紧力需求较大，易造成果蔬过载损伤，从而导致末端执行器的作业效果不佳。
发明内容
为了克服现有收获机器人末端执行器作业效果不佳以及集成化、自动化和智能化程度不高的缺陷，本发明提供了一种新型收获机器人末端执行器及其柔性控制方法，通过选用微型电磁离合器和制动器自动化控制元件、改进手指抓取机构的传动结构和果梗分离机构的刀片结构、采用编码器反馈检测果梗分离效果和改变手指内侧压力传感器的布置方式以及手指面黏贴材料，提高收获机器人末端执行器的集成化、自动化和智能化水平，进而实现果实的柔性收获。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该末端执行器通过使用微型电磁离合器和制动器克服单个电机不能拖动多个执行元件实现自由运动的局限性，使末端执行器仅用一个直流伺服电机便可按照作业顺序分别拖动手指抓取机构和果梗分离机构完成果实抓取与果梗分离任务，此外还采用内置的齿轮齿条式手指传动机构，减小末端执行器的整体几何尺寸；手指内侧的两个压力传感器采用上下平行式布置方式，位于手指面上方的压力传感器实时监测手指对果实抓取力，位于手指面下方的压力传感器实时检测果实在手指面上的滑动状况；手指内侧黏贴具有一定厚度的海绵垫，防止快速抓取时手指与果实高速碰撞；果梗分离机构采用独特的V型剪刀式刀片结构，通过刀刃与果梗的高速碰撞剪断果梗；果梗分离过程中依据编码器所反馈的伺服电机转速变化规律判断果梗是否被剪断，进而决定果梗分离机构的执行动作。
本发明的有益效果是：微型电磁离合器和制动器的选用克服了末端执行器依据执行机构数量确定电机数目的局限性，提高了末端执行器的自动化水平。末端执行器中伺服电机数目的减少和手指传动机构的改进有利于末端执行器的高度集成。果梗分离机构中V型刀片结构的独特设计、使用编码器检测果梗分离效果、采用特殊的压力传感器布置方式防止果实滑落和选用海绵材料贴于手指内侧增强手指的抓取柔性和可靠性，提高了末端执行器的作业效果以及智能化水平。该新型机器人末端执行器结构简单，设计合理，新颖独特，能够实现果实的柔性收获。
附图说明
图1为本发明新型收获机器人末端执行器的系统结构图，图2为图1所示结构中手指抓取机构的结构图，图3为图1所示结构中果梗分离机构的结构图，图4为图3所示结构中V型刀片的结构图。
图1中：1.压力传感器，2.压力传感器，3.手指抓取机构，4.下支撑体，5.压力传感器，6.压力传感器，7.锂电池组，8.变压与稳压模块，9.运动控制器，10.驱动器，11.计算机，12.摄像头，13.壳体，14.上支撑体，15.距离传感器，16.果梗分离机构。
图2中：3-1.左手指海绵垫，3-2.左手指，3-3.连接板，3-4.齿条，3-5.电磁制动器，3-6.电磁离合器，3-7.微型直流伺服电机，3-8.齿轮，3-9.齿条，3-10.连接板，3-11.右手指，3-12.右手指海绵垫，3-13.支撑杆，3-14.支撑杆。
图3中：16-1.V型刀片，16-2.导杆，16-3.支撑体，16-4.电磁离合器，16-5.齿轮，16-6.螺杆，16-7.轴承，16-8.传动块，16-9.齿轮，16-10.导杆，16-11.连接件。
图4中：16-1-1.右刀背前沿，16-1-2.左刀背前沿，16-1-3.左刀背，16-1-4.左刀刃，16-1-5.螺孔，16-1-6.螺孔，16-1-7.右刀刃，16-1-8.右刀背。
具体实施方式
新型收获机器人末端执行器(图1)由机械系统、控制系统、感知系统和供电系统组成，其中机械系统由手指抓取机构(3)、果梗分离机构(16)和支撑机构(4、13和14)组成；控制系统由计算机(11)、运动控制器(9)、驱动器(10)、电磁离合器(3-6和16-4)、电磁制动器(3-5)和微型直流伺服电机(3-7)组成；供电系统由锂电池组(7)和变压与稳压模块(8)组成；感知系统由压力传感器(1、2、5和6)、摄像头(12)和距离传感器(15)组成。
手指抓取机构(3)如图2所示，包括左手指海绵垫(3-1)、左手指(3-2)、连接板(3-3和3-10)、齿条(3-4和3-9)、齿轮(3-8)、右手指(3-11)、右手指海绵垫(3-12)和支撑杆(3-13和3-14)。左手指海绵垫(3-1)和压力传感器(1和2)贴于左手指(3-2)的内侧，左手指(3-2)和齿条(3-4)分别通过螺钉与连接板(3-3)固定，左手指(3-2)内侧的压力传感器(1)和压力传感器(2)采用上下平行式布置方式；右手指海绵垫(3-12)和压力传感器(5和6)贴于右手指(3-11)的内侧，右手指(3-11)和齿条(3-9)分别通过螺钉与连接板(3-10)固定，右手指(3-11)内侧的压力传感器(5)和压力传感器(6)采用上下平行式布置方式；左手指(3-2)内侧的压力传感器(2)和右手指(3-11)内侧的压力传感器(6)实时测定手指对果实的抓取力，当果实向下滑动时，左手指(3-2)内侧的压力传感器(1)和右手指(3-11)内侧的压力传感器(5)测定的压力值逐渐增大。上支撑体(14)和下支撑体(4)通过支撑杆(3-13和3-14)、齿条(3-4和3-9)将连接体(3-3和3-10)压在上下支撑体之间，电磁离合器(3-6)合上，电机(3-7)通过齿轮(3-8)拖动齿条(3-9)和齿条(3-4)做直线运动，进而实现左手指(3-2)和右手指(3-11)的相对平行直线运动。由于海绵的弹性模量通常小于果实和手指材料的弹性模量，故在左手指(3-2)和右手指(3-11)抓取果实时，左手指海绵垫(3-1)和右手指海绵垫(3-12)分别自动依据其与果实接触部位的形状压缩变形，使左手指(3-2)和右手指(3-11)自适应抓紧果实，左手指海绵垫(3-1)和右手指海绵垫(3-12)与果实之间的接触形式为面接触。
果梗分离机构(16)如图3所示，包括V型刀片(16-1)、导杆(16-2和16-10)、支撑体(16-3)、齿轮(16-5和16-9)、螺杆(16-6)、轴承(16-7)、传动块(16-8)和连接件(16-11)。电磁离合器(3-6)和齿轮(16-9)安装在电机(3-7)的输出轴上，齿轮(16-5)通过螺钉固定在电磁离合器(16-4)的电枢单元外侧，电磁离合器(16-4)的法兰通过螺钉固定在支撑体(16-3)的左侧耳子上，齿轮(16-9)和齿轮(16-5)通过外齿啮合增速传动，螺杆(16-6)通过安装在支撑体(16-3)左右两侧耳子中的轴承支撑，V型刀片(16-1)通过连接件(16-11)与导杆(16-2和16-10)相连接，导杆(16-2和16-10)与安装在螺杆(16-6)上的传动块(16-8)通过螺钉连接。电磁离合器(3-6)分离，电磁离合器(16-4)合上，电机(3-7)通过齿轮(16-9)和齿轮(16-5)的啮合传动拖动螺杆(16-6)高速旋转，传动块(16-8)和螺杆(16-6)之间通过螺旋传动推动导杆(16-2和16-10)和V型刀片(16-1)做直线运动。伺服电机(3-7)通过齿轮传动(16-5和16-9)和螺旋传动(16-6和16-8)拖动V型刀片(16-1)剪切果梗时，其速度变化规律为：0(启动)-高(碰撞前，空载向前)-低(碰撞，负载向前)-高(剪断后，空载向前)-0(到达最大行程，停止)，果梗被剪断后，伺服电机(3-7)托拖动V型刀片(16-1)向前运动的速度变化规律为：0(启动)-高(空载向前)-0(到达最大行程，停止)，果梗分离过程中可依据编码器所反馈的伺服电机转速变化规律判断果梗是否被剪断。
V型刀片(16-1)如图4所示，包括右刀背前沿(16-1-1)、左刀背前沿(16-1-2)、左刀背(16-1-3)、左刀刃(16-1-4)、螺孔(16-1-5和16-1-6)、右刀刃(16-1-7)和右刀背(16-1-8)。左刀背前沿(16-1-2)和右刀背前沿(16-1-1)构成第一级V型结构，左刀刃(16-1-4)和右刀刃(16-1-7)构成第二级V型结构，左刀刃(16-1-4)和右刀刃(16-1-7)的横截面成直角三角形，左刀刃(16-1-4)的下表面和右刀刃(16-1-7)的上表面相切，类似剪刀的结构。当果梗位于第一级V型结构所包围的区域内时，V型刀片(16-1)的快速向前移动迫使果梗首先被自动收拢到第二级V型结构的入口处，而后在第二级V型结构所包围的区域内被左刀刃(16-1-4)和右刀刃(16-1-7)快速剪断。
新型收获机器人末端执行器作业时，其柔性控制方法为：摄像头(12)感知果实的成熟度及所处空间姿态，距离传感器(15)感知果实到末端执行器的距离；计算机(11)依据感知系统所获得的信息通过运动控制器(9)控制末端执行器到达预定位姿；运动控制器(9)控制微型直流伺服电机(3-7)顺时针转动，电磁离合器(3-6)合上，电机(3-7)通过齿轮(3-8)拖动齿条(3-9)和齿条(3-4)做相向直线运动，进而实现左手指(3-2)和右手指(3-11)的相向平行直线运动，开始合拢；左手指海绵垫(3-1)和右手指海绵垫(3-12)分别自动依据其与果实接触部位的形状压缩变形，使左手指(3-2)和右手指(3-11)自适应抓紧果实。左手指(3-2)内侧的压力传感器(2)和右手指(3-11)内侧的压力传感器(6)实时测定手指对果实的抓取力，左手指(3-2)内侧的压力传感器(1)和右手指(3-11)内侧的压力传感器(5)实时检测果实是否开始向下滑动，若存在手指抓取力过大或果实有向下滑动的迹象，立即将该信息反馈给计算机(11)，重复手指抓取过程，直至左手指(3-2)和右手指(3-11)抓紧果实，电磁制动器(3-5)将齿轮(3-8)制动，电磁离合器(3-6)分离。电磁离合器(16-4)合上，电机(3-7)通过齿轮(16-9)和齿轮(16-5)的啮合增速传动拖动螺杆(16-6)顺时针高速旋转，传动块(16-8)和螺杆(16-6)之间通过螺旋传动推动导杆(16-2和16-10)和V型刀片(16-1)做向前的快速直线运动，V型刀片(16-1)与果梗高速碰撞后剪断果梗，而后返回初始位置。果梗分离过程中通过编码器所反馈的伺服电机(3-7)转速变化规律判断果梗是否被剪断，若存在果梗未被剪断，立即将该信息反馈给计算机(11)，重复上述果梗分离过程，直至果梗被完全剪断，电磁离合器(16-4)分离，完成一个工作循环。

Claims (5)

1.一种新型收获机器人末端执行器及其柔性控制方法，其特征在于：新型收获机器人末端执行器的机械系统由手指抓取机构(3)、果梗分离机构(16)和支撑机构(4、13和14)组成，控制系统由计算机(11)、运动控制器(9)、驱动器(10)、电磁离合器(3-6和16-4)、电磁制动器(3-5)和微型直流伺服电机(3-7)组成，感知系统由压力传感器(1、2、5和6)、摄像头(12)和距离传感器(15)组成；手指抓取机构(3)包括左手指海绵垫(3-1)、左手指(3-2)、连接板(3-3和3-10)、齿条(3-4和3-9)、齿轮(3-8)、右手指(3-11)、右手指海绵垫(3-12)和支撑杆(3-13和3-14)；果梗分离机构(16)包括V型刀片(16-1)、导杆(16-2和16-10)、支撑体(16-3)、齿轮(16-5和16-9)、螺杆(16-6)、轴承(16-7)、传动块(16-8)和连接件(16-11)。
2.根据权利要求1所述的新型收获机器人末端执行器，其特征在于：末端执行器通过选用电磁离合器(3-6和16-4)和电磁制动器(3-5)，仅用一个伺服电机(3-7)便可按照作业顺序分别拖动手指抓取机构(3)和果梗分离机构(16)完成果实抓取与果梗分离任务。
3.根据权利要求1所述的新型收获机器人末端执行器，其特征在于：左手指(3-2)内侧贴有海绵垫(3-1)和压力传感器(1和2)，右手指(3-11)内侧贴有海绵垫(3-12)和压力传感器(5和6)；左手指(3-2)内侧的压力传感器(1和2)与右手指(3-11)内侧的压力传感器(5和6)采用上下平行式布置方式，左手指(3-2)内侧的压力传感器(2)和右手指(3-11)内侧的压力传感器(6)实时测定手指对果实的抓取力，左手指(3-2)内侧的压力传感器(1)和右手指(3-11)内侧的压力传感器(5)实时检测果实是否向下滑动。
4.根据权利要求1所述的新型收获机器人末端执行器，其特征在于：V型刀片(16-1)的左刀背前沿(16-1-2)和右刀背前沿(16-1-1)构成第一级V型结构，左刀刃(16-1-4)和右刀(16-1-7)构成第二级V型结构，左刀刃(16-1-4)和右刀刃(16-1-7)的横截面成直角三角形，左刀刃(16-1-4)的下表面和右刀刃(16-1-7)的上表面相切；当果梗位于第一级V型结构所包围的区域内时，V型刀片(16-1)的快速向前移动迫使果梗首先被自动收拢到第二级V型结构的入口处，而后在第二级V型结构所包围的区域内被左刀刃(16-1-4)和右刀刃(16-1-7)快速剪断。
5.根据权利要求1所述的新型收获机器人末端执行器，其特征在于：果梗分离过程中依据编码器反馈的伺服电机(3-7)转速变化规律判断果梗是否被剪断。
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