CN102806565B - 一种果实采摘机器人机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种果实采摘机器人机械臂。双连杆组成大臂，其关节电机置于U型座上，电机输出轴与大臂直连杆用联轴器连接，大臂曲连杆与U型座用CF轴承铰接，构成大臂转动关节，小臂关节电机固定在曲连杆上，小同步带轮装在该电机输出轴上，双连杆的另一端与关节轴铰接，在关节轴的一端装配大同步带轮，由同步带减速传动带动固定在关节轴上的小臂转动，构成小臂转动关节，在小臂连杆上固定滑轨、齿条和电机，齿轮与齿条传动构成小臂移动关节，滑轨端部铰接舵机构成腕部关节，转盘与电机连接构成旋转关节。本机械臂具有5个自由度，整体刚性强，与果实采摘机器人的升降平台和末端执行器连接，能以人机协调方式完成杨梅、枇杷等果实的机械化采摘。
Description
技术领域
本发明涉及农业果蔬采摘机器人技术领域，尤其是一种果实采摘机器人机械臂。
背景技术
目前国内外的工业机器人品种较多，广泛用于焊接、装配、搬运、自动上下料等工业制造业场合，机器人的机械臂多采用关节机械臂，其大臂安装在机座上，大、小臂为2轴旋转关节，即有2个伺服电机驱动，2个关节做旋转运动，实现机械手末端执行器的位姿要求。用于农业果蔬采摘机器人的机械臂，目前国外如日本的工、农业机器人的机械臂，其构造种类各不相同，但以关节臂具多，而国内用于采摘果实的机器人机械臂，如“一种山核桃采摘机器人机械臂(CN102396326A)”也是以关节臂为主。但是，由于农业果蔬采摘机器人的作业环境与要求不尽相同，一种果蔬采摘一般要对应一种机械臂，如上所述的山核桃采摘机器人机械臂，适宜于采摘果实处于20米之高的树枝上，而这种机械臂的主臂就会较长，机械臂没有伸缩功能，所以并不适合采摘处于中等树高及以下的果实，如杨梅、枇杷等果实，而且不适宜装载在机器人的移动底盘上。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有转动和直行关节的机械臂，该机械臂可安装在机器人升降平台或移动底盘上，与机器人末端执行器连接，实现杨梅、枇杷等较高树种果实的机械化采摘。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种果实采摘机器人机械臂，由转盘旋转关节、大臂和小臂转动关节、小臂移动关节和腕部关节组成的5自由度机械臂，其特征是：由双连杆组成的大臂放置在U型座的两边，大、小臂关节电机置于U型座与双杆之间，大臂关节电机的输出轴与大臂直连杆用联轴器连接，大臂曲连杆与U型座用CF轴承铰接，构成大臂转动关节，在曲连杆靠近支座附近处，固定小臂关节电机，小同步带轮装在该电机输出轴上，在大臂双杆另一端的内侧面上固定轴承座，关节轴用轴承座支撑并与双杆构成铰接，在关节轴伸出曲连杆一端端部上装配大同步带轮，同步带装配在大、小同步带轮上，由同步带减速传动带动小臂转动，构成小臂转动关节，小臂连杆固定在关节轴的中间部位，在小臂连杆上固定滑轨副的滑道，在滑轨副的滑轨上固定齿条，与齿条啮合的齿轮与电机轴连接，以齿轮与齿条传动带动滑轨移动来增加小臂伸展长度，构成小臂移动关节，滑轨端部依次与支板、舵机支架连接，舵机支架与舵机铰接，构成腕部关节，转盘与转盘电机用联轴器连接构成旋转关节。
大、小臂转动关节、转盘旋转关节和小臂移动关节的电机采用直流减速电机。
小臂滑轨副采用抽屉滑轨，小臂滑轨上的齿条采用同步带，齿轮采用同步带轮，同步带齿条与滑轨用螺钉与胶水粘贴固定连接。
同步带轮与电机轴、关节轴用紧定螺钉固定连接。
大臂关节电机依次固定在U型座和转盘上，转盘电机固定在平台板上，移动电机依次固定在电机支板和小臂连杆上。
为了提高机械臂整体结构刚性，大臂双连杆用若干加强板连接。
为了有效减轻机器人机械臂的重量，除电机、同步带和螺钉连接件以外，其余零件均采用铝合金材料。
本机械臂的工作原理和结构为：机械臂整体结构通过转盘电机驱动可以绕铅垂轴转动，以适应机器人机械臂可以360°旋转采摘果实，大臂关节和小臂关节的转动自由度，以及小臂的移动关节自由度，可以使机械臂在竖直平面内作转动和移动，使机械臂伸展和收缩，以适应处于不同高度的果实采摘，而小臂端部设有腕部转动关节，可与采摘末端执行器连接构成上下转动的腕部自由度，能更好地实现末端执行器的采摘位姿要求。因为大臂设置较长，关节电机质量大，所以采用大臂双杆结构，大、小臂关节电机放置在转盘和大臂连杆下端，双杆之间放置加强板，使机械臂整体刚性加强。
本发明的有益效果是，本机械臂具有4个转动自由度，1个移动自由度，为5自由度机械臂，大臂双杆结构，整体刚性强，该机械臂能与果实采摘机器人的其它部分，如升降平台或者移动底盘以及末端执行器连接，以人机协调采摘方式完成杨梅、枇杷等果实的机械化采摘。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明整体构造轴测图。
图2是果实采摘机器人机械臂整体构造俯视图
图3是果实采摘机器人机械臂的大臂和转盘局部主视图。
图中1.转盘电机，2.U型座，3.CF轴承，4.大臂曲连杆，5.小同步带轮，6.电机垫板，7.小臂关节电机，8.同步带，9.加强板，10.大同步带轮，11.关节轴，12.小臂连杆，13.滑轨副，14.齿条，15.支板，16.舵机支架，17.舵机，18.移动关节电机，19.电机支板，20.齿轮，21.轴承座，22.大臂直连杆，23.联轴销，24.大臂关节电机，25.转盘，26.平台板，27.联轴器
具体实施方式
在图1和图2中，大臂关节电机(24)放置在U型座(2)中，电机与U型座用螺钉连接，电机(24)输出轴与大臂直连杆(22)用联轴销(23)连接，使电机转动时大臂能灵活转动，大臂曲连杆(4)与U型座用CF轴承(3)铰接，使电机转动时，大臂曲连杆能同直连杆同步转动，两个大臂连杆之间加若干加强板(9)并用螺钉连接，增强大臂连杆的刚性。
在大臂曲连杆(4)靠近下端的内侧面上装配小臂关节电机(7)，小臂关节电机与曲连杆(4)、电机垫板(6)用螺钉紧固在曲连杆上，电机(7)输出轴上装配小同步带轮(5)，用紧定螺钉、垫圈和轴套作小同步带轮(5)的周向和轴向固定。在直连杆(22)和曲连杆(4)另一端的内侧面上，分别固定有轴承座(21)，关节轴(11)装配在两个轴承座中，关节轴与直连杆、曲连杆形成铰接，关节轴伸出曲连杆一端上装配大同步带轮(10)，用紧定螺钉、垫圈和螺母作大同步带轮(10)的周向和轴向固定，同步带(8)装配在大、小同步带轮(10、5)上，通过同步带减速传动，使小臂关节轴(11)作转动。
小臂连杆(12)一端与关节轴(11)在中间部位用螺钉连接，在连杆(12)上用螺钉固定抽屉滑轨副(13)的轨道，同步带齿条(14)与滑轨副(13)的滑轨，采用螺钉与胶水粘贴固定连接。移动关节电机(18)用螺钉固定在电机支板(19)上，电机支板用螺钉固定在小臂连杆(12)靠近前端位置上，同步带齿轮(20)装配在电机(18)的输出轴上，用紧定螺钉、垫圈和螺母作周向和轴向固定，并与同步带齿条(14)配合，电机作正、反转运动，通过齿轮齿条传动，实现小臂的伸长和收缩。在滑轨副(13)的滑轨上，依次用螺钉固定支板(15)和舵机支架(16)，舵机(17)输出轴与舵机支架(16)铰接，构成腕部关节，舵机上的自带连接孔可与机器人末端执行器连接。
在图3中，U型座(2)与转盘(25)用螺钉连接，转盘电机(1)安装在平台板(26)上，平台板可以是机器人升降平台的动平台板，也可以是机器人移动底盘的平台板，转盘电机(1)输出轴与转盘(25)用联轴器(27)连接，构成转盘关节，当转盘电机(1)转动时，机械臂整体结构可以随转盘转动。
Claims (7)
1.一种果实采摘机器人机械臂，由转盘旋转关节、大臂和小臂转动关节、小臂移动关节和腕部关节组成的5自由度机械臂，其特征是：大臂双连杆由大臂直连杆和大臂曲连杆组成，由双连杆组成的大臂放置在U型座的两边，大、小臂关节电机置于U型座与双杆之间，大臂关节电机的输出轴与大臂直连杆用联轴器连接，大臂曲连杆与U型座用CF轴承铰接，构成大臂转动关节，在曲连杆靠近支座附近处，固定小臂关节电机，小同步带轮装在该电机输出轴上，在大臂双连杆另一端的内侧面上固定轴承座，关节轴用轴承座支撑并与双连杆构成铰接，在关节轴伸出曲连杆一端端部上装配大同步带轮，同步带装配在大、小同步带轮上，由同步带减速传动带动小臂转动，构成小臂转动关节，小臂连杆固定在关节轴的中间部位，在小臂连杆上固定滑轨副的滑道，在滑轨副的滑轨上固定齿条，与齿条啮合的齿轮与电机轴连接，以齿轮与齿条传动带动滑轨移动来增加小臂伸展长度，构成小臂移动关节，滑轨端部依次与支板、舵机支架连接，舵机支架与舵机铰接，构成腕部关节，转盘与转盘电机用联轴器连接构成旋转关节。
2.根据权利要求1所述的果实采摘机器人机械臂，其特征是：大、小臂转动关节、转盘旋转关节和小臂移动关节的电机采用直流减速电机。
3.根据权利要求1所述的果实采摘机器人机械臂，其特征是：小臂滑轨副采用抽屉滑轨，小臂滑轨上的齿条采用同步带，齿轮采用同步带轮，同步带齿条与滑轨用螺钉与胶水粘贴固定连接。
4.根据权利要求1所述的果实采摘机器人机械臂，其特征是：同步带轮与电机轴、关节轴用紧定螺钉固定连接。
5.根据权利要求1所述的果实采摘机器人机械臂，其特征是：大臂关节电机依次固定在U型座和转盘上，转盘电机固定在平台板上，移动电机依次固定在电机支板和小臂连杆上。
6.根据权利要求1所述的果实采摘机器人机械臂，其特征是：大臂双连杆用若干加强板连接。
7.根据权利要求1所述的果实采摘机器人机械臂，其特征是：除电机、同步带和螺钉连接件以外，其余零件均采用铝合金材料。
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