CN105027831A - 一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪，包括软性手指，所述的软性手指包括底面平板和设置在底面平板上的通气管部，通气管部和底面平板之间构成通气道，通气管部一端至另一端设置有若干个梳状凸起，梳状凸起内设置有子通气室，通气道与各个子通气室连通。本发明采用气动驱动的柔性手指，避免了复杂的结构，驱动简单，容易控制；刚性组合的快速靠拢机构，提高了果实抓取速度；简化了结构设计，结构简单，降低了成本，提高了系统的可靠性；采用了柔性手指，与果实接触为柔性，避免了因采摘带来的果实损毁。

Description

一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪

技术领域

本发明涉及水果采摘机械领域，尤其是涉及一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪。

背景技术

传统的水果采摘作业基本都是人工完成，属于关键农时季节性的劳动密集型工作，费用约占整个收获成本的50%～70%.同时由于农村人口结构性短缺，关键农时严重缺乏人手，采用采摘机器人完成果实的采摘是强有力的途径。另一方面，采摘的智能化与自动化是农业现代化的一种必然和趋势，发展采摘机器人可明显改善农业生产环境、弥补农村劳动力不足，对加速农业现代化进行具有重要意义。

在采摘机器人中，机械手爪是机器人的最前端，用于实现果实的抓取和分离等功能，是最关键的部件。现有的采摘手爪，按照其驱动方式可分为全驱动方式和欠驱动方式。全驱动方式时，手爪自由度与驱动数目相同，灵活度高，但其结构复杂，尤其针对不规则立体形状，需要较高的自由度，从而导致其控制系统成本和难度增大，因此往往仅用于形状比较规则的场合，从而对适应不同果实。另一种手爪为欠驱动方式，其驱动器数目少于自由度数目，对于不规则形状的物体的抓取，欠驱动机械手具有简化控制、重量减轻等特点，但是欠驱动方式虽然省去了传统机械手爪上的复杂机械结构，但其抓取效率较低，弯曲速度有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪，实现柑橘、苹果、梨等水果的准确、高效采摘。

为了实现上述目的，本发明提供一种采用柔性手指和刚性加持机构的机械手爪，结构简单，可根据果蔬形状自行进行手爪的设计，驱动控制简单，能够迅速地、灵活地、自适应地抓持不同尺寸和形状的物体。

本发明的特征为：机械手爪包括采用气动驱动的软性手指和采用电机驱动的快速收拢的曲柄滑块和丝杠的组合加持机构。其中软性手指用于物体的抓紧；组合加持结构用于带动软性手指迅速合拢和张开，保证抓取物体的效率。

一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪，包括软性手指，所述的软性手指包括底面平板和设置在底面平板上的通气管部，通气管部和底面平板之间构成通气道，通气管部一端至另一端设置有若干个梳状凸起，梳状凸起内设置有子通气室，通气道与各个子通气室连通。

如上所述的软性手指在根部设置有与通气道连通的进气口，通气道的横截面积自软性手指的根部到端部的方向依次变大；底面平板的厚度自软性手指的根部到端部的方向依次减小。

如上所述的梳状凸起和通气管部的杨氏模量均小于底面平板的杨氏模量。

如上所述的梳状凸起包裹在通气管部外部。

如上所述的梳状凸起和通气管部均为硅橡胶材料，底面平板为聚二甲基硅氧烷材料。

如上所述的底面平板外侧设置有防滑槽。

一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪，还包括加持机构，加持机构包括支座，支座上设置有顶盖，支座和顶盖之间设置有滑块，滑块套设在丝杆上并与丝杆上螺纹适配，丝杆贯穿支座和顶盖，加持机构还包括三角状的曲柄，曲柄一端通过销轴与设置在顶盖上的铰链座连接，另一端通过销轴与连杆一端连接，第三端与软性手指的尾部连接，连杆另一端通过销轴与设置在滑块上的铰链座连接。

一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪，还包括设置在支座和顶盖之间的导向轴，导向轴穿过设置在滑块上的限位圆孔。

本发明还提供一种利用上述装置进行采摘的方法，其包含有下列步骤：

（1）目标果实确定；

（2）手爪快速靠拢；

（3）手指弯曲抓紧；

（4）果实采摘；

为实现上述目的所采用的具体技术方案如下：

与现有的果蔬采摘机械手爪相比，本发明具有以下突出的优点：（1）采用气动驱动的柔性手指，避免了复杂的结构，驱动简单，容易控制；（2）刚性组合的快速靠拢机构，提高了果实抓取速度；（3）简化了结构设计，结构简单，降低了成本，提高了系统的可靠性；（4）采用了柔性手指，与果实接触为柔性，避免了因采摘带来的果实损毁。

附图说明

图1是本发明实例的总体结构示意图；

图2是本发明实例中软性手指自由状态示意图；

图3是本发明实例中软性手指剖面示意图；

图4是本发明实例中软性手指充气前状态示意图；

图5是本发明实例中软性手指充气后状态示意图；

图6是本发明实例的刚性加持机构示意图。

图中：1-软性手指；2-加持机构；11-梳状凸起；12-底面平板；13-腔体；14-进气口；15-通气道；16-子通气室；17-防滑槽；18-通气管部；21-支座；22-顶盖；23-曲柄；24-连杆；25-滑块；26-导向轴；27-丝杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例来对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪，包括软性手指1，所述的软性手指1包括底面平板12和设置在底面平板12上的通气管部18，通气管部18和底面平板12之间构成通气道15，通气管部18一端至另一端设置有若干个梳状凸起11，梳状凸起11内设置有子通气室16，通气道15与各个子通气室16连通。

优选的，软性手指1在根部设置有与通气道15连通的进气口14，通气道15的横截面积自软性手指1的根部到端部的方向依次变大；底面平板12的厚度自软性手指1的根部到端部的方向依次减小。

优选的，梳状凸起11和通气管部18的杨氏模量均小于底面平板12的杨氏模量。

优选的，梳状凸起11包裹在通气管部18外部。

优选的，梳状凸起11和通气管部18均为硅橡胶材料，底面平板12为聚二甲基硅氧烷材料。

优选的，底面平板12外侧设置有防滑槽17。

一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪，还包括加持机构2，加持机构2包括支座21，支座21上设置有顶盖22，支座21和顶盖22之间设置有滑块25，滑块25套设在丝杆27上并与丝杆27上螺纹适配，丝杆27贯穿支座21和顶盖22，加持机构2还包括三角状的曲柄23，曲柄23一端通过销轴与设置在顶盖22上的铰链座连接，另一端通过销轴与连杆24一端连接，第三端与软性手指1的尾部连接，连杆24另一端通过销轴与设置在滑块25上的铰链座连接。

一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪，还包括设置在支座21和顶盖22之间的导向轴26，导向轴26穿过设置在滑块25上的限位圆孔。

实施例2：

根据本发明所阐述的结构和方法，可以用于果蔬采摘，而且可以应用于其它抓取任务中，为了便于叙述，本发明实例以3指布局作为说明。

如图1所示，图示为本发明的机械手爪系统的总体结构示意图，主要包括软性手指1和加持机构2。

如图2所示，图示中为本发明的软性手指未工作的时的状态，软性手指1整体为半圆柱体，其中底面平面12为与被抓取物体的接触面，为了保证抓取时的摩擦力，平面上具有均布的防滑槽17；其圆柱弧形面上为梳状凸起11结构，梳状凸起11里面有子空腔，即子通气室16，工作状态时，子空腔内充满压缩空气。

如图3可知，本发明中的未工作的时的软性手指的剖面图，通气管部18和梳状凸起11一体化设计构成梳状结构件，通气管部18、梳状凸起11与底面平板12之间空间构成腔体13，腔体13包括通气管部18与底面平板12之间的通气道15和梳状凸起11内的子通气室16。其中梳状结构件和底面平板12在制造过程中以粘合在一起，并在指根部形成连通外部的进气口14。梳状结构件采用硅橡胶材料，底面平板12采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料。

如附图3可知，为了加快变形速度，提高手指强度，底面平板12为楔形，使通气道15也为楔形，从指根向指尖，底面平板12厚度逐渐变薄，通气道15通气道则逐渐增厚，即横截面逐渐增大。

如图4和图5所示，图示中为本发明的软性手指未工作和工作时的状态，外部环境大气压为P0，通过进气口14进入的压缩空气气压为P1。未工作时P1=P0，此时内外气压一致，软性手爪保持原始自由状态，保持张开状态。工作时P1>P0，此时由于梳状凸起11和通气管部18的材料杨氏模量小于底面平板12材料的杨氏模量，因此当压缩空气从进气口14进入腔体13后，在此气压的驱动下，腔体13发生形变，向着底面平板12方向弯曲。

软性手指1的变形工作原理如下，梳状凸起11、通气管部18和底面平板12都采用的是软弹性材料，因此当压缩气体通入后，气体通过腔体13的通气道15进入每一个子通气室16，由于压缩空气的压强大于外部气压，从而迫使每个子通气室16变形，此时由于梳状凸起11的材料杨氏模量小于底面平板12材料的杨氏模量，底面平板12会对子通气室形变产生的应力产生抵抗，进而导致整个底面平板12发生弯曲变形。抓取具体物体时，从指根开始接触被抓物体后，此时接触部分不再弯曲，手指上部继续弯曲，直至完全贴合物体表面。

图6是刚性加持机构2示意图，加持机构2主要包括支座21，和支座通过螺纹连接在其上方的顶盖22，二者构成整个结构的箱体；曲柄23为近似三角形的异形零件，一端通过销轴与顶盖上的铰链座连接，另一端与连杆24的一端通过销轴连接，第三端则与软性手指1的尾部通过粘结方式连接；连杆24与滑块25上的铰链座通过销轴连接，滑块25中心为螺纹孔，丝杆27从中穿过，与滑块25形成螺旋运动副，滑块25四周均布三个圆孔，三个导向轴26分别从中穿过，滑块25可以在丝杆27的转动顺着导向轴26上下移动，导向轴26的上下两端与支座21和顶盖22预留的安装孔固定，丝杆27上下两端分别穿过支座21和顶盖22上的中心孔，形成可转动的丝杠轴。穿过支座21的下端的丝杆27的伸出部分，通过联轴器和外部电机轴连接。

刚性加持机构2的工作原理是，丝杆27由外部驱动带动旋转，推动滑块25沿着导向轴26运动，滑块25的运动将带动连杆24以连杆24与滑块25上的销轴为转轴中心做旋转转动，继而带动曲柄23以连杆24与曲柄23上的销轴为转轴中心做旋转摆动，实现柔性手指的快速合拢与打开。

本实施例通过上述装置实现采摘的方法是：初始时，保持软性手指张开状态（一般为水平状）；然后根据外部传感，定位目标，手爪移动到目标，刚性夹持机构迅速工作，带动手指迅速合拢接触目标，同时开始通入压缩空气，但保持压缩空气压强仅为外部压强的1.1～1.3倍，使得手指缓慢弯曲；待手指与目标接触后，加大压缩空气压强为外部压强的1.7～2倍，使得手指完全抓紧目标物体；最后，再根据安装的手臂等其它动作规划，在进行其它操作。

以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (8)

1.一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪，包括软性手指（1），其特征在于，所述的软性手指（1）包括底面平板（12）和设置在底面平板（12）上的通气管部（18），通气管部（18）和底面平板（12）之间构成通气道（15），通气管部（18）一端至另一端设置有若干个梳状凸起（11），梳状凸起（11）内设置有子通气室（16），通气道（15）与各个子通气室（16）连通。

2.根据权利要求1所述的一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪，其特征在于，所述的软性手指（1）在根部设置有与通气道（15）连通的进气口（14），通气道（15）的横截面积自软性手指（1）的根部到端部的方向依次变大；底面平板（12）的厚度自软性手指（1）的根部到端部的方向依次减小。

3.根据权利要求2所述的一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪，其特征在于，所述的梳状凸起（11）和通气管部（18）的杨氏模量均小于底面平板（12）的杨氏模量。

4.根据权利要求3所述的一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪，其特征在于，所述的梳状凸起（11）包裹在通气管部（18）外部。

5.根据权利要求3所述的一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪，其特征在于，所述的梳状凸起（11）和通气管部（18）均为硅橡胶材料，底面平板（12）为聚二甲基硅氧烷材料。

6.根据权利要求4所述的一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪，其特征在于，所述的底面平板（12）外侧设置有防滑槽（17）。

7.根据权利要求1～6所述的任意一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪，其特征在于，还包括加持机构（2），加持机构（2）包括支座（21），支座（21）上设置有顶盖（22），支座（21）和顶盖（22）之间设置有滑块（25），滑块（25）套设在丝杆（27）上并与丝杆（27）上螺纹适配，丝杆（27）贯穿支座（21）和顶盖（22），加持机构（2）还包括三角状的曲柄（23），曲柄（23）一端通过销轴与设置在顶盖（22）上的铰链座连接，另一端通过销轴与连杆（24）一端连接，第三端与软性手指（1）的尾部连接，连杆（24）另一端通过销轴与设置在滑块（25）上的铰链座连接。

8.根据权利要求7所述的一种刚柔混合结构的欠驱动水果采摘机械手爪，其特征在于，还包括设置在支座（21）和顶盖（22）之间的导向轴（26），导向轴（26）穿过设置在滑块（25）上的限位圆孔。