CN105144994A - 一种果实采摘机器人末端执行器 - Google Patents

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一种果实采摘机器人末端执行器，主要由剪刀、滑轨组件、偏心轮滑块组件及低能耗无线控制模块组成，剪刀的动刀片与定刀片在定点铰接，定刀片与滑轨组件的定轨固定连接，偏心轮与连杆、连杆与滑轨、滑轨与动刀片及滑块均用销轴铰接，滑轨在定轨槽中、滑块在定刀片弧形槽中形成点接触滑动，直流减速电机输出轴与偏心轮用紧定螺钉连接，电机驱动偏心轮转动，通过连杆、滑轨、滑块和动刀片的运动，使剪刀做张开与合拢动作，定轨安装在机器人机械臂的转轴上，电机安装在定轨上，电机电气输入端接低能耗无线控制单片机模块端口，用本末端执行器的剪切功能及机器人的移动、伸展和机械臂位姿变换功能，打开手机蓝牙，操作手机，实现遥控采摘高枝果实。

Description

一种果实采摘机器人末端执行器
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末端执行器。
背景技术
采摘机器人的末端执行器是安装在机器人机械臂前端，直接与采摘生物目标相接触，以实现果蔬采摘所需运动和附加功能的装置，是采摘机器人实现果蔬采摘的关键执行部分。目前在水果收获中，果实多为人工采摘，特别是处于较高树枝上的果实采摘，一定要借助采摘工具，或爬上枝头进行人工采摘，采摘的效率低，容易出现人生安全和果实损伤等问题。目前国内用于采摘果实的机器人还处于样机实验研究阶段，而用于采摘果实的采摘器品种较多，如用于采摘处于较高树枝上的果实，如采摘苹果、桃子等较大果实的采摘器。这些采摘器多由直杆和采摘器结合使用，人手握住直杆，按动手柄或拉动绳索使剪刀或切刀剪断果实果柄或挂果果枝。这些采摘器都属于人工采摘果实的工具，其直杆的长度有限，质量较重，手持时间和采摘高度受到限制，而且它们不能作为末端执行器安装在采摘机器人的机械臂上，以便实现果实的机械化和自动化采摘。
发明内容
为了实现机械化和自动化采摘长在较高树枝上的果实，本发明提供一种具有剪刀、滑轨组件、偏心轮滑块组件、直流减速电机和低能耗无线控制模块组成的末端执行器，该末端执行器具有手机遥控剪切果实果柄或挂果果枝的功能，将其安装在机器人的机械臂上，利用机器人平台的移动、伸展自由度及机械臂位姿自由度，打开手机蓝牙，操作手机，实现对杨梅、枇杷等处于较高树枝上果实的机械化和自动化采摘。
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末端执行器，由剪刀、滑轨组件、偏心轮滑块组件、直流减速电机和低能耗无线控制模块组成，其特征是：末端执行器的前端是一个张开、合拢式剪刀，剪刀的定刀片与滑轨组件的定轨连接，定刀片上开有弧形滑槽，动刀片与定刀片用定点销轴铰接，动刀片可绕铰接点摆动，动刀片上铰接点的另一端与滑块、滑轨用销轴铰接，滑块在定刀片的弧形滑槽中移动，由滑槽控制动刀片的张开与合拢定位。剪刀的剪切运动采用的是偏心轮滑块摆杆机构，将偏心轮与连杆、连杆与滑轨、滑轨与动刀片及滑块均用销轴铰接形成机构中的转动副，而滑轨和滑块与定轨槽和定刀片弧形槽形成机构中的高副接触。直流减速电机安装在定轨上，电机轴与偏心轮孔配合，用紧定螺钉定位和固定，由直流减速电机驱动机构中的偏心轮转动，由偏心轮、连杆、滑轨、滑块和动刀片的运动传递，使剪刀作张开与合拢动作。
本末端执行器的动刀片与定刀片、偏心轮与连杆、连杆与滑轨均用销轴螺钉组件铰接为动连接，滑轨与动刀片及放置在定刀片弧形槽中的滑块一起用销轴螺钉组件铰接为动连接。
滑轨组件采用二节钢珠抽屉轨道，该轨道由定轨、滑轨、钢珠和保持架组成，其中定轨的前端与剪刀的定刀片用螺钉固定连接，后端与机器人机械臂转轴用螺钉固定连接，直流减速电机与垫板用胶水粘贴固定在定轨的后端偏心轮中心下方处。
由于滑轨组件采用钢珠抽屉轨道，其定轨轨道槽中两侧内有钢珠，所以滑轨移动灵活，此外，抽屉轨道结构紧凑，刚性强，其定轨和滑轨上的安装孔可用于连接定刀片、直流减速电机、机械臂转轴、连杆、滑块和动刀片。
在直流减速电机电气输入端接低能耗无线控制单片机模块端口，打开手机蓝牙，操作手机，可以无线控制直流减速电机的转数，正反转，停止和启动等命令，实现遥控采摘处于较高树枝上的果实。
本末端执行器的工作原理和结构为：末端执行器是一个偏心轮滑块摆杆机构，其偏心轮为原动件，剪刀的动刀片是摆杆，为输出件，在电机的驱动下，剪刀的动刀片绕定点摆动，实现剪刀的张开与闭合运动。具体来说，电机轴转动使偏心轮转动，通过连杆使滑轨向前或向后运动，驱动与滑轨铰接的滑块沿定刀片的弧形滑槽移动，从而使与滑块铰接的动刀片绕定刀片定点摆动。
机构自由度的分析和计算如下：首先，滑轨与滑块组成的转动副是机构中的局部自由度，计算机构自由度时该局部自由度应去除不计，并且滑轨和滑块虚拟固联成为一个构件。第二，滑轨-滑块和定刀片滑槽两边的两点高副接触，其中一点为虚约束，应只算一个高副约束。此外，滑轨和滑块视为一个构件，滑轨和定轨的滑动也视为虚约束。第三，计算机构自由度时，机构的原动件为偏心轮构件，机构的活动构件(n)有偏心轮、连杆、滑轨-滑块和动刀片4个活动构件，定轨和定刀片为机架构件，机构的低副数(PL)为5，其中有机架(定轨)和偏心轮、偏心轮和连杆、连杆和滑轨-滑块、滑轨-滑块和动刀片以及动刀片和机架(定刀片)所组成的5个转动副，高副数(PH)为滑轨-滑块与机架的高副接触，所以机构自由度(F)的计算式为：F＝3n-2PL-PH＝3×4-2×5-1＝1。计算结果为机构自由度等于1，且机构的原动件数与自由度数相等，该机构的运动确定。第四，由于末端执行器固定在机械臂的转轴上，末端执行器依靠机械臂转轴的转动自由度，使末端执行器具有上下摆动的自由度，所以本末端执行器，实际上具有摆动和剪切二个运动自由度，这更加适宜在不移动机器人的情况下，而快速采摘处于高度相差不多的果实，以提高采摘效率。
本发明的有益效果是，将本末端执行器安装在机器人机械臂上，通过低能耗无线控制单片机模块，控制直流电机转动，驱动末端执行器机构运动，实现剪切处于较高树枝上的果实果柄与果枝，对高枝水果，如杨梅、枇杷等果实的机械化和自动化采摘具有实际意义。
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是本末端执行器主视图。
图2是本末端执行器后视图。
图3是本末端执行器A-A位置剖视图。
图中1.定刀片，2.动刀片，3.滑块，4.定点销轴，5.滑轨，6.定轨，7.钢珠及保持架，8.连杆，9.偏心轮，10.机械臂转轴，11.低能耗无线控制单片机模块，12.直流减速电机，13.垫板，14.定刀片固定螺钉，15.转轴连接螺钉，16.紧定螺钉，17.偏心轮销轴螺钉组件，18.连杆滑轨销轴螺钉组件，19.滑块销轴螺钉组件，20.连杆垫圈，21.滑块垫圈
具体实施方式
在图1、图2和图3中，末端执行器前端的剪刀副，其动刀片(2)与定刀片(1)用定点销轴(4)铰接，动刀片可绕该定点摆动。从滑轨组件中先取出滑轨(5)，将定刀片(1)用定刀片固定螺钉(14)与定轨(6)连接固定，然后再把滑轨装入定轨轨道。用滑块销轴螺钉组件(19)将滑轨(5)、动刀片(2)和滑块(3)铰接在一起，在滑轨和动刀片之间放有滑块垫圈(21)，以保证滑轨在同一平面上运动，而滑块卡在定刀片弧形槽中，铰接好后，来回推动滑轨能使滑块在弧形槽中来回移动。在末端执行器后端处，定轨(6)与机械臂转轴(10)用转轴连接螺钉(15)连接固定，末端执行器依靠机械臂转轴(10)的转动，使末端执行器可以绕机械臂转轴上下摆动。定轨(6)上装有直流减速电机(12)，因为定轨厚度薄，所以电机(12)与定轨之间加有垫板(13)，电机与垫板，垫板与定轨之间用金属粘胶剂固定，电机(12)的输出轴与偏心轮(9)的孔配合，并用紧定螺钉(16)定位和固定。连杆(8)一端装在偏心轮(9)的端面上，用销轴螺钉组件(17)铰接，另一端与滑轨(5)用连杆滑轨销轴螺钉组件(18)铰接，连杆与滑轨之间装有垫圈(20)，以保证连杆在同一平面上运动。
滑轨组件采用二节钢珠抽屉轨道，其结构紧凑，刚性好。该轨道由滑轨(5)、定轨(6)、钢珠及保持架(7)组成，钢珠在定轨轨道两边，同时与定轨和滑轨接触，使滑轨与定轨的平面摩擦变为滚动摩擦，减少滑轨运动摩擦阻力，使滑轨前后运动灵活自如。
电机(12)的电气输入线与低能耗无线控制单片机模块(11)的输入端口相连，该模块盒放置在机器人本体结构平台上，通过模块的软、硬件系统与蓝牙无线传输功能，操作手机按钮，遥控剪刀张开和合拢的剪切运动。

Claims (4)

1.一种果实采摘机器人末端执行器，由剪刀、滑轨组件、偏心轮滑块组件、直流减速电机和低能耗无线控制模块组成，其特征是：剪刀的动刀片与定刀片在定点铰接，偏心轮与连杆铰接，连杆与滑轨铰接，滑轨与动刀片、滑块铰接，滑轨在定轨槽中、滑块在定刀片弧形槽中形成点接触滑动，直流减速电机输出轴与偏心轮用紧定螺钉连接，直流减速电机驱动偏心轮转动，通过偏心轮、连杆、滑轨、滑块和动刀片的运动，使剪刀做张开与合拢动作，直流减速电机的电气输入端接低能耗无线控制单片机模块端口。
2.根据权利要求1所述的果实采摘机器人末端执行器，其特征是：剪刀的剪切运动采用偏心轮滑块摆杆机构，动刀片与定刀片、偏心轮与连杆、连杆与滑轨均用销轴螺钉组件铰接为动连接，滑轨与动刀片及放置在定刀片弧形槽中的滑块一起用销轴螺钉组件铰接为动连接。
3.根据权利要求1所述的果实采摘机器人末端执行器，其特征是：滑轨组件采用由定轨、滑轨、钢珠和保持架组成的二节钢珠抽屉轨道，定轨的前端与定刀片用螺钉固定连接，后端与机器人机械臂转轴用螺钉固定连接，直流减速电机与垫板用胶水粘贴固定在定轨的后端偏心轮中心下方处。
4.根据权利要求1所述的果实采摘机器人末端执行器，其特征是：低能耗无线控制单片机模块放置在机器人平台上，打开手机蓝牙，操作手机可以无线控制直流减速电机的转数、正反转、停止和启动命令。
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