CN105580561B - 一种自适应欠驱动采摘末端执行装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自适应欠驱动采摘末端执行装置及方法，装置中的手部执行机构包括一个手掌和多个手指，各手指的下端分别与手掌活动连接，各手指沿手掌的直径方向滑动，各手指的上端设有可换向的V形指端，V形指端包括指节换向钮、第一活动指节和第二活动指节，第一活动指节和第二活动指节之间为角度可调的固定连接，第二活动指节与指节换向钮铰接，指节换向钮与手指上端连接。其方法是手掌中的卷线筒通过两条卷绕方向相反的钢丝绳带动手指向果实靠拢或松开果实，同时带动V形指端、手指和手掌转动，实现果实扭转分离。本发明能自适应果实外形的不规则性，与果实保持六点稳定接触，抓持定位精度高，易于控制，并可有效避免果实的机械损伤。

Description

一种自适应欠驱动采摘末端执行装置及方法

技术领域

本发明涉及蔬果采摘技术领域，特别涉及一种适用于类球形、类锥形、类圆柱形等绕竖直中心轴线有一定对称性的果实的自适应欠驱动采摘末端执行装置及方法。

背景技术

果实采摘是一个季节性较强和劳动密集型的工作，目前普遍采用的人工采摘方式，存在劳动量大、有一定的作业危险性、人工短缺等问题。短期内果实如果不能及时采收，容易导致果实腐烂，从而造成果农经济受损，因此提高采摘作业机械化程度有重要的意义。

末端执行机构是采摘机器人或采摘机械实现果蔬采摘的关键执行部分。目前常用的末端执行器系统复杂，质量偏重。为了同时兼顾灵活性和轻便性，国内外专家学者提出了欠驱动机构，欠驱动机构是指驱动器的数目少于关节自由度的数目，欠驱动机械手具有简化控制、减轻重量、降低能耗及降低制作成本等优点，因此受到研究者的青睐。

但目前具有较好通用性和适用性的欠驱动方式的采摘末端执行器发展并不成熟，应用也较少。如申请号为201420085765.5的实用新型申请公开了一种适应性果实采摘机械手，运用钢丝绳实现夹持和剪切的相继进行，夹持部分为柔性结构以提高果实的自适应性并且保证果实不会被夹伤，花型剪刀剪切具有一定的自适应性，增加了采摘的准确性，但该装置结构复杂、设备成本较高，且夹持和剪切的时差不太易把握，容易造成错误采摘，采摘准确率不高。申请号为201210217928.6的发明申请公开了一种欠驱动采摘机械手末端执行器装置，叙述了三种不同的欠驱动方案，一是采用双向直线步进电机，直接用一个电机实现直线运动和转动，结构简单但控制较繁琐、成本较高；二是采用步进电机驱动一对锥齿轮实现转动，同时驱动一对齿轮齿条实现直线运动，易于控制但结构复杂，同时移动转动摘取果实对果皮损伤较大；三是采用步进电机驱动电磁丝杠作直线运动，离合器闭合实现转动，传感器测力控力精确实现果蔬无损采摘，但该装置控制较繁琐、结构复杂、成本较高。该装置的夹持机构与很多具有果实自适应性的采摘机构一样，运用连杆机构实现果实的自适应性，结构复杂且不易把握。申请号为201310651649.5的发明申请公开了一种欠驱动采摘末端执行装置及方法，应用欠驱动原理实现三爪转动夹紧和扭转分离果实，其结构控制和工作原理较为简单，但主要面向类球形果实，采用固定的三抓转动夹持方式，与果实三点接触，当果实外形不规则程度较大时，其抓持定位精度低，抓持稳定性程度差，因此应用面也较为狭窄。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自适应欠驱动采摘末端执行装置，该装置对果实外形适应范围更广，且能自适应果实外形的不规则性，与果实保持六点稳定接触，抓持定位精度高，易于控制，并可有效避免果实的机械损伤。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述末端执行装置实现的自适应欠驱动采摘末端执行方法。

本发明的技术方案为：一种自适应欠驱动采摘末端执行装置，包括手部执行机构、驱动机构和支座组件，手部执行机构通过支座组件与驱动机构连接，其中，手部执行机构包括一个手掌和多个手指，各手指的下端分别与手掌活动连接，各手指沿手掌的直径方向滑动，各手指的上端设有可换向的V形指端，V形指端包括指节换向钮、第一活动指节和第二活动指节，第一活动指节和第二活动指节之间为角度可调的固定连接，第二活动指节与指节换向钮铰接，指节换向钮与手指上端连接。其中，第一活动指节上的销轴可相对第二活动指节上的孔转动，使二者夹角在180°范围内任意可调，然后再通过螺钉固定连接。第二活动指节与活动指节换向钮之间通过第一销钉连接，形成转动副。V形指端上，指节换向钮上的销轴可相对手指上端的通孔转动，实现V形指端相对手指转动方向任意可调，再通过螺钉将指节换向钮和手指固定连接。

所述手掌包括中心圆筒和外延部，外延部的数量与手指数量相同，各外延部为沿着中心圆筒直径方向向外延伸的长方形块状结构，各外延部上设有滑槽，手指的下端设有滑块，滑块与滑槽之间间隙配合，每个手指下端对应设于一个外延部的滑槽内。

所述手掌上，中心圆筒内部设有卷线筒，外延部的滑槽内设有第一钢丝绳和第二钢丝绳，滑槽的外端设有手指换向滚筒，手指下端设有第一通孔和第二通孔，第一钢丝绳的一端穿过第一通孔后固定于手指下端，第一钢丝绳的另一端缠绕于卷线筒上，第二钢丝绳的一端穿过第二通孔后，绕过手指换向滚筒，再固定于手指下端，第二钢丝绳的另一端也缠绕于卷线筒上，第一钢丝绳的缠绕方向与第二钢丝绳的缠绕方向相反。

所述卷线筒正向转动时，卷绕第一钢丝绳，第一钢丝绳带动手指沿着滑槽向靠近中心圆筒的方向运动；卷线筒反向转动时，放松第一钢丝绳，第一钢丝绳带动手指沿着滑槽向远离中心圆筒的方向运动。

所述第一通孔和第二通孔分别为矩形通孔；卷线筒中部设有传动轴，传动轴通过联轴器与驱动机构连接。

所述末端执行装置还包括连接组件，连接组件设于手部执行机构与支座组件的连接处；连接组件包括防掉块、橡胶块和锁紧螺钉，防掉块上部通过锁紧螺钉与手部执行机构中的手掌固定连接，防掉块位于支座组件的外侧，防掉块与支座组件相接的间隙中设有橡胶块，橡胶块位于间隙的下部。

所述支座组件包括电机支座和连接支座，电机支座顶部与手掌相接，连接支座顶部与电机支座底部相连接，连接支座底部外接采摘机械手；

电机支座的外周分布有多个连接组件，手掌中任意相邻的两个外延部之间设有一个连接组件。

所述V形指端中，第一活动指节和第二活动指节之间形成小于180°的夹角，第一活动指节和第二活动指节的内侧面上分别设有指端垫片，即指端垫片固定粘贴在第一活动指节和第二活动指节与果实接触的表面上。

作为一种优选方案，所述手指有三个，手指上端的V形指端中，第一活动指节和第二活动指节沿竖直方向放置或沿水平方向放置。相应地，手掌上设有三个外延部，三个手指下端两侧的矩形导向块与三个外延部的滑槽间隙配合，形成移动副连接。

所述驱动机构为电机，电机固定安装于电机支座上，电机的输出轴通过联轴器与卷线筒的传动轴连接，传动轴顶端与卷线筒固定连接。

本发明通过上述末端执行装置实现一种自适应欠驱动采摘末端执行方法，包括以下步骤：

(1)当末端执行装置处于初始状态时，各手指处于手掌的滑槽外端，V形指端根据果实形状和大小预先调节好指节换向钮方向及第一活动指节和第二活动指节之间的角度，整个指端处于自由向下状态；

(2)当采摘机械手检测到成熟的果实后，末端执行装置运动至果实处，此时，驱动机构带动卷线筒转动卷绕第一钢丝绳，带动手指沿滑槽向靠近手掌的中心圆筒方向运动，同时，卷线筒转动松开第二钢丝绳，手指下端拉动第二钢丝绳，V形指端自适应六点夹紧果实；

(3)手部执行机构夹紧果实后，第一钢丝绳停止卷绕，驱动机构带动果实和整个手部执行机构相对于支座组件转动，实现果实的扭转分离；

(4)果实摘取后，卷线筒反向转动卷绕第二钢丝绳，同时松开第一钢丝绳，第二钢丝绳拉动手指反向平行移动并松开果实，同时手指下端拉动第一钢丝绳，手指及V形指端复位。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、本自适应欠驱动采摘末端执行装置及方法应用欠驱动原理，运用钢丝绳灵活实现先平动夹紧果实，再将果实扭转分离，整个工作过程控制简单，成本低，先平动夹紧后扭转分离的工作方式可减小装置对果实的损伤，可较好地适应我国现有的农业现状，应用范围较广。

2、本自适应欠驱动采摘末端执行装置利用钢丝绳实现三指平行移动夹持方式，有利于提高夹持定位精度，适于采用夹持扭转分离方式的类球形、类锥形，类圆柱形等果实，通用性强。

3、本自适应欠驱动采摘末端执行装置可通过适当拧紧螺钉调节电机支座连接处橡胶块的压力，使其与电机支座的摩擦力大于手指底部沿手掌滑槽平动的摩擦力实现装置先平动夹紧再扭转分离，减小对果皮的伤害，同时，橡胶块与电机支座的摩擦力小于夹紧果实之后手部执行机构作径向运动的阻力，实现果实和手部执行机构一起旋转，通过该结构较好地控制指部机构对果实的夹持力度和扭转力度，避免果实损伤的现象。

4、本自适应欠驱动采摘末端执行装置采用三对可转动的V形指端夹持果实，可灵活调整V形指端夹持方向和V形夹角，能自适应果实外形的不规则性，与果实保持六点接触，实现稳定夹持果实。

5、本自适应欠驱动采摘末端执行装置中，连接手指的钢丝绳选择固定在手指底部，使卷线筒的位置相对较低，可以实现整个末端执行装置的结构更加轻便简单。

附图说明

图1是本末端执行装置的总体结构示意图。

图2是本末端执行装置中手指和V形指端的结构示意图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是图3的B-B剖视图。

图5是图1的手掌、驱动机构和支座组件的俯视图。

图6是图5的C-C剖视图。

图7是图5的D-D剖视图。

图8是图7中第一钢丝绳和第二钢丝绳在滑槽内的结构示意图。

图9是本末端执行装置中V形指端的一种夹持方式示意图。

图10是本末端执行装置中V形指端的另一种夹持方式示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例一种自适应欠驱动采摘末端执行装置，包括手部执行机构、驱动机构和支座组件，手部执行机构通过支座组件与驱动机构连接，其中，如图1所示，手部执行机构包括一个手掌1和多个手指2，各手指的下端分别与手掌活动连接，各手指沿手掌的直径方向滑动，各手指的上端设有可换向的V形指端3，如图2或图3所示，V形指端包括指节换向钮4、第一活动指节5和第二活动指节6，第一活动指节和第二活动指节之间为角度可调的固定连接，第二活动指节与指节换向钮铰接，指节换向钮与手指上端连接。其中，第一活动指节上的销轴可相对第二活动指节上的孔转动，使二者夹角在180°范围内任意可调，然后再并通过螺钉7固定连接(如图4所示)。第二活动指节与活动指节换向钮之间通过第一销钉8连接，形成转动副。V形指端上，指节换向钮上的销轴可相对手指上端的通孔转动，实现V形指端相对手指转动方向任意可调，再通过螺钉将指节换向钮和手指固定连接。V形指端中，第一活动指节和第二活动指节之间形成小于180°的夹角，第一活动指节和第二活动指节的内侧面上分别设有指端垫片26，即指端垫片固定粘贴在第一活动指节和第二活动指节与果实接触的表面上。第一活动指节和第二活动指节可沿竖直方向放置(如图10所示)或沿水平方向放置(如图9所示)。

如图5所示，手掌包括中心圆筒1-1和外延部1-2，外延部的数量与手指数量相同，本实施例中均为3个，各外延部为沿着中心圆筒直径方向向外延伸的长方形块状结构，各外延部上设有滑槽1-3，手指的下端设有滑块2-1(如图2所示)，滑块与滑槽之间间隙配合，每个手指下端对应设于一个外延部的滑槽内，形成移动副连接。滑槽外端部与第二销钉9固定连接，第二销钉与手指换向滚筒10间隙配合形成转动副，手掌滑槽外侧与滑槽端盖27通过螺钉固定连接。

手掌上，如图7所示，中心圆筒内部设有卷线筒11，外延部的滑槽内设有第一钢丝绳12和第二钢丝绳13(如图8所示)，滑槽的外端设有手指换向滚筒10，手指下端设有第一通孔14和第二通孔15，第一钢丝绳的一端穿过第一通孔后固定于手指下端，第一钢丝绳的另一端缠绕于卷线筒上，第二钢丝绳的一端穿过第二通孔后，绕过手指换向滚筒，再固定于手指下端，第二钢丝绳的另一端也缠绕于卷线筒上，第一钢丝绳的缠绕方向与第二钢丝绳的缠绕方向相反。卷线筒正向转动时，卷绕第一钢丝绳，第一钢丝绳带动手指沿着滑槽向靠近中心圆筒的方向运动；卷线筒反向转动时，放松第一钢丝绳，第一钢丝绳带动手指沿着滑槽向远离中心圆筒的方向运动。第一通孔和第二通孔分别为矩形通孔；卷线筒中部设有传动轴16，传动轴通过联轴器17与驱动机构(即图7所示的电机18)连接。电机固定安装于电机支座上，电机的输出轴通过联轴器与卷线筒的传动轴连接，传动轴顶端与卷线筒固定连接。滑槽与中心圆筒相接的端部设有第三销钉19和第四销钉20，手指下端的第一钢丝绳从第三销钉和第四销钉中间穿过，再与卷线筒固定连接，手指下端的第二钢丝绳绕过手指换向滚筒，再从第三销钉和第四销钉中间穿过，按电机正转方向绕卷线筒一圈后，与卷线筒固定连接。手掌下部圆筒内孔与电机支座上部圆筒的外圆柱面间隙配合，手掌与电机支座通过三个对称均布的连接组件形成转动副连接。

如图5或图6所示，末端执行装置还包括连接组件，连接组件设于手部执行机构与支座组件的连接处；连接组件包括防掉块21、橡胶块22和锁紧螺钉23，防掉块上部通过锁紧螺钉与手部执行机构中的手掌固定连接，防掉块位于支座组件的外侧，防掉块与支座组件相接的间隙中设有橡胶块，橡胶块位于间隙的下部。该结构中，防掉块上部通过锁紧螺钉与手掌固定连接，下部侧面与支座组件的电机支座间夹有橡胶块，下部端面与支座组件的电机支座上端面配合，实现轴向定位约束。

支座组件包括电机支座24和连接支座25，电机支座顶部与手掌相接，连接支座顶部与电机支座底部相连接，连接支座底部外接采摘机械手；电机支座的外周分布有多个连接组件，手掌中任意相邻的两个外延部之间设有一个连接组件，如图5所示。

本自适应欠驱动采摘末端执行装置使用时，工作原理为：驱动机构中电机正转，卷线筒卷绕第一钢丝绳，同时松开第二钢丝绳，带动三个指部机构沿手掌外延部的滑槽平行移动向果实靠拢，三个对称可转动的V形指端自适应果实外形，六点定位夹紧果实；第一钢丝绳停止卷绕，卷线筒带动三个手指、果实和手掌一起相对电机支座转动，实现果实扭转分离；电机反转带动卷线筒卷绕第二钢丝绳，同时松开的第一钢丝绳，拉动手指反向平行移动松开果实。

通过上述末端执行装置可实现一种自适应欠驱动采摘末端执行方法，包括以下步骤：

(1)当末端执行装置处于初始状态时，各手指处于手掌的滑槽外端，V形指端根据果实形状和大小预先调节好指节换向钮方向及第一活动指节和第二活动指节之间的角度，整个指端处于自由向下状态；

(2)当采摘机械手检测到成熟的果实后，末端执行装置运动至果实处，此时，驱动机构带动卷线筒转动卷绕第一钢丝绳，带动手指沿滑槽向靠近手掌的中心圆筒方向运动，同时，卷线筒转动松开第二钢丝绳，手指下端拉动第二钢丝绳，V形指端自适应六点夹紧果实(由于第二活动指节与指节换向钮铰接，当果实外形不规则时，第一活动指节和第二活动指节能适应果实外形绕铰接中心旋转，使第一活动指节和第二活动指节始终都能与果实有接触点)；

(3)手部执行机构夹紧果实后，第一钢丝绳停止卷绕，驱动机构带动果实和整个手部执行机构相对于支座组件转动，实现果实的扭转分离；

(4)果实摘取后，卷线筒反向转动卷绕第二钢丝绳，同时松开第一钢丝绳，第二钢丝绳拉动手指反向平行移动并松开果实，同时手指下端拉动第一钢丝绳，手指及V形指端复位。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (8)

1.一种自适应欠驱动采摘末端执行装置，包括手部执行机构、驱动机构和支座组件，手部执行机构通过支座组件与驱动机构连接，其特征在于，手部执行机构包括一个手掌和多个手指，各手指的下端分别与手掌活动连接，各手指沿手掌的直径方向滑动，各手指的上端设有可换向的V形指端，V形指端包括指节换向钮、第一活动指节和第二活动指节，第一活动指节和第二活动指节之间为角度可调的固定连接，第二活动指节与指节换向钮铰接，指节换向钮与手指上端连接；

所述手掌包括中心圆筒和外延部，外延部的数量与手指数量相同，各外延部为沿着中心圆筒直径方向向外延伸的长方形块状结构，各外延部上设有滑槽，手指的下端设有滑块，滑块与滑槽之间间隙配合，每个手指下端对应设于一个外延部的滑槽内；

所述手掌上，中心圆筒内部设有卷线筒，外延部的滑槽内设有第一钢丝绳和第二钢丝绳，滑槽的外端设有手指换向滚筒，手指下端设有第一通孔和第二通孔，第一钢丝绳的一端穿过第一通孔后固定于手指下端，第一钢丝绳的另一端缠绕于卷线筒上，第二钢丝绳的一端穿过第二通孔后，绕过手指换向滚筒，再固定于手指下端，第二钢丝绳的另一端也缠绕于卷线筒上，第一钢丝绳的缠绕方向与第二钢丝绳的缠绕方向相反。

2.根据权利要求1所述一种自适应欠驱动采摘末端执行装置，其特征在于，所述卷线筒正向转动时，卷绕第一钢丝绳，第一钢丝绳带动手指沿着滑槽向靠近中心圆筒的方向运动；卷线筒反向转动时，放松第一钢丝绳，第二钢丝绳带动手指沿着滑槽向远离中心圆筒的方向运动。

3.根据权利要求1所述一种自适应欠驱动采摘末端执行装置，其特征在于，所述第一通孔和第二通孔分别为矩形通孔；卷线筒中部设有传动轴，传动轴通过联轴器与驱动机构连接。

4.根据权利要求1所述一种自适应欠驱动采摘末端执行装置，其特征在于，所述末端执行装置还包括连接组件，连接组件设于手部执行机构与支座组件的连接处；连接组件包括防掉块、橡胶块和锁紧螺钉，防掉块上部通过锁紧螺钉与手部执行机构中的手掌固定连接，防掉块位于支座组件的外侧，防掉块与支座组件相接的间隙中设有橡胶块，橡胶块位于间隙的下部。

5.根据权利要求4所述一种自适应欠驱动采摘末端执行装置，其特征在于，所述支座组件包括电机支座和连接支座，电机支座顶部与手掌相接，连接支座顶部与电机支座底部相连接，连接支座底部外接采摘机械手；

电机支座的外周分布有多个连接组件，手掌中任意相邻的两个外延部之间设有一个连接组件。

6.根据权利要求1所述一种自适应欠驱动采摘末端执行装置，其特征在于，所述V形指端中，第一活动指节和第二活动指节之间形成小于180°的夹角，第一活动指节和第二活动指节的内侧面上分别设有指端垫片。

7.根据权利要求1所述一种自适应欠驱动采摘末端执行装置，其特征在于，所述手指有三个，手指上端的V形指端中，第一活动指节和第二活动指节沿竖直方向放置或沿水平方向放置。

8.根据权利要求1～7任一项所述末端执行装置实现一种自适应欠驱动采摘末端执行方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)当末端执行装置处于初始状态时，各手指处于手掌的滑槽外端，V形指端根据果实形状和大小预先调节好指节换向钮方向及第一活动指节和第二活动指节之间的角度，整个指端处于自由向下状态；

(2)当采摘机械手检测到成熟的果实后，末端执行装置运动至果实处，此时，驱动机构带动卷线筒转动卷绕第一钢丝绳，带动手指沿滑槽向靠近手掌的中心圆筒方向运动，同时，卷线筒转动松开第二钢丝绳，手指下端拉动第二钢丝绳，V形指端自适应六点夹紧果实；

(3)手部执行机构夹紧果实后，第一钢丝绳停止卷绕，驱动机构带动果实和整个手部执行机构相对于支座组件转动，实现果实的扭转分离；

(4)果实摘取后，卷线筒反向转动卷绕第二钢丝绳，同时松开第一钢丝绳，第二钢丝绳拉动手指反向平行移动并松开果实，同时手指下端拉动第一钢丝绳，手指及V形指端复位。