CN106717534A - 一种欠驱动果蔬采摘末端执行器装置及采摘方法 - Google Patents

一种欠驱动果蔬采摘末端执行器装置及采摘方法 Download PDF

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Abstract

一种欠驱动果蔬采摘末端执行器装置及采摘方法，该装置由手掌、基座、手指、支撑杆、底板、第一步进电机、联轴器、丝杆螺母、升降平台、驱动杆、侧安装板、第二步进电机、同步带装置及刀具组成；手掌上固定2‑4个手指基座，基座上铰接有手指；手掌下方和支撑杆固定，支撑杆另一端和底板固定连接，底板上固定有第一步进电机，电机通过联轴器和丝杆螺母连接，螺母和升降平台固定连接，升降平台和驱动杆一端铰接，另一端和手指铰接；手掌侧面和侧安装板一端垂直连接，另一端和底板侧面垂直连接，侧安装板上固定有同步带装置，其主动轮和第二步进电机连接，从动轮和刀具铰接；本发明还公开了采摘方法；本发明具有结构简单，控制方便，可多位姿抓取果实，快速切割果梗的特点。

Description

一种欠驱动果蔬采摘末端执行器装置及采摘方法
技术领域
本发明涉及机器人末端执行器领域，特别涉及一种欠驱动果蔬采摘末端执行器装置及采摘方法。
背景技术
在我国农业生产中，蔬菜和水果分别是第二、三大种植作物，是很多地区经济发展的重要支柱产业。果蔬采摘作为农业生产中最耗时耗力的一个环节，约占整个生产过程作业量的40％。劳动强度高，人工采摘成本高且果蔬的季节性强，因此农业采摘机器人的应用是解决存在问题与现状矛盾的根本出路。
现在的末端执行器中，两指末端执行器存在手指尺寸大，抓取不稳定的问题；多指末端执行器采用多个动力源，使得末端执行器机构体积、重量较大，难以保证产品的可靠性。对于剪切果梗机构，大多需要首先进行果梗的识别定位，使得果实采摘抓取时间变长，采摘效率低。欠驱动末端执行器作为未来的发展方向，目前许多国内外科研机构均对其进行了研究，它通过减少驱动器的数量，减轻了机构重量，减小了机构体积，从而降低了成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种欠驱动果蔬采摘末端执行器装置及采摘方法，该装置通过手指基座上不同的安装孔，实现手掌和手指基座两种不同位姿的连接：三指对心、两指和另外一个手指平行的位姿。在三指对心的状态下，通过电机对驱动杆进行驱动，带动手指相向运动闭拢，实现包络抓取，并配合机械臂的旋拧实现果实的采摘；在两手指和另一个手指处于平行的状态，通过电机对驱动杆进行驱动，带动手指相向运动，然后通过机械臂折断果梗或者通过果梗剪切装置剪切果梗，实现不同位姿的抓取，方便不同种类的果蔬采摘，具有一定的通用性和实用性。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种欠驱动果蔬采摘末端执行器装置，包括手掌5、均匀分布并固定在手掌5上的2‐4个手指基座4、手指基座4上安装的具有结构相同的手指，所述手指有三个关节，分别为近指节3、中指节2和远指节1，每个关节与果蔬接触的一侧粘有力传感器18和防止关节损坏的橡胶17，其中，近指节3一端和手指基座4铰接，近指节3另一端和中指节2一端通过连杆机构连接，中指节2另一端和远指节1一端通过连杆机构连接；所述手掌5下方，均匀分布并固定有多根长度相同的支撑杆15，支撑杆15另一端和底板12固定连接，底板12下表面和第一步进电机11接触并固定连接，且底板12下表面的几何中心和第一步进电机11与之相接触的表面几何中心重合，底板12中心开有直径大于第一步进电机11轴径的孔，便于电机轴通过，第一步进电机11通过联轴器13和丝杆螺母14连接，丝杆螺母14的移动部分和升降平台16固定连接且两者的中心重合，升降平台16上方均匀铰接有与手指数量相同的驱动杆6，驱动杆6的另一端和近指节1铰接；所述手掌5侧面和侧安装板9上端垂直并固定连接，侧安装板9的长度大致等于手掌5和底板12之间的距离，侧安装板9下端和底板12侧面固定连接，侧安装板9上固定有同步带装置8，同步带装置包括主动轮、皮带和从动轮，主动轮和从动轮的轴线均和侧安装板9的面垂直，且主从动轮中心的连线和侧安装板9的长度方向平行，保证皮带传动过程中的良好受力，同步带装置8的主动轮和第二步进电机10连接，从动轮和刀具7铰接。
所述手掌5上均布三个手指基座4，手指基座4与手掌5固定连接的部分开有两组在圆周上呈60度分布的安装孔，基座4的两组安装孔分别和手掌5对应的安装孔通过螺栓连接，实现手指的对心抓取和平行抓取。
所述远指节1和中指节2、中指节2和近指节3之间安装有限制相对转动的扭簧19，且扭簧19安装时，有初始转矩。
所述底板12在同步带装置8的主从动轮中心的连线之间设计有限制刀具转动的突出小块I。
欠驱动果实采摘末端执行器装置的采摘的方法，所述第一步进电机11通电，电机11正转，通过联轴器13带动丝杆螺母14转动，丝杆螺母14将第一步进电机11的转动转化为丝杆螺母14的移动，带动与螺母连接的升降平台16向上移动，升降平台16推动与之相铰接的驱动杆6顺时针运动，驱动杆6带动与之铰接的近指节3弯曲接触果实II，继续增大的驱动力使得近指节3和中指节2之间的扭簧19开始扭转，中指节2开始运动，直到中指节2接触果实II，驱动力继续增加，使得中指节2和远指节1之间的扭簧19也开始扭转，然后远指节1接触果实II，完成抓取；然后，第二步进电机10通过同步带装置8带动刀具7旋转剪切果梗，完成果实II采摘；刀具7继续旋转，直到接触到突出小块I后，第二步进电机10停止转动，刀具7停止转动；然后，第一步进电机11反转，通过联轴器13带动与螺母连接的升降平台16向下移动，升降平台16推动与之相铰接的驱动杆6逆时针运动，驱动杆6带动与之铰接的近指节3松开果实II，便于后续的果实处理。
第一步进电机11、第二步进电机10的转速是根据电机的脉冲频率进行控制的；为了避免手指接触力过大，损伤果实II，采用力传感器18获取各个手指的接触力，当手指表面的力传感器18到达设定的抓取力，将信号反馈给第一步进电机11，控制电机11停止运动，实现果实II抓取。
本发明具有的有益效果是：
与现有采摘末端执行器装置相比，本发明的欠驱动果蔬采摘末端执行器装置结构设计合理，不但可以完成果实的包络抓取，还可以完成果实的平行抓取，具有一定的通用性；运用带轮传动带动刀具旋转切割果梗，无需进行果梗的识别和定位。本发明装置结构简单，操作方便，控制灵活且成本低廉。将此末端执行器安装在机械臂上可实现稳定、高效的采摘。
附图说明
图1是本发明的欠驱动果蔬采摘末端执行器装置手指对心装配示意图。
图2是本发明的欠驱动果蔬采摘末端执行器装置手指平行装配示意图。
图3是本发明的手指内部结构图。
其中：1、远指节；2、中指节；3、近指节；4、手指基座；5、手掌；6、驱动杆；7、刀具；8、同步带装置；9、侧安装板；10、第二步进电机；11、第一步进电机；12、底板；13、联轴器；14、丝杆螺母；15、支撑杆；16、升降平台；17、橡胶；18、力传感器；19、扭簧；I：突出小块；II：果实。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1、图2和图3所示，一种欠驱动果蔬采摘末端执行器装置，包括手掌5、均匀分布并固定在手掌5上的2‐4个手指基座4(本实施例为三个手指基座4)、手指基座4上安装的具有结构相同的手指，所述手指有三个关节，分别为近指节3、中指节2、远指节1，每个指节与果蔬接触的一侧粘有橡胶17和力传感器18，其中，近指节3一端和手指基座4铰接，近指节3另一端和中指节2通过连杆机构连接，中指节2另一端和远指节1通过连杆机构连接；所述手掌5下方，均匀分布并固定有三根长度相同的支撑杆15，支撑杆15另一端和底板12固定连接，底板12下表面和第一步进电机11接触并固定连接，且底板12下表面的几何中心和第一步进电机11与之相接触的表面几何中心重合，底板12中心开有直径大于第一步进电机11轴径的孔，便于电机轴通过，第一步进电机11通过联轴器13和丝杆螺母14连接，丝杆螺母14的移动部分和升降平台16固定连接且两者的中心重合，升降平台16上方均匀铰接有与手指数量相同的驱动杆6，驱动杆6的另一端和近指节1铰接；所述手掌5侧面和侧安装板9上端垂直并固定连接，侧安装板9的长度大致等于手掌5和底板12之间的距离，侧安装板9下端和底板12侧面固定连接，侧安装板9上固定有同步带装置8，同步带装置包括主动轮、皮带、从动轮，主动轮和从动轮的轴线均和侧安装板9的面垂直，且主从动轮中心的连线和侧安装板9的长度方向平行，保证皮带传动过程中的良好受力，同步带装置8的主动轮和第二步进电机10连接，从动轮和刀具7铰接。
作为本发明的优选实施方式，所述手掌5上均布三个手指基座4，手指基座4与手掌5固定连接的部分开有两组在圆周上呈60度分布的安装孔，基座4的两组安装孔分别和手掌5对应的安装孔通过螺栓连接，实现手指的对心抓取(如图1所示)和平行抓取(如图2所示)。
作为本发明的优选实施方式，所述远指节1和中指节2、中指节2和近指节3之间安装有限制相对转动的扭簧19，且扭簧19安装时，有初始转矩。
作为本发明的优选实施方式，所述底板12在同步带装置8的主从动轮中心的连线之间设计有限制刀具转动位置的突出小块I。
欠驱动果实采摘末端执行器装置的采摘方法，所述第一步进电机11通电，电机11正转，通过联轴器13带动丝杆螺母14转动，丝杆螺母14将第一步进电机11的转动转化为螺母的移动，带动与螺母连接的升降平台16向上移动，升降平台16推动与之相铰接的驱动杆6顺时针运动，驱动杆6带动与之铰接的近指节3弯曲接触果实II，继续增大的驱动力使得近指节3和中指节2之间的扭簧19开始扭转，中指节2开始运动，直到中指节2接触果实II，驱动力继续增加，使得中指节2和远指节1之间的扭簧19也开始扭转，然后远指节1接触果实II，完成抓取。然后，第二步进电机10通过同步带装置8带动刀具7旋转剪切果梗，完成果实II采摘；刀具7继续旋转，直到接触到突出小块I后，第二步进电机10停止转动，刀具7停止转动，然后，第一步进电机11反转，通过联轴器13带动与螺母连接的升降平台16向下移动，升降平台16推动与之相铰接的驱动杆6逆时针运动，驱动杆6带动与之铰接的近指节3松开果实II，便于后续的果实处理。
第一步进电机11、第二步进电机10的转速是根据电机的脉冲频率进行控制的；为了避免手指接触力过大，损伤果实II，采用力传感器18获取各个手指的接触力，当手指表面的力传感器18到达设定的抓取力，将信号反馈给第一步进电机11，控制电机11停止运动，实现果实II抓取。

Claims (7)

1.一种欠驱动果蔬采摘末端执行器装置，其特征在于：包括手掌(5)、均匀分布并固定在手掌(5)上的2-4个手指基座(4)、手指基座(4)上安装的具有结构相同的手指，所述手指有三个关节，分别为近指节(3)、中指节(2)和远指节(1)，每个关节与果蔬接触的一侧粘有力传感器(18)和防止关节损坏的橡胶(17)，其中，近指节(3)一端和手指基座(4)铰接，近指节(3)另一端和中指节(2)一端通过连杆机构连接，中指节(2)另一端和远指节(1)一端通过连杆机构连接；所述手掌(5)下方，均匀分布并固定有多根长度相同的支撑杆(15)，支撑杆(15)另一端和底板(12)固定连接，底板(12)下表面和第一步进电机(11)接触并固定连接，第一步进电机(11)通过联轴器(13)和丝杆螺母(14)连接，丝杆螺母(14)的移动部分和升降平台(16)固定连接且两者的中心重合，升降平台(16)上方均匀铰接有与手指数量相同的驱动杆(6)，驱动杆(6)的另一端和近指节(1)铰接；所述手掌(5)侧面和侧安装板(9)上端垂直并固定连接，侧安装板(9)的长度大致等于手掌(5)和底板(12)之间的距离，侧安装板(9)下端和底板(12)侧面固定连接，侧安装板(9)上固定有同步带装置(8)，同步带装置包括主动轮、皮带和从动轮，主动轮和从动轮的轴线均和侧安装板(9)的面垂直，且主从动轮中心的连线和侧安装板(9)的长度方向平行，保证皮带传动过程中的良好受力，同步带装置(8)的主动轮和第二步进电机(10)连接，从动轮和刀具(7)铰接。
2.如权利要求1所述欠驱动果蔬采摘末端执行器装置，其特征在于：所述手掌(5)上均布三个手指基座(4)，手指基座(4)与手掌(5)固定连接的部分开有两组在圆周上呈60度分布的安装孔，基座(4)的两组安装孔分别和手掌(5)对应的安装孔通过螺栓连接，实现手指的对心抓取和平行抓取。
3.如权利要求1所述欠驱动果蔬采摘末端执行器装置，其特征在于：所述远指节(1)和中指节(2)、中指节(2)和近指节(3)之间安装有限制相对转动的扭簧(19)，且扭簧(19)安装时，有初始转矩。
4.如权利要求1所述欠驱动果蔬采摘末端执行器装置，其特征在于：所述底板(12)在同步带装置(8)的主从动轮中心的连线之间设计有限制刀具(7)转动的突出小块(I)。
5.如权利要求1所述欠驱动果蔬采摘末端执行器装置，其特征在于：所述底板(12)下表面的几何中心和第一步进电机(11)与之相接触的表面几何中心重合，底板(12)中心开有直径大于第一步进电机(11)轴径的孔，便于电机轴通过。
6.权利要求1至5任一项所述的欠驱动果实采摘末端执行器装置的采摘方法，其特征在于：
所述第一步进电机(11)通电，第一步进电机(11)正转，通过联轴器(13)带动丝杆螺母(14)转动，丝杆螺母(14)将第一步进电机(11)的转动转化为螺母的移动，带动与丝杆螺母(14)连接的升降平台(16)向上移动，升降平台(16)推动与之相铰接的驱动杆(6)顺时针运动，驱动杆(6)带动与之铰接的近指节(3)弯曲接触果实(II)，继续增大的驱动力使得近指节(3)和中指节(2)之间的扭簧(19)开始扭转，中指节(2)开始运动，直到中指节(2)接触果实(II)，驱动力继续增加，使得中指节(2)和远指节(1)之间的扭簧(19)也开始扭转，然后远指节(1)接触果实(II)，完成抓取；然后，第二步进电机(10)通过同步带装置(8)带动刀具(7)旋转剪切果梗，完成果实(II)采摘；刀具(7)继续旋转，直到接触到突出小块(I)后，第二步进电机(10)停止转动，刀具(7)停止转动；然后，第一步进电机(11)反转，通过联轴器(13)带动与螺母连接的升降平台(16)向下移动，升降平台(16)推动与之相铰接的驱动杆(6)逆时针运动，驱动杆(6)带动与之铰接的近指节(3)松开果实(II)，便于后续的果实处理。
7.根据权利要求4所述的采摘的方法，其特征在于：
第一步进电机(11)、第二步进电机(10)的转速是根据电机的脉冲频率进行控制的；为了避免手指接触力过大，损伤果实(II)，采用力传感器(18)获取各个手指的接触力，当手指表面的力传感器(18)到达设定的抓取力，将信号反馈给第一步进电机(11)，控制电机(11)停止运动，实现果实(II)抓取。
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