CN107182443B - 全驱动仿人手三指果蔬采摘末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全驱动仿人手三指果蔬采摘末端执行器，包括拇指、食指和中指，且每根手指均具有远指关节、近指关节以及掌心架，远指关节与近指关节的一端铰接连接，近指关节的另一端与掌心架铰接连接；且在每根手指上还设置有分别驱动近指关节和远指关节弯曲和张开的近指连杆机构和远指连杆机构，以实现握取果实的动作；拇指掌心架与中指掌心架以一定角度固定连接，食指和拇指通过一手掌件相连接，以对所摘取的果蔬提到支撑作用，且在食指掌心架的下端设置有控制食指旋转的转向机构；本发明采用两关节全驱动方式，结构设计简单合理，抓取效果稳定、运动灵活，可有效提高作业质量和作业效率。

Description

全驱动仿人手三指果蔬采摘末端执行器

技术领域

本发明涉及一种果蔬采摘末端执行器,具体涉及一种全驱动仿人手三指果蔬采摘末端执行器。

背景技术

随着科技进步，参与农业的机械智能化程度不断提高，果蔬采摘使用机器人替代人工劳动已经成为现代农业发展的重要趋势。果蔬采摘在农产作业中最为费时费力，这也使得研究果蔬采摘机器人成为现代农业生产的重大需求。果蔬采摘机器人的末端执行器作为最后执行采摘动作的重要部件，如人手一般，需要同时具备感知能力和执行动作能力。用机械替代既灵活又灵敏的人手，是传统农业装备技术与现代机器人学技术的融合，是将传统农业发展带向现代化、智能化之路的重要体现。由于果蔬的外表较为脆弱,而它的形状及生长状况复杂,因此末端执行器的设计通常被认为是农业机器人的核心技术之一。

例如，授权公告号为【CN102729256B】的发明专利公开一种欠驱动采摘机械手末端执行器装置，包括结构相同的三个手指，传动机构，三块接触板，三根连杆，驱动杆和转动盘；每个手指具有三个关节，手指第一关节的一端均匀安装在转动盘上，每个手指都装有接触板，驱动杆在电机的驱动下移动，通过连杆带动3个手指相向运动闭拢，当手指上的接触板接触到果蔬时，果蔬会推动接触板滑动，驱动手指第二关节内部不完全齿轮运动，与之啮合的齿轮带动手指第三关节运动，接触板表面的力传感器测试到预定的抓取力时，将信号反馈给电机，控制驱动杆停止移动，电机再驱动转动盘转动，实现果蔬采摘。

但是，其采用欠驱动方式，在减少果蔬损伤方面控制效果仍然欠佳，作业质量及作业效率有待进一步提高；其采用三关节设计方式，作为衡量抓取稳定重要指标的抓取构形数是和关节数成指数变化的关系，抓取构形越多越容易出现接触点脱离，越不容易稳定，即三关节方式抓取稳定性较差，且在机器人图像识别存在误差的情况下难以准确抓住果实。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术中末端执行器抓取稳定性差、作业质量和作业效率欠佳等缺陷，提出一种全驱动仿人手三指果蔬采摘末端执行器，采用两关节全驱动的方式，实现与人的拇指、食指、中指三指相似的运动方式，可有效提高作业质量及效率，且运动灵活、通用性强，抓取稳定性高。

本发明是采用以下的技术方案实现的：全驱动仿人手三指果蔬采摘末端执行器，包括拇指、食指和中指，且每根手指均具有远指关节、近指关节以及掌心架，所述远指关节与近指关节的一端铰接连接，近指关节的另一端与掌心架铰接连接，所述近指关节的两端设置有U型凹槽，远指关节及掌心架上设置有与所述凹槽匹配的凸柱，使关节配合更加灵活；且在每根手指上还设置有分别驱动近指关节和远指关节弯曲和张开的近指连杆机构和远指连杆机构，通过近指连杆机构和远指连杆机构分别控制近指关节和远指关节弯曲或张开实现握取果实的动作；

另外，在食指和拇指之间还连接有一手掌件，以对所摘取的果蔬提到支撑作用；拇指掌心架与中指掌心架通过一连接杆固定连接，食指掌心架的下端设置有控制食指旋转的转向机构；所述转向机构包括电机、与电机主轴连接的齿轮组件，所述齿轮组件通过一连接板与食指掌心架固定连接，在电机的驱动下绕转向机构转动来调节角度。

进一步的，所述近指连杆机构包括近指驱动机构、近指第一连杆、近指第二连杆以及近指第三连杆；近指第一连杆的一端与近指驱动机构的输出端相连，另一端与近指第二连杆铰接连接；近指第二连杆的一端与掌心架铰接连接，另一端与近指第三连杆的一端铰接连接，近指第三连杆的另一端与近指关节铰接连接，在近指驱动机构的作用下，带动近指第一连杆伸缩，进而带动与其铰接的第二连杆围绕铰接点转动，从而在近指第三连杆的作用下驱动近指关节弯曲或张开，实现抓取动作。

进一步的，所述远指连杆机构包括远指驱动机构、远指第一连杆、远指第二连杆以及远指第三连杆；远指第一连杆的一端与远指驱动机构的输出端相连，另一端与远指第二连杆铰接连接；远指第二连杆的一端与掌心架铰接连接，另一端与远指第三连杆的一端铰接连接，远指第三连杆的另一端与远指关节铰接连接，在远指驱动机构的作用下，带动远指第一连杆伸缩，进而带动与其铰接的第二连杆围绕铰接点转动，从而在远指第三连杆的作用下驱动远指关节弯曲或张开，实现抓取动作。

进一步的，所述第二关节连杆的下方还设置有与其垂直的限位块，以约束远指关节相对于近指关节的旋转角度。

进一步的，所述远指驱动机构和近指驱动机构采用微型气缸或者马达，通过微型气缸或者马达控制第一连杆的伸缩。

进一步的，所述近指关节与掌心架铰接处设置有与近指关节固定连接的第一关节连杆，所述近指第三连杆与第一关节连杆铰接；远指关节与近指关节铰接处设置有与远指关节固定连接的第二关节连杆，所述远指第三连杆与第二关节连杆铰接连接。

进一步的，末端执行器还包括与电机及近指驱动机构和远指驱动机构电连接的控制器，且在关节处设置有与控制器电连接的扭矩传感器。

进一步的，所述手掌件包括两端连接部及中间弧形部；手掌件的一端与食指掌心架铰接连接，另一端通过一手掌连接件与拇指掌心架相连，且可围绕手掌连接件转动，食指在电机驱动下旋转时，会带动手掌件围绕拇指掌心架转动，以改变抓取方向，提高食指及拇指运动灵活性，方便抓取果实。

进一步的，所述手掌连接件包括与拇指掌心架固定连接的固定部及与固定部垂直的延伸部，所述手掌件与延伸部通过一转轴连接。

进一步的，为了方便结构控制及设计，电机主轴与拇指掌心架所在直线平行，食指掌心架的下端设置有一U型连接件，U型连接件固定设置在连接板上。

进一步的，所述拇指、食指和中指上与果蔬发生接触部分还设置有仿人类皮肤聚合层，类似人类皮肤的聚合材料，减少抓取过程中对果蔬的损伤。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明提出的仿人手三指果蔬采摘末端执行器，采用两关节全驱动方式，使抓取控制更加灵活，仿人类手指的运动方式，能够完成和手掌抓取相似的运动方式，实现与人的拇指、食指、中指三指相似的运动方式，并分别通过近指连杆机构和远指连杆机构分别驱动近指关节和远指关节的弯曲与张开，结构设计巧妙、控制灵活。本方案通过仿真模拟果实抓取过程中的抓取状态，通过动力学仿真得到手指抓取过程中的运动规律，模拟抓取过程，实验证明该方案抓取效果稳定、运动灵活，可有效提高作业质量和作业效率。

附图说明

图1为本发明实施例所述末端执行器结构示意图；

图2为本发明实施例中中指结构示意图；

图3为本发明实施例中拇指结构示意图；

图4为本发明实施例近指指关节辅助抓取果实结构示意图；

图5为本发明实施例近指关节与远指关节相互配合抓取果实结构示意图；

图6为本发明实施例中指近指关节角速度变化曲线图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

为加速智能机器人替代人类进行果蔬采摘，提高作业质量和效率，本实施例提出了一种运动灵活、通用性强，能够消化机器人图像识别误差的仿人手三指果蔬采摘末端执行器，可以实现与人的拇指、食指、中指三指相似的运动方式，并且该末端执行器采用两关节全驱动的方式，能够更好的实现对果蔬作用力的控制，减少果蔬损伤，并对整个末端执行器机构进行了仿真试验，验证本机构的合理性，具体如下：

参考图1，全驱动仿人手三指果蔬采摘末端执行器，包括拇指1、食指2和中指3，且每根手指均具有远指关节4、近指关节5以及掌心架6，所述远指关节4与近指关节5的一端铰接连接，近指关节5的另一端与掌心架6铰接连接，从图2中可以看出，所述近指关节5的两端设置有U型凹槽51，远指关节4及掌心架6上设置有与所述凹槽匹配的凸柱(41,61)，使关节连接处配合更加灵活；且在每根手指上还设置有分别驱动近指关节5和远指关节4弯曲和张开的近指连杆机构7和远指连杆机构8，通过近指连杆机构7和远指连杆机构8分别控制近指关节5和远指关节4弯曲或张开实现握取果实的动作；另外，在食指2和拇指1之间还连接有一手掌件9，以对所摘取的果实提到支撑作用；拇指1的掌心架与中指3的掌心架通过一连接杆66固定连接，所述连接杆66为螺栓；食指2的掌心架6的下端设置有控制食指2旋转的转向机构；所述转向机构包括固定在掌心架6上的电机21、与电机21主轴连接的齿轮组件22，所述齿轮组件22通过一连接板23与食指2的掌心架6固定连接，在电机21的驱动下绕转向机构转动来调节食指2的角度。

手指对物体的形状适应能力一般与关节数成正比；但是，作为衡量抓取稳定重要指标的抓取构形数是和关节数成指数变化的关系，抓取构形越多越容易出现接触点脱离，进而抓取越不容易稳定。本实施例中设计目的是作为最终执行装置抓取果实，因此抓取稳定性就显得更加重要。参考人类手指三个关节在抓取时的状态，最远端的两个关节所成角度很小，对抓取形状适应性的影响较小，故而本实施例通过改进设计将手指最远端两关节用一个关节代替以更好的抓取稳定性，不仅控制方便，且运动灵活、通用性强。

手指结构仿照人的三指(食指、中指、拇指)运动方式，将中指3和拇指1设计为两自由度，而食指2通过转向机构的控制，则有三个自由度，可以实现与人的拇指、食指和中指三指相似的运动方式，使抓取与人手更加类似，增大灵活度，有效减少对果蔬损伤，由电机驱动，可调节食指与中指的距离。

结合图2和图3所示，以拇指和中指为例进行介绍，所述近指连杆机构7包括近指驱动机构71、近指第一连杆72、近指第二连杆73以及近指第三连杆74；近指第一连杆72的一端与远指驱动机构72的输出端相连，另一端与近指第二连杆73铰接连接，从图3中可以看出，该铰接点与近指第二连杆73和近指第三连杆74的铰接点并不重合，这也是方案实现的关键；近指第二连杆73的一端与掌心架6铰接连接，另一端与近指第三连杆74的一端铰接连接，近指第三连杆74的另一端与近指关节铰接连接，在近指驱动机构71的作用下，带动近指第一连杆72伸缩，进而带动与其铰接的近指第二连杆73围绕铰接点转动，从而在近指第三连杆74的作用下驱动近指关节5弯曲或张开，实现抓取动作；对于远指连杆机构8来说，原理与近指连杆机构7相同，远指连杆机构8包括远指驱动机构81、远指第一连杆82、远指第二连杆83以及远指第三连杆84；远指第一连杆82的一端与远指驱动机构81的输出端相连，另一端与远指第二连杆83铰接连接；远指第二连杆83的一端与掌心架铰接连接，另一端与远指第三连杆84的一端铰接连接，远指第三连杆84的另一端与远指关节4铰接连接。

为了使手指关节弯曲和张开更加灵活，控制更加方便，参考图3，所述近指关节5与掌心架6铰接处设置有与近指关节5固定连接的第一关节连杆52，且第一关节连杆52与所述近指关节5所在轴线垂直，使近指第三连杆74与第一关节连杆52铰接；同样的，远指关节4与近指关节5铰接处设置有与远指关节4固定连接的第二关节连杆42，所述远指第三连杆84与第二关节连杆42铰接连接。

在抓取果实的过程中，远指关节和近指关节的运动并不是独立的，近指关节发生角位移的过程中，会拉动远指关节发生位移，参考人类手指运动规律，为了避免近指关节转动的拉动导致远指连杆机构位于死点位置，如图1和图3所示，在第二关节连杆42的下方还设置有与其垂直的限位块43，以约束远指关节相对于近指关节的旋转角度。且本实施例中，所述远指驱动机构81和近指驱动机构71采用微型气缸或者马达，优选微型气缸，控制方便、灵活，具体的实现原理结合附图及上述描述即可明白，在此不做赘述。

当然，本实施例所述的末端执行器还包括与电机21及近指驱动机构71和远指驱动机构81电连接的控制器(图中未示意)，且在关节处设置有与控制器电连接的扭矩传感器，通过扭矩传感器检测具体信号并传输给控制器，通过控制器控制电机21、近指驱动机构71或远指驱动机构81实现三手指的握取动作，所述控制器为本领域比较成熟的设备，不做详细阐述。

另外，所述手掌件9包括两端连接部及中间弧形部，结合图1、图3所示，手掌件9的一端与食指掌心架铰接连接，另一端通过一手掌连接件10与拇指1的掌心架6相连，所述手掌连接件10包括与拇指掌心架固定连接的固定部11及与固定部垂直的延伸部12，延伸部上设置有通孔，所述手掌件9与延伸部12通过一转轴连接，且手掌件9可围绕转轴转动；食指2在电机21驱动下旋转时，会带动手掌件9围绕转轴转动，以改变抓取方向，提高食指2及拇指1运动灵活性，方便抓取果实，

为了方便结构控制及方案的设计安装，电机21主轴与拇指1的掌心架所在直线平行，食指的掌心架的下端设置有一U型连接件62，U型连接件62固定设置在连接板23上，控制方便。另外，在所述拇指、食指和中指上与果蔬发生接触部分还设置有仿人类皮肤聚合层，采用类似人类皮肤的聚合材料，减少抓取过程中对果蔬的损伤。

本实施例所述果蔬采摘末端执行器在实际抓取的过程会有两种不同的状态，状态一如图4所示，仅靠近指关节5就可以抓牢果实13，此时近指关节5的抓紧力起关键作用，远指关节4辅助抓紧果实；状态二如图5所示，需近指关节5与远指关节4互相配合抓紧果实13。事实上，在手指的近指关节5刚开始与果实13接触的时刻，由于果实在空中并无固定且果皮较滑，果实会因为受到近指关节5的夹持力而很容易滑出夹持范围。若果实13的外径R较小，近指关节5手指与果实的接触点在果实的外侧半球，那么果实会直接被近指关节夹紧；则可通过安装在关节处的扭矩传感器及控制器的反馈控制来控制抓取力的大小；若R较大，接触点落在果实13的内侧半球，则果实易滑移而不易被抓牢。

为了防止果实因继续驱动手指关节弯曲而被挤出抓取范围，通过安装在关节处的扭矩传感器，将拇指和其他任意一指同时接触到果实的信息通过电信号反馈到控制器的微处理器，微处理器发出指令使电机停止驱动，近指关节的旋转动作停止，同时驱动远指关节旋转，进行下一步抓取动作。与此同时，包裹在手指骨架周围的仿人类皮肤聚合层材料将通过增大果实与机械手爪之间的摩擦力阻止果实被挤出。

本实施例另外用SolidWorks中的Motion分析模块对中指近指关节进行仿真模拟，得到图6观察执行器抓取的过程：由中指近指关节角速度图解可以看出，从0.08秒左右中指手指与果实发生接触，角速度出现波动，因果实的位置发生移动，且对手指作用力远小于电机的驱动力因此可忽略不计，手指仍随连杆机构继续旋转，直至0.13秒左右拇指近指关节也接触到果实，电机收到控制器发出的停止驱动指令，中指近指关节随即停止转动，角速度变为0，此时继续驱动远指关节旋转，将果实包裹抓紧。

状态一与状态二之间的转换，是通过控制器反馈控制系统实现，当中指和拇指扭矩传感器都检测到力的电压信号时，两近指关节已经都和果实发生了接触。扭矩传感器将电压信号传给微处理器，微处理器发出时序，系统检测此时电机发出的脉冲个数，并与设定的范围相比较，若超出该范围，系统判断果实外径R较小，采用状态一模式实行抓取动作，反之，则实行状态二模式抓取果实，这样一来，此末端执行机构不仅能够实现稳定抓取，而且能够很好的消化果蔬采摘机器人图像识别的误差。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.全驱动仿人手三指果蔬采摘末端执行器，其特征在于，包括拇指、食指和中指，且每根手指均具有远指关节、近指关节以及掌心架，所述远指关节与近指关节的一端铰接连接，近指关节的另一端与掌心架铰接连接；所述近指关节的两端设置有U型凹槽，远指关节及掌心架上设置有与所述凹槽匹配的凸柱；且在每根手指上还设置有分别驱动近指关节和远指关节弯曲和张开的近指连杆机构和远指连杆机构；所述食指和拇指之间还连接有一支撑果蔬的手掌件；

拇指掌心架与中指掌心架通过一连接杆固定连接，食指掌心架的下端设置有控制食指旋转的转向机构，所述转向机构包括电机、与电机主轴连接的齿轮组件，所述齿轮组件通过一连接板与食指掌心架固定连接；

所述近指连杆机构包括近指驱动机构、近指第一连杆、近指第二连杆以及近指第三连杆；近指第一连杆的一端与近指驱动机构的输出端相连，另一端与近指第二连杆铰接连接；近指第二连杆的一端与掌心架铰接，另一端则与近指第三连杆的一端铰接连接，而近指第三连杆的另一端与近指关节铰接连接。

2.根据权利要求1所述的果蔬采摘末端执行器，其特征在于：所述远指连杆机构包括远指驱动机构、远指第一连杆、远指第二连杆以及远指第三连杆；远指第一连杆的一端与远指驱动机构的输出端相连，另一端与远指第二连杆铰接连接；远指第二连杆的一端与掌心架铰接连接，另一端则与远指第三连杆的一端铰接连接，而远指第三连杆的另一端与远指关节铰接连接。

3.根据权利要求2所述的果蔬采摘末端执行器，其特征在于：所述远指驱动机构和近指驱动机构采用微型气缸或者马达。

4.根据权利要求3所述的果蔬采摘末端执行器，其特征在于：所述近指关节与掌心架铰接处设置有与近指关节固定连接的第一关节连杆，所述近指第三连杆与第一关节连杆铰接；远指关节与近指关节铰接处设置有与远指关节固定连接的第二关节连杆，所述远指第三连杆与第二关节连杆铰接连接。

5.根据权利要求4所述的果蔬采摘末端执行器，其特征在于：所述第二关节连杆的下方还设置有与其垂直的限位块。

6.根据权利要求5所述的果蔬采摘末端执行器，其特征在于：末端执行器还包括与电机及近指驱动机构和远指驱动机构电连接的控制器，且在近指关节 和远指关节的关节连接处设置有与控制器电连接的扭矩传感器。

7.根据权利要求6所述的果蔬采摘末端执行器，其特征在于：所述手掌件包括两端连接部及中间弧形部；手掌件的一端与食指掌心架铰接连接，另一端通过一手掌连接件与拇指掌心架相连，且可围绕手掌连接件转动。

8.根据权利要求7所述的果蔬采摘末端执行器，其特征在于：所述手掌连接件包括与拇指掌心架固定连接的固定部以及与固定部垂直的延伸部，所述手掌件与延伸部通过一转轴连接。

9.根据权利要求8所述的果蔬采摘末端执行器，其特征在于：所述拇指、食指和中指上还设置有仿人类皮肤聚合层。

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