CN108271532B - 一种仿人采摘动作的多爪气动无损果蔬采摘机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿人采摘动作的多爪气动无损果蔬采摘机械手，包括多爪采摘机械手机构和无损采摘气动系统；多爪采摘机械手机构包括夹持机构和采摘机构；夹持机构包括三爪气缸、移动底座、真空发生器、下拉杆、移动滑块、上拉杆、真空吸盘、采摘爪和压力传感器；采摘机构的主要动力装置为旋转气缸，旋转气缸通过螺钉与连接盘固连，连接盘与三爪气缸采用螺钉固连，真空发生器与连接盘固连；无损采摘气动系统包括空气压缩机、气源三联件、采摘气动子系统、夹持气动子系统和吸附气动子系统。通过多连杆采摘机械手的设计，在一个动力装置下实现吸附果实、拉直果梗和夹持果实等多个动作，从而同时达到对果梗的姿态调整和果实的夹持。

Description

一种仿人采摘动作的多爪气动无损果蔬采摘机械手

技术领域

本发明涉及现代农业装备技术领域，尤其是涉及各种果蔬采摘机械人的末端执行器机械手的设计。

背景技术

我国是世界上第一大水果生产国和世界第一大水果消费国，2012年我国温带水果如苹果、柑橘、梨、柿子和桃类产品种植面积与产量均世界排名第一。2015年，水果总产量26142.2万吨，比2014年增长4.2％。面对着巨大的水果产量，果园机械化市场需求迅速发展起来，采摘作为水果收获中的核心环节，其占用的劳动力占整个生产过程所用劳动力的33％～50％。机械化采摘可降低人工的劳动强度，并在一定技术支持下可高于人的作业效率，同时可精确控制采摘末端执行器的力输出，实现无损采摘。

目前设计的采摘机械手存在的问题包括：1)机械手的设计缺乏针对性。由于果实生长的不确定性，机械手的设计应该符合果实的特征。2)机械手夹持力不可控。3)果梗寻找困难，果实与果梗分离难度增大。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种仿人采摘动作的多爪气动无损果蔬采摘机械手。该多爪气动无损果蔬采摘机械手针对果梗寻找困难(果梗较短或果梗不在竖直位置)的果实，设计了主动引导果梗位姿的真空吸附、拉直装置；针对果实与果梗分离难度大，设计了多参数可调的扭转采摘形式；针对类圆形果实的结构特点，设计了三爪包络的机械采摘手，并且通过一个主动运动实现引导果梗位姿和夹持果实顺序动作；该多爪气动无损果蔬采摘机械手采用气动系统作为动力源，可实现对夹持力连续无级调节；通过夹持力控制算法实现果实无损夹持及采摘。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种仿人采摘动作的多爪气动无损果蔬采摘机械手，包括多爪采摘机械手机构和无损采摘气动系统；所述多爪采摘机械手机构包括夹持机构和采摘机构；

所述夹持机构包括三爪气缸、移动底座、真空发生器、下拉杆、移动滑块、上拉杆、真空吸盘、采摘爪和压力传感器；所述三爪气缸上均布设有3个可沿其径向移动的爪盘，每个爪盘上设有螺纹孔，3个爪盘通过螺钉分别与3个移动底座一一对应连接；每个移动底座上有两个转动副铰链，分别与采摘爪的下铰链孔和下拉杆的一端相连；下拉杆穿过采摘爪中部的中空部分，下拉杆的另一端与移动滑块的下铰链孔相连形成转动副；移动滑块的上铰链孔与上拉杆的一端铰链孔相连形成转动副，上拉杆的另一端铰链孔与采摘爪上部的铰链孔相连接构成转动副；每个采摘爪内表面贴有压力传感器；所述移动滑块为中空结构，移动滑块的上端与真空吸盘固连，与真空吸盘连接的真空气管从移动滑块的中空穿过并与下端的真空发生器的真空口相连；

所述采摘机构的主要动力装置为旋转气缸，旋转气缸通过螺钉与连接盘固连，连接盘与三爪气缸采用螺钉固连；真空发生器与连接盘固连；

所述无损采摘气动系统包括空气压缩机、气源三联件、采摘气动子系统、夹持气动子系统和吸附气动子系统；所述空气压缩机包括气泵、储气罐和电接点压力表，所述气泵的出气口与储气罐的进气口连接，所述储气罐的出气口与气源三联件的进气口连接，所述储气罐与气源三联件连接的管路上且靠近储气罐设有电接点压力表，所述气源三联件的出气口与4通管的一接头连接；采摘气动子系统包括手动调压阀、3位5通先导式电磁换向阀和手动节流阀Ⅰ，4通管的另一接头通过气动软管与手动调压阀的进气口相连接，手动调压阀的出气口与3位5通先导式电磁换向阀的进气口通过气动软管相连，3位5通先导式电磁换向阀的A、B出气口分别与一个手动节流阀Ⅰ进气口相连，两个手动节流阀Ⅰ的出气口分别与旋转气缸两个进气口通过气动软管相连；夹持气动子系统包括比例压力阀、2位5通先导式电磁换向阀和手动节流阀Ⅱ，4通管剩下两个接头中的一个与比例压力阀的进气口通过气动软管相连，比例压力阀的出气口与2位5通先导式电磁换向阀的进气口通过气动软管相连，2位5通先导式电磁换向阀的A、B出气口分别与一个手动节流阀Ⅱ相连，两个手动节流阀Ⅱ与三爪气缸的两个进气口相连接；吸附气动子系统包括2位2通电磁换向阀，4通管剩下两个接头中的另一个接头与2位2通电磁换向阀的进气口通过气动软管相连，2位2通电磁换向阀的出气口与真空发生器的进气口相连，真空发生器的真空口与真空吸盘相连。

作为本发明的一种优选方案，所述上拉杆和下拉杆上均设有长度调节螺母。

作为本发明的另一种优选方案，所述电接点压力表与气源三联件之间的管路上设置有安全阀。

作为本发明的一种改进方案，该多爪气动无损果蔬采摘机械手的无损果蔬采摘控制流程是基于采摘机械手的真空吸盘已经与果蔬表面接触的情况下；程序运行开始首先对夹持气动子系统进行压力初始化，其初始压力可驱动三爪气缸实现空载开合运动，同时该初始压力所产生的夹持力无法对果蔬造成伤害；之后2位2通电磁换向阀上电使真空吸盘产生真空吸附果蔬；此时在初始夹持压力下控制2位5通先导式电磁换向阀使机械手开始夹持果实；同时开始对压力传感器的信息进行离散采样；当压力不为0时，说明机械手接触到果蔬表面，此时通过控制比例压力阀开始逐步提升夹持气动子系统的压力，并同时对采摘爪夹持力进行采样，当[P(n)-P(n-1)]/t>k时，其中t为采样周期，P(n)为当前夹持压力，P(n-1)为上一时刻夹持压力，k为压力变化量阈值，即压力变化速率大于k值时，比例压力阀停止增压，此时说明该压力下机械手已将果实夹住且不损伤果实，阈值k可根据试验获取；同时2位2通电磁换向阀断电，吸附停止；最后3位5通先导式电磁换向阀开启，实现扭转动作。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1、通过多连杆采摘机械手的设计，在一个动力装置下实现吸附果实、拉直果梗和夹持果实等多个动作，从而同时达到对果梗的姿态调整和果实的夹持。

2、采用夹持力无级可调的夹持力反馈控制系统和算法，实现对果蔬的无损夹持和采摘。

3、采用旋转偏距、旋转速度和输出扭矩可调的采摘机构，实现多参数可调节的仿人采摘。

4、采用上、下拉杆可调的结构，实现多爪采摘机械手包络体积可依据果蔬种类或尺寸调节，增大了机械手的通用性。

附图说明

图1为多爪采摘机械手打开时的实体结构外形示意图；

图2为多爪采摘机械手闭合时的实体结构外形示意图；

图3为多爪采摘机械手采摘示意图；

图4为多爪采摘机械手打开和闭合的机构运动简图；

图5为采摘机构旋转有偏距示意图；

图6为采摘机构旋转无偏距示意图；

图7为多爪采摘机械手气动系统图；

图8为采摘过程控制流程图。

图中，1—压力传感器；2—真空吸盘；3—上拉杆；4—采摘爪；5—移动滑块；6—下拉杆；7—真空发生器；8—移动底座；9—三爪气缸；10—手动节流阀Ⅰ；11—气动接头；12—旋转气缸；13—连接盘；14—长度调节螺母；15—气泵；16—储气罐；17—电接点压力表；18—安全阀；19—气源三联件；20—手动调压阀；21—3位5通先导式电磁换向阀；22—比例调压阀；23—2位5通先导式电磁换向阀；24—2位2通电磁换向阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1、2、3所示，一种仿人采摘动作的多爪气动无损果蔬采摘机械手，包括多爪采摘机械手机构和无损采摘气动系统。多爪采摘机械手机构包括夹持机构和采摘机构。夹持机构主要实现对类圆形果蔬吸附、果梗拉直、果实夹持等动作，通过夹持机构可实现对果梗的姿态调整和无损夹持功能，为后续采摘做准备。采摘机构可模拟人为采摘动作实现果实从果梗上分离。

夹持机构包括三爪气缸9、移动底座8、真空发生器7、下拉杆6、移动滑块5、上拉杆3、真空吸盘2、采摘爪4和压力传感器1。夹持机构动力装置为三爪气缸9，三爪气缸9上均布设有3个可沿其径向移动的爪盘，每个爪盘上设有螺纹孔，3个爪盘通过螺钉分别与3个移动底座8一一对应连接，通过控制气体流动方向实现三爪气缸9的3个爪盘同时开合。每个移动底座8上有两个转动副铰链，分别与采摘爪4的下铰链孔和下拉杆6的一端相连，使采摘爪4和下拉杆6可分别相对移动底座8进行旋转。下拉杆6穿过采摘爪4中部的中空部分，下拉杆6的另一端与移动滑块5的下铰链孔相连形成转动副；移动滑块5的上铰链孔与上拉杆3的一端铰链孔相连形成转动副，上拉杆3的另一端铰链孔与采摘爪4上部的铰链孔相连接构成转动副。每个采摘爪4内表面贴有压力传感器1。移动滑块5为中空结构，移动滑块5的上端与真空吸盘2固连，与真空吸盘2连接的真空气管(图中未画出)从移动滑块5的中空穿过并与下端的真空发生器7的真空口相连。通过上述结构构成了3组结构相同、沿三爪气缸9四周均布的采摘机械爪组件，其机构原理图可用图4表示。采摘机械爪组件主要由采摘爪4、上拉杆3、移动底座8、下拉杆6和移动滑块5组成，并构成5连杆机构，主运动为三爪气缸9带动移动底座8的左右移动，通过设置2组(原理图所示)或3组(本发明实物图所示)该组件，实现对移动滑块5的自由度限制，使其只具有竖直方向上下移动的滑动自由度。从而实现了当3个滑移底座8同时向内运动时，3个采摘爪4向果蔬外侧摆动，实现机械手打开，同时移动移块5向上推出，将果蔬推离采摘爪4；当滑动底座8向外运动时，采摘爪4向果蔬内侧摆动，实现闭合，在采摘爪4闭合同时，实现移动滑块5带着真空吸盘2向机械手内侧运动，实现拉直果梗的效果，图4中h即为采摘爪4从打开到夹持住果蔬时，真空吸盘移动距离。上拉杆3和下拉杆6上均设有长度调节螺母14，可调节两个拉杆的长度，从而调节机械手打开或闭合时包络区域的大小，可针对采摘不同品种和不同尺寸的果蔬进行相应的调节。

采摘机构的主要动力装置为旋转气缸12，旋转气缸12通过螺钉与连接盘13固连，连接盘13与三爪气缸9采用螺钉固连；真空发生器7与连接盘13固连,且旋转气缸12的回转中心线与三爪气缸的中心线位置可根据连接盘13上的安装孔调节，针对不同硬度、不同长度的果梗，可选择调节旋转气缸12的回转中心与三爪气缸9的心线共线或有一定偏距，如图5和图6所示，图5为旋转气缸12的回转中心与三爪气缸9中心有一定的偏距，从而使机械手绕旋转气缸12的回转中心以半径为该偏距的圆进行旋转；图6为旋转气缸12的回转中心与三爪气缸9中心同心的情况，此时机械手绕其自身中心线进行旋转，其中实线代表当前3个采摘爪4当前位置，虚线代表上一刻或下一刻3个采摘爪4的运动位置。真空发生器7与连接盘13固连，转动气缸12可带动安装在连接盘13上的所有部件一起转动，手动节流阀Ⅰ10分别安装在旋转气缸的进、出口，通过调节手动节流阀Ⅰ10可控制旋转气缸12的转动速度，通过转动速度和转动方向的控制，实现似人手的采摘过程。

无损采摘气动系统包括空气压缩机、气源三联件19、采摘气动子系统、夹持气动子系统和吸附气动子系统，如图7所示。空气压缩机包括气泵15、储气罐16和电接点压力表17，气泵15作为气动系统气源，气泵15的出气口与储气罐16的进气口连接，储气罐16的出气口与气源三联件19的进气口连接，储气罐16与气源三联件19连接的管路上且靠近储气罐16设有电接点压力表17，通过电接点压力表17的压力输出来控制气泵15的自动启动或停止向储气罐16充气，从而保证整个气动系统压力在一个稳定范围内变化；电接点压力表17与气源三联件19之间的管路上设置有安全阀18，气源三联件19的出气口与4通管的一接头连接，气源三联件19用于过滤空气中的杂质和水分，并对气动元件进行润滑，延长整个气动系统的使用寿命。气源三联件19之后气动回路分为3路，分别通过4通管将气压供给旋转气缸12、三爪气缸9、真空发生器7，故将3个部分分别称为采摘气动子系统、夹持气动子系统和吸附气动子系统。

采摘气动子系统包括手动调压阀20、3位5通先导式电磁换向阀21和手动节流阀Ⅰ10，4通管的另一接头通过气动软管与手动调压阀20的进气口相连接，手动调压阀20的出气口与3位5通先导式电磁换向阀21的进气口通过气动软管相连，3位5通先导式电磁换向阀21的A、B出气口分别与一个手动节流阀Ⅰ10进气口相连，两个手动节流阀Ⅰ10的出气口分别与旋转气缸12两个进气口通过气动软管相连；从而可并实现对旋转气缸12的运动控制。针对某种特定果蔬果梗的特点，预先设置手动调压阀20的输出压力，可调整旋转气缸12的输出扭矩；3位5通先导式电磁换向阀21实现对旋转气缸12旋转方向的控制；手动节流阀10实现对旋转气缸12转速调整。夹持气动子系统包括比例压力阀22、2位5通先导式电磁换向阀23和手动节流阀Ⅱ，4通管剩下两个接头中的一个与比例压力阀22的进气口通过气动软管相连，比例压力阀22的出气口与2位5通先导式电磁换向阀23的进气口通过气动软管相连，2位5通先导式电磁换向阀23的A、B出气口分别与一个手动节流阀Ⅱ相连，两个手动节流阀Ⅱ与三爪气缸9的两个进气口相连接；该夹持气动子系统可实现三爪气缸9的夹持动作及对夹持力的控制。根据采摘爪4上压力传感器1的反馈信号，控制比例压力阀22的输出压力，精准控制机械手夹持力的输出，使机械手完成对不同品种、不同尺寸果蔬的夹持和采摘作业动作的同时不对果蔬造成伤害，实现无损采摘。吸附气动子系统包括2位2通电磁换向阀24，4通管剩下两个接头中的另一个接头与2位2通电磁换向阀24的进气口通过气动软管相连，2位2通电磁换向阀24的出气口与真空发生器7的进气口相连，真空发生器7的真空口与真空吸盘2相连，实现对果实真空吸附控制。故通过气压回路设置，实现对夹持动作、旋转采摘动作的力、速度和方向控制。

无损采摘控制流程如图8所示，该控制流程是基于采摘机械手的真空吸盘已经与果蔬表面接触的情况下。程序运行开始首先对夹持气动子系统进行压力初始化，其初始压力可驱动三爪气缸9实现空载开合运动，同时该初始压力所产生的夹持力无法对果蔬造成伤害；之后2位2通电磁换向阀24上电使真空吸盘产生真空吸附果蔬；此时在初始夹持压力下控制2位5通先导式电磁换向阀23使机械手开始夹持果实；同时开始对压力传感器1的信息进行离散采样；当压力不为0时，说明机械手接触到果蔬表面，此时通过控制比例压力阀22开始逐步提升夹持气动子系统的压力，并同时对采摘爪4夹持力进行采样，当[P(n)-P(n-1)]/t>k时，其中t为采样周期，P(n)为当前夹持压力，P(n-1)为上一时刻夹持压力，k为压力变化量阈值，即压力变化速率大于k值时，比例压力阀22停止增压，此时说明该压力下机械手已将果实夹住且不损伤果实，阈值k可根据试验获取；同时2位2通电磁阀24断电，吸附停止；最后3位5通先导式电磁换向阀21开启，实现扭转动作。

多爪气动无损果蔬采摘机械手搭载于多自由度机械臂上(图中未有)，多自由度机械臂不为本发明的范畴。在非采摘期间，三爪气缸9为闭合状态，故3个采摘爪4处于打开姿态，并形成足够大的包络空间，同时移动滑块5处于距三爪气缸9最远的位置。机械臂带动采摘机械手运动至果蔬位置，并使真空吸盘2对准并接触果蔬，如图3所示，根据采摘控制程序，真空吸盘2先吸住果蔬，然后三爪气缸9打开，3个采摘爪4闭合，夹持住果蔬，同时移动滑块5带动着真空吸盘2和果蔬一起向远离果树的位置运动，将果蔬的果梗拉直。再通过无损反馈控制算法，实现机械手将果蔬抓牢并对其不会产生损害，之后真空吸盘2释放果蔬,旋转采摘机构开始动作，在采摘之前需对同类采摘对象进行试验，对旋转机构的旋转偏距、旋转速度及输出扭矩进行设定。旋转机构使果实与果梗分离。之后三爪气缸9闭合，机械手打开，同时移动滑块5带动吸盘将果蔬推出机械手外，实现卸果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种仿人采摘动作的多爪气动无损果蔬采摘机械手，其特征在于：包括多爪采摘机械手机构和无损采摘气动系统；所述多爪采摘机械手机构包括夹持机构和采摘机构；

所述夹持机构包括三爪气缸(9)、移动底座(8)、真空发生器(7)、下拉杆(6)、移动滑块(5)、上拉杆(3)、真空吸盘(2)、采摘爪(4)和压力传感器(1)；所述三爪气缸(9)上均布设有3个可沿其径向移动的爪盘，每个爪盘上设有螺纹孔，3个爪盘通过螺钉分别与3个移动底座(8)一一对应连接；每个移动底座(8)上有两个转动副铰链，分别与采摘爪(4)的下铰链孔和下拉杆(6)的一端相连；下拉杆(6)穿过采摘爪(4)中部的中空部分，下拉杆(6)的另一端与移动滑块(5)的下铰链孔相连形成转动副；移动滑块(5)的上铰链孔与上拉杆(3)的一端铰链孔相连形成转动副，上拉杆(3)的另一端铰链孔与采摘爪(4)上部的铰链孔相连接构成转动副；每个采摘爪(4)内表面贴有压力传感器(1)；所述移动滑块(5)为中空结构，移动滑块(5)的上端与真空吸盘(2)固连，与真空吸盘(2)连接的真空气管从移动滑块(5)的中空穿过并与下端的真空发生器(7)的真空口相连；

所述采摘机构的主要动力装置为旋转气缸(12)，旋转气缸(12)通过螺钉与连接盘(13)固连，连接盘(13)与三爪气缸(9)采用螺钉固连；真空发生器(7)与连接盘(13)固连；

所述无损采摘气动系统包括空气压缩机、气源三联件(19)、采摘气动子系统、夹持气动子系统和吸附气动子系统；所述空气压缩机包括气泵(15)、储气罐(16)和电接点压力表(17)，所述气泵(15)的出气口与储气罐(16)的进气口连接，所述储气罐(16)的出气口与气源三联件(19)的进气口连接，所述储气罐(16)与气源三联件(19)连接的管路上且靠近储气罐(16)设有电接点压力表(17)，所述气源三联件(19)的出气口与4通管的一接头连接；采摘气动子系统包括手动调压阀(20)、3位5通先导式电磁换向阀(21)和手动节流阀Ⅰ(10)，4通管的另一接头通过气动软管与手动调压阀(20)的进气口相连接，手动调压阀(20)的出气口与3位5通先导式电磁换向阀(21)的进气口通过气动软管相连，3位5通先导式电磁换向阀(21)的A、B出气口分别与一个手动节流阀Ⅰ(10)进气口相连，两个手动节流阀Ⅰ(10)的出气口分别与旋转气缸(12)两个进气口通过气动软管相连；夹持气动子系统包括比例压力阀(22)、2位5通先导式电磁换向阀(23)和手动节流阀Ⅱ，4通管剩下两个接头中的一个与比例压力阀(22)的进气口通过气动软管相连，比例压力阀(22)的出气口与2位5通先导式电磁换向阀(23)的进气口通过气动软管相连，2位5通先导式电磁换向阀(23)的A、B出气口分别与一个手动节流阀Ⅱ相连，两个手动节流阀Ⅱ与三爪气缸(9)的两个进气口相连接；吸附气动子系统包括2位2通电磁换向阀(24)，4通管剩下两个接头中的另一个接头与2位2通电磁换向阀(24)的进气口通过气动软管相连，2位2通电磁换向阀(24)的出气口与真空发生器(7)的进气口相连，真空发生器(7)的真空口与真空吸盘(2)相连。

2.根据权利要求1所述的一种仿人采摘动作的多爪气动无损果蔬采摘机械手，其特征在于：所述上拉杆(3)和下拉杆(6)上均设有长度调节螺母(14)。

3.根据权利要求1所述的一种仿人采摘动作的多爪气动无损果蔬采摘机械手，其特征在于：所述电接点压力表(17)与气源三联件(19)之间的管路上设置有安全阀(18)。

4.根据权利要求1所述的一种仿人采摘动作的多爪气动无损果蔬采摘机械手，其特征在于：所述连接盘(13)上设有调节孔。

5.根据权利要求1所述的一种仿人采摘动作的多爪气动无损果蔬采摘机械手，其特征在于：该多爪气动无损果蔬采摘机械手的无损果蔬采摘控制流程是基于采摘机械手的真空吸盘(2)已经与果蔬表面接触的情况下；程序运行开始首先对夹持气动子系统进行压力初始化，其初始压力可驱动三爪气缸(9)实现空载开合运动，同时该初始压力所产生的夹持力无法对果蔬造成伤害；之后2位2通电磁换向阀(24)上电使真空吸盘(2)产生真空吸附果蔬；此时在初始夹持压力下控制2位5通先导式电磁换向阀(23)使机械手开始夹持果实；同时开始对压力传感器(1)的信息进行离散采样；当压力不为0时，说明机械手接触到果蔬表面，此时通过控制比例压力阀(22)开始逐步提升夹持气动子系统的压力，并同时对采摘爪(4)夹持力进行采样，当[P(n)-P(n-1)]/t>k时，其中t为采样周期，P(n)为当前夹持压力，P(n-1)为上一时刻夹持压力，k为压力变化量阈值，即压力变化速率大于k值时，比例压力阀(22)停止增压，此时说明该压力下机械手已将果实夹住且不损伤果实，阈值k可根据试验获取；同时2位2通电磁换向阀(24)断电，吸附停止；最后3位5通先导式电磁换向阀(21)开启，实现扭转动作。

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