CN108575295A - 一种轻量化果实采摘机器人机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻量化果实采摘机器人机械臂，涉及机器人领域，该操作臂腰关节与底板连接，肩关节轴通过U型架与腰关节连接，双连杆组成大臂。肩关节电机置于U型架上，电机输出轴通过联轴器与肩关节主动臂连接，肩关节从动臂通过轴承与法兰盘与肩关节轴连接，肘关节轴与肩关节主动臂连接，同时通过联轴器与肘关节主动臂连接，肘关节和腕关节连接方式与肩关节类似。末端执行器电机固定在电机安装板上，电机安装板通过电机安装板侧板与腕关节机械臂连接。末端电机输出轴通过联轴器与末端执行器安装板连接。本发明结构合理、重量轻、刚度大、运动灵活，腕部可与各种末端执行器连接，引导末端执行器实现不同果实的采摘。

Description

一种轻量化果实采摘机器人机械臂

技术领域

本发明涉及农业机器人领域，具体涉及到一种轻量化果实采摘机器人机械臂装置。

背景技术

我国果蔬产业发展成就突出，但农业劳动力的快速减少和劳动力成本的飞速上升，已经对果蔬产业发展提出了严峻挑战。果蔬采摘是一项费时费力的工作，果蔬收获的季节性强，需要投入大量的劳动力，并且采摘效率较低。因此，研究果蔬采摘机器人对缓解农村劳动力缺乏、节省人工成本、提高果蔬采摘效率有着重要的意义。

由于工业机器人机械臂通常承载能力强，但结构上不够轻便，集成度高等，不能满足采摘机器人轻便灵巧动作要求以及与行走系统等整机集成的要求。所以，研究轻量化、开放性的采摘机器人专用机械臂结构和运动规划方法，对采摘机器人走向实际作业具有重要的研究价值和应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种轻量化果实采摘机器人机械臂。以解决现有机械臂重量大、灵活性差、负载能力低、集成度低等问题。

为解决上述问题，本发明的目的在于通过机械臂的铅垂轴转动以适应机器人机械臂可以360°旋转采摘果实，肩关节、肘关节和第一腕关节的转动自由度，可以使机械臂在竖直平面内作转动，使机械臂伸展和收缩，以适应处于不同高度的果实采摘；第一腕关节末端设有第二腕关节转动关节，可与采摘机械臂末端执行器连接，能够好的实现末端执行器的采摘位姿要求。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种轻量化五自由度关节型果实采摘机械臂，该机械臂包括机械臂底板、五组杆臂和五个机电一体化的模块化旋转关节；所述五组杆臂包括U型架、肩关节主动臂、肩关节从动臂、肘关节主动臂、肘关节从动臂、第一腕关节主动臂、第一腕关节从动臂；第二腕关节臂Ⅰ和第二腕关节臂Ⅱ；所述五个机电一体化的模块化旋转关节包括腰关节、肩关节、肘关节、第一腕关节和第二腕关节；

所述机械臂底板上安装有U型架，U型架的输出端安装有肩关节；肩关节的两侧安装有肩关节主动臂与肩关节从动臂的输入端，肩关节主动臂与肩关节从动臂的输出端安装在肘关节上，肘关节上还安装有肘关节主动臂、肘关节从动臂的一端；肘关节主动臂、肘关节从动臂的另一端安装在第一腕关节上，第一腕关节上还安装有第一腕关节主动臂、第一腕关节从动臂；第一腕关节主动臂、第一腕关节从动臂的另一端安装在第二腕关节上，第二腕关节上左右对称设置有第二腕关节臂Ⅰ和第二腕关节臂Ⅱ。

进一步的，所述腰关节的腰关节输入端与机械臂底板固连，腰关节的腰关节输出端(34-2)与肩关节的肩关节输入端固连，肩关节的肩关节输出端与肩关节主动臂的肩关节主动臂输入端固连，肩关节主动臂的肩关节主动臂输出端与肘关节的肘关节输入端固连，肘关节的肘关节输出端与肘关节主动臂的肘关节主动臂输入端固连，肘关节主动臂的肘关节主动臂输出端与第一腕关节的第一腕关节输入端固连，第一腕关节的第一腕关节输出端与第一腕关节主动臂的第一腕关节主动臂输入端固连，第一腕关节主动臂的第一腕关节主动臂输出端与第二腕关节的第二腕关节输入端固连，第二腕关节的第二腕关节输出端与末端执行器连接板固连。

进一步的，所述腰关节的旋转轴线与肩关节的旋转轴线正交设置；肩关节的旋转轴线分别与肘关节的旋转轴线及第一腕关节的旋转轴线空间平行设置；第一腕关节的旋转轴线与第二腕关节的旋转轴线正交设置。

进一步的，所述腰关节包括电机A、腰关节小圆柱齿轮、腰关节大圆柱齿轮、腰关节中心基座、腰关节法兰盘、圆锥滚子轴承A、深沟球轴承A和U型架；所述电机A与底板固定连接；电机A与腰关节小圆柱齿轮固定连接；腰关节中心基座与底板固定连接；腰关节中心基座与腰关节法兰盘通过圆锥滚子轴承A、深沟球轴承A轴承连接；腰关节大圆柱齿轮与腰关节法兰盘固定连接；所述腰关节法兰盘与U型架螺栓连接。

进一步的，所述肩关节包括肩关节轴、电机B、肩关节联轴器、肩关节动力法兰盘、深沟球轴承B1、深沟球轴承B2、肩关节从动臂法兰盘、深沟球轴承C1、深沟球轴承C2、肩关节主动臂和肩关节从动臂；所述电机B与肩关节轴螺栓连接；电机B与肩关节主动臂通过肩关节联轴器连接；肩关节联轴器与肩关节动力法兰盘通过深沟球轴承B1、深沟球轴承B2连接；肩关节轴与肩关节动力法兰盘通过螺栓连接；肩关节轴与U型架通过螺栓连接；肩关节从动臂与肩关节从动臂法兰盘固定连接；肩关节从动臂法兰盘与肩关节轴通过深沟球轴承C1、深沟球轴承C2连接。

进一步的，所述肘关节包括肘关节轴、电机C、肘关节连接件、肘关节从动臂法兰盘、肘关节主动臂、肘关节从动臂、肘关节电机联轴器、肘关节动力法兰盘、深沟球轴承D1、深沟球轴承D2、深沟球轴承E1和深沟球轴承E2；所述肘关节轴与电机C螺栓连接；肘关节轴与肘关节动力法兰盘螺栓连接；肘关节轴与肩关节主动臂螺栓连接；肘关节轴与肩关节从动臂通过肘关节连接件螺栓连接；肘关节轴与肘关节从动臂法兰盘通过深沟球轴承E1、深沟球轴承E2连接；肘关节主动臂与肘关节电机联轴器固定连接；肘关节从动臂法兰盘与肘关节从动臂固定连接。

进一步的，所述第一腕关节包括第一腕关节轴、电机D、第一腕关节连接件、第一腕关节主动臂、第一腕关节从动臂、第一腕关节从动臂法兰盘、第一腕关节电机联轴器、第一腕关节动力法兰盘、深沟球轴承F1、深沟球轴承F2、深沟球轴承G1、深沟球轴承G2；所述第一腕关节轴与电机D螺栓连接；第一腕关节轴与第一腕关节动力法兰盘螺栓连接；第一腕关节轴与第一腕关节主动臂通过第一腕关节电机联轴器连接；第一腕关节轴与第一腕关节从动臂通过第一腕关节连接件螺栓连接；第一腕关节轴与第一腕关节从动臂法兰盘通过深沟球轴承G1、深沟球轴承G2连接；第一腕关节电机联轴器与第一腕关节动力法兰盘通过深沟球轴承F1、第一腕关节轴与肘关节主动臂螺栓连接；深沟球轴承F2连接。

进一步的，所述第二腕关节包括电机E、第二腕关节电机安装板、第二腕关节电机安装侧板Ⅰ、第二腕关节电机安装侧板Ⅱ、第二腕关节侧板Ⅰ、第二腕关节侧板Ⅱ、第二腕关节电机联轴器、第二腕关节电机轴承压板、末端执行器连接件、深沟球轴承H；所述电机E与电机安装板固定连接；电机安装侧板Ⅰ与第一腕关节主动臂螺栓连接；第二腕关节电机安装侧板Ⅰ与第二腕关节电机安装板螺栓连接；第二腕关节电机安装板与第二腕关节电机安装侧板Ⅱ螺栓连接、第二腕关节电机安装侧板Ⅱ与第一腕关节从动臂螺栓连接；第二腕关节电机E与第二腕关节电机轴承压板通过第二腕关节电机联轴器连接；第二腕关节电机联轴器与第二腕关节电机轴承压板通过深沟球轴承H连接；第二腕关节电机联轴器与末端执行器连接件螺栓连接。

进一步的，所述机械臂底板与肩关节的旋转轴线的距离H4为249mm；肩关节的旋转轴线与肘关节的旋转轴线的距离H3为560mm；肘关节的旋转轴线与第一腕关节的旋转轴线的距离H2为600mm；第一腕关节的旋转轴线与末端执行器安装板的距离H1为360mm。

进一步的，基座腰关节设有腰关节中心孔，腰关节穿线孔，肩关节设有肩关节中心孔肩关节穿线孔，肘关节设有肘关节中心孔，肘关节穿线孔，第一腕关节设有第一腕关节中心孔，第一仰俯关节穿线孔，第二腕关节电机安装侧板设有第二腕关节电机安装侧板穿线孔，导线分别通过第二腕关节电机安装侧板穿线孔孔及第一仰俯关节穿线孔进入到第一腕关节中心孔中，经第一腕关节中心孔引出固定在第一腕关节从动臂上，导线再由第一腕关节从动臂经第一仰俯关节穿线孔引入到第一腕关节中心孔，经第一腕关节中心孔引出固定在肘关节从动臂上，导线再由肘关节从动臂上经肘关节穿线孔进入到肘关节中心孔，经肘关节中心孔引出固定在肩关节从动臂上，再由肩关节从动臂进入到肩关节中心孔，由肩关节中心孔经肩关节穿线孔引入到腰关节中心孔中，与车体内电气系统连接。

有益效果：

1.为了有效减轻机器人机械臂整体的重量，除电机、减速器、底板、中心基座、齿轮和螺钉连接外，其余零件均采用铝合金材料。

2.机械臂整体结构通过基座电机驱动可以绕铅垂轴转动，以适应机器人机械臂可以360°旋转采摘果实，肩关节、肘关节和第一腕关节的转动自由度，可以使机械臂在竖直平面内作转动，使机械臂伸展和收缩，以适应处于不同高度的果实采摘。第一腕关节末端设有第二腕关节转动关节，可与采摘机械臂末端执行器连接，能够好的实现末端执行器的采摘位姿要求。各杆臂采用双杆机构，一侧驱动，另一侧走线，使机械臂整体刚性加强并有条理。

3.本机械臂具有五个转动自由度，采用双杆机构，整体刚性好、配置紧凑、集成度高、重量轻、灵活性强、负载能力强等优点；本发明能够实现腰关节的旋转，肩关节的仰俯，肘关节的仰俯，第一腕关节的仰俯以及第二腕关节的旋转；通过设置对应关节的转动范围，实现机械臂与人体手臂相近的工作空间，以达到采摘要求；采用关节中心孔以及杆臂中心孔的走线方式，实现机械臂电气系统的集成，提高了机器人系统末端执行器的工作能力。

附图说明

图1为本发明实施例的机械臂整体结构图

图2为本发明实施例的机械臂整体剖视图

图3为本发明实施例的腰关节与肩关节剖视图

图4为本发明实施例的肘关节剖视图

图5为本发明实施例的第一腕关节剖视图

图6为本发明实施例的第一腕关节与第二腕关节剖视图

图7为本发明实施例的第二腕关节电机安装板结构示意图

图8为本发明实施例的第二腕关节电机安装侧板Ⅰ结构示意图

图9为本发明实施例的第二腕关节电机安装侧板Ⅱ结构示意图

图10为本发明实施例的第二腕关节电机联轴器机构示意图

图11为本发明实施例的末端执行器连接板结构示意图

图12为本发明实施例的第二腕关节侧板结构示意图

图13为本发明实施例的第二腕关节轴承压板结构示意图。

附图标记如下：

1-底板、2-基座电机、2-1腰关节中心孔、2-2腰关节穿线孔、3-肩关节从动臂法兰盘、4-U型架、5-基座大齿轮保护壳Ⅰ、6-肩关节轴、6-1肩关节轴输入端、6-2肩关节轴输出端、6-3肩关节轴中心孔、6-4肩关节轴穿线孔、7-基座大齿轮保护壳Ⅱ、8-肩关节主动臂、8-1肩关节主动臂输入端、8-2肩关节主动臂输出端、9-肘关节轴、9-1肘关节轴输入端、9-2肘关节轴输出端、9-3肘关节轴中心孔、9-4肘关节轴穿线孔、10-肘关节主动臂、10-1肘关节主动臂输入端、10-2肘关节主动臂输出端、11-第一腕关节主动臂、11-1第一腕关节主动臂输入端、11-2第一腕关节主动臂输出端、12-第二腕关节电机、13-第二腕关节电机安装侧板Ⅰ、1301-第二腕关节安装侧板通孔、1302-第二腕关节安装侧板螺纹孔、14-第二腕关节电机联轴器、1401-第二腕关节电机联轴器螺纹孔、1402-第二腕关节电机联轴器键槽、15-末端执行器连接板、1501-末端执行器连接板阶梯孔A、1502-末端执行器连接板通孔A、1503-末端执行器连接板阶梯孔B、1504-末端执行器连接板通孔B、16-第二腕关节电机轴承压板、1601-第二腕关节轴承压板通孔、1602-第二腕关节轴承压板螺纹孔、17-第二腕关节、18-第二腕关节电机安装侧板Ⅱ、1801-第二腕关节电机安装侧板Ⅱ通孔、1802-第二腕关节电机安装侧板Ⅱ螺纹孔、19-第一腕关节从动臂、20-第一腕关节从动臂法兰盘、21-第一腕关节轴连接件、22-肘关节从动臂、23-肘关节从动臂法兰盘、24-肘关节轴连接件、25-肩关节从动臂、26-基座小齿轮保护壳、27-第一腕关节轴、27-1第一腕关节输入端、27-2第二腕关节输入端、27-3第一腕关节中心孔、27-4第一腕关节穿线孔、28-第一腕关节电机、29-第二腕关节侧板Ⅰ、2901-第二腕关节侧板Ⅰ第一通孔A、2902-第二腕关节侧板Ⅰ通孔B、30-第二腕关节电机安装板、3001-第二腕关节电机安装板通孔A、3002-第二腕关节电机安装板通孔B、3003-第二腕关节电机安装板通孔C、31-第二腕关节侧板Ⅱ、32-肘关节电机、33-基座小圆柱齿轮、34-腰关节、34-1腰关节输入端、34-2腰关节输出端、35-圆锥滚子轴承A、36-深沟球轴承A、37-深沟球轴承C1、38-深沟球轴承C2、39-肩关节电机、40-深沟球轴承B1、41-肩关节动力法兰盘、42-深沟球轴承B2、43-肩关节电机联轴器、44-基座大圆柱齿轮、45-深沟球轴承D1、46-深沟球轴承D2、47-肘关节轴连接件、48-深沟球轴承E1、49-深沟球轴承E2、50-肘关节动力法兰盘、51-肘关节电机联轴器、52-深沟球轴承F1、53-深沟球轴承F2、54-深沟球轴承G1、55-深沟球轴承G2、56-腕关节轴连接件、57-腕关节动力法兰盘、58-腕关节电机联轴器、59-深沟球轴承H、60-第二腕关节、60-1第二腕关节输入端、60-2第二腕关节输出端、61-腰关节中心基座、

另外，Ⅰ-Ⅰ为第二腕关节的旋转轴线、Ⅱ-Ⅱ为第一腕关节的旋转轴线、Ⅲ-Ⅲ为肘关节的旋转轴线、Ⅳ-Ⅳ为肩关节的旋转轴线、Ⅴ-Ⅴ为腰关节的旋转轴线、H1-为第一腕关节的旋转轴线Ⅱ-Ⅱ与末端执行器安装板的距离、H2-为肘关节的旋转轴线Ⅲ-Ⅲ与第一腕关节的旋转轴线Ⅱ-Ⅱ的距离、H3-为肩关节的旋转轴线Ⅳ-Ⅳ与肘关节的旋转轴线Ⅲ-Ⅲ的距离、H4-为机械臂底板与肩关节的旋转轴线Ⅳ-Ⅳ的距离。

具体实施方式

为对本发明做进一步的了解，现结合附图进一步说明。

结合附图1和2所示，一种轻量化果实采摘机器人机械臂，所述机械臂包括机械臂底板1、五组杆臂、及五个机电一体化的模块化旋转关节。

所述五组杆臂分别为U型架4；肩关节主动臂8、肩关节从动臂25；肘关节主动臂10、肘关节从动臂22；腕关节主动臂11、腕关节从动臂19；第二腕关节臂129、第二腕关节臂231；所述五个机电一体化的模块化旋转关节分别是腰关节34、肩关节6、肘关节9、第一腕关节27、第二腕关节17。

所述腰关节34的腰关节输入端34-1与机械臂底板1固连，腰关节34的腰关节输出端34-2与肩关节6的肩关节输入端6-1固连，肩关节6的肩关节输出端6-2与肩关节主动臂8的肩关节主动臂输入端8-1固连，肩关节主动臂8的肩关节主动臂输出端8-2与肘关节9的肘关节输入端9-1固连，肘关节9的肘关节输出端9-2与肘关节主动臂10的肘关节主动臂输入端10-1固连，肘关节主动臂10的肘关节主动臂输出端10-2与第一腕关节27的第一腕关节输入端27-1固连，第一腕关节27的第一腕关节输出端27-2与第一腕关节主动臂11的第一腕关节主动臂输入端11-1固连，第一腕关节主动臂11的第一腕关节主动臂输出端11-2与第二腕关节60的第二腕关节输入端60-1固连，第二腕关节60的第二腕关节输出端60-2与末端执行器连接板15-1固连。

结合附图2,3,6所示，腰关节34的旋转轴线Ⅴ-Ⅴ与肩关节6的旋转轴线Ⅳ-Ⅳ正交设置；肩关节6的旋转轴线Ⅳ-Ⅳ分别与肘关节9的旋转轴线Ⅲ-Ⅲ及第一腕关节27的旋转轴线Ⅱ-Ⅱ空间平行设置；第一腕关节27的旋转轴线Ⅱ-Ⅱ与第二腕关节17的旋转轴线Ⅰ-Ⅰ正交设置。

结合附图3所示，腰关节34包括电机A2、腰关节小圆柱齿轮33、腰关节大圆柱齿轮44、腰关节中心基座61、腰关节法兰盘34、圆锥滚子轴承A35、深沟球轴承A36、U型架4。所述电机A2与底板1固定连接；电机A2与腰关节小圆柱齿轮33固定连接；腰关节中心基座61与底板1固定连接；腰关节中心基座61与腰关节法兰盘34通过圆锥滚子轴承A35、深沟球轴承A36轴承连接；腰关节大圆柱齿轮44与腰关节法兰盘34固定连接；腰关节法兰盘34与U型架4螺栓连接。肩关节包括肩关节轴6、电机B39、肩关节联轴器43、肩关节动力法兰盘41、深沟球轴承B140、深沟球轴承B242、肩关节从动臂法兰盘3、深沟球轴承(C1)37、深沟球轴承(C2)38、肩关节主动臂8、肩关节从动臂25。所述电机B39与肩关节轴6螺栓连接；电机B39与肩关节主动臂8通过肩关节联轴器43连接；肩关节联轴器43与肩关节动力法兰盘41通过深沟球轴承B140、深沟球轴承B242连接；肩关节轴6与肩关节动力法兰盘41通过螺栓连接；肩关节轴6与U型架4通过螺栓连接；肩关节从动臂25与肩关节从动臂法兰盘3固定连接；肩关节从动臂法兰盘3与肩关节轴6通过深沟球轴承(C1)37、深沟球轴承(C2)38连接。

结合附图4所示，肘关节包括肘关节轴9、电机C32、肘关节连接件24、肘关节从动臂法兰盘23、肘关节主动臂10、肘关节从动臂22、肘关节电机联轴器51、肘关节动力法兰盘50、深沟球轴承(D1)45、深沟球轴承(D2)46、深沟球轴承(E1)48、深沟球轴承(E2)49。所述肘关节轴9与电机C32螺栓连接；肘关节轴9与肘关节动力法兰盘50螺栓连接；肘关节轴9与肩关节主动臂8螺栓连接；肘关节轴9与肩关节从动臂25通过肘关节连接件24螺栓连接；肘关节轴9与肘关节从动臂法兰盘23通过深沟球轴承(E1)48、深沟球轴承(E2)49连接；肘关节主动臂10与肘关节电机联轴器51固定连接；肘关节从动臂法兰盘23与肘关节从动臂22固定连接。

结合附图5、6所示，第一腕关节包括第一腕关节轴27、第一腕关节电机D28、第一腕关节连接件21、第一腕关节主动臂11、第一腕关节从动臂19、第一腕关节从动臂法兰盘20、第一腕关节电机联轴器58、第一腕关节动力法兰盘57、深沟球轴承(F1)52、深沟球轴承(F2)53、深沟球轴承(G1)54、深沟球轴承(G2)55。.所述第一腕关节轴27与电机D28螺栓连接；第一腕关节轴27与第一腕关节动力法兰盘57螺栓连接；第一腕关节轴27与第一腕关节主动臂11通过第一腕关节电机联轴器58连接；第一腕关节轴27与第一腕关节从动臂19通过第一腕关节连接件21螺栓连接；第一腕关节轴27与第一腕关节从动臂法兰盘20通过深沟球轴承(G1)54、深沟球轴承(G2)55连接；第一腕关节电机联轴器58与第一腕关节动力法兰盘57通过深沟球轴承(F1)52、第一腕关节轴27与肘关节主动臂10螺栓连接；深沟球轴承(F2)53连接。

结合附图6，7、8、9、10、11、12、13所示，所述第二腕关节包括电机E12、第二腕关节电机安装板30、第二腕关节电机安装侧板113、第二腕关节电机安装侧板218、第二腕关节侧板131、第二腕关节侧板229、第二腕关节电机联轴器14、第二腕关节电机轴承压板16、末端执行器连接件15、深沟球轴承H59。所述电机E12与电机安装板30通过第二腕关节电机安装板通孔B3002固定连接；电机安装侧板113与第一腕关节主动臂11通过第二腕关节安装侧板螺纹孔1302螺栓连接；第二腕关节电机安装侧板Ⅰ13通过第二腕关节安装侧板通孔1301与电机安装板30上的第二腕关节电机安装板通孔A3001螺栓连接；第二腕关节电机安装板30通过第二腕关节电机安装板通孔C3003与第二腕关节电机安装侧板Ⅱ18上的第二腕关节电机安装侧板Ⅱ通孔1801螺栓连接第二腕关节电机安装侧板Ⅱ18通过第二腕关节电机安装侧板Ⅱ螺栓孔1802与第一腕关节从动臂19螺栓连接；电机E12与电机轴承压板16通过第二腕关节电机联轴器14连接；第二腕关节电机联轴器14与电机轴承压板16通过深沟球轴承H59连接；第二腕关节电机联轴器14通过第二腕关节电机联轴器螺纹孔1401与末端执行器连接件15上的末端执行器连接件孔1502螺栓连接。

结合附图2、3、6所示，基座腰关节34设有腰关节中心孔2-1，腰关节穿线孔2-2，肩关节6设有肩关节中心孔6-3，肩关节穿线孔6-4，肘关节9设有肘关节中心孔9-3，肘关节穿线孔9-4，第一腕关节27设有第一腕关节中心孔27-3，第一仰俯关节穿线孔27-4，第二腕关节电机安装侧板13设有第二腕关节电机安装侧板穿线孔孔13-3，所述机械臂各关节采用中心孔、穿线孔及杆臂一侧走线的方式，实现机械臂关节间的电气连接；导线的具体走线路径为：末端执行器的导线分别通过第二腕关节电机安装侧板穿线孔孔13-3及第一仰俯关节穿线孔27-4进入到第一腕关节中心孔27-3中，经第一腕关节中心孔27-3引出固定在第一腕关节从动臂19上，导线再由第一腕关节从动臂19经第一仰俯关节穿线孔27-4引入到第一腕关节中心孔27-3，经第一腕关节中心孔27-3引出固定在肘关节从动臂22上，导线再由肘关节从动臂22上经肘关节穿线孔9-4进入到肘关节中心孔9-3，经肘关节中心孔9-3引出固定在肩关节从动臂25上，再由肩关节从动臂25进入到肩关节中心孔6-3，由肩关节中心孔6-3经肩关节穿线孔6-4引入到腰关节中心孔2-1中，从而与车体内电气系统连接，以达到控制的目的。

结合附图2、3所示，机械臂底板1与肩关节6的旋转轴线Ⅳ-Ⅳ的距离H4为249mm；肩关节6的旋转轴线Ⅳ-Ⅳ与肘关节9的旋转轴线Ⅲ-Ⅲ的距离H3为560mm；肘关节9的旋转轴线Ⅲ-Ⅲ与第一腕关节27的旋转轴线Ⅱ-Ⅱ的距离H2为600mm；第一腕关节27的旋转轴线Ⅱ-Ⅱ与末端执行器安装板15的距离H1为360mm。

结合附图1、2、3所示，腰关节34、肩关节6、肘关节9、第一腕关节27、第二腕关节17的电机均采用交流伺服电机，并配套行星齿轮减速器。腰关节34绕腰关节34的旋转轴线Ⅴ-Ⅴ的旋转范围为±150°；肩关节6绕肩关节6的旋转轴线Ⅳ-Ⅳ的仰俯运动范围为0°～85°；肘关节9绕肘关节9的旋转轴线Ⅲ-Ⅲ的仰俯运动范围为-126°～0°；第一腕关节17绕第一腕关节17的旋转轴线Ⅱ-Ⅱ的仰俯运动范围为-126°～85°；第二腕关节60绕第二腕关节60的旋转轴线Ⅰ-Ⅰ的旋转范围为±180°。其中腰关节34与第二腕关节60的旋转角度定义如下：水平面位置定义为0°，顺时针旋转为正，逆时针旋转为负。肩关节6、肘关节9与第一腕关节17的仰俯角度定义如下：手臂与水平面平行位置定义为0°，肩关节6、肘关节9与第一腕关节17由水平面向上转动的角度定义为正值，肩关节6、肘关节9与第一腕关节17由水平面向下转动的角度定义为负值。

工作过程：

当采摘机器人双目视觉系统检测到需要采摘果实时，双目视觉系统会将需要采摘果实的位姿信息传送到工控机内，工控机基于最短路径算法规划出一条采摘路径，包括每个关节所需转动的转角范围与速度，然后将这些信号传送给运动控制卡，运动控制卡通过是否控制器来控制伺服电机从而控制各机械臂来完成采摘过程。机械臂工作时，伺服控制器根据接收到的脉冲信号来对伺服电机进行控制。基座电机2通过对基座小齿轮33的驱动从而带动基座大齿轮44的转动以达到腰关节34的旋转；肩关节电机39通过肩关节联轴器43与肩关节主动臂8连接从而达到肩关节6的仰俯运动；肘关节电机32通过肘关节联轴器51与肘关节主动臂10连接从而达到肘关节9的仰俯运动；第一腕关节电机28通过第一腕关节联轴器51与第一腕关节主动臂11连接从而达到第一腕关节17的仰俯运动；第二腕关节电机12通过第二腕关节联轴器14与末端执行器安装板15连接以达到第二腕关节60的旋转运动，从而完成整个采摘过程。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种轻量化果实采摘机器人机械臂，其特征在于：该机械臂包括机械臂底板(1)、五组杆臂和五个机电一体化的模块化旋转关节；所述五组杆臂包括U型架(4)、肩关节主动臂(8)、肩关节从动臂(25)、肘关节主动臂(10)、肘关节从动臂(22)、第一腕关节主动臂(11)、第一腕关节从动臂(19)；第二腕关节臂Ⅰ(29)和第二腕关节臂Ⅱ(31)；所述五个机电一体化的模块化旋转关节包括腰关节(34)、肩关节(6)、肘关节(9)、第一腕关节(27)和第二腕关节(17)；

所述机械臂底板(1)上安装有U型架(4)，U型架(4)的输出端安装有肩关节(6)；肩关节(6)的两侧安装有肩关节主动臂(8)与肩关节从动臂(25)的输入端，肩关节主动臂(8)与肩关节从动臂(25)的输出端安装在肘关节(9)上，肘关节(9)上还安装有肘关节主动臂(10)、肘关节从动臂(22)的一端；肘关节主动臂(10)、肘关节从动臂(22)的另一端安装在第一腕关节(27)上，第一腕关节(27)上还安装有第一腕关节主动臂(11)、第一腕关节从动臂(19)；第一腕关节主动臂(11)、第一腕关节从动臂(19)的另一端安装在第二腕关节(17)上，第二腕关节(17)上左右对称设置有第二腕关节臂Ⅰ(29)和第二腕关节臂Ⅱ(31)。

2.根据权利要求1所述的一种轻量化果实采摘机器人机械臂，其特征在于：所述腰关节(34)的腰关节输入端(34-1)与机械臂底板(1)固连，腰关节(34)的腰关节输出端(34-2)与肩关节(6)的肩关节输入端(6-1)固连，肩关节(6)的肩关节输出端(6-2)与肩关节主动臂(8)的肩关节主动臂输入端(8-1)固连，肩关节主动臂(8)的肩关节主动臂输出端(8-2)与肘关节(9)的肘关节输入端(9-1)固连，肘关节(9)的肘关节输出端(9-2)与肘关节主动臂(10)的肘关节主动臂输入端(10-1)固连，肘关节主动臂(10)的肘关节主动臂输出端(10-2)与第一腕关节(27)的第一腕关节输入端(27-1)固连，第一腕关节(27)的第一腕关节输出端(27-2)与第一腕关节主动臂(11)的第一腕关节主动臂输入端(11-1)固连，第一腕关节主动臂(11)的第一腕关节主动臂输出端(11-2)与第二腕关节(60)的第二腕关节输入端(60-1)固连，第二腕关节(60)的第二腕关节输出端(60-2)与末端执行器连接板(15-1)固连。

3.根据权利要求1所述的一种轻量化果实采摘机器人机械臂，其特征在于：所述腰关节(34)的旋转轴线与肩关节(6)的旋转轴线正交设置；肩关节(6)的旋转轴线分别与肘关节(9)的旋转轴线及第一腕关节(27)的旋转轴线空间平行设置；第一腕关节(27)的旋转轴线与第二腕关节(17)的旋转轴线正交设置。

4.根据权利要求1所述的一种轻量化果实采摘机器人机械臂，其特征在于：所述腰关节包括电机A(2)、腰关节小圆柱齿轮(33)、腰关节大圆柱齿轮(44)、腰关节中心基座(61)、腰关节法兰盘(34)、圆锥滚子轴承A(35)、深沟球轴承A(36)和U型架(4)；所述电机A(2)与底板(1)固定连接；电机A(2)与腰关节小圆柱齿轮(33)固定连接；腰关节中心基座(61)与底板(1)固定连接；腰关节中心基座(61)与腰关节法兰盘(34)通过圆锥滚子轴承A(35)、深沟球轴承A(36)轴承连接；腰关节大圆柱齿轮(44)与腰关节法兰盘(34)固定连接；所述腰关节法兰盘(34)与U型架(4)螺栓连接。

5.根据权利要求1所述的一种轻量化果实采摘机器人机械臂，其特征在于：所述肩关节包括肩关节轴(6)、电机B(39)、肩关节联轴器(43)、肩关节动力法兰盘(41)、深沟球轴承B1(40)、深沟球轴承B2(42)、肩关节从动臂法兰盘(3)、深沟球轴承C1(37)、深沟球轴承C2(38)、肩关节主动臂(8)和肩关节从动臂(25)；所述电机B(39)与肩关节轴(6)螺栓连接；电机B(39)与肩关节主动臂(8)通过肩关节联轴器(43)连接；肩关节联轴器(43)与肩关节动力法兰盘(41)通过深沟球轴承B1(40)、深沟球轴承B2(42)连接；肩关节轴(6)与肩关节动力法兰盘(41)通过螺栓连接；肩关节轴(6)与U型架(4)通过螺栓连接；肩关节从动臂(25)与肩关节从动臂法兰盘(3)固定连接；肩关节从动臂法兰盘(3)与肩关节轴(6)通过深沟球轴承C1(37)、深沟球轴承C2(38)连接。

6.根据权利要求1所述的一种轻量化果实采摘机器人机械臂，其特征在于：所述肘关节包括肘关节轴(9)、电机C(32)、肘关节连接件(24)、肘关节从动臂法兰盘(23)、肘关节主动臂(10)、肘关节从动臂(22)、肘关节电机联轴器(51)、肘关节动力法兰盘(50)、深沟球轴承D1(45)、深沟球轴承D2(46)、深沟球轴承E1(48)和深沟球轴承E2(49)；所述肘关节轴(9)与电机C(32)螺栓连接；肘关节轴(9)与肘关节动力法兰盘(50)螺栓连接；肘关节轴(9)与肩关节主动臂(8)螺栓连接；肘关节轴(9)与肩关节从动臂(25)通过肘关节连接件(24)螺栓连接；肘关节轴(9)与肘关节从动臂法兰盘(23)通过深沟球轴承E1(48)、深沟球轴承E2(49)连接；肘关节主动臂(10)与肘关节电机联轴器(51)固定连接；肘关节从动臂法兰盘(23)与肘关节从动臂(22)固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种轻量化果实采摘机器人机械臂，其特征在于：所述第一腕关节包括第一腕关节轴(27)、电机D(28)、第一腕关节连接件(21)、第一腕关节主动臂(11)、第一腕关节从动臂(19)、第一腕关节从动臂法兰盘(20)、第一腕关节电机联轴器(58)、第一腕关节动力法兰盘(57)、深沟球轴承F1(52)、深沟球轴承F2(53)、深沟球轴承G1(54)、深沟球轴承G2(55)；所述第一腕关节轴(27)与电机D(28)螺栓连接；第一腕关节轴(27)与第一腕关节动力法兰盘(57)螺栓连接；第一腕关节轴(27)与第一腕关节主动臂(11)通过第一腕关节电机联轴器(58)连接；第一腕关节轴(27)与第一腕关节从动臂(19)通过第一腕关节连接件(21)螺栓连接；第一腕关节轴(27)与第一腕关节从动臂法兰盘(20)通过深沟球轴承G1(54)、深沟球轴承G2(55)连接；第一腕关节电机联轴器(58)与第一腕关节动力法兰盘(57)通过深沟球轴承F1(52)、第一腕关节轴(27)与肘关节主动臂(10)螺栓连接；深沟球轴承F2(53)连接。

8.根据权利要求1所述的一种轻量化果实采摘机器人机械臂，其特征在于：所述第二腕关节包括电机E(12)、第二腕关节电机安装板(30)、第二腕关节电机安装侧板Ⅰ(13)、第二腕关节电机安装侧板Ⅱ(18)、第二腕关节侧板Ⅰ(31)、第二腕关节侧板Ⅱ(29)、第二腕关节电机联轴器(14)、第二腕关节电机轴承压板(16)、末端执行器连接件(15)、深沟球轴承H(59)；所述电机E(12)与电机安装板(30)固定连接；电机安装侧板Ⅰ(13)与第一腕关节主动臂(11)螺栓连接；第二腕关节电机安装侧板Ⅰ(13)与第二腕关节电机安装板(30)螺栓连接；第二腕关节电机安装板(30)与第二腕关节电机安装侧板Ⅱ(18)螺栓连接、第二腕关节电机安装侧板Ⅱ(18)与第一腕关节从动臂(19)螺栓连接；第二腕关节电机E(12)与第二腕关节电机轴承压板(16)通过第二腕关节电机联轴器(14)连接；第二腕关节电机联轴器(14)与第二腕关节电机轴承压板(16)通过深沟球轴承H(59)连接；第二腕关节电机联轴器(14)与末端执行器连接件(15)螺栓连接。

9.根据权利要求1所述的一种轻量化果实采摘机器人机械臂，其特征在于：所述机械臂底板(1)与肩关节(6)的旋转轴线的距离H4为249mm；肩关节(6)的旋转轴线与肘关节(9)的旋转轴线的距离H3为560mm；肘关节(9)的旋转轴线与第一腕关节(27)的旋转轴线的距离H2为600mm；第一腕关节(27)的旋转轴线与末端执行器安装板(15)的距离H1为360mm。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种轻量化果实采摘机器人机械臂，其特征在于：基座腰关节(34)设有腰关节中心孔(2-1)，腰关节穿线孔(2-2)，肩关节(6)设有肩关节中心孔(6-3)，肩关节穿线孔(6-4)，肘关节(9)设有肘关节中心孔(9-3)，肘关节穿线孔(9-4)，第一腕关节(27)设有第一腕关节中心孔(27-3)，第一仰俯关节穿线孔(27-4)，第二腕关节电机安装侧板(13)设有第二腕关节电机安装侧板穿线孔(13-3)，导线分别通过第二腕关节电机安装侧板穿线孔孔(13-3)及第一仰俯关节穿线孔(27-4)进入到第一腕关节中心孔(27-3)中，经第一腕关节中心孔(27-3)引出固定在第一腕关节从动臂(19)上，导线再由第一腕关节从动臂(19)经第一仰俯关节穿线孔(27-4)引入到第一腕关节中心孔(27-3)，经第一腕关节中心孔(27-3)引出固定在肘关节从动臂(22)上，导线再由肘关节从动臂(22)上经肘关节穿线孔(9-4)进入到肘关节中心孔(9-3)，经肘关节中心孔(9-3)引出固定在肩关节从动臂(25)上，再由肩关节从动臂(25)进入到肩关节中心孔(6-3)，由肩关节中心孔(6-3)经肩关节穿线孔(6-4)引入到腰关节中心孔(2-1)中，与车体内电气系统连接。