CN108901363B - 基于立体菱形伸缩机构的水果采摘机械手 - Google Patents

Abstract

本发明属于采摘机械手设计技术领域，特别指一种基于立体菱形伸缩机构的水果采摘机械手。该机械手解决了现有技术自动化程度低、劳动强度大、消耗时间长等问题。该机械手主要由手柄主体、横向手柄、手柄把手、双菱形架和机械手构成；横向手柄固定在手柄主体上的伸缩控制部上，手柄把手垂直固定于手柄主体上；双菱形架一端安装在手柄主体上；双菱形架的另一端固定机械手。本发明具有操作简便、稳定性好、包裹性好、成本低等优点，适用于水果采摘作业。

Description

基于立体菱形伸缩机构的水果采摘机械手

技术领域

本发明属于采摘机械手设计技术领域，特别指一种基于立体菱形伸缩机构的水果采摘机械手。

背景技术

水果采摘作业是水果生产中最耗时，最费力的一个环节，其收获又属于劳动密集型作业，水果收获期间需投入的劳力约占整个生产过程的 50%-70%，而且在水果收获作业过程中，人工收获经常需要弯腰或借助梯子登高，因此水果收获作业不仅是一项劳动强度大，消耗时间长，而且是具有一定危险性的劳动作业，随着人们生活质量的不断提高，人们也急需要从这种高强度高危险性的劳动中解脱出来，因此实现水果收获的机械化变得越来越迫切，研究农业果实采摘机械手具有重要的意义。

国内现阶段的水果采摘主要以手动采摘为主，自动化程度不高。近年来，国外在果蔬采摘机器人的研究方面虽取得了不少成果，但由于技术、市场和价格等因素的影响，采摘机器人的研究工作基本陷于停顿。与国外相比，国内在果蔬采摘机器人末端执行器的研究方面起步较晚，成果相对较少。到目前为止，国内还没有研制出水果采摘机器人的末端执行器。

发明内容

发明目的：

本发明旨在提出一种结构轻巧、操作简单、携带方便、可实现多方向采剪、自动化程度高、不损伤果实的基于立体菱形伸缩机构的水果采摘机械手。

技术方案：

基于立体菱形伸缩机构的水果采摘机械手，该水果采摘机械手包括手柄主体、横向手柄、手柄把手、双菱形架和机械爪；

横向手柄固定在手柄主体上的伸缩控制部上，手柄把手垂直固定于手柄主体上；双菱形架一端安装在手柄主体上；双菱形架的另一端与机械爪连接；

双菱形架中相互垂直的菱形架Ⅰ和菱形架Ⅱ两端分别与伸缩端部和伸缩控制部连接；菱形架Ⅰ和菱形架Ⅱ中间通过数个心轴连接，伸缩端部与机械爪连接，伸缩控制部与手柄主体连接，手柄扳机支架固定在手柄把手上，手柄扳机的一端与手柄扳机支架连接，手柄扳机的另一端与控制线的一端固定连接；控制线的另一端与机械爪连接。

所述的基于立体菱形伸缩机构的水果采摘机械手，菱形架Ⅰ是由对称的两条连折杆构成的，连折线由两端的短边和数条长边构成，长边中间安装在心轴上；

对称的菱形架Ⅱ由两条伸缩杆构成，伸缩杆由数条菱形边连接。

所述的基于立体菱形伸缩机构的水果采摘机械手，机械爪的手部支撑轴一端固定在伸缩端部上，另一端安装有手心，手心向外周向均匀设置四个双头螺杆，双头螺杆通过手心连杆头与手指连接，手指下端的横向支撑杆安装在手部支撑轴的下端，手指下端的横向支撑杆与伸缩端部之间安装有弹簧。

所述的基于立体菱形伸缩机构的水果采摘机械手，机械爪的手心和手指内侧设有缓冲胶垫。

所述的基于立体菱形伸缩机构的水果采摘机械手，伸缩端部中心是带固定孔的方体，四边各设有一个凸耳，凸耳侧面设有通孔，手部支撑轴通过固定孔与伸缩端部固定；

伸缩控制部中心设有与手柄主体直径相匹配的通孔，伸缩控制部在手柄主体上滑动，伸缩控制部中间方体的四个侧面均设有一个凸块，凸块的侧面设有固定孔。

所述的基于立体菱形伸缩机构的水果采摘机械手，手柄端部横档固定在手柄主体端部，手柄端部叉形支架一端固定在手柄端部横档上，手柄端部叉形支架的另一端安装在在心轴上。

所述的基于立体菱形伸缩机构的水果采摘机械手，控制线一端固定在手柄扳机上连接孔上，控制线交错穿过菱形架Ⅰ上的滑轮，控制线的另一端与手指下端的横向支撑杆上靠近手部支撑轴的通孔进行固定连接。

所述的基于立体菱形伸缩机构的水果采摘机械手，菱形架Ⅰ的一条连折杆上的每个弯折处都设有滑轮，控制线上下交错通过滑轮控制机械爪的张开和闭合。

优点及效果：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、操作简便：机械手完全手动操作，操作方法简单明了，舍弃了机器控制的复杂性，使水果采摘速率变的更高。

二、稳定性好：机械手采用双菱形架机构，稳定性和承重能力提高，即使采摘较大的水果也毫不费力。本机械手采用的是菱形伸缩机构，但不同于传统的平面形的菱形伸缩机构，本机械手的最大特征，是采用了立体菱形伸缩机构即双菱形架机构。采用该机构，一方面保证了机械手具有伸缩自如的特性，这对采摘远近不同的水果十分有帮助；更重要的是，双菱形架机构互为支撑，极大地提高了菱形伸缩机构的强度和刚度，使得菱形伸缩机构即使伸缩长度变化较大，也能保证成果抓取远处的水果，并顺利的取回。该双菱形架伸缩机构，是本发明的主要创新点。

三、包裹性好：机械手四爪配有胶垫，可以更好的包裹水果，减少水果出现破损的可能，而且手动操作比机动的力度控制更妥帖；机械手配有弹簧，可以自动回位并夹紧水果。

四、成本低：机械手的制作材料简单，可以很轻松的组装，减少了不必要的花销，相比机动控制的优势很大。

附图说明：

图1为本发明机械手部的结构示意图；

图2为本发明双菱形架的结构示意图；

图3为本发明手柄握持部分的结构示意图；

图4为本发明的整体结构示意图；

图5为图4旋转90度的结构示意图；

图6为本发明的立体结构示意图。

附图标记说明：

1、手指，2、手心连杆头，3、手心，4、弹簧，5、手部支撑轴，6、双头螺杆，7、伸缩端部，8、菱形边，9、滑轮，10、心轴，11、手柄端部叉形支架，12、手柄端部横档，13、手柄主体，14、手柄扳机，15、手柄扳机支架，16、横向手柄，17、伸缩控制部，18、菱形架Ⅰ，19、菱形架Ⅱ。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图6所示，基于立体菱形伸缩机构的水果采摘机械手，该水果采摘机械手包括手柄主体13、横向手柄16、手柄把手、双菱形架和机械爪；图6所示，整个采摘机械手从前到后依次连接机械爪、双菱形架和手柄主体13，横向手柄16固定在手柄主体靠近双菱形架的伸缩控制部17的后端面上，通过推动横向手柄16实现双菱形机架的伸长和收缩，便于调整与采摘水果的高度关系。

如图3所示，横向手柄16固定在手柄主体13上的伸缩控制部17上，手柄把手垂直固定于手柄主体13上；手柄把手通过螺栓垂直固定在手柄主体13上，手柄把手主要是方便操作人员对整个机械手的扶持和固定，便于使用时的稳定握持；

双菱形架一端安装在手柄主体13上；双菱形架的另一端与机械爪连接；

如图4和图5所示，双菱形架中相互垂直的菱形架Ⅰ18和菱形架Ⅱ19两端分别与伸缩端部7和伸缩控制部17连接；菱形架Ⅰ18和菱形架Ⅱ19中间通过数个心轴10连接，伸缩端部7与机械爪连接，伸缩控制部17与手柄主体13连接；为了保证双菱形架的稳固，菱形架Ⅰ18和菱形架Ⅱ19两端分别与伸缩端部7凸耳的通孔和伸缩控制部17凸块的固定孔固定连接，同时菱形架Ⅰ18和菱形架Ⅱ19中间采用心轴10固定，保证了整个双菱形机架的整体稳定性；心轴10的数量是菱形架Ⅰ18或菱形架Ⅱ19构成的菱形四边形的个数减一；

采用双菱形架结构，一方面保证了机械手具有伸缩自如的特性，这对采摘远近不同的水果十分有帮助；更重要的是，双菱形架机构互为支撑，极大地提高了菱形伸缩机构的强度和刚度，使得菱形伸缩机构即使伸缩长度变化较大，也能保证成果抓取远处的水果，并顺利的取回。

横向手柄16固定在伸缩控制部17底部，手柄扳机支架15固定在手柄把手上，手柄扳机14的一端与手柄扳机支架15连接，手柄扳机14的另一端与控制线的一端固定连接；控制线的另一端与机械爪连接。通过控制线可以控制机械爪的张开和收紧。

如图5所示，菱形架Ⅰ18是由对称的两条连折杆构成的，连折杆由两端的短边和数条长边构成，长边中间安装在心轴10上，长边中间设有通孔，心轴10穿过长边中间通孔固定；

如图4所示，对称的菱形架Ⅱ19由两条伸缩杆构成，伸缩杆由数条菱形边8连接。菱形架Ⅰ18和菱形架Ⅱ19伸长和收缩的移动长度相等,保证整个双菱形支架结构稳定、伸缩长度同步。

如图1所示，机械爪的手部支撑轴5一端固定在伸缩端部7上，另一端安装有手心3，手心3向外周向均匀设置四个双头螺杆6，双头螺杆6通过手心连杆头2与手指1连接，手指1下端的横向支撑杆安装在手部支撑轴5的下端，手指1下端的横向支撑杆与伸缩端部7之间安装有弹簧4，弹簧4起自动回位夹紧的作用.

手心连杆头2与手指1铰接，手指1的下端与横向支撑杆一端转动连接，横向支撑杆另一端与手部支撑轴5固定，横向支撑杆上设有固定控制线的通孔；

机械爪的手心3和手指1内侧设有缓冲胶垫。为了提高机械爪对水果的包裹性以及保证水果不会再采摘时被损伤，将机械爪手指1和手心3内侧设有橡胶垫或者其他弹性胶垫。

从图6可以看出，伸缩端部7中心是带固定孔的方体，四边各设有一个凸耳，凸耳侧面设有通孔，手部支撑轴5通过固定孔与伸缩端部7固定；

伸缩控制部17中心设有与手柄主体13直径相匹配的通孔，伸缩控制部17在手柄主体13上滑动，伸缩控制部17中间方体的四个侧面均设有一个凸块，凸块的侧面设有固定孔。

如图3所示，手柄端部横档12固定在手柄主体13端部，手柄端部叉形支架11一端固定在手柄端部横档12上，手柄端部叉形支架11的另一端安装在在心轴10上。呈“T”形的手柄端部横档12一端与手柄主体13通过螺栓固定，手柄端部横档12另一端与两个手柄端部叉形支架11一端分别固定连接，手柄端部叉形支架另一端设有通孔穿过心轴10，可以更好地保证双菱形架的稳定；

控制线一端固定在手柄扳机14上连接孔上，控制线交错穿过菱形架Ⅰ18上的滑轮9，控制线的另一端与手指1下端的横向支撑杆上靠近手部支撑轴5的通孔进行固定连接。

如图2所示，菱形架Ⅰ 18的一条连折杆上的每个弯折处都设有滑轮9，控制线上下交错通过滑轮9控制机械爪的张开和闭合。

如图6所示，具体实施过程可以根据果树高度调节双菱形架结构，根据果树一般高度，优选菱形架Ⅰ 18的每条连折杆由两侧的两条短边和中间三条长边相互连接构成，菱形架Ⅱ 19每条伸缩杆由8条菱形边8相互连接。

水果采摘机械手的具体操作过程是：

通过推动横向手柄16调整菱形架的伸缩长度，使其达到采摘水果所需要的高度，手持机械手手柄主体13，扣下手柄扳机14，带动手柄扳机14连接的控制线，机械爪四个手指张开，对准采摘的水果，松开手柄扳机14，弹簧4复位，四个手指1收拢，水果夹紧，然后用力将水果摘下，完成一次采摘动作。

Claims (3)

1.基于立体菱形伸缩机构的水果采摘机械手，其特征在于：该水果采摘机械手包括手柄主体（13）、横向手柄（16）、手柄把手、双菱形架和机械爪；

横向手柄（16）固定在手柄主体（13）上的伸缩控制部（17）上，手柄把手垂直固定于手柄主体（13）上；双菱形架一端安装在手柄主体（13）上；双菱形架的另一端与机械爪连接；

双菱形架中相互垂直的菱形架Ⅰ（18）和菱形架Ⅱ（19）两端分别与伸缩端部（7）和伸缩控制部（17）连接；菱形架Ⅰ（18）和菱形架Ⅱ（19）中间通过数个心轴（10）连接，伸缩端部（7）与机械爪连接，伸缩控制部（17）与手柄主体（13）连接，手柄扳机支架（15）固定在手柄把手上，手柄扳机（14）的一端与手柄扳机支架（15）连接，手柄扳机（14）的另一端与控制线的一端固定连接；控制线的另一端与机械爪连接；

菱形架Ⅰ（18）是由对称的两条连折杆构成的，连折杆由两端的短边和数条长边构成，长边中间安装在心轴（10）上；

对称的菱形架Ⅱ（19）由两条伸缩杆构成，伸缩杆由数条菱形边（8）连接；

机械爪的手部支撑轴（5）一端固定在伸缩端部（7）上，另一端安装有手心（3），手心（3）向外周向均匀设置四个双头螺杆（6），双头螺杆（6）通过手心连杆头（2）与手指（1）连接，手指（1）下端的横向支撑杆安装在手部支撑轴（5）的下端，手指（1）下端的横向支撑杆与伸缩端部（7）之间安装有弹簧（4）；

伸缩端部（7）中心是带固定孔的方体，四边各设有一个凸耳，凸耳侧面设有通孔，手部支撑轴（5）通过固定孔与伸缩端部（7）固定；

伸缩控制部（17）中心设有与手柄主体（13）直径相匹配的通孔，伸缩控制部（17）在手柄主体（13）上滑动，伸缩控制部（17）中间方体的四个侧面均设有一个凸块，凸块的侧面设有固定孔；菱形架Ⅰ（18）和菱形架Ⅱ（19）两端分别与伸缩端部（7）凸耳的通孔和伸缩控制部（17）凸块的固定孔固定连接；长边中间设有通孔，心轴（10）穿过长边中间通孔固定；菱形架Ⅰ（18）和菱形架Ⅱ（19）伸长和收缩的移动长度相等；

手柄端部横档（12）固定在手柄主体（13）端部，手柄端部叉形支架（11）一端固定在手柄端部横档（12）上，手柄端部叉形支架（11）的另一端安装在心轴（10）上；

菱形架Ⅰ（18）的一条连折杆上的每个弯折处都设有滑轮（9），控制线上下交错通过滑轮（9）控制机械爪的张开和闭合。

2.根据权利要求1所述的基于立体菱形伸缩机构的水果采摘机械手，其特征在于：机械爪的手心（3）和手指（1）内侧设有缓冲胶垫。

3.根据权利要求1所述的基于立体菱形伸缩机构的水果采摘机械手，其特征在于：控制线一端固定在手柄扳机（14）上连接孔上，控制线交错穿过菱形架Ⅰ（18）上的滑轮（9），控制线的另一端与手指（1）下端的横向支撑杆上靠近手部支撑轴（5）的通孔进行固定连接。