CN109769478A - 一种欠驱动采摘机械手末端执行器及采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种欠驱动采摘机械手末端执行器及采摘方法，其中欠驱动采摘机械手末端执行器包括：支架，下端为机械臂对接板，上端为上安装板；夹持机构，包括四根手指，均匀设置在所述上安装板上呈中心对称；传动机构，设置在所述上安装板的下方，包括传动杆、第一动滑轮、第二动滑轮和与所述手指一一对应的导向轮；所述第一动滑轮和所述第二动滑轮沿着所述传动杆的轴向相邻设置且轮面垂直设置；所述传动杆被配置为能够向上和向下移动，使所述手指执行展开和弯曲动作。本发明的一个技术效果在于，本发明能够用于抓取物体。

Description

一种欠驱动采摘机械手末端执行器及采摘方法

技术领域

本发明属于农业机械设备技术领域，更具体地，本发明涉及一种欠驱动采摘机械手末端执行器及采摘方法。

背景技术

机械手末端执行器通常被认为是机器人的外围设备，是安装于机械手臂末端直接作用于工作对象的装置。由于大多数果蔬的表皮较为脆弱，且它的形状及生长环境相对复杂，果蔬采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个作业环节，约占整个生产过程作业量的40％左右。为了适应各个作业对象的易损性、不规则性和作业环境的复杂多变性等特征，果蔬采摘机器人的机械手的设计与研究就必须要将农艺和果实自身特性结合起来。因此，机械手的设计通常被认为是农业机器人的核心技术之一。

目前机械手的类型多为刚性结构，主要采用两指夹持装置，存在柔顺性不足、通用性较差的问题。部分欠驱动机构机械手都只是在驱动单个手指的不同关节处使用了欠驱动，但每个手指仍然需要一个驱动器来进行驱动，系统复杂，质量偏重。因此，有必要提供一种欠驱动采摘机械手末端执行器。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种欠驱动采摘机械手末端执行器的新技术方案。

根据本发明的一个方面，提供一种欠驱动采摘机械手末端执行器，包括：

支架，下端为机械臂对接板，上端为上安装板；

夹持机构，包括四根手指，均匀设置在所述上安装板上呈中心对称；还包括与所述手指一一对应的固定架，所述手指转动连接在所述固定架上，所述手指与固定架之间设置有扭转弹簧，所述扭转弹簧驱动所述手指向所述上安装板中心的外侧展开，所述手指内侧朝向所述上安装板中心，所述手指的内侧上设置有压力传感器；

传动机构，设置在所述上安装板的下方，包括传动杆、第一动滑轮、第二动滑轮和与所述手指一一对应的导向轮；所述第一动滑轮和所述第二动滑轮沿着所述传动杆的轴向相邻设置且轮面垂直设置；所述导向轮一一对应的设置在所述固定架下方，所述第一动滑轮和所述第二动滑轮分别与两个相对的导向轮形成滑轮组，每个滑轮组中的腱绳的两端分别经过相对的导向轮与对应的手指连接；所述传动杆被配置为能够向上和向下移动，使所述手指执行展开和弯曲动作。

可选地，还包括动力机构，所述动力机构包括第一电机，所述第一电机的输出端通过绳索与所述传动杆连接，所述第一电机被配置为通过正转或反转来驱动所述传动杆向下移动；所述支架内还设置有下安装板，所述下安装板靠近所述支架的下端，所述第一电机设置在所述下安装板上。

可选地，所述绳索与所述传动杆同轴设置。

可选地，所述下安装板与所述上安装板通过支杆固定连接，所述动力机构还包括设置在所述下安装板上的第二电机，所述下安装板的中心和所述机械臂对接板的中心通过转轴转动连接，所述第二电机被配置为通过转动能够使所述下安装板和所述机械臂对接板发生相对转动。

可选地，所述下安装板的中心设置有第一齿轮，所述第一齿轮与所述转轴同轴且与所述机械臂对接板固定连接，所述第二电机的输出端上连接有与所述第一齿轮啮合的第二齿轮。

可选地，所述手指包括依次转动连接的基关节、近关节和远关节，且转动连接处均设置有所述扭转弹簧，所述扭转弹簧驱动所述手指向所述上安装板中心的外侧展开；所述基关节与所述固定架转动连接，所述腱绳的一端穿过所述基关节与所述远关节连接。

可选地，所述基关节的内侧、所述近关节的内侧和所述远关节的内侧上均设置有压力传感器。

可选地，所述支架上还设置有滑槽板，所述传动杆穿过所述滑槽板，所述滑槽板被配置为用于限位并引导所述传动杆上下滑动。

可选地，所述引导板上设置有限位槽，所述传动杆上设置有限位部，所述限位部卡设在所述限位槽内，所述传动杆沿着所述限位槽滑动。

根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种采摘果蔬的方法，包括：

步骤1.使用上述的欠驱动采摘机械手末端执行器的机械臂对接板与机器人的机械手臂连接，检查欠驱动采摘机械手末端执行器的状态，使手指处于展开状态；

步骤2.输入采摘对象的空间坐标位置，机械手臂带动欠驱动采摘机械手末端执行器朝采摘对象方向运动；

步骤3.到达采摘对象的空间坐标位置后，机械手臂停止运动，驱动传动杆移动向远离上安装板的方向移动，使手指弯曲，待手指上的压力传感器检测达到预设压力值时，停止驱动传动杆，完成对采摘对象的自适应性无损抓取；

步骤4.使上安装板和夹持机构发生转动，对果实进行扭转分离；

步骤5.机械手臂移动至采摘收集位置，转动上安装板使手指处于展开状态进行扭转分离；

步骤6.重复步骤2至5，直至采摘结束。

本发明的一个技术效果在于，本发明能够用于抓取物体。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明一些实施例的结构示意图。

图2是本发明一些实施例中手指的结构示意图。

图3是本发明一些实施例中传动机构的结构示意图。

图4是本发明一些实施例中传动杆的结构示意图。

图5是本发明一些实施例中滑槽板的结构示意图。

图6是本发明一些实施例中动机机构的局部结构示意图。

图中：1支架，11机械臂对接板，12上安装板，13下安装板，14滑槽板，15限位槽，16支杆，2夹持机构，21手指，22固定架，23基关节，24近关节，25远关节，26腱绳孔，27压力传感器，28扭转弹簧，3传动机构，31传动杆，32第一动滑轮，33第二动滑轮，34导向轮，35腱绳，36绳索，37限位部，38导向滑轮架，39电机轮，4动力机构，41第一电机，42第二电机，43转轴，44第一齿轮，45第二齿轮。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种欠驱动采摘机械手末端执行器，在一些实施例中，参考图1至图6，包括：支架1、夹持机构2和传动机构3。

支架1的下端为机械臂对接板11，用于与机械臂对接，通过机械臂的移动带动本发明移动。支架1的上端为上安装板12，用于安装夹持机构2.

夹持机构2包括四根手指21，均匀设置在上安装板12上，并且四根手指21呈中心对称设置，相邻的两根手指相对于上安装板12的中心呈90°角布置。夹持机构2还包括与手指21一一对应的固定架22，手指21转动连接在固定架22上，手指21通过转动能够向上安装板12的中心方向靠近弯曲，实现对果实的夹持；向远离上安装板12的中心方向展开。手指21与固定架22之间设置有扭转弹簧28，扭转弹簧28驱动手指21展开，为手指21的展开提供驱动力。手指21的内侧朝向上安装板12的中心，手指21的内侧上设置有压力传感器27，用于检测手指21接触物体后产生的压力，能够通过检测到的压力是否到达或超过预设压力来进行感应控制。

传动机构3设置在上安装板12的下方。传动机构3包括传动杆31、第一动滑轮32、第二动滑轮33和与手指21一一对应的导向轮34。第一动滑轮32和第二动滑轮33沿着传动杆31的轴向相邻设置，且第一动滑轮32和第二动滑轮33的轮面相互垂直设置。导向轮34一一对应的设置在固定架22下方与手指21相对应。可以是上安装板12的下方设置有与固定架22一一对应的导向滑轮架38，所述导向轮34一一对应的转动连接在导向滑轮架38上。

第一动滑轮32与相对的两个导向轮34形成第一滑轮组，第二动滑轮33与另外两个相对的导向轮34形成第二滑轮组，两个滑轮组上的腱绳35的两端分别经过导向轮34与对应的手指21连接，在传动杆31向下移动时，受到腱绳35的拉力作用，手指21会执行弯曲动作；在传动杆31失去向下移动的作用力并能够向上移动时，手指21在扭转弹簧28的作用下能够执行展开的动作，带动传动杆31向上移动，从而实现使用欠驱动采摘机械手末端执行器的抓取和分离操作。

本发明通过传动杆31向下移动带动第一滑轮组和第二滑轮组来驱动手指21执行抓取操作，通过两组动滑轮组成的差动机构，具备自适应性，即当一个或多个手指21由于障碍而被固定，无法继续运动时，其它的手指21能够继续运动，执行动作。另一方面，还能够当所有的手指21都稳定接触到被抓物体时，驱动力通过该传动机构3很均匀的分配到各个手指21上，在稳定抓取时尽可能的保证比较大的抓取力。

在一些实施例中，参考图1和图3，还包括动力机构4。动力机构4包括第一电机41，第一电机41的输出端通过绳索36与传动杆31连接，通过第一电机41的输出端的正转来驱动传动杆31向下移动，为传动杆31向下移动提供驱动力；在第一电机41的输出端停止转动后，通过扭转弹簧28使得手指21完成展开操作。进一步的，可以是第一电机41反转，手指21在扭转弹簧28的作用下展开。进一步的，第一电机41的输出端上可以设置有电机轮39，绳索36连接在所述电机轮39上。

在一些实施例中，参考图1和图3，支架1内还设置有下安装板13，下安装板13靠近支架1的下端，第一电机41设置在下安装板13上。

在一些实施例中，参考图1和图3，绳索36与传动杆31同轴设置，使得在第一电机41转动时能够高效率的传动，带动传动杆31向下移动。

在一些实施例中，参考图1至图6，下安装板13与上安装板12通过支杆16固定连接，动力机构4还包括设置在下安装板13上的第二电机42，下安装板13的中心和机械臂对接板11的中心通过转轴43转动连接，第二电机42被配置为通过转动能够使下安装板13和机械臂对接板11发生相对转动，通过旋转产生的扭力来对手指21夹持的果实进行分离。转轴43可以为一根转动轴，也可以为轴承，本发明对此并不限制。

进一步的，参考图6，下安装板13的中心设置有第一齿轮44。第一齿轮44与转轴43同轴且与机械臂对接板11固定连接，相对于机械臂对接板11固定设置。第二电机42的输出端上连接有与第一齿轮44啮合的第二齿轮45，通过第二电机42的输出端的转动，能够使得下安装板13和机械臂对接板11发生相对转动，通过旋转产生的扭力来对手指21夹持的果实进行分离。

在一些实施例中，参考图1和图2，手指21包括依次转动连接的基关节23、近关节24和远关节25，且转动连接处均设置有扭转弹簧28，扭转弹簧28驱动手指21向上安装板12中心的外侧方向展开，使得手指21具有三个自由度，满足对被抓物体的包络抓取，提高抓取的稳固性。进一步的，基关节23、近关节24和远关节25依次枢接。

在一些实施例中，参考图1至图3，基关节23与固定架22转动连接。基关节23、近关节24和远关节25上均设置有贯通的腱绳孔26，用于供腱绳35穿过。腱绳孔26靠近内侧，转动连接的位置靠近外侧。腱绳35的一端穿过基关节23并经过近关节24与远关节25连接，使得传动杆31向下移动时，能够通过腱绳35带动手指21弯曲；失去向下的驱动力后，手指21在扭转弹簧28的驱动下伸展，带动传动杆31向上移动。

在末端执行器的不同手指之间合理的使用欠驱动机构，能够进一步减少驱动器的数量，进而简化结构，既能满足不同外形果实的自适应包络夹持，又能兼顾质量轻、体积小、操作简便等优点。

在一些实施例中，参考图2，基关节23、近关节24和远关节25的内侧均设置有压力传感器27，用于全方位的检测压力，保证抓取的精度，防止抓取时对果实造成损伤。

在一些实施例中，手指21的内侧附着有缓冲材料，避免夹持过程中手指对果实表皮的损伤。进一步的，缓冲材料可以是硅胶等弹性材料。

在一些实施例中，参考图1和图3，支架1上还设置有滑槽板14，传动杆31穿过滑槽板14，滑槽板14被配置为用于限位并引导传动杆31上下滑动，保证传动杆31沿着上下直线滑动，不会产生周向转动。进一步的，参考图4和图5，引导板上设置有限位槽15，传动杆31上设置有限位部37，限位部37卡设在限位槽15内，传动杆31沿着限位槽15滑动。

在一些实施例中，四根手指21围绕以支撑板中心为圆心的半径35mm的圆设置，使得本发明适合香梨等水果的抓取。在其他的实施例中，也可以是其他半径圆，本发明并不限制。

本发明提供的一种多指欠驱动采摘机械手末端执行器末端执行器，该末端执行器基于欠驱动原理实现单个手指不同关节和不同手指之间的差动传动，实现对不同果型果实的柔顺性抓取和分离，具有良好的柔顺性和通用性，又满足机构的轻便性和简易性等要求。

本发明提供的一种多指欠驱动采摘机械手末端执行器末端执行器，该末端执行器不同手指之间合理的使用欠驱动机构，减少了驱动器的数量，进而简化结构，既能满足不同外形果实的自适应包络夹持，又能兼顾质量轻、体积小、操作简便等优点。

本发明提供的一种多指欠驱动采摘机械手末端执行器末端执行器，该末端执行器不同手指之间的欠驱动机构由两组动滑轮组成的差动机构组成，使用了一个电机驱动器来驱动4根3自由度的手指的弯曲、伸展动作，不仅具备自适应性—即当一个或多个手指由于障碍而被固定，无法继续运动时，其它的手指能够继续运动，并且当所有的手指都稳定接触到被抓物体时，驱动力通过该欠驱动机构能够均匀的分配到各个手指，并在稳定抓取时尽可能的保证比较大的抓取力。

本发明有益效果在于本发明提供了一种多指欠驱动采摘机械手末端执行器，该末端执行器基于欠驱动原理实现单个手指不同关节和不同手指之间的差动传动，实现对不同果型果实的柔顺性抓取和分离，具有良好的柔顺性和通用性，又满足机构的轻便性和简易性等要求。该末端执行器不同手指之间合理的使用欠驱动机构，减少了驱动器的数量，进而简化结构，既能满足不同外形果实的自适应包络夹持，又能兼顾质量轻、体积小、操作简便等优点。该末端执行器不同手指之间的欠驱动机构由两组动滑轮组成的差动机构组成，使用了一个电机驱动器来驱动4根3自由度的手指的弯曲、伸展动作，不仅具备自适应性—即当一个或多个手指由于障碍而被固定，无法继续运动时，其它的手指能够继续运动，并且当所有的手指都稳定接触到被抓物体时，驱动力通过该欠驱动机构能够均匀的分配到各个手指，并在稳定抓取时尽可能的保证比较大的抓取力。

根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种采摘果蔬的方法，包括：

步骤1.使用上述的欠驱动采摘机械手末端执行器的机械臂对接板与机器人的机械手臂连接，检查欠驱动采摘机械手末端执行器的状态，使手指21处于展开状态。

步骤2.启动机器人，输入采摘对象的空间坐标位置，机械手臂带动欠驱动采摘机械手末端执行器朝采摘对象方向运动。输入过程可以是使用摄像机对果实位置进行获取，然后计算得到采摘对象的空间坐标，将计算结果进行输入。

步骤3.到达采摘对象的空间坐标位置后，机械手臂停止运动，驱动传动杆向远离上安装板的方向移动，使手指21弯曲，待手指21上的压力传感器检测达到预设压力值时，停止驱动传动杆，完成对采摘对象的自适应性无损抓取。一般情况下，手指21在对类球形、圆柱形和椭圆形等有规则外形的果蔬抓取过程中，各个手指21闭合速率和抓取力是相同的，在抓取外形不规则的果实时，手指21之间的欠驱动机构(由两组动滑轮组成的差动机构组成)可以差动驱动四根手指21的弯曲、伸展动作，不仅具备自适应性—即当一个或多个手指21由于障碍而被固定，无法继续运动时，其它的手指21能够继续运动，并且当所有的手指21都稳定接触到被抓物体时，驱动力通过该欠驱动机构能够均匀的分配到各个手指21，并在稳定抓取时尽可能的保证比较大的抓取力。

步骤4.使上安装板和夹持机构发生转动，对果实进行扭转分离。

步骤5.机械手臂移动至采摘收集位置，传动杆向靠近上安装板的方向移动，在扭转弹簧的作用下手指21展开，使果实进入到收集位置。

步骤6.重复执行采摘操作过程，直到对摄像机视野范围内标记的果实全部采摘完毕后，机械臂带动欠驱动采摘机械手末端执行器移动到初始复位状态，采摘机器人开始对下一采摘作业区进行信息采集，并执行以上采摘的全过程，直至完成全部果实采摘作业。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种欠驱动采摘机械手末端执行器，其特征在于，包括：

支架，下端为机械臂对接板，上端为上安装板；

夹持机构，包括四根手指，均匀设置在所述上安装板上呈中心对称；还包括与所述手指一一对应的固定架，所述手指转动连接在所述固定架上，所述手指与固定架之间设置有扭转弹簧，所述扭转弹簧驱动所述手指向所述上安装板中心的外侧展开，所述手指内侧朝向所述上安装板中心，所述手指的内侧上设置有压力传感器；

传动机构，设置在所述上安装板的下方，包括传动杆、第一动滑轮、第二动滑轮和与所述手指一一对应的导向轮；所述第一动滑轮和所述第二动滑轮沿着所述传动杆的轴向相邻设置且轮面垂直设置；所述导向轮一一对应的设置在所述固定架下方，所述第一动滑轮和所述第二动滑轮分别与两个相对的导向轮形成滑轮组，每个滑轮组中的腱绳的两端分别经过相对的导向轮与对应的手指连接；所述传动杆被配置为能够向上和向下移动，使所述手指执行展开和弯曲动作。

2.根据权利要求1所述的欠驱动采摘机械手末端执行器，其特征在于，还包括动力机构，所述动力机构包括第一电机，所述第一电机的输出端通过绳索与所述传动杆连接，所述第一电机被配置为通过正转或反转来驱动所述传动杆向下移动；所述支架内还设置有下安装板，所述下安装板靠近所述支架的下端，所述第一电机设置在所述下安装板上。

3.根据权利要求2所述的欠驱动采摘机械手末端执行器，其特征在于，所述绳索与所述传动杆同轴设置。

4.根据权利要求2所述的欠驱动采摘机械手末端执行器，其特征在于，所述下安装板与所述上安装板通过支杆固定连接，所述动力机构还包括设置在所述下安装板上的第二电机，所述下安装板的中心和所述机械臂对接板的中心通过转轴转动连接，所述第二电机被配置为通过转动能够使所述下安装板和所述机械臂对接板发生相对转动。

5.根据权利要求4所述的欠驱动采摘机械手末端执行器，其特征在于，所述下安装板的中心设置有第一齿轮，所述第一齿轮与所述转轴同轴且与所述机械臂对接板固定连接，所述第二电机的输出端上连接有与所述第一齿轮啮合的第二齿轮。

6.根据权利要求1所述的欠驱动采摘机械手末端执行器，其特征在于，所述手指包括依次转动连接的基关节、近关节和远关节，且转动连接处均设置有所述扭转弹簧，所述扭转弹簧驱动所述手指向所述上安装板中心的外侧展开；所述基关节与所述固定架转动连接，所述腱绳的一端穿过所述基关节与所述远关节连接。

7.根据权利要求6所述的欠驱动采摘机械手末端执行器，其特征在于，所述基关节的内侧、所述近关节的内侧和所述远关节的内侧上均设置有压力传感器。

8.根据权利要求1所述的欠驱动采摘机械手末端执行器，其特征在于，所述支架上还设置有滑槽板，所述传动杆穿过所述滑槽板，所述滑槽板被配置为用于限位并引导所述传动杆上下滑动。

9.根据权利要求8所述的欠驱动采摘机械手末端执行器，其特征在于，所述引导板上设置有限位槽，所述传动杆上设置有限位部，所述限位部卡设在所述限位槽内，所述传动杆沿着所述限位槽滑动。

10.一种采摘果蔬的方法，其特征在于，包括：

步骤1.使用权利要求1-9任一所述的欠驱动采摘机械手末端执行器的机械臂对接板与机器人的机械手臂连接，检查欠驱动采摘机械手末端执行器末端执行器的状态，使手指处于展开状态；

步骤2.输入采摘对象的空间坐标位置，机械手臂带动欠驱动采摘机械手末端执行器朝采摘对象方向运动；

步骤3.到达采摘对象的空间坐标位置后，机械手臂停止运动，驱动传动杆移动向远离上安装板的方向移动，使手指弯曲，待手指上的压力传感器检测达到预设压力值时，停止驱动传动杆，完成对采摘对象的自适应性无损抓取；

步骤4.使上安装板和夹持机构发生转动，对果实进行扭转分离；

步骤5.机械手臂移动至采摘收集位置，转动上安装板使手指处于展开状态进行扭转分离；

步骤6.重复步骤2至5，直至采摘结束。