CN110405804B - 仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手，该机械手包括骨架支撑结构、壳体、机械尾部、仿生吸盘和控制系统，骨架支撑结构包括若干基盘和若干球形万向节联轴器，球形万向节联轴器嵌设在相应的基盘中心，机械结构框架的尖端设有摄像头，壳体包括壳体尾端和壳体首端，壳体尾端的内部设有圆锥孔，壳体首端的内部设有圆形通孔，骨架支撑结构嵌设在圆形通孔中，机械尾部嵌设在圆锥孔中，机械尾部与骨架支撑结构之间通过球形万向节联轴器以转动副的方式连接。本发明基于软体弹性皮筋轴向收缩和径向伸张的驱动方式，结合鱿鱼吸盘特性设计的柔性食品分拣机械手，具有高灵敏度、高精确度、高自适应性可靠性等优点。

Description

仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手
技术领域
本发明属于生物的仿生结构领域，具体涉及一种仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手，是一种仿生机械手。
背景技术
当今鱿鱼是经过五千万年的适应、进化、发展而成，这漫长的自然选择使得鱿鱼的某些部位巧夺天工，生物特性趋于完美，具有最合理、最优化的结构特点、灵活的运动特性和海洋复杂环境下的极好适应性，向自然界学习，采用仿生学原理，设计、研制新型的分拣机械是近年来快速发展也是重中之重的领域之一。鱿鱼触手具有高灵活性和高灵敏度，利用鱿鱼触手的吸盘，触手上的吸盘吸附性能极好，依靠其优异的触手结构，鱿鱼往往能抓取重于其本身质量几十倍的物体。如今，物流行业迅猛发展，物流行业对生鲜食品类分装的效率要求极高、速度要求极快。目前此类仓储物品分拣仍大量采用人力，费时费力。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手，是一种能高速、高效、高适应性的智能食品分拣的分拣功能的控制方法，通过舵机控制软体弹性皮筋长度的改变来实现仿生鱿鱼触手的全方位运动，通过仿生鱿鱼触手下表面的仿生吸盘抓取物体来实现分拣功能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手，该机械手包括骨架支撑结构、壳体、机械尾部、仿生吸盘和控制系统，
所述骨架支撑结构包括若干基盘和若干球形万向节联轴器，所述球形万向节联轴器嵌设在相应的基盘中心，所述基盘的盘面上呈辐射状分布有至少两个贯穿孔、油压管道通孔和数据线安装孔，所述相邻基盘之间通过球形万向节联轴器连接形成机械结构框架，在所述贯穿孔中贯穿嵌设弹性条，所述弹性条依次贯穿所有基盘，所述弹性条的一端相交于机械结构框架的尖端、另一端伸出壳体的端部形成弹性触手，
在所述机械结构框架的尖端设有摄像头，所述摄像头通过变压器与电源相连，
所述壳体包括壳体尾端和壳体首端，在所述壳体尾端的内部设有圆锥孔，所述壳体尾端的外壳上设有第一圆孔，所述第一圆孔与圆锥孔相连通，在所述壳体首端的内部设有圆形通孔，所述壳体首端的外壳上设有第二圆孔，所述第二圆孔与圆形通孔相连通，所述圆锥孔与圆形通孔同轴设置，所述骨架支撑结构嵌设在圆形通孔中，所述机械尾部嵌设在圆锥孔中，所述机械尾部与骨架支撑结构之间通过球形万向节联轴器以转动副的方式连接，在壳体首端的端头设有缠绕机构，所述缠绕机构包括电机和与电机相配合的L型支架，所述L型支架的横板固定在壳体首端的端面上，在每个L型支架的竖板外侧依次设有第一套筒支架和第二套筒支架，在所述L型支架的竖板内侧设有绕线柱，所述电机的输出轴依次穿过相对应的第二套筒支架、第一套筒支架和L型支架，输出轴的端部与绕线柱相固定连接，所述弹性条固定并缠绕在相对应的绕线柱上，
所述仿生吸盘包括上表面和下表面，在所述下表面上分别设有内腔体和外腔体，所述内腔体和外腔体同轴设置，所述仿生吸盘分别通过上表面与壳体相贴合，在所述第一圆孔和第二圆孔上均安装有仿生吸盘，在所述仿生吸盘的上表面上均设有压力传感器，
所述控制系统包括多模态控制板，智能微控制器，电力载波多通道信号接、发装置，所述智能微控制器的信号输入端分别连接压力传感器的信号输出端和摄像头的信号输出端，摄像头采集图像经电力载波调制解调后将信号发送到智能微控制器，智能微控制器通过控制电机的正向或逆向转动，绕线柱缠绕或放松弹性条，绕线柱对弹性条的缠绕使弹性条产生轴向收缩和径向收缩的变化，基于弹性条轴向收缩和径向伸张的驱动方式形成驱动系统，从而控制弹性触手进行各个方向的弯曲动作。
所述壳体尾端和壳体首端均为四棱台结构，所述壳体首端由软质材料制作。
所述基盘为圆形。
所述油压管道通孔阵列分布在相应的贯穿孔周围，所述数据线安装孔与贯穿孔间隔分布。
所述数据线安装孔为方形孔。
所述机械尾部为圆锥形，所述机械尾部包括一个与圆锥孔相接的基盘和尖端圆盘，所述弹性条分别贯穿基盘上的贯穿孔交结于尖端圆盘上。
所述弹性条为软体弹性皮筋，数量为四根。
所述仿生吸盘为圆台形吸盘，所述外腔体为环形凹槽状。
一种仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手的控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，定位：通过摄像头采集图像，经过处理后将图像信号发送到智能微控制器，智能微控制器通过软、硬件识别图像信号，并将定位指令输出，控制弹性触手靠近目标对象精确定位，智能微控制器输出指令控制壳体内部四根软体弹性皮筋处于伸张状态且形变量相同，此时软体弹性触手处于紧绷紧绷状态，为下一步的抓取动作做准备；
步骤2，实现抓取动作：在所述步骤1的基础上，智能微控制器通过控制与输出轴相连的绕线柱拉拽弹性条，使其产生轴向收缩和径向收缩的变化，智能微控制器通过控制四根软体弹性皮筋之间轴向收缩和径向伸张的变形差量来控制软体弹性皮筋实现各个方向的弯曲动作，通过拉伸其中一根软体弹性皮筋使得其形变量高于其他三根软体弹性皮筋，实现弹性触手朝着被拉伸的一根软体弹性皮筋所处方位的弯曲动作，弹性触手的弯曲从前端开始，逐渐蔓延至尾端，同理，实现其余三个方向的弯曲动作；通过拉伸其中两根软体弹性皮筋使得其形变量高于其余两根软体弹性皮筋，实现弹性触手朝着被拉伸的两根软体弹性皮筋所处方向的中间方向弯曲动作，弹性触手的弯曲从前端开始，逐渐蔓延至尾端；同理，通过控制四根软体弹性皮筋之间形变量的差值可实现软体弹性触手各个方向的弯曲；
步骤3，有效抓取：根据具体抓取需要，智能微控制器通过控制其中所需的软体弹性皮筋之间轴向收缩和径向伸张的变形差量来控制软体弹性皮筋实现各个方向的弯曲动作，使软体弹性触手形成有效的抓取动作，通过挤压仿生吸盘内的空气形成空腔，其内部的空气体积扩大使吸盘内部气压小于外部的大气压形成吸附力，有效抓住或吸住被抓取对象，实现搬运功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
①本发明是基于鱿鱼触手的结构特性，以一种全新的驱动方式(仿生鱿鱼触手以基于软体弹性皮筋轴向收缩和径向伸张的驱动方式)，结合鱿鱼吸盘特性而设计的柔性食品分拣机械手，高速分拣中，不仅省去更换抓手的时间，而且因为其采用软体设计，对目标对象的损坏程度基本忽略不计，可适用于多种材质、形状、体积、质量不同的目标对象，具有高灵敏度、高精确度、高自适应性、可靠性好等优点；②本发明结合仿生鱿鱼触手上的仿生吸盘，实现仿生鱿鱼触手的分拣功能，改善了传统机械手自适应力差，机械手结构复杂，控制难度大，一般只能适用于特定的目标对象等缺点。仿生鱿鱼触手的控制方法可实现分拣一些易碎、易变形的物体，目标对象广泛，具有更高效的工作方式，更便捷的操作方式，更高的灵活度，更优异的灵敏度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明中骨架的结构示意图。
图3为本发明中壳体的结构示意图。
图4为本发明中相邻基盘之间的连接结构示意图。
图5为本发明中基盘的结构示意图。
图6为本发明中机械尾部的结构示意图。
图7为本发明中仿生吸盘的结构示意图。
图8为本发明第一种抓取方式的结构示意图。
图9为本发明第二种抓取方式的结构示意图。
图10为本发明中弹性条的驱动控制系统图。
图11为图10的局部放大图。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图10和图11所示，本实施例仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手，该机械手包括骨架支撑结构1、壳体2、机械尾部3、仿生吸盘4和控制系统，
所述骨架支撑结构1包括若干基盘101和若干球形万向节联轴器102，所述球形万向节联轴器102嵌设在相应的基盘101中心，所述基盘101的盘面上呈辐射状分布有至少两个贯穿孔103、油压管道通孔104和数据线安装孔105，所述相邻基盘101之间通过球形万向节联轴器102连接形成机械结构框架，在所述贯穿孔103中贯穿嵌设弹性条106，所述弹性条106依次贯穿所有基盘101，所述弹性条106的一端相交于机械结构框架的尖端、另一端伸出壳体的端部形成弹性触手，
在所述机械结构框架的尖端设有摄像头107，所述摄像头107通过变压器与电源相连，
所述壳体2包括壳体尾端201和壳体首端202，在所述壳体尾端201的内部设有圆锥孔，所述壳体尾端201的外壳上设有第一圆孔204，所述第一圆孔204与圆锥孔相连通，在所述壳体首端202的内部设有圆形通孔205，所述壳体首端202的外壳上设有第二圆孔206，所述第二圆孔206与圆形通孔205相连通，所述圆锥孔与圆形通孔205同轴设置，所述骨架支撑结构1嵌设在圆形通孔205中，所述机械尾部3嵌设在圆锥孔中，所述机械尾部3与骨架支撑结构1之间通过球形万向节联轴器102以转动副的方式连接，在壳体首端202的端头设有缠绕机构，所述缠绕机构包括电机5和与电机相配合的L型支架6，所述L型支架6的横板固定在壳体首端202的端面上，在每个L型支架6的竖板外侧依次设有第一套筒支架61和第二套筒支架62，在所述L型支架6的竖板内侧设有绕线柱63，所述电机5的输出轴7依次穿过相对应的第二套筒支架62、第一套筒支架61和L型支架6，输出轴7的端部与绕线柱63相固定连接，所述弹性条106固定并缠绕在相对应的绕线柱63上，
所述仿生吸盘4包括上表面41和下表面42，在所述下表面42上分别设有内腔体43和外腔体44，所述内腔体43和外腔体44同轴设置，所述仿生吸盘4分别通过上表面41与壳体2相贴合，在所述第一圆孔204和第二圆孔206上均安装有仿生吸盘4，在所述仿生吸盘4的上表面上均设有压力传感器，
所述控制系统包括多模态控制板，智能微控制器，电力载波多通道信号接、发装置，所述智能微控制器的信号输入端分别连接压力传感器的信号输出端和摄像头的信号输出端，摄像头采集图像经电力载波调制解调后将信号发送到智能微控制器，智能微控制器通过控制电机5的正向或逆向转动，绕线柱63缠绕或放松弹性条106，绕线柱63对弹性条106的缠绕使弹性条106产生轴向收缩和径向收缩的变化，基于弹性条106轴向收缩和径向伸张的驱动方式形成驱动系统，从而控制弹性触手进行各个方向的弯曲动作。
作为优选，本实施例所述壳体尾端201和壳体首端202均为四棱台结构，所述壳体首端202由软质材料制作。
作为进一步优选，本实施例所述基盘101为圆形。
作为进一步优选，本实施例所述油压管道通孔104阵列分布在相应的贯穿孔103周围，所述数据线安装孔105与贯穿孔103间隔分布。
作为进一步优选，本实施例所述数据线安装孔105为方形孔。
作为进一步优选，本实施例所述机械尾部3为圆锥形，所述机械尾部3包括一个与圆锥孔相接的基盘101和尖端圆盘301，所述弹性条106分别贯穿基盘101上的贯穿孔103交结于尖端圆盘301上。
作为进一步优选，本实施例所述弹性条106为软体弹性皮筋，数量为四根。
作为进一步优选，本实施例所述仿生吸盘4为圆台形吸盘，所述外腔体44为环形凹槽状。
本实施例仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手的控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，定位：通过摄像头采集图像，经过处理后将图像信号发送到智能微控制器，智能微控制器通过软、硬件识别图像信号，并将定位指令输出，控制弹性触手靠近目标对象精确定位，智能微控制器输出指令控制壳体内部四根软体弹性皮筋处于伸张状态且形变量相同，此时软体弹性触手处于紧绷紧绷状态，为下一步的抓取动作做准备；
步骤2，实现抓取动作：在所述步骤1的基础上，智能微控制器通过控制与输出轴7相连的绕线柱63拉拽弹性条106，使其产生轴向收缩和径向收缩的变化，智能微控制器通过控制四根软体弹性皮筋之间轴向收缩和径向伸张的变形差量来控制软体弹性皮筋实现各个方向的弯曲动作，通过拉伸其中一根软体弹性皮筋使得其形变量高于其他三根软体弹性皮筋，实现弹性触手朝着被拉伸的一根软体弹性皮筋所处方位的弯曲动作，弹性触手的弯曲从前端开始，逐渐蔓延至尾端，同理，实现其余三个方向的弯曲动作；通过拉伸其中两根软体弹性皮筋使得其形变量高于其余两根软体弹性皮筋，实现弹性触手朝着被拉伸的两根软体弹性皮筋所处方向的中间方向弯曲动作，弹性触手的弯曲从前端开始，逐渐蔓延至尾端；同理，通过控制四根软体弹性皮筋之间形变量的差值可实现软体弹性触手各个方向的弯曲；
步骤3，有效抓取：根据具体抓取需要，智能微控制器通过控制其中所需的软体弹性皮筋之间轴向收缩和径向伸张的变形差量来控制软体弹性皮筋实现各个方向的弯曲动作，使软体弹性触手形成有效的抓取动作，通过挤压仿生吸盘4内的空气形成空腔，其内部的空气体积扩大使吸盘内部气压小于外部的大气压形成吸附力，有效抓住(如图8所示)或吸住(如图9所示)被抓取对象，实现搬运功能。
尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (9)

1.一种仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手，其特征在于，该机械手包括骨架支撑结构(1)、壳体(2)、机械尾部(3)、仿生吸盘(4)和控制系统，
所述骨架支撑结构(1)包括若干基盘(101)和若干球形万向节联轴器(102)，所述球形万向节联轴器(102)嵌设在相应的基盘(101)中心，所述基盘(101)的盘面上呈辐射状分布有至少两个贯穿孔(103)、油压管道通孔(104)和数据线安装孔(105)，相邻所述基盘(101)之间通过球形万向节联轴器(102)连接形成机械结构框架，在所述贯穿孔(103)中贯穿嵌设弹性条(106)，所述弹性条(106)依次贯穿所有基盘(101)，所述弹性条(106)的一端相交于机械结构框架的尖端、另一端伸出壳体的端部形成弹性触手，
在所述机械结构框架的尖端设有摄像头(107)，所述摄像头(107)通过变压器与电源相连，
所述壳体(2)包括壳体尾端(201)和壳体首端(202)，在所述壳体尾端(201)的内部设有圆锥孔，所述壳体尾端(201)的外壳上设有第一圆孔(204)，所述第一圆孔(204)与圆锥孔相连通，在所述壳体首端(202)的内部设有圆形通孔(205)，所述壳体首端(202)的外壳上设有第二圆孔(206)，所述第二圆孔(206)与圆形通孔(205)相连通，所述圆锥孔与圆形通孔(205)同轴设置，所述骨架支撑结构(1)嵌设在圆形通孔(205)中，所述机械尾部(3)嵌设在圆锥孔中，所述机械尾部(3)与骨架支撑结构(1)之间通过球形万向节联轴器(102)以转动副的方式连接，在壳体首端(202)的端头设有缠绕机构，所述缠绕机构包括电机(5)和与电机相配合的L型支架(6)，所述L型支架(6)的横板固定在壳体首端(202)的端面上，在每个L型支架(6)的竖板外侧依次设有第一套筒支架(61)和第二套筒支架(62)，在所述L型支架(6)的竖板内侧设有绕线柱(63)，所述电机(5)的输出轴(7)依次穿过相对应的第二套筒支架(62)、第一套筒支架(61)和L型支架(6)，输出轴(7)的端部与绕线柱(63)相固定连接，所述弹性条(106)固定并缠绕在相对应的绕线柱(63)上，
所述仿生吸盘(4)包括上表面(41)和下表面(42)，在所述下表面(42)上分别设有内腔体(43)和外腔体(44)，所述内腔体(43)和外腔体(44)同轴设置，所述仿生吸盘(4)分别通过上表面(41)与壳体(2)相贴合，在所述第一圆孔(204)和第二圆孔(206)上均安装有仿生吸盘(4)，在所述仿生吸盘(4)的上表面上均设有压力传感器，
所述控制系统包括多模态控制板，智能微控制器，电力载波多通道信号接、发装置，所述智能微控制器的信号输入端分别连接压力传感器的信号输出端和摄像头的信号输出端，摄像头采集图像经电力载波调制解调后将信号发送到智能微控制器，智能微控制器通过控制电机(5)的正向或逆向转动，绕线柱(63)缠绕或放松弹性条(106)，绕线柱(63)对弹性条(106)的缠绕使弹性条(106)产生轴向收缩和径向收缩的变化，基于弹性条(106)轴向收缩和径向伸张的驱动方式形成驱动系统，从而控制弹性触手进行各个方向的弯曲动作。
2.根据权利要求1所述的仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手，其特征在于，所述壳体尾端(201)和壳体首端(202)均为四棱台结构，所述壳体首端(202)由软质材料制作。
3.根据权利要求1所述的仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手，其特征在于，所述基盘(101)为圆形。
4.根据权利要求1所述的仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手，其特征在于，所述油压管道通孔(104)阵列分布在相应的贯穿孔(103)周围，所述数据线安装孔(105)与贯穿孔(103)间隔分布。
5.根据权利要求1所述的仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手，其特征在于，所述数据线安装孔(105)为方形孔。
6.根据权利要求1所述的仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手，其特征在于，所述机械尾部(3)为圆锥形，所述机械尾部(3)包括一个与圆锥孔相接的基盘(101)和尖端圆盘(301)，所述弹性条(106)分别贯穿基盘(101)上的贯穿孔(103)交结于尖端圆盘(301)上。
7.根据权利要求1所述的仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手，其特征在于，所述弹性条(106)为软体弹性皮筋，数量为四根。
8.根据权利要求1所述的仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手，其特征在于，所述仿生吸盘(4)为圆台形吸盘，所述外腔体(44)为环形凹槽状。
9.一种权利要求1-8任一所述的仿生鱿鱼触手实现食品分拣功能的机械手的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，定位：通过摄像头采集图像，经过处理后将图像信号发送到智能微控制器，智能微控制器通过软、硬件识别图像信号，并将定位指令输出，控制弹性触手靠近目标对象精确定位，智能微控制器输出指令控制壳体内部四根软体弹性皮筋处于伸张状态且形变量相同，此时软体弹性触手处于紧绷状态，为下一步的抓取动作做准备；
步骤2，实现抓取动作：在所述步骤1的基础上，智能微控制器通过控制与输出轴(7)相连的绕线柱(63)拉拽弹性条(106)，使其产生轴向收缩和径向收缩的变化，智能微控制器通过控制四根软体弹性皮筋之间轴向收缩和径向伸张的变形差量来控制软体弹性皮筋实现各个方向的弯曲动作，通过拉伸其中一根软体弹性皮筋使得其形变量高于其他三根软体弹性皮筋，实现弹性触手朝着被拉伸的一根软体弹性皮筋所处方位的弯曲动作，弹性触手的弯曲从前端开始，逐渐蔓延至尾端，同理，实现其余三个方向的弯曲动作；通过拉伸其中两根软体弹性皮筋使得其形变量高于其余两根软体弹性皮筋，实现弹性触手朝着被拉伸的两根软体弹性皮筋所处方向的中间方向弯曲动作，弹性触手的弯曲从前端开始，逐渐蔓延至尾端；同理，通过控制四根软体弹性皮筋之间形变量的差值可实现软体弹性触手各个方向的弯曲；
步骤3，有效抓取：根据具体抓取需要，智能微控制器通过控制其中所需的软体弹性皮筋之间轴向收缩和径向伸张的变形差量来控制软体弹性皮筋实现各个方向的弯曲动作，使软体弹性触手形成有效的抓取动作，通过挤压仿生吸盘(4)内的空气形成空腔，其内部的空气体积扩大使吸盘内部气压小于外部的大气压形成吸附力，有效抓住或吸住被抓取对象，实现搬运功能。
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