CN111887026A - 一种基于刚柔结合的可变刚度采摘机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及软体机器抓手的变刚度和多自由度技术领域，特指一种基于刚柔结合的可变刚度采摘机械手。该机械手结构采用delat并联机械结构和伸缩气缸作为其刚性驱动模块，利用硅胶等柔性材料制备气动腔体结构作为其弯曲变形的柔性变刚度抓手模块，磁流变弹性体通入特定的硅胶腔体结构中，通过抓手结构的弯曲变形程度和改变电磁铁磁场强度共同作用改变机械抓手结构的刚度。通入磁流变弹性体的腔体与发生弯曲变形的机械抓手为一个整体，利用3D打印技术可一体化制备。本研究中伸缩气缸与柔性变刚度抓手通过宽口导管相连接，利用气压阀门来控制气压实现对柔性变刚度抓手的弯曲控制。

Description

一种基于刚柔结合的可变刚度采摘机械手

技术领域

本发明涉及软体机器抓手的变刚度和多自由度技术领域，具体涉及一种利用气动驱动柔性抓手实现抓取运动，利用磁流变弹性体作为特定腔体填充物，通过弯曲变形程度和磁场强度改变柔性抓手的刚度，并利用delat并联机器结构和伸缩气缸实现柔性抓手在空间内实现多自由度的运动。

背景技术

随着现代农业的快速发展，农业机械化已经成为现代农业高效、高质量发展的必由之路。现代农业对大机械的运用已经日趋成熟，在深耕、种植、收割等领域都已实现机械规模化，但是在农业采摘方面，主要还是采用人工采摘的方法，其机械化、智能化规模不足，特别是对于一些采摘环境复杂，采摘过程中易损的水果蔬菜。传统的刚性机器抓手由于其自由度不足，刚性结构易对水果产生损害的特点，研究者提出柔性机械抓手的概念。

根据现有的文献资料，如申请号201811360525的发明专利，抓取结构单纯利用柔性材料制备，虽然在抓取的自由度方面得到提高，但刚度较低，在承载力方面满足不了复杂工况条件下对不同种类工件的抓取或者采摘任务。而delat并联机械手虽然能够满足三维空间内的多自由度运动，但由于其刚性部件的特征，容易对水果蔬菜造成损害。如西北农林科技大学的刘群铭等人基于delat并联机械手机构设计的鸡蛋分拣机器人，也是采用了柔性真空吸盘结构，避免了刚性部件与鸡蛋的直接接触。本研究认为解决柔性机械抓手承载力不足，提高应对复杂工况的采摘能力是当前柔性采摘抓手急需解决的问题。本研究从提高柔性采摘机械抓手的承载能力、应对复杂的工作环境出发，适时提出一种刚柔结合的可变刚度采摘机械手结构。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种刚柔结合的可变刚度采摘机械手结构，该机械手结构采用delat并联机械结构和伸缩气缸作为其刚性驱动模块，利用硅胶等柔性材料制备气动腔体结构作为其弯曲变形的柔性变刚度抓手模块，磁流变弹性体通入特定的硅胶腔体结构中，通过抓手结构的弯曲变形程度和改变电磁铁磁场强度共同作用改变抓取结构的刚度。通入磁流变弹性体的腔体与发生弯曲变形的抓取结构为一个整体，利用3D打印技术可一体化制备。本研究中伸缩气缸与柔性变刚度抓手通过宽口导管相连接，利用气压阀门来控制气压实现对柔性变刚度抓手的弯曲控制。

一种刚柔结合的可变刚度采摘机械手结构，主要包括刚性驱动模块和柔性变刚度抓手。刚性驱动模块：delat并联机械结构和伸缩气缸，delat并联机械手主要包括：在底部电机控制下可旋转的圆盘形基座、三个均匀分布在圆盘上的驱动电机和安装在电机上的三根连杆，伸缩气缸底部边缘通过转动副分别与三根连杆相连接，伸缩气缸外表面安装止动气缸，伸缩气缸与止动气缸通过第一气体导管相连。质量传感器安装在伸缩气缸底部。柔性变刚度抓手模块：柔性变刚度抓手安装在圆盘形的电磁铁底座上，电磁铁底座安装在伸缩气缸活塞顶杆的平面上并连接导线，柔性变刚度抓手通过宽口导管与伸缩气缸内部相连，在电磁铁底座上安装一个柔性触碰装置，柔性触碰装置分别连接两个导管，其中第二气体导管两端通过气压阀门分别与止动气缸和伸缩气缸相连接，一根液压导管通过阀门与外界液压装置连接。所述的刚柔结合的可变刚度采摘机械手主要包括电机、圆盘基座、连杆、气缸、导管、阀门、磁流变弹性体，电磁铁、导线和可制备柔性机械手结构的柔性硅胶等材料。

所述宽口导管，直径大的一端连接伸缩气缸，直径小的一端连接柔性变刚度抓手。

所述的刚柔结合的可变刚度采摘机械手结构，由于伸缩气缸的底部外边缘通过转动副分别与安装在电机上的三根连杆连接，在圆盘基座上驱动电机的作用下，通过基座的转动和各个连杆的不同伸长长度，能够实现伸缩气缸在三维空间内各个方向上运动，从而实现柔性变刚度抓手的多自由度运动，可成功规避采摘过程中遇到的诸如树枝，叶子或者不成熟的果子等复杂的工况，除了增加柔性机械抓手运动自由度，还可以增加采摘过程中对果蔬的承载力，适用于不同采摘难度的果蔬。当通过delat刚性机械模块运动到果蔬附近时并调节好采摘位置后，为避免刚性结构下力对果实和果树产生损害，这时启动伸缩气缸，在气压的作用下实现伸缩气缸内活塞的伸长，当果蔬触碰到伸缩平台上的柔性触碰装置后，打开控制上述液体导管和第一气体导管的阀门，在外界液压装置下作用下喷水，实现在采摘前对水果进行冲洗的同时，控制第一气体导管的气压阀也同时打开，气体通过第一导管，在气压的作用下止动气缸内的销柱弹出阻止伸缩气缸内活塞的运动，从而实现采摘前对果蔬的定位和清洗。随着伸缩气缸内气压的不断增大，导致与其相连接的柔性变刚度抓手内部空腔气压不断增加，从而发生弯曲变形，实现对果蔬的抓取运动。要实现柔性机械手的变刚度，对果蔬抓取的表面空腔吸气的同时，利用导线对电磁铁底座通电，通过磁场强度的变化，从而改变装有磁流变弹性体柔性空腔的硬度，通过柔性抓手的弯曲程度，不同磁场强度下的磁流变弹性体的硬度和抓取表面的空腔气压三者作用下，可以实现柔性变刚度抓手的变刚度机制，从而实现对不同硬度和采摘难度的果蔬进行抓取，在减少果蔬损伤率的同时也增加了该方案的实用性。

本发明进一步限定的技术方案如下：

前述的圆盘基座安装在可旋转运动的电机上，当遇到复杂的工况，如要规避树枝、叶子或者采摘方向上没有合适的工作地面，或者由于柔性结构的承载力不足，导致难以采摘的果蔬能够通过圆盘基座的旋转改变工作方向和增加承载力。

前述的柔性变刚度抓手利用3D打印技术打印出模具利用Ecoflex00-50A、Ecoflex00-50B和PDMS以质量比例为10：10：1混合浇注构成，与触手腔体连通的上部腔体预留小孔以便插入第三气体导管，下部腔体预留个小孔以便插入第四气体导管，中间腔体填充磁流变弹性体。

前述的磁流变弹性体，在不同电流强度作用下，电磁铁基座产生不同的磁场强度从而实现柔性变刚度功能。

前述的伸缩气缸内的活塞与伸缩气缸内壁属于间隙配合，当止动气缸内的销柱在气压的作用下弹出阻止活塞向上运动后，继续往伸缩气缸内通气导致伸缩气缸内气压越来越大，由于伸缩气缸与柔性变刚度抓手通过宽口导管连接，从而导致柔性变刚度抓手内空腔气压增大，驱动柔性变刚度抓手发生弯曲变形。

柔性触碰装置由触发开关和柔性伸缩管构成，当柔性触碰装置接触到果蔬时，引起柔性伸缩管发生变形，从而触发控制上述两根导管的阀门工作。

前述的柔性变刚度抓手，另装有一个气体阀门与第三气体导管一端连接，在应对采摘不同大小的水果时，通过气体阀门控制，利用连接的第三气体导管吸气，导致柔性变刚度采摘抓手发生不同方向上的变形，从而适应不同大小的果蔬采摘。

前述的伸缩气缸底部安装有质量传感器，可对采摘的果蔬进行称重。

本发明的有益效果为：

1.本发明从结构方面入手，利用刚柔相结合驱动的采摘机械手，既解决了刚性机械手对果蔬造成的损害问题，又解决了柔性机械手在采摘过程中出现的承载力不足的问题。

2.本发明安装在可旋转的圆盘形基座上并引入了delat并联机械结构和伸缩气缸，可以实现柔性变刚度机械手在三维空间内任意方向上的运动，可采摘一些隐藏较深，难度较大的果蔬，同时也可通过转变机械手臂的采摘方向，可实现采摘设备不易工作方位上的果蔬，提高了农业采摘设备对复杂工况的要求。

3.本发明通过特殊的结构和利用磁流变弹性体的特性，可实现对柔性机械抓手变刚度的控制，以应对不同硬度、不同成熟度水果的抓取。同时也为可变刚度的柔性机械人提供一种新的思考方案。

4.本发明通过特殊的结构设计，在抓取果蔬的同时，还可完成对抓取果蔬的清洗与称重，减少了其加工的工序，对于一些易损伤，较贵重的水果可实现精准称重的同时减少损伤。

附图说明：

图1是本发明所述刚柔结合的可变刚度采摘抓手的工程图，以便直观显示其整体结构及组成特征，并标出相应组成结构编号；

图2是本发明所述气动可变刚度柔性抓手结构剖面图；

图3是本发明所述气动可变刚度柔性抓手立体结构示意图；

图4是本发明所述气动可变刚度柔性抓手整体结构的弯曲变形示意图；

图5是本发明所述气动可变刚度柔性抓手充放气时，其内部两个相邻腔体结构变形的示意图；

图中1-圆盘形基底；2-驱动电机；3-连杆；4-伸缩气缸；5-止动气缸；6-第一气体导管；7-柔性变刚度抓手；8-电磁铁基座；9-柔性触碰装置；10-液体导管；11-宽口导管(一端d＝10mm,另一端d＝3mm)；12-活塞；13-质量传感器；14-第二气体导管；15-磁流变弹性体；16-第三气体导管；17-第四气体导管；

具体实现方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明。

如图1、图2，本发明一种刚柔结合的可变刚度采摘机械手，包括组成刚性结构的delat并联机械手和驱动气缸；包括圆盘形基底1、驱动电机2、连杆3、伸缩气缸4、止动气缸5、第一气体导管6、宽口导管11、活塞12；组成柔性变刚度结构的有柔性变刚度抓手7、电磁铁基座8、第二气体导管14、磁流变弹性体15、第三气体导管16、第四气体导管17。实现清洗和称重功能由液体导管10、柔性触碰装置9和质量传感器13构成。

在组成上述刚柔结合的可变刚度采摘机械手的刚性结构中，刚性结构的工作原理主要是：在底部电机作用下圆盘形基座1能够旋转，三个驱动电机2均匀安装在圆盘基座1的外边缘上，在驱动电机的作用下，带动安装在它上面的三根连杆3运动，通过圆盘基座1的转动和各个连杆3的不同伸长长度，可以实现伸缩气缸4在三维空间内各个方向上的运动，从而实现柔性变刚度抓手7的多自由度运动，除了增加柔性变刚度抓手7运动自由度，还可以增加采摘过程中的承载力。

上述所述的伸缩气缸4底部边缘与连杆3通过转动副相连接，伸缩气缸4外表面安装止动气缸5，柔性变刚度抓手7安装在伸缩气缸4的活塞12顶杆的平面上。第二气体导管14一端外接气源，一端接伸缩气缸4，通过第二导管14改变伸缩气缸4内部压强，柔性变刚度抓手7与伸缩气缸4通过宽口导管11相连，其中宽口导管直径大的一端连接伸缩气缸4，直径小的一端连接柔性变刚度抓手7。活塞12与伸缩气缸4内壁为间隙配合，在活塞12顶杆的平面上在安装一个柔性触碰装置9，液体导管10一端与外界液体连接，另一端连接液压阀，第一气体导管6两端通过气压阀分别与伸缩气缸4和止动气缸5连接。液压阀和气压阀都通过柔性触碰装置9控制，当蔬菜水果触碰到柔性触碰装置9时，液压阀和气压阀都打开；蔬菜水果没有触碰到柔性触碰装置9，液压阀和气压阀则处于关闭状态。

在组成上述刚柔结合的可变刚度采摘机械手的柔性变刚度结构中，柔性硅胶作为柔性变刚度抓手7的基底材料，利用磁流变弹性体15作为柔性变刚度抓手7的空腔的填充物，利用电磁铁基座10外接电流改变磁场强度，通过第三气体导管16、第四气体导管17改变空腔内的气压。

要实现刚柔结合的可变刚度采摘机械手的采摘过程，首先，在三个驱动电机2的作用下，与驱动电机2相连的三根连杆3实现不同的伸长，可以实现伸缩气缸4在三维空间内做各个方向上的运动，从而实现柔性变刚度抓手7的多自由度运动，可规避运动过程中遇到的诸如树枝，叶子或者不成熟的果子等复杂的工况，当遇到不适合采摘的方位时，还可以通过圆盘形基座1旋转改变柔性变刚度抓手7的方向。通过delat刚性机械模块运动到果蔬附近时并调节好采摘位置后，通过第二气体导管14通气，这时启动伸缩气缸4，在气压的作用下实现伸缩气缸4内的活塞12伸长，当果蔬触碰到伸缩平台上的柔性触碰装置9后，打开控制液体导管10和第一气体导管6的阀门，在外界液压装置下作用下液体导管10喷水，实现在采摘前对水果进行冲洗的同时，通往止动气缸5的阀门同时也打开，通过第一气体导管6作用下止动气缸内的销柱弹出阻止伸缩气缸4内活塞12的运动，实现采摘前对果蔬的定位和清洗。随着伸缩气缸4内气压的不断增大，由于是活塞12的间隙配合，导致伸缩气缸内部气压不断增大，通过宽口导管11与其相连接的柔性变刚度抓手7内空腔气压不断增加发生弯曲变形，实现对果蔬的抓取运动。要实现柔性变刚度抓手7的变刚度，可通过第四气体导管17吸气的同时，还可通过电磁铁基座8通电改变磁场强度，从而改变中间空腔内磁流变弹性体15的硬度，通过柔性变刚度抓手7的弯曲程度，不同磁场强度下的磁流变弹性体15的硬度和第四气体导管17连接的空腔气压三者作用下，可以实现柔性变刚度抓手7的变刚度机制，从而实现对不同硬度和采摘难度的果蔬进行抓取，在减少果蔬损伤率的同时也增加了该方案的实用性。

当通过柔性变刚度抓手7不能顺利摘下果蔬时，这时可以通过改变连杆3的伸长和旋转圆盘基座1，可增大柔性变刚度抓手7的承载力。当遇到更大的果蔬，超过了抓手预留的空间，可通过第三气体导管16吸气，改变柔性变刚度抓手的弯曲方向，图4、图5反映充放气时，抓手弯曲变形和内部相邻腔体结构变形的示意图。

通过安装的质量传感器13，可对采摘的果蔬进行称重。并通过质量传感器示数变化，并通过示数的改变判断采摘抓手完成一个采摘工作。

Claims (8)

1.一种基于刚柔结合的可变刚度采摘机械手，其特征在于，所述可变刚度采摘机械手包括刚性驱动模块和柔性变刚度抓手；刚性驱动模块包括delat并联机械结构和伸缩气缸，delat并联机械手包括在底部电机控制下可旋转的圆盘形基座、三个均匀分布在圆盘上的驱动电机和安装在电机上的三根连杆；伸缩气缸底部边缘通过转动副分别与三根连杆相连接，伸缩气缸外表面安装止动气缸，伸缩气缸与止动气缸通过第一气体导管相连；柔性变刚度抓手安装在圆盘形的电磁铁底座上，电磁铁底座安装在伸缩气缸活塞顶杆的平面上并连接导线，柔性变刚度抓手通过宽口导管与伸缩气缸内部相连从而控制柔性变刚度抓手的弯曲变形程度，在电磁铁底座上安装一个柔性触碰装置，柔性触碰装置分别连接两个导管，其中第二气体导管两端通过气压阀门分别与止动气缸和伸缩气缸相连接，一根液压导管通过阀门与外界液压装置连接。

2.如权利要求1所述的一种基于刚柔结合的可变刚度采摘机械手，其特征在于，在伸缩气缸底部安装有质量传感器，能对采摘的果蔬进行称重。

3.如权利要求1所述的一种基于刚柔结合的可变刚度采摘机械手，其特征在于，所述柔性变刚度抓手利用3D打印技术打印出模具利用Ecoflex00-50A、Ecoflex00-50B和PDMS以质量比例为10：10：1混合浇注构成，与触手腔体连通的上部腔体预留小孔以便插入第三气体导管，下部腔体预留个小孔以便插入第四气体导管，中间腔体填充磁流变弹性体。

4.如权利要求3所述的一种基于刚柔结合的可变刚度采摘机械手，其特征在于，通过第四气体导管吸气的同时，还能通过电磁铁基座通电改变磁场强度，从而改变中间空腔内磁流变弹性体的硬度；通过柔性变刚度抓手的弯曲程度，不同磁场强度下的磁流变弹性体的硬度和第四气体导管连接的空腔气压三者作用下，实现柔性变刚度抓手的变刚度机制，从而实现对不同硬度和采摘难度的果蔬进行抓取，在减少果蔬损伤率的同时也增加了实用性；第三气体导管一端连接一个气体阀门，在应对采摘不同大小的水果时，通过气体阀门控制，利用连接的第三气体导管吸气，导致柔性变刚度采摘抓手发生不同方向上的变形，从而适应不同大小的果蔬采摘。

5.如权利要求1所述的一种基于刚柔结合的可变刚度采摘机械手，其特征在于，所述宽口导管，直径大的一端连接伸缩气缸，直径小的一端连接柔性变刚度抓手。

6.如权利要求1所述的一种基于刚柔结合的可变刚度采摘机械手，其特征在于，伸缩气缸内的活塞与伸缩气缸内壁为间隙配合。

7.如权利要求1所述的一种基于刚柔结合的可变刚度采摘机械手，其特征在于，柔性触碰装置由触发开关和柔性伸缩管构成，当柔性触碰装置接触到果蔬时，引起柔性伸缩管发生变形，从而触发控制第二气体导管和液压导管的阀门工作。

8.如权利要求1所述的一种基于刚柔结合的可变刚度采摘机械手，其特征在于，伸缩气缸的底部外边缘通过转动副分别与安装在电机上的三根连杆连接，在圆盘基座上驱动电机的作用下，通过基座的转动和各个连杆的不同伸长长度，能够实现伸缩气缸在三维空间内各个方向上运动，从而实现柔性变刚度抓手的多自由度运动，并通过圆盘形基座旋转改变柔性变刚度抓手的方向，能够规避复杂工况并增加采摘过程中对果蔬的承载力，适用于不同采摘难度的果蔬；当通过delat刚性机械模块运动到果蔬附近时并调节好采摘位置后，为避免刚性结构下力对果实和果树产生损害，通过第二气体导管通气，启动伸缩气缸，在气压的作用下实现伸缩气缸内活塞的伸长，当果蔬触碰到伸缩平台上的柔性触碰装置后，打开控制液体导管和第一气体导管的阀门，在外界液压装置下作用下喷水，实现在采摘前对水果进行冲洗的同时，通往止动气缸的阀门同时也打开，气体通过第一导管，在气压的作用下止动气缸内的销柱弹出阻止伸缩气缸内活塞的运动，从而实现采摘前对果蔬的定位和清洗；随着伸缩气缸内气压的不断增大，通过宽口导管与其相连接的柔性变刚度抓手内空腔气压不断增加发生弯曲变形，实现对果蔬的抓取运动。

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