CN111958625B - 一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手 - Google Patents

Abstract

一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手，包括外壳、抓取机构、剪切机构、驱动机构Ⅰ和驱动机构Ⅱ；抓取机构由弧形球体结构和三组沿外壳轴线圆周均匀分布的连杆夹爪机构组成，连杆夹爪机构装在弧形球体结构与外壳之间；弧形球体结构为连杆夹爪机构提供弧线滑动约束，外壳为连杆夹爪机构提供直线滑动和固定点旋转约束，驱动机构Ⅰ用于驱使三组连杆夹爪机构沿外壳径向方向同时向内或向外运动；三组沿外壳轴线圆周均匀分布的剪切机构分别装在三组连杆夹爪机构上，从而在抓取机构抓取果实后，对果柄进行剪切。本发明结构简单、制造成本低，在采摘果实时，不仅能够自适应果实形状和大小，还能在抓取果实时，同时对果柄进行剪切，应用范围广，工作效率高。

Description

一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手

技术领域

本发明涉及水果采摘领域，特别是一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手。

背景技术

随着生活水平的提高，人们对饮食质量和营养搭配提出了更高的要求，其中对水果的需求量日益增大，而水果采摘工作一直是一个劳动密集型产业，工作环境差，采摘效率低。

使用采摘机器人等机械化设备代替人工，是行业发展的趋势，但水果的形状大小往往并不统一，因此要求采摘机械手可以适应不同形状和尺寸的水果并剪断果柄，以扩大采摘机械手的应用范围。而且采摘机械手使用场景通常并不理想，所以要求采摘机械手结构简单轻便，制造成本低。

目前大多采摘机械手只能采摘类球状的果实，且无法自适应果实的形状和大小，结构通常过于复杂。

授权公告号为CN107750638B、名称为“一种半自动三爪采摘装置”的中国发明专利，其由机体、采摘执行装置、水果输送装置、控制器组成，具有水果采摘和收集的功能，其中手爪部分由电机控制对果实进行抓取。由于手指部分虽是三爪，但为单节刚体的杠杆结构，自适应性不够好，机构不够灵活，而且该装置没有剪切机构，主要通过对果实的拉拽或扭动将果实摘下，容易伤到果实。

公开号为CN109105001A、名称为“一种香梨采摘机器人末端执行器及采摘方法”的中国发明专利，其由电机、传动机构、安装支架、刀架组成。该执行器先通过吸盘对香梨固定，然后利用弧面刃对果柄进行切割；但该执行器若要对香梨包裹，需要先张开较大的倾角，占用空间较大，而且弧面刃为单节刚体，且弧面刃剪切位置固定，对果实的自适应性不够好。

公开号为CN102441892A、名称为“一种果蔬采摘欠驱动机械手爪”的中国发明专利，其由机架、驱动传动机构和手指机构组成，属于一个欠驱动机构。工作时，使用一个电机带动9自由度的手指机构运动，通过扭簧作为限制机构以及在手爪上安装接触力传感器，实现对果蔬的自适应抓取；但其结构复杂，多传感器和欠驱动机构使得控制难度增加且控制不准确，并且该手爪只有抓取功能，没有剪切功能，手爪无法实现完整的采摘动作。

综上所述，现有的采摘机械手结构普遍比较复杂，导致制造成本高，而且对果实不同的形状和大小的适应性较差或者实现起来较复杂。为了解决果实采摘机械手大批量生产应用的问题，亟待需要一种结构简单、制造成本低、适应性好、控制简单、运行稳定的果实采摘机械手。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种结构简单、制造成本低的自适应的多连杆式三爪采摘机械手，其在采摘果实时，不仅能够自适应果实的形状和大小，还能在抓取果实时，同时对其果柄进行剪切，从而完成果实的自动化采摘。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的自适应的多连杆式三爪采摘机械手，包括外壳以及位于外壳内腔中的抓取机构、剪切机构、驱动机构Ⅰ和驱动机构Ⅱ；所述抓取机构由弧形球体结构和三组沿外壳的轴线圆周等间距均匀分布的连杆夹爪机构组成，所述弧形球体结构装在外壳的内腔中，球形凹面朝前，并与外壳同轴线，所述连杆夹爪机构装在弧形球体结构与外壳之间；所述弧形球体结构为连杆夹爪机构提供弧线滑动约束，所述外壳为连杆夹爪机构提供直线滑动约束和固定点旋转约束，所述驱动机构Ⅰ装在外壳的内腔中，用于驱使三组连杆夹爪机构沿外壳的径向方向同时向内或者向外运动，从而根据果实的形状和大小进行适应性抓取；所述剪切机构有三组，且均沿外壳的轴线圆周等间距均匀分布，三组所述剪切机构分别装在三组连杆夹爪机构上，从而在抓取机构抓取果实后，通过驱动机构Ⅱ的驱使，用于对果实的果柄进行剪切，所述驱动机构Ⅱ装在外壳的内腔中。

本发明所述的一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手，其中，三组所述连杆夹爪机构均由连杆Ⅰ、连杆Ⅱ、连杆Ⅲ、连杆Ⅳ、滑块、连杆Ⅴ、前弧形爪片和后弧形爪片组成；所述前弧形爪片和后弧形爪片的凹面均朝前，所述连杆Ⅰ的后端与驱动机构Ⅰ铰接，所述连杆Ⅰ的前端、连杆Ⅱ的外端、连杆Ⅲ的外端和连杆Ⅳ的后端同时铰接，所述弧形球体结构的后侧凸面中心位置处固定安装有一个固定块，每个所述连杆夹爪机构中连杆Ⅱ的内端均与固定块铰接，所述连杆Ⅲ的内端穿过弧形球体结构上开设的径向行程孔后与后弧形爪片的内端铰接，每个所述连杆夹爪机构中后弧形爪片后侧的凸面均贴合在弧形球体结构前侧的球形凹面内，所述后弧形爪片的外端与前弧形爪片的后端铰接，前弧形爪片的前端与连杆Ⅴ的内端铰接，所述连杆Ⅴ的外端、连杆Ⅳ的前端同时与滑块铰接，所述滑块装在外壳侧壁上开设的轴向行程孔内，从而使滑块沿外壳的轴线方向滑动。

本发明所述的一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手，其中，三组所述剪切机构均由刀杆和外凸的弧形连杆组成，所述刀杆贴合在连杆Ⅴ的前侧壁上，刀杆的内端设有剪切刀片，刀杆的外端装有导向块，所述连杆Ⅴ沿自身长度方向开设有供导向块沿外壳的径向滑动的导向槽，所述弧形连杆的前端与导向块铰接，弧形连杆的后端与驱动机构Ⅱ铰接。

本发明所述的一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手，其中，所述驱动机构Ⅰ包括滚珠丝杠Ⅰ和丝杆螺母Ⅰ，所述滚珠丝杠Ⅰ通过轴承和轴承座Ⅰ安装在外壳的内腔中，并与外壳同轴线，所述丝杆螺母Ⅰ套设在滚珠丝杠Ⅰ上，所述连杆Ⅰ的后端与丝杆螺母Ⅰ的外壁铰接。

本发明所述的一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手，其中，所述驱动机构Ⅱ包括滚珠丝杠Ⅱ和丝杆螺母Ⅱ，所述滚珠丝杠Ⅱ通过轴承和轴承座Ⅱ安装在外壳的内腔中，并与外壳同轴线，所述丝杆螺母Ⅱ套设在滚珠丝杠Ⅱ上，所述弧形连杆的后端与丝杆螺母Ⅱ的外壁铰接。

本发明所述的一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手，其中，所述滚珠丝杠Ⅰ与滚珠丝杠Ⅱ之间装有联轴器，所述滚珠丝杠Ⅰ与滚珠丝杠Ⅱ的螺旋线方向相反，螺距不同。

本发明所述的一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手，其中，所述外壳由前部的三角形框体和后部的Y形框体组成，所述三角形框体的三个棱角处均设有倒直角，所述驱动机构Ⅰ和驱动机构Ⅱ均位于Y形框体内。

本发明所述的一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手，其中，所述前弧形爪片和后弧形爪片均采用硬质弹性材料制成。

本发明所述的一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手，其中，所述前弧形爪片和后弧形爪片与果实相接触的表面上均贴装有垫片。

采用以上结构后，与现有技术相比，本发明一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手具有以下优点：

1、主要由外壳、抓取机构、剪切机构、驱动机构Ⅰ和驱动机构Ⅱ组成，且抓取机构和剪切机构均为连杆式结构，从而使得整体结构较为简单、紧凑，有效节省了制造成本；

2、连杆式抓取结构和剪切结构的设计，能够在采摘果实时，对不同直径球状的果实以及其他形状和大小的果实进行包裹抓取，同时对果柄进行剪切，轻松完成果实的自动化采摘；

3、对果实的自适应能力强，在抓取时，能够自适应果实的形状和大小，可应用于各类果实的采摘。

附图说明

图1是本发明一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手的立体结构图；

图2是图1的纵向剖视结构图；

图3是图1中隐藏外壳时的立体放大结构图；

图4是图3中单组剪切机构、单组连杆夹爪机构、驱动机构Ⅰ和驱动机构Ⅱ连接在一起时的主视结构图；

图5是图3中弧形球体结构的立体放大结构图；

图6是图4中单组抓取机构的示意图；

图7是图4中单组剪切机构的示意图；

图8是本发明隐藏外壳后，对果实进行抓取和剪切果柄时的立体结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手作进一步详细说明：

如图1和图2所示，在本具体实施方式中，本发明一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手，包括外壳1以及位于外壳1内腔中的抓取机构2、剪切机构3、驱动机构Ⅰ4和驱动机构Ⅱ5。外壳1由前部的三角形框体11和后部的Y形框体12组成，三角形框体11的三个棱角处均设有倒直角11-2，驱动机构Ⅰ4和驱动机构Ⅱ5均位于Y形框体12内，这种结构的外壳1能够有效减小占用体积，使整体结构更为紧凑。

结合图2和图3，抓取机构2由弧形球体结构21和三组沿外壳1的轴线圆周等间距均匀分布的连杆夹爪机构22组成。弧形球体结构21装在外壳1的内腔中，且弧形球体结构21的球形凹面朝前，并与外壳1同轴线；连杆夹爪机构22装在弧形球体结构21与外壳1之间。

弧形球体结构21为连杆夹爪机构22提供弧线滑动约束，外壳1为连杆夹爪机构22提供直线滑动约束和固定点旋转约束。驱动机构Ⅰ4用于驱使三组连杆夹爪机构22沿外壳1的径向方向同时向内或者向外运动，从而根据果实的形状和大小进行适应性抓取。

剪切机构3有三组，且均沿外壳1的轴线圆周等间距均匀分布。三组所述剪切机构3分别装在三组连杆夹爪机构22上，从而在抓取机构2抓取果实后，通过驱动机构Ⅱ5的驱使，用于对果实的果柄进行剪切。

结合图2、图3、图4、图5和图6，三组所述连杆夹爪机构22均由连杆Ⅰ22-1、连杆Ⅱ22-2、连杆Ⅲ22-3、连杆Ⅳ22-4、滑块22-6、连杆Ⅴ22-5、前弧形爪片22-7和后弧形爪片22-8组成。

前弧形爪片22-7和后弧形爪片22-8的凹面均朝前；连杆Ⅰ22-1的后端与驱动机构Ⅰ4铰接；连杆Ⅰ22-1的前端、连杆Ⅱ22-2的外端、连杆Ⅲ22-3的外端和连杆Ⅳ22-4的后端同时铰接；弧形球体结构21的后侧凸面中心位置处固定安装有一个固定块21-1，每个所述连杆夹爪机构22中连杆Ⅱ22-2的内端均与固定块21-1铰接；连杆Ⅲ22-3的内端穿过弧形球体结构21上开设的径向行程孔21-2后与后弧形爪片22-8的内端铰接；每个所述连杆夹爪机构22中后弧形爪片22-8后侧的凸面均贴合在弧形球体结构21前侧的球形凹面内；三个径向行程孔21-2的设置便于三个后弧形爪片22-8同时沿弧形球体结构21的球形凹面向外伸出，以对果实进行弧形包裹；后弧形爪片22-8的外端与前弧形爪片22-7的后端铰接，前弧形爪片22-7的前端与连杆Ⅴ22-5的内端铰接；连杆Ⅴ22-5的外端、连杆Ⅳ22-4的前端同时与滑块22-6铰接；滑块22-6装在外壳1侧壁上开设的轴向行程孔11-1内，从而使滑块22-6能够沿外壳1的轴线方向滑动。

结合图2、图3、图4和图7，三组所述剪切机构3均由刀杆3-1和外凸的弧形连杆3-5组成。刀杆3-1贴合在连杆Ⅴ22-5的前侧壁上；刀杆3-1的内端设有剪切刀片3-2，刀杆3-1的外端装有导向块3-4；连杆Ⅴ22-5沿自身长度方向开设有供导向块3-4沿外壳1的径向滑动的导向槽3-3；弧形连杆3-5的前端与导向块3-4铰接，弧形连杆3-5的后端与驱动机构Ⅱ5铰接。

驱动机构Ⅰ4包括滚珠丝杠Ⅰ41和丝杆螺母Ⅰ42，滚珠丝杠Ⅰ41通过轴承和轴承座Ⅰ43安装在Y形框体12的内腔中，并与外壳1同轴线；丝杆螺母Ⅰ42套设在滚珠丝杠Ⅰ41上，连杆Ⅰ22-1的后端与丝杆螺母Ⅰ42的外壁铰接。

驱动机构Ⅱ5包括滚珠丝杠Ⅱ51和丝杆螺母Ⅱ52，滚珠丝杠Ⅱ51通过轴承和轴承座Ⅱ53安装在Y形框体12的内腔中，并与外壳1同轴线；丝杆螺母Ⅱ52套设在滚珠丝杠Ⅱ51上，弧形连杆3-5的后端与丝杆螺母Ⅱ52的外壁铰接。

滚珠丝杠Ⅰ41与滚珠丝杠Ⅱ51之间装有联轴器6，滚珠丝杠Ⅰ41的后端装有电机。滚珠丝杠Ⅰ41与滚珠丝杠Ⅱ51的螺旋线方向相反，螺距不同，转速也不同；至于螺距的具体数值，本领域技术人员根据所采摘水果的规格可自行进行选择，只要满足在抓取水果的同时对其果柄进行剪切即可。

通过联轴器6将滚珠丝杠Ⅰ41与滚珠丝杠Ⅱ51连接，从而在作业时，只需一个电机就可带动螺旋线方向相反的滚珠丝杠Ⅰ41与滚珠丝杠Ⅱ51进行旋转，并通过驱使丝杆螺母Ⅰ42和抓取机构2以及丝杆螺母Ⅱ52和剪切机构3，实现果实抓取和果柄剪切的顺序化动作，完成果实的自动化采摘，充分提高机械手的应用范围和工作效率。

将前弧形爪片22-7和后弧形爪片22-8均采用硬质弹性材料制成，或者在前弧形爪片22-7和后弧形爪片22-8与果实相接触的表面上贴装垫片，可以最大程度的保证果实表面不被划伤。

本发明的工作原理如下：

以采摘柑橘为例，柑橘高挂在树上，一般通过机械臂将本发明送到预定位置，从果实下方接近果实，以电机为动力源开始采摘。

1、抓取果实

电机旋转带动滚珠丝杠Ⅰ41转动，丝杆螺母Ⅰ42沿滚珠丝杠Ⅰ41的轴线向前移动。丝杆螺母Ⅰ42将动力传递给连杆夹爪机构22，起初，连杆Ⅲ22-3与后弧形爪片22-8之间的夹角为锐角，随着丝杆螺母Ⅰ42的前移，三个后弧形爪片22-8在连杆Ⅲ22-3的推动下，会贴合弧形球体结构21的球形凹面、沿外壳1的径向方向向外伸出，从而使该夹角逐渐减小。与此同时，三个滑块22-6沿外壳1外壁上的轴向行程孔11-1向前滑动，三个前弧形爪片22-7的前部以与后弧形爪片22-8之间的铰接点为中心，向内转动。换句话说，上述结构将电机的旋转运动转化为，三个后弧形爪片22-8沿弧形球体结构21的球形凹面向圆心收拢以及三个前弧形爪片22-7同时向圆心弯曲的运动，实现了抓取动作。最终，三个前弧形爪片22-7和三个后弧形爪片22-8共同将果实70进行包裹抓取，见图8所示状态。由于前弧形爪片22-7和后弧形爪片22-8的这种包裹的抓取运动形式，从而能够实现对不同直径球状果实以及其他形状和大小的果实进行包络，具有非常强的自适应性。

2、剪切果柄

抓取果实时，与滚珠丝杠Ⅰ41同步转动的滚珠丝杠Ⅱ51会驱使丝杆螺母Ⅱ52沿滚珠丝杠Ⅱ51的轴线向后运动，刀杆3-1与弧形连杆3-5之间的夹角由初始的钝角开始逐渐减小；三个弧形连杆3-5通过导向块3-4同步驱使三个刀杆3-1上的剪切刀片3-2向内运动，完成对果实果柄71的剪切动作，见图8所示状态。由于三个剪切刀片3-2在对果实果柄进行剪切时，会相互错开(类似剪刀的剪切原理)，因此，三个剪切刀片3-2不会在中心位置处直接相碰撞。

剪切果柄后，电机反转，丝杆螺母Ⅰ42和丝杆螺母Ⅱ52均反方向转动，三个刀杆3-1复位，前弧形爪片22-7和后弧形爪片22-8逐渐将抓取的果实松开，果实顺势掉入收集筐内，完成一次果实的自动化采摘。重复上述过程，继续对其它果实进行采摘。

本发明除了可以采摘柑橘外，还可以对橙子、柚子、桃子等水果进行采摘。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手，其特征在于：包括外壳（1）以及位于外壳（1）内腔中的抓取机构（2）、剪切机构（3）、驱动机构Ⅰ（4）和驱动机构Ⅱ（5）；

所述抓取机构（2）由弧形球体结构（21）和三组沿外壳（1）的轴线圆周等间距均匀分布的连杆夹爪机构（22）组成，所述弧形球体结构（21）装在外壳（1）的内腔中，球形凹面朝前，并与外壳（1）同轴线，所述连杆夹爪机构（22）装在弧形球体结构（21）与外壳（1）之间；

所述弧形球体结构（21）为连杆夹爪机构（22）提供弧线滑动约束，所述外壳（1）为连杆夹爪机构（22）提供直线滑动约束和固定点旋转约束，所述驱动机构Ⅰ（4）装在外壳（1）的内腔中，用于驱使三组连杆夹爪机构（22）沿外壳（1）的径向方向同时向内或者向外运动，从而根据果实的形状和大小进行适应性抓取；

所述剪切机构（3）有三组，且均沿外壳（1）的轴线圆周等间距均匀分布，三组所述剪切机构（3）分别装在三组连杆夹爪机构（22）上，从而在抓取机构（2）抓取果实后，通过驱动机构Ⅱ（5）的驱使，用于对果实的果柄进行剪切，所述驱动机构Ⅱ（5）装在外壳（1）的内腔中；

三组所述连杆夹爪机构（22）均由连杆Ⅰ（22-1）、连杆Ⅱ（22-2）、连杆Ⅲ（22-3）、连杆Ⅳ（22-4）、滑块（22-6）、连杆Ⅴ（22-5）、前弧形爪片（22-7）和后弧形爪片（22-8）组成；

所述前弧形爪片（22-7）和后弧形爪片（22-8）的凹面均朝前，所述连杆Ⅰ（22-1）的后端与驱动机构Ⅰ（4）铰接，所述连杆Ⅰ（22-1）的前端、连杆Ⅱ（22-2）的外端、连杆Ⅲ（22-3）的外端和连杆Ⅳ（22-4）的后端同时铰接，所述弧形球体结构（21）的后侧凸面中心位置处固定安装有一个固定块（21-1），每个所述连杆夹爪机构（22）中连杆Ⅱ（22-2）的内端均与固定块（21-1）铰接，所述连杆Ⅲ（22-3）的内端穿过弧形球体结构（21）上开设的径向行程孔（21-2）后与后弧形爪片（22-8）的内端铰接，每个所述连杆夹爪机构（22）中后弧形爪片（22-8）后侧的凸面均贴合在弧形球体结构（21）前侧的球形凹面内，所述后弧形爪片（22-8）的外端与前弧形爪片（22-7）的后端铰接，前弧形爪片（22-7）的前端与连杆Ⅴ（22-5）的内端铰接，所述连杆Ⅴ（22-5）的外端、连杆Ⅳ（22-4）的前端同时与滑块（22-6）铰接，所述滑块（22-6）装在外壳（1）侧壁上开设的轴向行程孔（11-1）内，从而使滑块（22-6）沿外壳（1）的轴线方向滑动；

三组所述剪切机构（3）均由刀杆（3-1）和外凸的弧形连杆（3-5）组成，所述刀杆（3-1）贴合在连杆Ⅴ（22-5）的前侧壁上，刀杆（3-1）的内端设有剪切刀片（3-2），刀杆（3-1）的外端装有导向块（3-4），所述连杆Ⅴ（22-5）沿自身长度方向开设有供导向块（3-4）沿外壳（1）的径向滑动的导向槽（3-3），所述弧形连杆（3-5）的前端与导向块（3-4）铰接，弧形连杆（3-5）的后端与驱动机构Ⅱ（5）铰接。

2.根据权利要求1所述的一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手，其特征在于：所述驱动机构Ⅰ（4）包括滚珠丝杠Ⅰ（41）和丝杆螺母Ⅰ（42），所述滚珠丝杠Ⅰ（41）通过轴承和轴承座Ⅰ（43）安装在外壳（1）的内腔中，并与外壳（1）同轴线，所述丝杆螺母Ⅰ（42）套设在滚珠丝杠Ⅰ（41）上，所述连杆Ⅰ（22-1）的后端与丝杆螺母Ⅰ（42）的外壁铰接。

3.根据权利要求2所述的一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手，其特征在于：所述驱动机构Ⅱ（5）包括滚珠丝杠Ⅱ（51）和丝杆螺母Ⅱ（52），所述滚珠丝杠Ⅱ（51）通过轴承和轴承座Ⅱ（53）安装在外壳（1）的内腔中，并与外壳（1）同轴线，所述丝杆螺母Ⅱ（52）套设在滚珠丝杠Ⅱ（51）上，所述弧形连杆（3-5）的后端与丝杆螺母Ⅱ（52）的外壁铰接。

4.根据权利要求3所述的一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手，其特征在于：所述滚珠丝杠Ⅰ（41）与滚珠丝杠Ⅱ（51）之间装有联轴器（6），所述滚珠丝杠Ⅰ（41）与滚珠丝杠Ⅱ（51）的螺旋线方向相反，螺距不同。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手，其特征在于：所述外壳（1）由前部的三角形框体（11）和后部的Y形框体（12）组成，所述三角形框体（11）的三个棱角处均设有倒直角（11-2），所述驱动机构Ⅰ（4）和驱动机构Ⅱ（5）均位于Y形框体（12）内。

6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手，其特征在于：所述前弧形爪片（22-7）和后弧形爪片（22-8）均采用硬质弹性材料制成。

7.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的一种自适应的多连杆式三爪采摘机械手，其特征在于：所述前弧形爪片（22-7）和后弧形爪片（22-8）与果实相接触的表面上均贴装有垫片。

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