CN112930868A - 小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器及其采摘方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，包括柔性手指、手指关节、基座和仿生喉管。柔性手指的底部通过T形槽与连接块固定后通过螺钉螺母固定在手指关节上连杆上；手指关节下连杆与滑台气缸固定后通过螺钉固定在基座上。手指关节上安装有本发明设计的柔性波纹管，基座下方安装有本发明设计的仿生喉管，通过波纹管的充气放气，滑台气缸的直线运动和仿生喉管的充气放气实现了柔性手指对的自适应包络式抓取采摘和吞咽式运输。本发明结构简单、质量轻便、价格低廉，解决了小型球形水果采摘效率低，采摘接触力过大对果实造成损伤和采摘时小型球形水果坠落跌损，采摘后小型球形水果间两两碰撞损伤导致采摘失败的技术难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种采摘末端执行器，尤其涉及一种柔性抓吸式机械手，属于机械手设计技术领域。
背景技术
我国苹果产量高居世界第一，其采摘作业是生产过程中最为耗时费力的环节，具有季节性强、劳动强度大等特点，目前以人工为主要采摘方式，成本高，限制了苹果产业的进一步发展。为了可靠而又柔顺地采摘下成熟果实，保证苹果能及时收获，降低生产成本以提高产品竞争力，使苹果产业进一步发展，研究苹果采摘末端执行器具有重要意义。
传统的末端执行器通常以工业生产线为应用领域，工作对象一致，工作环境简单，因此往往采用刚性结构，抓取易损对象时容易造成对象损伤。采摘末端执行器以农业果园为应用领域，工作对象为水果，不仅质地柔嫩且个体之间大小、尺寸均存在差异，且工作环境非结构化程度高，将传统工业末端执行器用于采摘，极易对脆弱的果实造成损伤，降低产量，造成经济损失。
普通柔性末端执行器多由传统末端执行器改造而来，在接触位置安装柔性材料、或采用欠驱动的结构来提高适应性。但这种机械手依然存在局限性，依赖精准的信号驱动才能实现对不同果实的稳定、柔顺采摘，结构复杂、成本较高、控制难度大，因此限制了其在农业领域的推广。
发明内容
本发明针对背景技术中存在的问题，提出了一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器及其采摘方法。
技术方案：
本发明首先公开了一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，它包括柔性手指(1)、手指关节(2)、基座(3)和仿生喉管(4)，手指关节(2)包括连接块(5)、上连杆(2.1)、上紧固环(6)、柔性波纹管(7)、下紧固环(8)、下连杆(2.2)和滑台气缸(9)；柔性手指(1)为V形结构，柔性手指(1)的表面设置薄膜压力传感器；柔性手指(1)的底部通过T形槽与连接块(5)连接；多个手指关节(2)均匀分布于基座(3)的周向，手指关节(2)通过螺钉安装在基座(3)上；连接块(5)与上连杆(2.1)通过螺钉螺母固定，上连杆(2.1)与下连杆(2.2)通过销钉连接，下连杆(2.2)通过螺钉固定安装在滑台气缸(9)上；上连杆(2.1)下部和下连杆(2.2)上部均有凸台结构，柔性波纹管(7)上端通过上紧固环(6)固定在上连杆凸台上，下端通过下紧固环(8)固定在下连杆凸台上；下连杆内部开有气道，一端经下连杆凸台与柔性波纹管相连，另一端接气管与气源相连；常压状态下柔性波纹管(7)呈压缩状，正压状态下柔性波纹管(7)呈直立状，柔性波纹管(7)在缩伸过程中带动上连杆(2.1)向内旋转，进而带动柔性手指(1)向内抓拢形成果实包络；滑台气缸(9)包括收缩和伸出状态，伸出过程中带动柔性手指(1)下拉实现摘取动作；
基座(3)的中间设有孔洞，基座(3)与仿生喉管(4)组成吞咽管道；所述仿生喉管(4)为圆筒腔体结构，其侧壁设有气嘴，连接气管由气源供气，仿生喉管的水平剖面在常压状态下为椭圆形，负压状态下为圆形。
优选的，所述柔性手指(1)为V形鳍条结构。
优选的，所述柔性手指(1)、柔性波纹管(7)、仿生喉管(4)的材质为硅胶材料，通过手板复模技术制作。
优选的，所述手指关节(2)、基座(3)为光敏树脂材料，通过3D打印技术制作。
优选的，所述柔性手指(1)与上连杆(2.1)之间夹角为15°。
优选的，所述滑台气缸(9)行程为30mm。
本发明还公开了一种小型球形水果抓吸式采摘末端执行器的采摘方法，基于所述的一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，它包括以下步骤：
S1、果实定位
视觉传感器拍摄果实图像，经图像处理获取果实空间三维坐标，机械臂规划路径将末端执行器送至指定位置；滑台气缸(9)始终处于回缩位置，柔性波纹管(7)内部处于常压状态；
S2、形成包络
末端执行器送至指定位置后，柔性波纹管(7)开始充气，手指关节(2)弯曲带动柔性手指(1)逐渐贴附于小型球形水果表面，直至柔性手指(1)表面薄膜压力传感器检测到最大压力等于设定值，停止充气，形成包络抓取；
S3、果实下落
柔性手指(1)表面薄膜压力传感器检测到最大压力等于设定值后，柔性波纹管(7)保持S2阶段的充气气压，滑台气缸(9)动作至伸出状态，柔性手指(1)底部空间扩大，果实下落，穿过基座(3)下方的孔洞，落至仿生喉管(4)处；
S4、夹爪打开
仿生喉管(4)处接触传感器检测到果实后，改变气源输出仿生喉管(4)由正压状态切换至负压状态实现果实下落；同时柔性波纹管(7)恢复常压状态，同时电磁阀换向，滑台气缸(9)缩回，整个装置回到S1状态，等待下一次采摘。
本申请中，小型球形水果包括苹果/柑橘等。
本发明的有益效果
鳍条结构的软体手指，可以在不损伤果实的前提下对水果实现稳定可靠的抓取，采用气动柔性波纹管作为手指关节的驱动，轻便、动作迅速，同时提高了抓握的柔顺性，将果实与果梗分离后，气缸动作确保果实可以落入基座内，避免了掉落导致采摘失败，仿生喉管使果实受控制有次序地落入运输管道，解决了果实与果实在管道内碰撞造成损伤。
附图说明
图1是本发明的整体结构图。
图2是本发明初始状态的手指关节结构图。
图3是本发明柔性波纹管常压和正压的对比示意图。
图4a是仿生喉管常压的示意图。
图4b是仿生喉管正压的示意图。
图4c是仿生喉管负压的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
本发明设计的一种柔性抓吸式采摘末端执行器及采摘方法利用串联机械臂，通过多传感器信息融合实施获取、感知工作环境和目标果实信息，确保在不损伤果实的前提下，完成果实定位、形成包络、果实下落和夹爪打开工作过程，本发明采用柔性手指夹持，拉扭结合的方式分离果实和果梗，解决了水果自动化采摘效率低、易损伤等技术难题。
参见图1所示，一种柔性抓吸式采摘末端执行器，是由由柔性手指1、手指关节2、基座3和仿生喉管4组成。柔性手指1为V形鳍条结构，柔性手指1的表面设置薄膜压力传感器；柔性手指1的底部通过T形槽与连接块连接；本实施例中，3个手指关节2均匀分布于基座3的周向，手指关节2通过螺钉安装在基座3上；仿生喉管4利用喉箍固定在基座3底部。
参见图2所示，手指关节2包括连接块5、上连杆2.1、上紧固环6、柔性波纹管7、下紧固环8、下连杆2.2和滑台气缸9；连接块5与上连杆2.1通过螺钉螺母固定，上连杆2.1与下连杆2.2通过销钉连接，下连杆2.2通过螺钉固定安装在滑台气缸9上；上连杆2.1下部和下连杆2.2上部均有凸台结构，柔性波纹管7上端通过上紧固环6固定在上连杆凸台上，下端通过下紧固环8固定在下连杆2.2凸台上。
参见图3所示，常压状态下柔性波纹管7呈压缩状(图3左侧)，正压状态下柔性波纹管7呈直立状(图3右侧)，柔性波纹管7在缩伸过程中带动上连杆2.1向内旋转，进而带动柔性手指1向内抓拢形成果实包络；滑台气缸9包括收缩和伸出状态，伸出过程中带动柔性手指1下拉实现摘取动作。
参见图1和图4a、图4b、图4c所示，基座3的中间设有孔洞，基座3与仿生喉管4组成吞咽管道；所述仿生喉管4为圆筒腔体结构，其侧壁设有气嘴，连接气管由气源供气，仿生喉管的水平剖面在常压状态下为椭圆形如图4a，正压状态下仿生喉管上下内壁向内压缩如图4b，负压状态下仿生喉管上下内壁向外扩张呈圆形如图4c。
优选的实施例中，柔性手指1、柔性波纹管7、仿生喉管4由硅胶材料，通过手板复模技术制作制成；手指关节2、基座3由光敏树脂材料，采用3D打印技术制成。
本发明一种柔性抓吸式末端执行器采摘方法，包括如下步骤：果实定位、形成包络、果实下落和夹爪打开，其详细工作过程为：视觉传感器拍摄果实图像，经图像处理获取果实空间三维坐标，机械臂规划路径将末端执行器送至指定位置(均可通过现有技术实现，此处不再赘述)。滑台气缸9始终处于回缩位置，气动肌肉内部处于常压状态；柔性波纹管7充气，弯曲关节2弯曲带动柔性手指1逐渐贴附于果实表面，直至柔性手指1表面薄膜压力传感器检测到最大压力等于设定值，停止充气，形成包络抓取；柔性波纹管7保持形成包络阶段的充气气压，滑台气缸9动作至伸出状态，柔性手指1底部空间扩大，果实下落，穿过基座下方的孔洞，落至仿生喉管4处；仿生喉管4处接触传感器检测到果实后，柔性波纹管7恢复常压状态，同时电磁阀换向，滑台气缸9缩回，回到了果实定位阶段状态，等待下一次采摘。
本发明所设计的柔性抓吸式采摘末端执行器以苹果、柑橘等小型球形水果为目标对象，采用气动驱动，成本低、控制简单。软质材料和鳍条结构赋予了手指天生的柔顺性和适应性，气体自身可压缩的特性使得驱动关节有良好的的柔顺性，仿生喉管有次序地动作避免了采摘后小型球形水果在收集阶段两两之间碰撞受损，使得末端执行器可在不损伤果实的前提下实现稳定可靠的采摘，且成本较低、维护方便、控制简单，利于推广使用。
以上结合附图详细描述了本发明的具体实施方式，需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变形仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，其特征在于它包括柔性手指(1)、手指关节(2)、基座(3)和仿生喉管(4)，手指关节(2)包括连接块(5)、上连杆(2.1)、上紧固环(6)、柔性波纹管(7)、下紧固环(8)、下连杆(2.2)和滑台气缸(9)；柔性手指(1)为V形结构，柔性手指(1)的表面设置薄膜压力传感器；柔性手指(1)的底部通过T形槽与连接块(5)连接；多个手指关节(2)均匀分布于基座(3)的周向，手指关节(2)通过螺钉安装在基座(3)上；连接块(5)与上连杆(2.1)通过螺钉螺母固定，上连杆(2.1)与下连杆(2.2)通过销钉连接，下连杆(2.2)通过螺钉固定安装在滑台气缸(9)上；上连杆(2.1)下部和下连杆(2.2)上部均有凸台结构，柔性波纹管(7)上端通过上紧固环(6)固定在上连杆凸台上，下端通过下紧固环(8)固定在下连杆凸台上；下连杆内部开有气道，一端经下连杆凸台与柔性波纹管相连，另一端接气管与气源相连；常压状态下柔性波纹管(7)呈压缩状，正压状态下柔性波纹管(7)呈直立状，柔性波纹管(7)在缩伸过程中带动上连杆(2.1)向内旋转，进而带动柔性手指(1)向内抓拢形成果实包络；滑台气缸(9)包括收缩和伸出状态，伸出过程中带动柔性手指(1)下拉实现摘取动作；
基座(3)的中间设有孔洞，基座(3)与仿生喉管(4)组成吞咽管道；所述仿生喉管(4)为圆筒腔体结构，其侧壁设有气嘴，连接气管由气源供气，仿生喉管的水平剖面在常压状态下为椭圆形，负压状态下为圆形。
2.根据权利要求1所述的一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，其特征在于所述柔性手指(1)为V形鳍条结构。
3.根据权利要求1所述的一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，其特征在于所述柔性手指(1)、柔性波纹管(7)、仿生喉管(4)的材质为硅胶材料。
4.根据权利要求1所述的一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，其特征在于所述手指关节(2)、基座(3)为光敏树脂材料。
5.根据权利要求1所述的一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，其特征在于所述柔性手指(1)与上连杆(2.1)之间夹角为15°。
6.根据权利要求1所述的一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，其特征在于所述滑台气缸(9)行程为30mm。
7.一种小型球形水果抓吸式采摘末端执行器的采摘方法，基于权利要求1-6任一项所述的一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，其特征在于它包括以下步骤：
S1、果实定位
视觉传感器拍摄果实图像，经图像处理获取果实空间三维坐标，机械臂规划路径将末端执行器送至指定位置；滑台气缸(9)始终处于回缩位置，柔性波纹管(7)内部处于常压状态；
S2、形成包络
末端执行器送至指定位置后，柔性波纹管(7)开始充气，手指关节(2)弯曲带动柔性手指(1)逐渐贴附于小型球形水果表面，直至柔性手指(1)表面薄膜压力传感器检测到最大压力等于设定值，停止充气，形成包络抓取；
S3、果实下落
柔性手指(1)表面薄膜压力传感器检测到最大压力等于设定值后，柔性波纹管(7)保持S2阶段的充气气压，滑台气缸(9)动作至伸出状态，柔性手指(1)底部空间扩大，果实下落，穿过基座(3)下方的孔洞，落至仿生喉管(4)处；
S4、夹爪打开
仿生喉管(4)处接触传感器检测到果实后，改变气源输出仿生喉管(4)由正压状态切换至负压状态实现果实下落；同时柔性波纹管(7)恢复常压状态，同时电磁阀换向，滑台气缸(9)缩回，整个装置回到S1状态，等待下一次采摘。
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