CN113103221B - 一种抓取近圆形坚果的机械手结构及机械手的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抓取近圆形坚果的机械手结构，包括基台、一副第一机械臂、两副第二机械臂、丝杆电机、多个圆环形托盘，可抓取近圆形的坚果，适应于坚果不同形状的精准抓取与稳定，并能使被抓取的坚果绕其长轴或短轴翻滚调整坚果的方位，便于之后的坚果破壳加工流程，使破壳组件能对准坚果的薄弱表面，本发明还增加了辅助机械手即第一机械臂，在破壳坚果时稳定坚果的位置，两个第二机械臂的上端机械臂和下端机械臂，及基台电机都由电机直接驱动不借助诸多传动元件，易控制，回转运动少且运转稳定。

Description

一种抓取近圆形坚果的机械手结构及机械手的应用

技术领域：

本发明涉及近圆形坚果加工技术领域，具体涉及一种抓取近圆形坚果的机械手结构及机械手的应用。

背景技术：

坚果因良好味道和较高营养价值深受现代人喜爱。目前坚果加工存在破壳后果仁完整性低问题，而在破壳前后如何精准抓取坚果是提高果实完整程度的关键性问题，但坚果果壳形式多样不易抓取，需要一种多自由度机械手进行抓取。

已存抓取机械手技术主要是以线绳加弹簧驱动机械手外扩和合拢，如专利号CN112478172A的尼龙线带动，弹簧累积势能和释放使机械手外扩合拢；伸缩气缸/液压缸推动或带回滑块进而使机械爪外扩和和合拢，如专利号CN112374139A的气缸推动气动手指进而推动滑块或限位块使机械爪外扩合拢；利用吸盘通过气压改变抓取物体和释放物体，如专利号CN212553849U使用吸盘吸取，抓盘辅佐的方式进行物体的稳定抓取；利用导轨或滑槽提高机械手运动范围以抓取不同形状物体；利用齿轮齿条、蜗杆等传动机构调动机械手抓的开合；以及利用电磁铁等针对所需工业材料进行工业物件抓取的机械手爪；利用气压、电力混合驱动从而实现不同角度，不同夹持范围工件的抓取机械爪；仿人型机械手抓取，如专利号CN207656716U实现的以三根类人手指形状的新型抓取机械手机构。

然而线绳、气缸、液压缸技术虽然较为普遍，但是对待近圆形坚果以及之后的加工破壳，线绳存在压力小且控制不稳，气缸、液压缸整体所需结构过于复杂以及组成装置结构庞大并且多自由度控制较难的问题；吸盘则存在会改变近圆形坚果的位置改变如旋转或存在横向位移，这将会为之后的加工带来不便的问题；导轨、齿轮齿条等传动机构、气压电力操控等存在自由度不易增加并且体型较大的问题，这些问题不利于提升坚果破壳后的整仁率。

发明内容：

本发明的目的在于：针对上述问题，本发明的主要目的是提供一种抓取近圆形坚果的机械手结构，可抓取近圆形的坚果，适应于坚果不同形状的精准抓取与稳定，并能使被抓取的坚果绕其长轴或短轴翻滚调整坚果的方位，便于之后的坚果破壳加工流程，使破壳组件能对准坚果的薄弱表面，本发明还增加了辅助机械手即第一机械臂，在破壳坚果时稳定坚果的位置。

本发明所采用的技术方案如下：一种抓取近圆形坚果的机械手结构，包括基台、一副第一机械臂、两副第二机械臂、丝杆电机、多个圆环形托盘，其特征在于，

所述基台的上端面设有两个间隔布置的基台电机，各基台电机的输出轴各连接一个基连杆，使基连杆能绕基台电机的输出轴平行于基台的上端面旋转，所述丝杆电机垂直于基台的上端面布置在两基台电机之间的中点，丝杆电机的丝杆朝上并且丝杆电机底部与形成在基台电机上端面的安装孔固定连接，丝杆上设有与其螺纹配合的滑块，基台的上端面还竖立有导向杆与固定在滑块外周的套筒滑动连接，套筒内周设有与导向杆配合的凹槽，套筒内周与滑块连接固定，滑块背向基台的一面安装有托盘电机，托盘电机的输出轴朝上并与托架的底部中央连接固定，托架背向托盘电机的一侧呈U形，多个圆环形托盘按直径由大到小依次从高到低可拆卸的安装在托架U形侧，各托盘同心布置且平行于基台的上端面，坚果能卡嵌在多个圆环形托盘的内周并随托盘电机的输出轴旋转，及在丝杆转动时随滑块沿导向杆滑行而上下升降；

各基连杆远离基台电机的输出轴的一端与弯折平面内的第二机械臂的下端固定连接，弯折平面为随所述基连杆旋转并垂直于基台上端面的平面，所述第二机械臂的下端垂直于基台的上端面，所述第一机械臂的下端垂直安装在基台的上端面上，第一机械臂的下端与所述中点的连线为垂直于两个基台电机的连线的中垂线；

第二机械臂和第一机械臂包括上端机械臂和下端机械臂，上端机械臂的上下两端设有可360°转动的转动机构二和转动机构一，下端机械臂的上端和上端机械臂的下端之间通过转动机构一连接，第一机械臂的上端机械臂的上端通过转动机构二连接副机械臂的下端，转动机构一和转动机构二的转动轴互相平行布置：

使第一机械臂的上端机械臂、副机械臂能朝向所述中点相对下端机械臂发生弯折，所述副机械臂朝向所述中点的一侧固定有套筒；

使第二机械臂的上端机械臂能在各自的弯折平面内相对于下端机械臂转动弯折，各第二机械臂的上端机械臂在各自的弯折平面的两侧各安装有一个模块，模块通过转动机构二连接第二机械臂的上端机械臂，使模块能被转动机构二驱动平行于第二机械臂的弯折平面旋转；

所述模块背向第二机械臂的上端机械臂的一侧形成吻合坚果表面的内凹面，套筒背向副机械臂的一侧形成吻合坚果表面的内凹面。

有利地，两个第二机械臂可实现多自由度运动，在坚果初步被夹持后可以旋转模块调整坚果的位置使坚果达到最优的破壳位置。两个第二机械臂的夹取范围大，不属于坚果类型但外壳较硬且体积在一定程度上较大的物体也可以进行抓取并调动位置。坚果能卡嵌在多个圆环形托盘的内周并随托盘电机的输出轴旋转，从而使坚果能绕其长轴或短轴翻滚，以便调整位置。由多个圆环形托盘组成的坚果托举空间能保持坚果在绕丝杆电机轴旋转时的稳定性。

优选地，所述的模块与第二机械臂的转动机构二可拆卸连接，两个所述的基连杆绕其基台电机的输出轴按相反方向旋转至平行于中垂线时，互相相对的两个模块的内凹面之间的间距为坚果的平均直径。

优选地，所述托架与托盘电机输出轴可拆卸连接。

有利地，便于将托架更换为圆形刀片。

优选地，各第二机械臂的弯折平面的两侧的模块的内凹面的直径不同。

有利地，一对第二机械臂的弯折平面的两侧的模块的内凹面的直径不同，可根据坚果的切换一对第二机械臂相互面向的模块的规格，适应不同大小坚果，不必零时更换拆卸模块。

有利地，第一机械臂作为辅助机械手，可在用刀片对坚果破壳时，在坚果上侧压住坚果，防止坚果被刀片击飞。

进一步地，还包括刀片，所述刀片与托盘电机的输出轴可拆卸连接。

进一步地，所述的机械手结构在对坚果调整位置中的应用，其步骤如下：

S01.将所述坚果放置在所述圆环形托盘的内周，通过托盘电机驱动圆环形托盘转动，调整所述坚果的水平朝向；

S02.通过丝杆电机驱动圆环形托盘升降，使坚果移动至与第二机械臂的转动机构一等高的位置；

S03.通过两个第二机械臂的转动机构一同步驱动两个第二机械臂的上端机械臂向其基台电机的输出轴方向转动至与基连杆平行，同时两个所述的基台电机驱动基连杆绕其基台电机的输出轴按相反方向旋转至平行于中垂线，使坚果被互相相对的两个模块的内凹面夹持在之间；

S04.通过两个第二机械臂的转动机构一同步驱动两个第二机械臂的上端机械臂向上转动至与基台垂直，使坚果移动至圆环形托盘侧上方，

S05.通过两个第二机械臂的转动机构二同步驱动两个模块转动，调整坚果面向圆环形托盘上方的表面部位。

进一步地，所述的机械手结构在对坚果调整位置中的应用，当所述坚果为近似椭圆体，且椭圆体的长轴大于所述圆环形托盘的内周时，所述步骤S03～步骤S04之间包括将坚果的长轴由朝向圆环形托盘中心调整为朝向两侧基台电机的步骤：

J01.通过两个第二机械臂的转动机构二同步驱动两个模块转动，使被两个模块夹持的坚果转动90°后坚果的长轴平行于基台的上端面并垂直于两基台电机之间的连线；

J02.通过两个所述的基台电机驱动基连杆绕其基台电机的输出轴按相反方向旋转至两个模块不再夹持坚果；

J03.通过丝杆电机驱动圆环形托盘转动90°，同时带动坚果转动90°后使坚果的长轴朝向两侧的基台电机。

进一步地，所述的机械手结构在对坚果破壳中的应用，其步骤如下，包括步骤S01～S05，及步骤S03～步骤S04之间的步骤J01～J03，步骤S05之后还包括：

S06.将托架更换为刀片通过丝杆电机驱动刀片升降，使刀片移动至与坚果等高的位置；

S07.通过两个第二机械臂的转动机构一同步驱动两个第二机械臂的上端机械臂向刀片移动，并使刀片触碰坚果；

S08.通过驱动第一机械臂的转动机构一和转动机构二，使第一机械臂向刀片弯折，使第一机械臂的套筒扣在坚果的上表面，再用托盘电机驱动刀片旋转，切割坚果的表面，对坚果进行破壳，通过第一机械臂阻止坚果被刀片撞击弹出两个模块的之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果和优点在于：

两个第二机械臂的上端机械臂和下端机械臂，及基台电机都由电机直接驱动不借助诸多传动元件，易控制，回转运动少且运转稳定。

附图说明

图1为机械手的结构示意图；

图2为图1的主视图；

图3为图1的侧视图；

图4为图1的俯视图；

图5为第一机械臂的结构示意图；

图6为丝杆电机、托盘电机、套筒的装配图；

图7为机械手的状态示意图；

图8为机械手的状态示意图；

图9为第二机械臂的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1～图4，一种抓取近圆形坚果的机械手结构，包括基台1、一副第一机械臂、两副第二机械臂、丝杆电机34、多个圆环形托盘22，以方形承载机构为主体的基台1呈的俯视图凸字形，凸字形基台1的正中央为安装孔，丝杆电机34安装在安装孔中丝杆电机34的丝杆17朝上与滑块35螺纹配合，如图6，滑块35外周套有套筒19，套筒19内周与滑块35连接固定，基台1的上端面还在安装孔周围竖立有导向杆18，套筒19内周还设有与导向杆18配合的凹槽191，导向杆18与固定在滑块35外周的套筒19滑动连接，滑块35背向基台1的一面安装有托盘电机20，托盘电机20的输出轴朝上并与托架21的底部中央连接固定，托架21背向托盘电机20的一侧呈U形，多个圆环形托盘22按直径由大到小依次从高到低可拆卸的安装在托架21U形侧，各托盘22同心布置且平行于基台1的上端面，坚果能卡嵌在多个圆环形托盘22的内周并随托盘电机20的输出轴旋转，及在丝杆17转动时随滑块35沿导向杆18滑行而上下升降。

托盘电机20的输出轴与托架21可拆卸连接，因此可把托盘22改成刀片用于达成切割坚果的效果。

如图4，基台1的上端面中以安装孔为中心对称布置两个基台电机11，基台电机11嵌入基台1内，各基台电机11的输出轴垂直于基台1的上端面，各通过平键连接一个基连杆41，使基连杆41能绕基台电机11的输出轴平行于基台1的上端面旋转，各基连杆41远离基台电机11的输出轴的一端固定有垂直基台1上端面的下端机械臂43，下端机械臂43的上端与上端机械臂42的下端连接，上端机械臂42的上下两端设有可360°转动的转动机构二33和转动机构一31，下端机械臂43的上端和上端机械臂42的下端之间通过转动机构一31连接，转动机构一31和转动机构二33的转动轴互相平行布置，上端机械臂42和下端机械臂43组装成第二机械臂的弯曲部，第二机械臂的上端机械臂42可在弯折平面内相对于下端机械臂43转动弯折，弯折平面内能随基连杆41垂直于基台1上端面旋转运动，各第二机械臂的上端机械臂42在各自的弯折平面的两侧各安装有一个模块51，模块51通过转动机构二33连接第二机械臂的上端机械臂42，使模块51能被转动机构二33驱动平行于第二机械臂的弯折平面旋转；模块51背向第二机械臂的上端机械臂42的一侧形成吻合坚果表面的内凹面。模块51与第二机械臂的转动机构二33可拆卸连接，两个所述的基连杆41绕其基台电机11的输出轴按相反方向旋转至平行于中垂线时，互相相对的两个模块51的内凹面之间的间距为坚果的平均直径。可参见图7～图9各第二机械臂的弯折平面的两侧的模块51的内凹面的直径不同。

如图5，第一机械臂的下端垂直安装在基台1的上端面上，第一机械臂的下端与安装孔中心的连线为垂直于两个基台电机11的连线的中垂线，第一机械臂包括一个上端机械臂42和一个下端机械臂43，副机械臂49，第一机械臂的上端机械臂42的上端通过转动机构二33连接副机械臂49的下端，第一机械臂的上端机械臂42的下端通过转动机构一31连接下端机械臂43的上端，转动机构一31和转动机构二33的转动轴互相平行布置：使第一机械臂的上端机械臂42、副机械臂49能朝向安装孔相对下端机械臂43发生弯折，副机械臂49朝向安装孔的一侧固定有套筒50；套筒50背向副机械臂42的一侧形成吻合坚果表面的内凹面。

如图7～图8上述的机械手工作原理如下：

S01.将坚果(核桃)放置在圆环形托盘22的内周，通过托盘电机20驱动圆环形托盘22转动，调整所述坚果的水平朝向；

S02.通过丝杆电机34驱动圆环形托盘22升降，使坚果移动至与第二机械臂的转动机构一31等高的位置；

S03.通过两个第二机械臂的转动机构一31同步驱动两个第二机械臂的上端机械臂42向其基台电机11的输出轴方向转动至与基连杆41平行，同时两个的基台电机11驱动基连杆41绕其基台电机11的输出轴按相反方向旋转至平行于中垂线，使核桃被互相相对的两个模块51的内凹面夹持在之间；

J01.通过两个第二机械臂的转动机构二33同步驱动两个模块(51)转动，使被两个模块(51)夹持的坚果转动90°后坚果的长轴平行于基台1的上端面并垂直于两基台电机11之间的连线；

J02.通过两个所述的基台电机11驱动基连杆41绕其基台电机11的输出轴按相反方向旋转至两个模块51不再夹持核桃；

J03.通过丝杆电机34驱动圆环形托盘22转动90°，同时带动核桃转动90°后使核桃的长轴朝向两侧的基台电机11。

S04.通过两个第二机械臂转动机构一31同步驱动两个第二机械臂的上端机械臂42向上转动至与基台1垂直，使核桃移动至圆环形托盘22侧上方，

S05.通过两个第二机械臂的转动机构二33同步驱动两个模块51转动，调整核桃面向圆环形托盘上方的表面部位。

S06.将托架21更换为刀片通过丝杆电机34驱动刀片升降，使刀片移动至与核桃等高的位置；

S07.通过两个第二机械臂的转动机构一31同步驱动两个第二机械臂的上端机械臂42向刀片移动，并使刀片触碰核桃；

S08.通过驱动第一机械臂的转动机构一31和转动机构二33，使第一机械臂向刀片弯折，使第一机械臂的套筒50扣在核桃的上表面，再用托盘电机20驱动刀片旋转，切割核桃的表面，对核桃进行破壳，通过第一机械臂阻止核桃被刀片撞击弹出两个模块51的之间。

当核桃的长轴垂直于竖直平面放置在托盘中时，以上步骤中步骤S01、S02、S03、S04、S05可使核桃绕其短轴翻滚调整核桃面向刀片或托盘的方位；若在步骤S03～S04中增加了步骤J01～J03，可使核桃的长轴平行于水平面后被托盘驱动绕丝杆转动，然后使核桃能绕其长轴翻滚调整核桃面向刀片或托盘的方位；步骤S06、S07、S09通过使用第一机械臂配合第二机械臂完成核桃的切割，防止切割过程中核桃被刀片击飞。

Claims (8)

1.一种抓取近圆形坚果的机械手结构，包括基台(1)、一副第一机械臂、两副第二机械臂、丝杆电机(34)、多个圆环形托盘(22)，其特征在于，

所述基台(1)的上端面设有两个间隔布置的基台电机(11)，各基台电机(11)的输出轴各连接一个基连杆(41)，使基连杆(41)能绕基台电机(11)的输出轴平行于基台(1)的上端面旋转，所述丝杆电机(34)垂直于基台(1)的上端面布置在两基台电机(11)之间的中点，丝杆电机(34)的丝杆(17)朝上，并且丝杆电机(34)底部与形成在基台电机(11)上端面的安装孔固定连接，丝杆(17)上设有与其螺纹配合的滑块(35)，基台(1)的上端面还竖立有导向杆(18)与固定在滑块(35)外周的套筒(19)滑动连接，套筒(19)内周设有与导向杆(18)配合的凹槽(191)，套筒(19)内周与滑块(35)连接固定，滑块(35)背向基台(1)的一面安装有托盘电机(20)，托盘电机(20)的输出轴朝上并与托架(21)的底部中央连接固定，托架(21)背向托盘电机(20)的一侧呈U形，多个圆环形托盘(22)按直径由大到小依次从高到低可拆卸的安装在托架(21)U形侧，各托盘(22)同心布置且平行于基台(1)的上端面，坚果能卡嵌在多个圆环形托盘(22)的内周并随托盘电机(20)的输出轴旋转，及在丝杆(17)转动时随滑块(35)沿导向杆(18)滑行而上下升降；

各基连杆(41)远离基台电机(11)的输出轴的一端与弯折平面内的第二机械臂的下端固定连接，弯折平面为随所述基连杆(41)旋转并垂直于基台(1)上端面的平面，所述第二机械臂的下端垂直于基台(1)的上端面，所述第一机械臂的下端垂直安装在基台(1)的上端面上，第一机械臂的下端与所述中点的连线为垂直于两个基台电机(11)的连线的中垂线；

第二机械臂和第一机械臂均包括上端机械臂(42)和下端机械臂(43)，上端机械臂(42)的上下两端设有可360°转动的转动机构二(33)和转动机构一(31)，下端机械臂(43)的上端和上端机械臂(42)的下端之间通过转动机构一(31)连接，第一机械臂的上端机械臂(42)的上端通过转动机构二(33)连接副机械臂(49)的下端，转动机构一(31)和转动机构二(33)的转动轴互相平行布置：

使第一机械臂的上端机械臂(42)、副机械臂(49)能朝向所述中点相对下端机械臂(43)发生弯折，所述副机械臂(49)朝向所述中点的一侧固定有套筒(50)；

使第二机械臂的上端机械臂(42)能在各自的弯折平面内相对于下端机械臂(43)转动弯折，各第二机械臂的上端机械臂(42)在各自的弯折平面的两侧各安装有一个模块(51)，模块(51)通过转动机构二(33)连接第二机械臂的上端机械臂(42)，使模块(51)能被转动机构二(33)驱动平行于第二机械臂的弯折平面旋转；

所述模块(51)背向第二机械臂的上端机械臂(42)的一侧形成吻合坚果表面的内凹面，套筒(50)背向副机械臂(49)的一侧形成吻合坚果表面的内凹面。

2.如权利要求1所述的机械手结构，其特征在于，所述的模块(51)与第二机械臂的转动机构二(33)可拆卸连接，两个所述的基连杆(41)绕其基台电机(11)的输出轴按相反方向旋转至平行于中垂线时，互相相对的两个模块(51)的内凹面之间的间距为坚果的平均直径。

3.如权利要求2所述的机械手结构，其特征在于，所述托架(21)与托盘电机(20)输出轴可拆卸连接。

4.如权利要求3所述的机械手结构，其特征在于，各第二机械臂的弯折平面的两侧的模块(51)的内凹面的直径不同。

5.如权利要求4所述的机械手结构，其特征在于，还包括刀片，所述刀片与托盘电机(20)的输出轴可拆卸连接。

6.如权利要求1～5任一项所述的机械手结构在对坚果调整位置中的应用，其特征在于，其步骤如下：

S01.将所述坚果放置在所述圆环形托盘(22)的内周，通过托盘电机(20)驱动圆环形托盘(22)转动，调整所述坚果的水平朝向；

S02.通过丝杆电机(34)驱动圆环形托盘(22)升降，使坚果移动至与第二机械臂的转动机构一(31)等高的位置；

S03.通过两个第二机械臂的转动机构一(31)同步驱动两个第二机械臂的上端机械臂(42)向其基台电机(11)的输出轴方向转动至与基连杆(41)平行，同时两个所述的基台电机(11)驱动基连杆(41)绕其基台电机(11)的输出轴按相反方向旋转至平行于中垂线，使坚果被互相相对的两个模块(51)的内凹面夹持在之间；

S04.通过两个第二机械臂的转动机构一(31)同步驱动两个第二机械臂的上端机械臂(42)向上转动至与基台(1)垂直，使坚果移动至圆环形托盘(22)侧上方，

S05.通过两个第二机械臂的转动机构二(33)同步驱动两个模块(51)转动，调整坚果面向圆环形托盘上方的表面部位。

7.如权利要求6所述的机械手结构在对坚果调整位置中的应用，其特征在于，当所述坚果为近似椭圆体，且椭圆体的长轴大于所述圆环形托盘(22)的内周时，所述步骤S03～步骤S04之间包括将坚果的长轴由朝向圆环形托盘(22)中心调整为朝向两侧基台电机(11)的步骤：

J01.通过第二机械臂的两个转动机构二(33)同步驱动两个模块(51)转动，使被两个模块(51)夹持的坚果转动90°后坚果的长轴平行于基台(1)的上端面并垂直于两基台电机(11)之间的连线；

J02.通过两个所述的基台电机(11)驱动基连杆(41)绕其基台电机(11)的输出轴按相反方向旋转至两个模块(51)不再夹持坚果；

J03.通过托盘电机(20)驱动圆环形托盘(22)转动90°，同时带动坚果转动90°后使坚果的长轴朝向两侧的基台电机(11)。

8.如权利要求7所述的机械手结构在对坚果调整位置中的应用，其特征在于，其步骤如下，包括步骤S01～S05，及步骤S03～步骤S04之间的步骤J01～J03，步骤S05之后还包括：

S06.将托架(21)更换为刀片通过丝杆电机(34)驱动刀片升降，使刀片移动至与坚果等高的位置；

S07.通过两个第二机械臂的转动机构一(31)同步驱动两个第二机械臂的上端机械臂(42)向刀片移动，并使刀片触碰坚果；

S08.通过驱动第一机械臂的转动机构一(31)和转动机构二(33)，使第一机械臂向刀片弯折，使第一机械臂的套筒(50)扣在坚果的上表面，再用托盘电机(20)驱动刀片旋转，切割坚果的表面，对坚果进行破壳，通过第一机械臂阻止坚果被刀片撞击弹出两个模块(51)的之间。

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