CN114056687A - 一种容让式水果抓取机械手及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种容让式水果抓取机械手及方法，机械手包括动力驱动机构、摆杆机构和至少两个夹爪，每个夹爪的一端设有一个爪座，且各夹爪通过爪座连接一组摆杆机构，各组摆杆机构共同连接至动力驱动机构；各爪座中还设有扭簧，扭簧的一端压紧于爪座内，扭簧的另一端压紧于夹爪侧壁。其方法是当需要抓取水果时，先由动力驱动机构提供动力，驱动摆杆机构带动夹爪张开，当水果进入各夹爪之间形成的内腔后，动力驱动机构驱动摆杆机构带动夹爪合拢，形成抓取状态；然后，在夹爪压合水果表面后，夹爪克服扭簧的压力而向外摆动，做出容让动作，使各夹爪之间形成的内腔自适应水果外径，并通过扭簧的压力夹紧水果。本发明可实现水果抓取时的自适应夹持。

Description

一种容让式水果抓取机械手及方法

技术领域

本发明涉及水果自动分拣包装技术领域，特别涉及一种容让式水果抓取机械手及方法。

背景技术

目前，在水果包装生产线中，一些按个数进行整齐装填的精品水果包装，基本上还是采取人工作业。由于水果按等级规格包装，因此包装前需要进行分级处理，以保证单果的大小或重量基本一致。但是，即使经过严格的分级，单个水果的外形尺寸之间也会存在一定的差异，不可能如工业产品般精确。若采用常规的夹持式机械手抓取水果，容易出现夹持不稳或夹持过紧而损伤水果的现象，为避免伤果现象，则需要在机械手的工作过程通过频繁调节其夹紧力来适应水果，容易造成系统运算复杂和工作效率低下，设备开发成本过高。况且，目前应用在生产线的工业机械手，基本上都是针对大批量生产的同规格的产品，因此基本上采取开合度和夹紧力固定的设计。这一类机械手难以适应水果的夹持。

另外，对于表皮嫩薄的椭圆状水果，因其具有方向性，机械手一般应按水果横截面(即短轴截面)方向夹持，才能稳定抓取。因此，机械手工作时的位姿应与水果运行时的位置状态相适应。

采用机械手对该类椭圆形水果进行抓取时，不但需要方向调整合适，使夹爪按水果横截面夹持，还需要在一定范围能适应其外形差异，无需调节夹持力即可实现柔性夹持。

因此，为了解决上述问题，针对椭圆状水果，急需开发一种可实现自动定向排列的抓取设备及其配套的抓取机械手等装置，以较好地适应市场需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种容让式水果抓取机械手，该机械手的夹爪具备柔性功能，可实现水果抓取时的自适应夹持。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述机械手实现的容让式水果抓取方法。

本发明的技术方案为：一种容让式水果抓取机械手，包括动力驱动机构、摆杆机构和至少两个夹爪，每个夹爪的一端设有一个爪座，且各夹爪通过爪座对应连接一组摆杆机构，各组摆杆机构共同连接至动力驱动机构；各爪座中还设有扭簧，扭簧的一端压紧于爪座内，扭簧的另一端压紧于夹爪侧壁，夹爪的一端通过铰接轴与爪座铰接，扭簧套设于铰接轴上。其中，动力驱动机构作为主要的动力源，通过摆杆机构的传动，带动各夹爪实现大幅度的张开或合拢动作；而爪座与夹爪之间所设的扭簧，当水果直径较大时，水果会推动夹爪克服扭簧压力向外摆动，当水果直径较小时，在扭簧的压力作用下各夹爪会向内摆动抱紧水果表面，因此，通过扭簧的设置，可以实现各夹爪形成的夹持内腔尺寸与水果的实际尺寸自适应，实现夹爪摆动幅度的微调节，从而避免频繁调整动力驱动机构中驱动电机的转角。

所述夹爪为刚性结构的弧形弯爪，夹爪的上端设有销孔，爪座的下部设有凹槽，夹爪的销孔处通过铰接轴安装于爪座的凹槽中。由此，夹爪可相对于爪座进行摆动，但铰接轴上所套装的扭簧会使夹爪和爪座相互间处于压紧状态，因此，当夹爪绕铰接轴向外摆动时，需要克服扭簧的压力。

所述各爪座中，至少一个爪座的凹槽内还设有传感器，扭簧位于爪座内的一端压紧于传感器上。将扭簧一端的压杆压紧于传感器的受力面，可通过传感器实时检测夹爪向外摆动过程中所克服的扭簧压力，便于确定夹爪的摆动幅度是否超出设定范围，进而是否需要调整动力驱动机构中驱动电机的转角，以适应水果的尺寸。

所述夹爪包括相连接的安装部和抓取部，抓取部设于安装部下方，安装部与爪座连接，抓取部为弧形板状结构或弧形框状结构。

所述抓取部的内侧还设有柔性垫片。通过柔性垫片的设置，可进一步起到缓冲作用，避免夹爪抓取水果时对水果表面造成损伤。

所述动力驱动机构包括驱动电机、安装基座、丝杆、滑块和连杆，驱动电机设于安装基座上，驱动电机的动力输出端连接有丝杆，滑块中部与丝杆螺纹连接，滑块外侧连接有至少两个连杆，每个连杆对应与一组摆杆机构连接。该机构运行时，驱动电机启动后，驱动丝杆旋转，使滑块带动连杆进行升降式的直线移动，连杆带动与之连接的摆杆组件进行开合动作，从而实现与摆杆组件连接的各夹爪之间进行张开或合拢动作。

所述摆杆机构包括相平行设置的主摆杆和辅助摆杆，主摆杆和辅助摆杆之间形成平行四边形结构；主摆杆的下端和辅助摆杆的下端分别铰接于爪座上，主摆杆的上端和辅助摆杆的上端分别铰接于动力驱动机构的安装基座上，主摆杆的中部与动力驱动机构中的连杆连接。

所述摆杆机构中，主摆杆有两根，连杆的末端设有支轴，支轴两端分别与两根主摆杆连接；辅助摆杆也有两根，分别平行设于两根主摆杆的外侧。

所述夹爪有两个，对称成对安装；相应地，摆杆机构有两组，对称设于相应的夹爪与安装基座之间，每组摆杆机构通过一个连杆与滑块连接。

本发明通过上述机械手实现一种容让式水果抓取方法，具体为：当需要抓取水果时，先由动力驱动机构提供动力，驱动摆杆机构带动夹爪张开，当水果进入各夹爪之间形成的内腔后，动力驱动机构驱动摆杆机构带动夹爪合拢，形成抓取状态；然后，在夹爪压合水果表面后，夹爪克服扭簧的压力而向外摆动，做出容让动作，使各夹爪之间形成的内腔自适应水果外径，并通过扭簧的压力夹紧水果。

上述容让式水果抓取机械手及方法应用时，其原理是：先利用动力驱动机构作为主要的动力源，通过摆杆机构的传动，带动各夹爪实现大幅度的张开或合拢动作；然后为了使夹爪能更好地适应每个水果的实际尺寸，通过在爪座与夹爪之间设置扭簧，利用扭簧的压力来驱使夹爪的开合度与水果尺寸自适应，在扭簧的额定压力范围内，水果会推动夹爪克服扭簧压力向外摆动，同时在扭簧的压力作用下各夹爪会向内抱紧水果表面；当水果的尺寸超出设定范围值时，则通过调整驱动电机的转角来驱动夹爪进一步张开或合拢。因此，可以在一定的幅度内实现各夹爪形成的夹持内腔尺寸与水果的实际尺寸自适应，改善水果的夹持效果，并避免频繁调整动力驱动机构中驱动电机的转角。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本容让式水果抓取机械手及方法可实现水果的自适应夹持效果，依靠机械结构的自我调节来实现水果的准确抓取，避免频繁调整动力驱动机构中驱动电机的转角，有效延长设备寿命，同时也可以大幅度降低设备的开发和维护成本，可较好地应用于水果自动定向排列抓取设备。

本容让式水果抓取机械手中，夹爪和爪座之间装配扭簧，通过爪座间接驱动夹爪开合，使刚性夹爪具备柔性的功能。进一步地，利用压力传感器与扭簧相配合，还可以控制一定范围内夹紧力的自动调节。

本容让式水果抓取机械手中，驱动电机带动丝杆滑块驱动夹爪开合，其开合度可以灵活调节，只要改变电机转数即可较大幅度改变各夹爪之间的开合度，以适应不同级别的水果抓取，适用范围较广。

本容让式水果抓取机械手中，采用了平行四边形结构的摆杆机构，可保持各夹爪之间平行移动，以确保对心合拢，使被抓取水果受力均匀，从而提高其保护性，有效避免损伤水果表面。

附图说明

图1为本容让式水果抓取机械手的结构示意图。

图2为图1所示容让式水果抓取机械手的侧视图。

图3为图2的A-A截面视图。

图4为本容让式水果抓取机械手抓取水果时的原理示意图。

上述各图中，各附图标记所示部件如下：1为动力驱动机构，2为摆杆机构，3为爪座，4为夹爪，4-1为安装部，4-2为抓取部，5为凹槽，6为铰接轴，7为扭簧，8为传感器，9为驱动电机，10为安装基座，11为丝杆，12为滑块，13为连杆，14为主摆杆，15为辅助摆杆，16为水果，k为夹爪的闭合度，f为压力传感器感受的压力。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例一种容让式水果抓取机械手，如图1至图3所示，主要包括动力驱动机构1、两组摆杆机构2、两个爪座3和两个夹爪4。各组成部件的具体结构如下：

夹爪为刚性结构的弧形弯爪，对称成对安装；夹爪包括相连接的安装部4-1和抓取部4-2，抓取部设于安装部下方，安装部与爪座连接，抓取部为弧形框状结构(根据实际抓取的水果需求，抓取部也可采用弧形板状结构)。夹爪的上端设有销孔，爪座的下部设有凹槽5，夹爪的销孔处通过铰接轴6安装于爪座的凹槽中。爪座中还设有扭簧7，扭簧的一端压紧于爪座内，扭簧的另一端压紧于夹爪侧壁，夹爪的一端通过铰接轴与爪座铰接，扭簧套设于铰接轴上。由此，夹爪可相对于爪座进行摆动，但铰接轴上所套装的扭簧会使夹爪和爪座相互间处于压紧状态，因此，当夹爪绕铰接轴向外摆动时，需要克服扭簧的压力。其中一个爪座的凹槽内还设有传感器8，扭簧位于爪座内的一端压紧于传感器上。将扭簧一端的压杆压紧于传感器的受力面，可通过传感器实时检测夹爪向外摆动过程中所克服的扭簧压力，便于确定夹爪的摆动幅度是否超出设定范围，进而是否需要调整动力驱动机构中驱动电机的转角，以适应水果的尺寸。

动力驱动机构包括驱动电机9、安装基座10、丝杆11、滑块12和连杆13，驱动电机设于安装基座上，驱动电机的动力输出端连接有丝杆，滑块中部与丝杆螺纹连接，滑块外侧连接有至少两个连杆，每个连杆对应与一组摆杆机构连接。其中，驱动电机可采用步进电机或伺服电机，在安装基座顶部居中安装，其输出轴装配丝杆，丝杆与滑块中部的螺孔配合。连杆通过两端铰支分别与滑块和摆杆联接。该机构运行时，驱动电机启动后，驱动丝杆旋转，使滑块带动连杆进行升降式的直线移动，连杆带动与之连接的摆杆组件进行开合动作，从而实现与摆杆组件连接的各夹爪之间进行张开或合拢动作。

摆杆机构包括相平行设置的主摆杆14和辅助摆杆15，主摆杆和辅助摆杆之间形成平行四边形结构；主摆杆的下端和辅助摆杆的下端分别铰接于爪座上，主摆杆的上端和辅助摆杆的上端分别铰接于动力驱动机构的安装基座上，主摆杆的中部与动力驱动机构中的连杆连接。其中，主摆杆有两根，连杆的末端设有支轴，支轴两端分别与两根主摆杆连接；辅助摆杆也有两根，分别平行设于两根主摆杆的外侧。

通过上述机械手可实现一种容让式水果抓取方法，具体为：当需要抓取水果时，先由动力驱动机构提供动力，驱动摆杆机构带动夹爪张开，当水果进入各夹爪之间形成的内腔后，动力驱动机构驱动摆杆机构带动夹爪合拢，形成抓取状态；然后，在夹爪压合水果表面后，夹爪克服扭簧的压力而向外摆动，做出容让动作，使各夹爪之间形成的内腔自适应水果外径，并通过扭簧的压力夹紧水果。

上述容让式水果抓取机械手及方法应用时，其原理是：先利用动力驱动机构作为主要的动力源，通过摆杆机构的传动，带动各夹爪实现大幅度的张开或合拢动作；然后为了使夹爪能更好地适应每个水果的实际尺寸，通过在爪座与夹爪之间设置扭簧，利用扭簧的压力来驱使夹爪的开合度与水果尺寸自适应，在扭簧的额定压力范围内，水果会推动夹爪克服扭簧压力向外摆动，同时在扭簧的压力作用下各夹爪会向内抱紧水果表面；当水果的尺寸超出设定范围值时，则通过调整驱动电机的转角来驱动夹爪进一步张开或合拢。因此，可以在一定的幅度内实现各夹爪形成的夹持内腔尺寸与水果的实际尺寸自适应，改善水果的夹持效果，并避免频繁调整动力驱动机构中驱动电机的转角。具体的抓果原理如图4所示：

在本实施例中，设定机械手抓取水果16时，夹爪的闭合度为k(即两个爪座之间的距离)，压力传感器感受的压力为f。

机械手工作时，可以设定一个传感器受力范围以适应水果的尺寸变化。例如，可以针对某一级别水果，设定传感器受力最小值Fx、最大值Fd。在Fx≤f≤Fd范围内，夹爪可以稳固抓取该级别水果，同时不会损伤水果。抓取水果时状况如下：

(1)对于大多数同级别的水果，夹爪的闭合度k保持为一个固定值(以k0表示)，就可以在传感器感应到夹爪克服扭簧的压力f满足条件Fx≤f≤Fd时，无需频繁调整步进电机转角，从而提高运行效率。

(2)夹爪合拢过程中，当闭合度已达k0(即k＝k0)时，检测到f<Fx，则表明当前水果尺寸过小。为避免夹紧力太小而夹不紧水果，驱动电机会继续驱动夹爪向内合拢，使k<k0，直至f＝Fx为止。

(3)夹爪合拢过程中，当闭合度未达k0(即k＞k0)时，已经检测到f＝Fd，则表明当前水果尺寸过大。为避免夹紧力太大而损伤水果，驱动电机会即时停转，维持当前开合度k(即k＞k0)。

实施例2

本实施例一种容让式水果抓取机械手，与实施例1相比较，其不同之处在于：抓取部的内侧还设有柔性垫片。通过柔性垫片的设置，可进一步起到缓冲作用，避免夹爪抓取水果时对水果表面造成损伤。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种容让式水果抓取机械手，其特征在于，包括动力驱动机构、摆杆机构和至少两个夹爪，每个夹爪的一端设有一个爪座，且各夹爪通过爪座对应连接一组摆杆机构，各组摆杆机构共同连接至动力驱动机构；各爪座中还设有扭簧，扭簧的一端压紧于爪座内，扭簧的另一端压紧于夹爪侧壁，夹爪的一端通过铰接轴与爪座铰接，扭簧套设于铰接轴上。

2.根据权利要求1所述一种容让式水果抓取机械手，其特征在于，所述夹爪为刚性结构的弧形弯爪，夹爪的上端设有销孔，爪座的下部设有凹槽，夹爪的销孔处通过铰接轴安装于爪座的凹槽中。

3.根据权利要求2所述一种容让式水果抓取机械手，其特征在于，所述各爪座中，至少一个爪座的凹槽内还设有传感器，扭簧位于爪座内的一端压紧于传感器上。

4.根据权利要求1所述一种容让式水果抓取机械手，其特征在于，所述夹爪包括相连接的安装部和抓取部，抓取部设于安装部下方，安装部与爪座连接，抓取部为弧形板状结构或弧形框状结构。

5.根据权利要求4所述一种容让式水果抓取机械手，其特征在于，所述抓取部的内侧还设有柔性垫片。

6.根据权利要求1所述一种容让式水果抓取机械手，其特征在于，所述动力驱动机构包括驱动电机、安装基座、丝杆、滑块和连杆，驱动电机设于安装基座上，驱动电机的动力输出端连接有丝杆，滑块中部与丝杆螺纹连接，滑块外侧连接有至少两个连杆，每个连杆对应与一组摆杆机构连接。

7.根据权利要求6所述一种容让式水果抓取机械手，其特征在于，所述摆杆机构包括相平行设置的主摆杆和辅助摆杆，主摆杆和辅助摆杆之间形成平行四边形结构；主摆杆的下端和辅助摆杆的下端分别铰接于爪座上，主摆杆的上端和辅助摆杆的上端分别铰接于动力驱动机构的安装基座上，主摆杆的中部与动力驱动机构中的连杆连接。

8.根据权利要求7所述一种容让式水果抓取机械手，其特征在于，所述摆杆机构中，主摆杆有两根，连杆的末端设有支轴，支轴两端分别与两根主摆杆连接；辅助摆杆也有两根，分别平行设于两根主摆杆的外侧。

9.根据权利要求6所述一种容让式水果抓取机械手，其特征在于，所述夹爪有两个，对称成对安装；相应地，摆杆机构有两组，对称设于相应的夹爪与安装基座之间，每组摆杆机构通过一个连杆与滑块连接。

10.根据权利要求1～9任一项所述机械手实现一种容让式水果抓取方法，其特征在于，当需要抓取水果时，先由动力驱动机构提供动力，驱动摆杆机构带动夹爪张开，当水果进入各夹爪之间形成的内腔后，动力驱动机构驱动摆杆机构带动夹爪合拢，形成抓取状态；然后，在夹爪压合水果表面后，夹爪克服扭簧的压力而向外摆动，做出容让动作，使各夹爪之间形成的内腔自适应水果外径，并通过扭簧的压力夹紧水果。

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