CN114589727A - 一种变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及农业机械领域。目的是提供一种变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统，该系统能自动识别水果的形状和大小，并改变柔性机械手的夹持姿态和夹持尺寸对水果进行无损夹持，保证水果的品质并降低生产成本。技术方案是：一种变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统，其特征在于：所述变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统包括柔性机械手和安装在柔性机械手上的识别系统。
Description
技术领域
本发明涉及农业机械领域，尤其是通用型柔性水果夹持系统，该系统能够自动识别水果的形状和大小，并改变夹持姿态和夹持尺寸实现对不同形状和大小水果的柔性无损夹持。
背景技术
近年来，随着生活水平的进步，人们对水果品质的要求提高，在水果采摘、分拣和装箱过程中不仅需要根据水果的大小进行分类，更要求在夹持过程中避免对水果表皮产生损伤。通常情况下，在水果产品化过程中，需对夹持系统的机械手进行更换以夹持不同形状和大小的水果，并且需要昂贵的传感器控制机械手的抓取力，避免对水果表皮造成损伤，这不仅增加了水果产品化的设备成本，更增加了控制成本，不利于产业的快速发展。与传统刚性机械手相比，柔性机械手因其柔软的手指具有较好的机-环境交互安全性，无需力传感器和复杂的控制策略即可对水果进行无损夹持，柔性机械手在果品加工中具有较好的应用前景。因此，从实际情况出发，研制一种变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统对不同形状和大小的水果进行自动识别和无损夹持，能够保证水果的品质并降低生产成本，顺应果品加工产业的发展需求。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统，该系统能自动识别水果的形状和大小，并改变柔性机械手的夹持姿态和夹持尺寸对水果进行无损夹持，保证水果的品质并降低生产成本。
本发明采用以下技术方案：一种变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统，其特征在于：所述变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统包括柔性机械手和安装在柔性机械手上的识别系统。
所述柔性机械手包括转换机构和安装在转换机构下方的三根气动柔性手指。
所述转换机构包括通过若干支撑柱相互固定的上基板和下基板、沿下基板侧面圆周方向均布的若干个圆柱滑槽、分别与若干个圆柱滑槽滑动配合的若干个滑动组件、分别固定在两个滑动组件末端的电机、分别与两个电机输出轴连接的转向块以及固定在另一个滑动组件末端的定向块。
所述滑动组件包括圆筒形滑块、位于圆筒形滑块内部的伸长型气动柔性驱动器；伸长型气动柔性驱动器的一端固定在下基板上，另一端穿过圆筒形滑块的内腔后位于圆筒形滑块的筒口。
所述伸长型气动柔性驱动器包括同心硅胶圆筒以及缠绕在同心硅胶圆筒外壁的螺旋弹簧。
三个伸长型气动柔性驱动器中，其中两个伸长型气动柔性驱动器的另一端分别与两个电机固定板一一连接，另一个伸长型气动柔性驱动器的另一端与定向块连接。
所述气动柔性手指包括偏心硅胶圆筒以及缠绕在偏心硅胶圆筒外壁的弹簧，且三根气动柔性手指均分别一一固定在一个定向块和两个转向块的下端。
所述识别系统包括通过相机固定块固定在下基板上的相机以及固定在上基板和下基板之间且通过数据线连接相机的控制器。
所述下基板上每个圆柱滑槽的内壁设有若干条弧形卡槽，所述圆筒形滑块的外壁设有分别与若干条弧形卡槽一一滑动配合的若干条弧形卡柱，以避免圆筒形滑块滑动过程中在圆柱滑槽内转动。
所述同心硅胶圆筒和偏心硅胶圆筒均由柔软度如人体组织的软材料制成。
本发明的有益效果是：本发明结构简单，稳定可靠，在果品加工过程中，可自动识别水果的形状和大小，并调整机械手的夹持姿态和夹持尺寸，实现对不同形状和尺寸水果的通用抓取。此外，柔软度如人体组织的气动柔性手指无需精确的传感和复杂的控制策略即可对表皮易损坏的水果实现无损抓取，降低果品加工的设备、维护和控制成本。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是本发明中柔性机械手的立体结构示意图。
图3是本发明中识别系统的立体结构示意图。
图4是本发明中下基板的立体结构示意图。
图5是本发明中滑动组件的立体结构示意图。
图6是本发明中伸长型气动柔性驱动器的局部剖视图。
图7是本发明中伸长型气动柔性驱动器的伸长状态示意图。
图8是本发明中气动柔性手指的局部剖视图。
图9是本发明中气动柔性手指的弯曲状态示意图。
图10是本发明中两种夹持姿态的示意图。
图11是本发明在对心夹持姿态下变尺寸抓取的示意图。
图12是本发明在平行夹持姿态下变尺寸抓取的示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示的变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统，包括柔性机械手1和安装在柔性机械手上的识别系统2。
如图1所示，所述柔性机械手包括转换机构1-1和安装在转换机构下方的三根气动柔性手指1-2。
如图2所示和图4所示，所述转换机构包括通过若干支撑柱1-1-2相互固定的上基板1-1-1和下基板1-1-3，下基板侧面沿圆周方向均布三个圆柱滑槽，三个滑动组件1-1-4分别与三个圆柱滑槽一一滑动连接；两个电机1-1-5分别通过两个电机固定板1-1-6一一固定在两个滑动组件的末端，两个转向块1-1-7分别于两个电机输出轴(电机输出轴竖直往下布置)连接；另一个滑动组件的末端固定着定向块1-1-8。
如图5所示，所述滑动组件包括圆筒形滑块1-1-4-1；伸长型气动柔性驱动器1-1-4-2位于圆筒形滑块内部，并且一端固定在下基板上，另一端穿过圆筒形滑块的内腔后位于圆筒形滑块的筒口；并且三个伸长型气动柔性驱动器中，其中二个伸长型气动柔性驱动器的另一端分别与两个电机固定板一一连接，另一个伸长型气动柔性驱动器的另一端与定向块连接。
如图6所示，所述伸长型气动柔性驱动器包括同心硅胶圆筒1-1-4-2-1以及缠绕在同心硅胶圆筒外壁的螺旋弹簧1-1-4-2-2。
如图8和图2所示，所述气动柔性手指包括偏心硅胶圆筒1-2-1以及缠绕在偏心硅胶圆筒外壁的弹簧1-2-2，且三根气动柔性手指中均分别一一固定在一个定向块1-1-8和两个转向块1-1-7的下端。
如图3所示，所述识别系统包括通过相机固定块2-1固定在下基板上的相机2-2以及固定在上基板和下基板之间的控制器(现有技术)2-4，相机和控制器通过数据线2-3连接。
如图4和图5所示，所述下基板上三个圆柱滑槽的内壁设有四条弧形卡槽，所述圆筒形滑块的外壁设有四条弧形卡柱S，四条卡柱分别于四条卡槽滑动配合，避免圆筒形滑块滑动过程中在圆柱滑槽内转动。
所述同心硅胶圆筒和偏心硅胶圆筒均由柔软度如人体组织的软材料(现有技术)制成。
如图7所示，在向所述伸长型气动柔性驱动器的同心孔内充气时，弹簧限制了同心硅胶圆筒的径向膨胀，同心硅胶圆筒沿轴向伸长。
如图9所示，在向所述气动柔性手指的偏心孔内充气时，弹簧限制了偏心硅胶圆筒的径向膨胀，硅胶圆筒的上侧壁较薄，下侧壁较厚，上侧壁和下侧壁沿轴向伸长不同的长度，不对称伸长致使硅胶圆筒向下侧弯曲。
上述结构中，还配设有通过气管连通伸长型气动柔性驱动器和气动柔性手指的气动装置(如气泵)，以输送压缩空气；为图面清晰，气管与气动装置均予省略。
本发明的工作原理是：首先，变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统在初始状态下，柔性机械手的伸长型气动柔性驱动器和气动柔性手指未被驱动，识别系统的相机对待夹持水果进行拍照，并将照片通过数据线传输给控制器，在控制器对照片中水果的形状进行识别并测量其尺寸，由于常见的水果形状可等效成类球形(如苹果、梨等)和长条形(如香蕉、水果黄瓜等)两种，因此在控制器中识别出水果的形状为类球形或长条形，并测量其直径。
然后，若水果形状为类球形，三根气动柔性手指在压缩空气的驱动下向中心弯曲，柔性机械手处于对心夹持姿态，如图10A所示，在该姿态下，柔性机械手适合夹持类球形水果；若水果形状为长条形，两个转向组件的电机转动，带动气动柔性手指2和气动柔性手指3分别沿逆时针方向和顺时针方向转动45°，此时，三根气动柔性手指在压缩空气的驱动下平行弯曲，柔性机械手处于平行夹持姿态，如图10B所示，在该姿态下，柔性机械手适合夹持长条形水果。
其次，在柔性机械手夹持类球形水果时，若水果的直径超过机械手的最大夹持直径(即三根气动柔性手指连线构成等边三角形的外接圆直径)，三根伸长型气动柔性驱动器在压缩空气驱动下同步伸长，并分别推动滑动组件的三个圆筒形滑块向外滑动，三根气动柔性手指之间的距离增大，机械手的最大夹持尺寸变大，三根气动柔性手指在压缩空气的同步驱动下向中心弯曲，即可在对心夹持姿态下对大直径类球形水果进行夹持，如图11A和图11B所示；在柔性机械手夹持长条形水果时，若水果的直径超过机械手的最大夹持直径(即三根气动柔性手指连线构成等边三角形的顶点到底边的距离)，与柔性机械手在对心夹持姿态下增大夹持尺寸的操作相同，压缩空气同步驱动三根伸长型气动柔性驱动器即可增大机械手的夹持尺寸，三根气动柔性手指在压缩空气的同步驱动下平行弯曲，即可在平行夹持姿态下对大直径长条形水果进行夹持，如图12A和图12B所示。
本发明具有结构简单、稳定可靠的优点，可通过上基板将该系统安装在水果采摘机械臂末端或水果分拣装箱流水线的机械臂末端作为执行机构，面对不同水果，无需更换机械手，在对其形状和尺寸进行识别和测量的基础上，自动调整柔性机械手到对应的夹持姿态和夹持尺寸即可实现对不同形状和大小水果的夹持，对降低水果产品化的成本具有重要意义。另外，本发明中机械手的手指为气动柔性手指，无需昂贵的传感器和复杂的传感策略即可对易损坏、易变形的水果实现无损夹持，较好地保证水果的品质。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统，其特征在于：所述变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统包括柔性机械手(1)和安装在柔性机械手上的识别系统(2)；
所述柔性机械手包括转换机构(1-1)和安装在转换机构下方的三根气动柔性手指(1-2)；
所述转换机构包括通过若干支撑柱(1-1-2)相互固定的上基板(1-1-1-)和下基板(1-1-3)、沿下基板侧面圆周方向均布的若干个圆柱滑槽、分别与若干个圆柱滑槽滑动配合的若干个滑动组件(1-1-4)、分别固定在其中两个滑动组件末端的电机(1-1-5)、分别与两个电机输出轴连接的转向块(1-1-7)以及固定在另一个滑动组件末端的定向块(1-1-8)。
2.根据权利要求1所述的变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统，其特征在于：所述滑动组件包括圆筒形滑块(1-1-4-1)以及位于圆筒形滑块内部的伸长型气动柔性驱动器(1-1-4-2)；伸长型气动柔性驱动器的一端固定在下基板上。
3.根据权利要求2所述的变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统，其特征在于：所述伸长型气动柔性驱动器包括同心硅胶圆筒(1-1-4-2-1)以及缠绕在同心硅胶圆筒外壁的螺旋弹簧(1-1-4-2-2)。
4.根据权利要求3所述的变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统，其特征在于：三个伸长型气动柔性驱动器中，其中两个伸长型气动柔性驱动器的另一端分别与两个电机固定板(1-1-6)一一连接，另一个伸长型气动柔性驱动器的另一端与定向块连接。
5.根据权利要求4所述的变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统，其特征在于：所述气动柔性手指包括偏心硅胶圆筒(1-2-1)缠绕在偏心硅胶圆筒外壁的弹簧(1-2-2)，且三根气动柔性手指均分别一一固定在一个定向块和两个转向块的下端。
6.根据权利要求5所述的变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统，其特征在于：所述识别系统包括固定在下基板上的相机(2-2)以及固定在上基板和下基板之间且通过数据线连接相机的控制器(2-4)。
7.根据权利要求6所述的变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统，其特征在于：所述下基板上每个圆柱滑槽的内壁设有若干条弧形卡槽，所述圆筒形滑块的外壁设有分别与若干条弧形卡槽一一滑动配合的若干条弧形卡柱(S)，以避免圆筒形滑块滑动过程中在圆柱滑槽内转动。
8.根据权利要求7所述的变姿态、变尺寸通用型柔性水果夹持系统，其特征在于：所述同心硅胶圆筒和偏心硅胶圆筒均由柔软度如人体组织的软材料制成。
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