CN115004948B - 类球形小果体果蔬采摘末端执行器及其控制方法 - Google Patents

类球形小果体果蔬采摘末端执行器及其控制方法 Download PDF

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CN115004948B CN202210713026.5A CN202210713026A CN115004948B CN 115004948 B CN115004948 B CN 115004948B CN 202210713026 A CN202210713026 A CN 202210713026A CN 115004948 B CN115004948 B CN 115004948B
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Abstract

本发明提供了类球形小果体果蔬采摘末端执行器及其控制方法，包括驱动机构和抓取机构，驱动机构包括步进电机、基座、第一挡板、联轴器、滑轨、滑块、螺杆、直流电机、齿轮、转台、第二挡板和推杆；手指外侧形状满足特定曲线，末端设有曲面，压敏传感器设于手指末端曲面内；控制方法分阶段控制采摘，抓取手指有四个过程状态。本发明装置可搭载在采摘机器人上，采用直线约束机构，将手指的旋转角度和抓取速度转化为限位盘行进距离与速度，减少由电机等驱动器件精度或扭矩带来的问题，避免单一关节转动造成的手指振动，抓取机构不稳定对采摘造成的影响；分阶段控制采摘，实现类球形小果体果蔬单果采摘，并降低采摘过程中对果实造成的损伤。

Description

类球形小果体果蔬采摘末端执行器及其控制方法
技术领域
本发明属于果蔬采摘末端执行器领域，具体是一种类球形小果体果蔬采摘末端执行器及其控制方法。
背景技术
李子、樱桃番茄、杏子等小体积的类球形果蔬营养物质丰富，是人类生活中必不可少的食物。我国又是农业大国，果蔬产业是种植业中的第二大产业。在果蔬生产过程中，其收获作业是关键环节之一，因小果体果实在其植株上分布呈现出果体小、果实多、分布密集的特点，对于现有采摘方式：部分采用振动果树的方式使果实从果树上脱离，对果树和果实都造成了一定程度的损伤；另一部分采用末端执行器对单个果实进行采摘，缓解了对果树和果实的损伤，但现有的采摘机械手，如欠驱动机械手、形状记忆合金机械手等，常常用于较大果体果蔬采摘，而对于小果体采摘却研究甚少。因此研究对于类球形小果体果蔬采摘末端执行器，对于实现采摘机器人果蔬自动化采摘具有主要研究意义和价值。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术上存在的问题，提出类球形小果体果蔬采摘末端执行器及其控制方法，可搭载在采摘机器人上，实现类球形小果体果蔬单过采摘，降低采摘过程中对果实造成的损伤。
本发明为解决上述技术问题的不足而采用的技术方案是：
类球形小果体果蔬采摘末端执行器，所述末端执行器包括驱动机构和抓取机构，所述驱动机构包括步进电机、基座、第一挡板、联轴器、滑轨、滑块、螺杆、直流电机、齿轮、转台、第二挡板和推杆；所述步进电机固定在第一挡板上，直流电机置于基座下方，转台固定在第二挡板上；所述滑块内设有第一轴承，第二挡板设有第二轴承和小孔，所述联轴器将步进电机的输出轴与螺杆的一端连接，螺杆的另一端嵌于第二挡板的第二轴承内；所述推杆的一端嵌于所述第一轴承内，推杆的另一端穿过所述第二挡板的小孔；所述步进电机通过所述联轴器带动所述螺杆转动，从而带动所述滑块和推杆在所述滑轨上进行往复运动；
所述抓取机构包括手指、限位盘、压敏传感器和底座，底座固接于所述转台上，所述底座外圈为齿状，并与齿轮啮合；所述限位盘中心固定于所述推杆穿过小孔的一端，所述限位盘上设有孔洞，所述手指穿过孔洞与底座固定连接；
所述手指末端设有曲面，所述压敏传感器设于手指末端曲面内，末端执行器工作过程中，手指外侧紧贴孔洞。
进一步的，所述手指为三个，且在所述底座上沿圆周方向均匀等距分布。
进一步的，所述手指外侧形状曲线满足函数：
进一步的，所述手指实际尺寸如下：
若限位盘行进距离为m，手指旋转角度为θ，则二者满足函数关系f(θ,m)，此函数关系为复杂的非线性函数，由solve函数可表示为：
由链式法则z＝时：
联立：f(θ,m)＝0；
可得最大旋转角度θmax；
进一步得出单个手指所在曲线末端张合取值范围α，根据α、θmax和曲线函数Y，可确定手指尺寸数据。
进一步的，所述手指尺寸数据包括单指距底座中心实际距离、手指水平方向长度、手指厚度、手指宽度、手指末端可达到聚合范围。
进一步的，所述手指为双材质手指，其底部10mm长度的材料为TPU软质材质，在末端执行器采摘过程中发生弹性形变，其余部分材料为PLA硬质材质，在末端执行器采摘过程中不发生形变。
进一步的，所述限位盘作往复直线运动。
类球形小果体果蔬采摘末端执行器的控制方法，包括以下步骤：
S1：通过采摘机器人视觉系统定位果蔬；
S2：使末端执行器抓取果蔬，当果蔬位于抓取手指的中心位置时，通过步进电机转动，推动推杆和限位盘运动，使手指底部TPU软质材质发生形变，向内弯曲，手指的PLA硬质材质不发生形变，使三个手指指端向中心聚合，手指末端的曲面紧贴果实，直流电机转动，带动齿轮并啮合底座转动，进而带动抓取手指部分，使果、柄分离；
S3：果柄分离后，采摘机器人机械臂可带动所述末端执行器到指定卸果位置，所述末端执行器开始卸果，步进电机反向高速运转，带动限位盘高速返回紧贴底座，手指底部TPU软质材质向外弯曲，手指的PLA硬质材质不发生形变，即回到S2的初始状态，果蔬自末端执行器脱落。
进一步的，所述步骤S2中，包括以下步骤：
S21：末端执行器在未进行抓取操作时，处于常规初始状态，限位盘紧贴着底座，与手指不接触，手指处于自然张开状态；
S22：末端执行器在执行抓取果蔬指令后，步进电机高速运转，推杆推动限位盘高速前进，使得手指外侧紧贴限位盘，手指底部TPU软质材质部分发生形变，向内弯曲，手指的PLA硬质材质部分不发生形变，使三个手指指端向中心高速聚合，当任意两个或三个压敏传感器产生压力数值时，即为接触到果实表面，停止高速状态，进入低速状态；
S23：转入低速状态后，步进电机低速运转，推杆推动限位盘低速前进，手指底部TPU软质材质部分发生形变，仍然向内弯曲，手指的PLA硬质材质部分不发生形变，使三个手指指端向中心低速聚合，当任一压敏传感器等于设定阈值时，表示已抓住果蔬，步进电机停止低速状态；
S24：当手指指端抓住果蔬后，直流电机转动，带动齿轮并啮合底座转动，进而带动抓取手指部分，同时配合采摘机器人机械臂，通过末端执行器旋转、机械臂拉拽的配合方式，使果、柄分离，实现成功采摘。
进一步的，在所述步骤S24中，当压敏传感器压力数值发生突变时，即判别手指指端与果实发生了相对滑移，此时步进电机以更低速转动，推动限位盘以2mm/s的速度前进，手指底部的TPU软质材质部分发生形变，仍然向内弯曲，手指的PLA硬质材质部分不发生形变，使手指指端以更缓慢速度聚合，抓紧果蔬，使手指指端不与果实发生相对滑动，使果柄成功分离，此时手指末端加持着被采果蔬。
本发明的有益效果是：
本发明手指采用直线约束机构，采用特定曲线，实现类球形小果体果蔬单过采摘，降低采摘过程中对果实造成的损伤；限位盘对手指具有约束作用，手指在聚合过程中对限位盘有向外的扩张力，限位盘则对手指具有向内的约束力，手指与限位盘二者相互作用，抓取过程中紧贴运动，避免单一关节转动造成的手指振动，抓取机构不稳定对采摘造成的影响；将抓取时手指的旋转角度和抓取速度转化为限位盘行进距离与速度，减少由电机等驱动器件精度或扭矩带来的问题，降低或避免使用高精度电机带来的昂贵费用和复杂控制；
本发明采用简单的限位盘行进控制机械手指张合进而实现果蔬采摘，大幅降低机械复杂度和控制难度，控制方法分阶段控制采摘，采摘成功率更高，果体损伤率小。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明末端执行器的结构示意图；
图2是本发明末端执行器手指的结构示意图；
图3是本发明末端执行器限位盘的结构示意图；
图4是本发明控制方法的流程图。
附图标记：1、步进电机，2、基座，3、第一挡板，4、联轴器，5、滑轨，6、滑块，7、螺杆，8、直流电机，9、齿轮，10、限位盘，11、手指，12、压敏传感器，13、曲面，14、底座，15、转台，16、第二挡板，17、推杆。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述。
具体实施方式：
一种类球形小果体果蔬采摘末端执行器，所述末端执行器包括驱动机构和抓取机构，所述驱动机构包括步进电机1、基座2、第一挡板3、联轴器4、滑轨5、滑块6、螺杆7、直流电机8、齿轮9、转台15、第二挡板16和推杆17；所述步进电机1固定在第一挡板3上，直流电机8置于基座2下方，转台15固定在第二挡板16上；所述滑块6内设有第一轴承，第二挡板16设有第二轴承和小孔，所述联轴器4将步进电机1的输出轴与螺杆7的一端连接，螺杆7的另一端嵌于第二挡板16的第二轴承内；所述推杆17的一端嵌于所述第一轴承内，推杆17的另一端穿过所述第二挡板16的小孔；所述步进电机1通过所述联轴器4带动所述螺杆7转动，从而带动所述滑块6和推杆17在所述滑轨5上进行往复运动；
所述抓取机构包括手指11、限位盘10、压敏传感器12和底座14，底座14固接于所述转台15上，所述底座14外圈为齿状，并与齿轮9啮合；所述限位盘10中心固定于所述推杆17穿过小孔的一端，所述限位盘10上设有孔洞，所述手指11穿过孔洞与底座14固定连接；限位盘10对手指11具有约束作用，手指11在聚合过程中对限位盘10有向外的扩张力，限位盘10对手指11具有向内的约束力，手指11与限位盘10二者相互作用，抓取过程中紧贴运动，避免单一关节转动造成的手指11振动，抓取机构不稳定对采摘造成的影响；
所述手指11末端设有曲面13，为实现包络抓取，所述压敏传感器12设于手指11末端曲面13内，末端执行器工作过程中，手指11外侧紧贴孔洞。
手指11采用直线约束机构，采用特定曲线，实现类球形小果体果蔬单过采摘，降低采摘过程中对果实造成的损伤；限位盘10对手指11具有约束作用，手指11在聚合过程中对限位盘10有向外的扩张力，限位盘10则对手指11具有向内的约束力，手指11与限位盘10二者相互作用，抓取过程中紧贴运动，避免单一关节转动造成的手指11振动，抓取机构不稳定对采摘造成的影响；将抓取时手指11的旋转角度和抓取速度转化为限位盘10行进距离与速度，减少由电机等驱动器件精度或扭矩带来的问题，降低或避免使用高精度电机带来的昂贵费用和复杂控制；避免单一关节转动造成的手指振动，抓取机构不稳定对采摘造成的影响，控制方法分阶段控制采摘，采摘成功率更高，果体损伤率小。
进一步的，所述手指11为三个，且在所述底座14上沿圆周方向均匀等距分布，所述三个手指11分别在限位盘10三个孔洞内。
进一步的，所述手指11外侧形状曲线满足函数：
所述手指形状满足上述曲线，而曲线分为三个功能区：缓冲区、外凸区、加持区；
缓冲区呈内凹状，在手指底部，靠近底盘，距离较短，为执行单次采摘动作提供反应时间，避免末端执行器的突然聚合，起到缓冲作用；
外凸区呈外凸状，在手指中部，距离较长，为限位盘与手指接触的部位，增大夹持爪张开角度，使圣女果置于手指的包裹范围内，尤其是在该区域将限位盘的往复直线运动转换成手指的聚合运动；
夹持区呈聚合状，在手指末端，用于方向向内适应性地抓取圣女果。
进一步的，手指11的实际尺寸是由以下理论依据得出：
若限位盘10行进距离为m，手指11旋转角度为θ，则二者满足函数关系f(θ,m)，此函数关系为复杂的非线性函数，由solve函数可表示为：
由链式法则z＝时：
联立：f(θ,m)＝0；
可得最大旋转角度θmax；
进一步得出单个手指11所在曲线末端张合取值范围α，根据α、θmax和曲线函数Y，可确定手指11尺寸数据，所述手指11尺寸数据包括单指距底座14中心实际距离、手指11水平方向长度、手指11厚度、手指11宽度、手指11末端可达到聚合范围。
进一步的，本实施例中最大旋转角度θmax＝12.45°，单个手指11所在曲线末端张合取值范围为(-20.3,10.4)，单指距底座14中心实际距离为20.4mm，手指11水平方向长度为140.3mm，手指11厚度为5mm，手指11宽度为10mm，由几何关系手指11末端可达到聚合范围约为0～61.4mm，满足实际抓取需求。
进一步的，本实施例中通过确定手指11尺寸，进而确定限位盘10内径r＝20.4mm，限位盘10外径R＝26mm。
进一步的，所述手指11为双材质手指11，其底部10mm长度的材料为TPU软质材质，在末端执行器采摘过程中发生弹性形变；所述手指11除底部10mm长度外，其余部分材料为PLA硬质材质，在末端执行器采摘过程中不发生形变。
进一步的，所述限位盘10作往复直线运动。
一种类球形小果体果蔬采摘末端执行器的控制方法，包括以下步骤：
S1：通过采摘机器人视觉系统定位果蔬；
S2：使末端执行器抓取果蔬，当果蔬位于抓取手指11的中心位置时，通过步进电机1转动，推动推杆17和限位盘10运动，使手指11底部TPU软质材质发生形变，向内弯曲，手指11的PLA硬质材质不发生形变，使三个手指11指端向中心聚合，手指11末端的曲面13紧贴果实，直流电机8转动，带动齿轮9并啮合底座14转动，进而带动抓取手指11部分，使果、柄分离；
S21：末端执行器在未进行抓取操作时，处于常规初始状态，限位盘10紧贴着底座14，与手指11不接触，手指11处于自然张开状态；
S22：末端执行器在执行抓取果蔬指令后，步进电机1高速运转，推杆17推动限位盘10高速前进，使得手指11外侧紧贴限位盘10，手指11底部TPU软质材质部分发生形变，向内弯曲，手指11的PLA硬质材质部分不发生形变，使三个手指11指端向中心高速聚合，当任意两个或三个压敏传感器12产生压力数值时，即为接触到果实表面，停止高速状态，进入低速状态；
S23：转入低速状态后，步进电机1低速运转，推杆17推动限位盘10低速前进，手指11底部TPU软质材质部分发生形变，仍然向内弯曲，手指11的PLA硬质材质部分不发生形变，使三个手指11指端向中心低速聚合，当任一压敏传感器12等于设定阈值时，表示已抓住果蔬，步进电机1停止低速状态；
S24：当手指11指端抓住果蔬后，直流电机8转动，带动齿轮9并啮合底座14转动，进而带动抓取手指11部分，同时配合采摘机器人机械臂，通过末端执行器旋转、机械臂拉拽的配合方式，使果、柄分离，实现成功采摘；
S3：果柄分离后，采摘机器人机械臂可带动所述末端执行器到指定卸果位置，所述末端执行器开始卸果，步进电机1反向高速运转，带动限位盘10高速返回紧贴底座14，手指11底部TPU软质材质向外弯曲，手指11的PLA硬质材质不发生形变，即回到S2的初始状态，果蔬自末端执行器脱落。
进一步的，在所述步骤S24中，当压敏传感器12压力数值发生突变时，即判别手指11指端与果实发生了相对滑移，此时步进电机1以更低速转动，推动限位盘10以2mm/s的速度前进，手指11底部的TPU软质材质部分发生形变，仍然向内弯曲，手指11的PLA硬质材质部分不发生形变，使手指11指端以更缓慢速度聚合，抓紧果蔬，使手指11指端不与果实发生相对滑动，使果柄成功分离，此时手指11末端加持着被采果蔬。
通过S1、S2、S3完成一次类球形小果体果蔬单果采摘，将抓取时手指11的旋转角度和抓取速度转化为限位盘10行进距离与速度，减少由电机等驱动器件精度或扭矩带来的问题，降低或避免使用高精度电机带来的昂贵费用和复杂控制。
在S2中，该分阶段控制方法实现了快速低损抓取目标果蔬：S22高速运转阶段快速接近目标，提高效率；在S23低速阶段是为防止高速接近时对目标果蔬造成伤害，缓慢抓取，降低损伤。在S24中提出机械手本身旋转带动果蔬旋转使果柄实现采摘，但由于在S23过程中为减少果实损伤，造成对果蔬夹持力不足，在直流电机旋转过程中，手指与目标果蔬会产生相对滑移，因此在此过程中，步进电机缓慢转动，即实现不产生滑移，将果蔬旋转摘下。
因此在整个阶段控制中，实现了机械手自身采摘果蔬的功能，并实现了高速、低损采摘。
综上所述，本发明采用直线约束机构，采用特定曲线，限位盘10对手指11具有约束作用，手指11在聚合过程中对限位盘10有向外的扩张力，限位盘10则对手指11具有向内的约束力，手指11与限位盘10二者相互作用，抓取过程中紧贴运动，避免单一关节转动造成的手指11振动，抓取机构不稳定对采摘造成的影响；实现类球形小果体果蔬单过采摘，降低采摘过程中对果实造成的损伤，将抓取时手指11的旋转角度和抓取速度转化为限位盘10行进距离与速度，减少由电机等驱动器件精度或扭矩带来的问题，降低或避免使用高精度电机带来的昂贵费用和复杂控制。
对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.类球形小果体果蔬采摘末端执行器，所述末端执行器包括驱动机构和抓取机构，其特征在于，所述驱动机构包括步进电机(1)、基座(2)、第一挡板(3)、联轴器(4)、滑轨(5)、滑块(6)、螺杆(7)、直流电机(8)、齿轮(9)、转台(15)、第二挡板(16)和推杆(17)；所述步进电机(1)固定在第一挡板(3)上，直流电机(8)置于基座(2)下方，转台(15)固定在第二挡板(16)上；所述滑块(6)内设有第一轴承，第二挡板(16)设有第二轴承和小孔，所述联轴器(4)将步进电机(1)的输出轴与螺杆(7)的一端连接，螺杆(7)的另一端嵌于第二挡板(16)的第二轴承内；所述推杆(17)的一端嵌于所述第一轴承内，推杆(17)的另一端穿过所述第二挡板(16)的小孔；所述步进电机(1)通过所述联轴器(4)带动所述螺杆(7)转动，从而带动所述滑块(6)和推杆(17)在所述滑轨(5)上进行往复运动；
所述抓取机构包括手指(11)、限位盘(10)、压敏传感器(12)和底座(14)，底座固接于所述转台(15)上，所述底座(14)外圈为齿状，并与齿轮(9)啮合；所述限位盘(10)中心固定于所述推杆(17)穿过小孔的一端，所述限位盘(10)上设有孔洞，所述手指(11)穿过孔洞与底座(14)固定连接；
所述手指(11)末端设有曲面(13)，所述压敏传感器(12)设于手指(11)末端曲面(13)内，末端执行器工作过程中，手指(11)外侧紧贴孔洞；
所述手指(11)为三个，且在所述底座(14)上沿圆周方向均匀等距分布；
所述手指(11)外侧形状曲线满足函数：
2.根据权利要求1所述的类球形小果体果蔬采摘末端执行器，其特征在于，所述手指(11)实际尺寸如下：
若限位盘(10)行进距离为m，手指(11)旋转角度为θ，则二者满足函数关系f(θ,m)，此函数关系为复杂的非线性函数，由solve函数可表示为：
由链式法则时：
联立：f(θ,m)＝0；
可得最大旋转角度θmax；
进一步得出单个手指(11)所在曲线末端张合取值范围α，根据α、θmax和曲线函数Y，可确定手指(11)尺寸数据。
3.根据权利要求2所述的类球形小果体果蔬采摘末端执行器，其特征在于，所述手指(11)尺寸数据包括单指距底座中心实际距离、手指(11)水平方向长度、手指(11)厚度、手指(11)宽度、手指(11)末端可达到聚合范围。
4.根据权利要求1所述的类球形小果体果蔬采摘末端执行器，其特征在于，所述手指(11)为双材质手指，其底部10mm长度的材料为TPU软质材质，在末端执行器采摘过程中发生弹性形变，其余部分材料为PLA硬质材质，在末端执行器采摘过程中不发生形变。
5.根据权利要求1所述的类球形小果体果蔬采摘末端执行器，其特征在于，所述限位盘(10)作往复直线运动。
6.根据权利要求1所述的类球形小果体果蔬采摘末端执行器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过采摘机器人视觉系统定位果蔬；
S2：使末端执行器抓取果蔬，当果蔬位于抓取手指(11)的中心位置时，通过步进电机(1)转动，推动推杆(17)和限位盘(10)运动，使手指(11)底部TPU软质材质发生形变，向内弯曲，手指(11)的PLA硬质材质不发生形变，使三个手指(11)指端向中心聚合，手指(11)末端的曲面(13)紧贴果实，直流电机(8)转动，带动齿轮(9)并啮合底座(14)转动，进而带动抓取手指(11)部分，使果、柄分离；
S3：果柄分离后，采摘机器人机械臂可带动所述末端执行器到指定卸果位置，所述末端执行器开始卸果，步进电机(1)反向高速运转，带动限位盘(10)高速返回紧贴底座(14)，手指(11)底部TPU软质材质向外弯曲，手指(11)的PLA硬质材质不发生形变，即回到S2的初始状态，果蔬自末端执行器脱落。
7.根据权利要求6所述的类球形小果体果蔬采摘末端执行器的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，包括以下步骤：
S21：末端执行器在未进行抓取操作时，处于常规初始状态，限位盘(10)紧贴着底座(14)，与手指(11)不接触，手指(11)处于自然张开状态；
S22：末端执行器在执行抓取果蔬指令后，步进电机(1)高速运转，推杆(17)推动限位盘(10)高速前进，使得手指(11)外侧紧贴限位盘(10)，手指(11)底部TPU软质材质部分发生形变，向内弯曲，手指(11)的PLA硬质材质部分不发生形变，使三个手指(11)指端向中心高速聚合，当任意两个或三个压敏传感器(12)产生压力数值时，即为接触到果实表面，停止高速状态，进入低速状态；
S23：转入低速状态后，步进电机(1)低速运转，推杆(17)推动限位盘(10)低速前进，手指(11)底部TPU软质材质部分发生形变，仍然向内弯曲，手指(11)的PLA硬质材质部分不发生形变，使三个手指(11)指端向中心低速聚合，当任一压敏传感器(12)等于设定阈值时，表示已抓住果蔬，步进电机(1)停止低速状态；
S24：当手指(11)指端抓住果蔬后，直流电机(8)转动，带动齿轮(9)并啮合底座(14)转动，进而带动抓取手指部分，同时配合采摘机器人机械臂，通过末端执行器旋转、机械臂拉拽的配合方式，使果、柄分离，实现成功采摘。
8.根据权利要求7所述的类球形小果体果蔬采摘末端执行器的控制方法，其特征在于，在所述步骤S24中，当压敏传感器(12)压力数值发生突变时，即判别手指(11)指端与果实发生了相对滑移，此时步进电机(1)以更低速转动，推动限位盘(10)以2mm/s的速度前进，手指(11)底部的TPU软质材质部分发生形变，仍然向内弯曲，手指(11)的PLA硬质材质部分不发生形变，使手指(11)指端以更缓慢速度聚合，抓紧果蔬，使手指(11)指端不与果实发生相对滑动，使果柄成功分离，此时手指(11)末端加持着被采果蔬。
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