CN117837382A - 一种欠驱动球面果实采摘机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采摘机器人技术领域，尤其涉及一种欠驱动球面果实采摘机械手。其包括夹持机构和驱动机构，夹持机构包括三组手指部，每组手指部包括指尖和多个指关节，与果实接触的多个指关节连接为球面结构，指尖内设置有切割果柄的刀片，驱动机构包括径向直线驱动组件和轴向转向驱动组件，传动装置驱动驱动杆沿其轴向做往复运动，驱动杆与手指部连接，实现手指部的伸展或收缩，实现对果实的轴向和径向包络，被动齿轮与底座连接，三组手指部与底座连接，驱动主动齿轮转动，带动与其啮合的被动齿轮转动，使得底座转动，带动手指部转动，实现了对果实径向抓持位置的调整，此机械手以包络方式实现果蔬采摘，减小了对果实的损伤。

Description

一种欠驱动球面果实采摘机械手

技术领域

本发明涉及采摘机器人技术领域，尤其涉及一种欠驱动球面果实采摘机械手。

背景技术

在我国农业领域，由于缺乏有效可行的果实采摘机械设备，导致果实采摘效率低下。因此，发明一种可以代替人手的果实采摘机械手，不仅可以大大减少人力资源消耗而且可有效提高果实采摘效率，并保护果实、果树不受损伤。

我国农产品外表皮比较脆弱，形状大都各异，在采摘过程中容易通过人为或者机械造成损伤。因此，果实采摘手应具备：很高的自适应能力，尽可能不与旁边的其他农产品及果实树木接触造成损伤；能够精准的识别不同种类的果实，且能够对于同类的果实形状进行无伤夹取；包裹能力强，避免在夹持过程中发生掉落，会对果实造成伤害。

传统的全驱动机械手缺乏对外界冲击的柔性，并且机械手在采摘过程中需要与果实直接接触，很容易对果实造成不定的损伤，而采用新型欠驱动果实采摘机械手可以增大与果实接触面的柔和度，同时可根据不同果实的大小来调整夹持力度，进从达到减少对果实的损伤的目的。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种结构简单、能够减小对果实损伤的欠驱动球面果实采摘机械手。

本发明提供了一种欠驱动球面果实采摘机械手，包括：

夹持机构，所述夹持机构包括三组手指部，每组所述手指部包括指尖和多个指关节，与果实接触的多个所述指关节连接为球面结构，所述指尖内开设有刀槽，所述刀槽中设置有刀片，所述刀片用于切割果柄；

驱动机构，所述驱动机构包括直线径向驱动组件和转动驱动组件，所述直线径向驱动组件包括驱动杆和传动装置，所述驱动杆一端与三组所述手指部连接，另一端与所述传动装置连接，所述传动装置驱动所述驱动杆沿其轴向方向往复运动，以带动所述手指部沿所述驱动杆的轴向方向伸展或收缩，实现对果实的轴向和径向包络，所述转动驱动组件包括底座及啮合的主动齿轮和被动齿轮，所述主动齿轮和所述被动齿轮的一侧均与所述传动装置连接，所述被动齿轮的另一侧通过所述底座与三组所述手指部连接，驱动所述主动齿轮转动，带动所述被动齿轮旋转，从而带动所述底座和三组所述手指部转动，实现对果实的径向包络。

可选的，每组所述手指部包括依次连接的第一指关节、第二指关节、第三指关节、第四指关节、指尖、第五指关节、第六指关节和第七指关节，所述指尖、所述第五指关节和所述第六指关节连接为球面结构，所述第三指关节与所述第五指关节之间设置有第一弹性件。

可选的，所述底座为适于所述驱动杆穿设的圆环状，所述第一指关节与所述底座连接，所述第七指关节与所述驱动杆连接。

可选的，所述指尖内设置有控制装置，所述第六指关节和所述第七指关节朝向果实的一侧均设置有压力传感器，所述压力传感器将所述手指部与果实接触时的压力的大小传输至所述控制装置中，当所述压力达到预设值时，所述控制装置控制所述刀片弹出。

可选的，所述指尖处还设置有视觉传感器，所述视觉传感器将果柄位置信号传输至所述控制装置中，当所述控制装置不再接收果柄位置信号时，所述控制装置控制所述刀片收回。

可选的，所述指尖内部设置有第二弹性件，所述第二弹性件的一端与所述指尖内壁连接，另一端与所述刀片连接。

可选的，所述指尖、所述第五指关节和所述第六指关节与果实接触的一侧设置有柔性层。

可选的，所述转动驱动组件还包括驱动组件，所述驱动组件包括电机和舵盘，所述主动齿轮与所述舵盘连接，所述电机设置于所述舵盘和所述传动装置之间，所述电机驱动所述舵盘转动，带动所述主动齿轮转动，以带动所述被动齿轮转动。

可选的，所述传动装置包括驱动件、机架、第一滑杆和第二滑杆，所述机架包括垂直连接的顶板和侧板，所述侧板上开设有第一通孔，所述驱动件的输出轴穿设所述通孔与所述第一滑杆的一端转动连接，所述第二滑杆的一端与所述第一滑杆的另一端转动连接，所述第二滑杆的另一端通过套管与所述驱动杆连接。

可选的，所述顶板上开设有第二通孔，所述驱动杆穿设出所述第二通孔与所述手指部连接，所述转动驱动组件设置于所述顶板上；

所述套管与所述驱动杆同轴设置。

本发明实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本发明实施例提供了一种欠驱动球面果实采摘机械手，包括夹持机构和驱动机构，夹持机构包括三组手指部，三组手指部用于对果实进行包络，与果实接触的多个指关节连接为球面结构，使指关节的重心集于一点，提高了对果实的包裹度和承载能力，降低了对果实表皮的损伤，通过利用多个指关节伸展或收缩以对不同形状的果实进行包络，提高了机械手的适用性，同时在指尖1内部开设刀槽，刀槽中设置刀片，可利用刀片对果实的果柄进行切割，从而实现果实的摘取，实现了对果实的径向包络；驱动机构包括直线驱动组件和转动驱动组件，直线径向驱动组件包括驱动杆和传动装置，驱动杆的顶端与三组手指部连接，驱动杆的底端与传动装置连接，传动装置能够驱动驱动杆沿驱动杆的轴向方向做往复运动，从而带动手指部沿驱动杆的轴向方向伸展或收缩，实现对果实的轴向和径向包络，转动驱动组件包括底座及啮合的主动齿轮和被动齿轮，三组手指部与底座的上表面连接，被动齿轮设置于底座的下表面，且与主动齿轮啮合，主动齿轮和被动齿轮的底部均与传动装置连接，驱动主动齿轮转动，从而能够带动被动齿轮转动，被动齿轮带动底座转动，从而实现三组手指部进行转动，实现了对果实径向抓持位置的调整，当果实果柄难以切割时，可通过利用轴向驱动组件带动手指部进行旋转从而扯断果柄，此机械手结构简单，自适应能力强。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的欠驱动球面果实采摘机械手的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的手指部的结构示意图。

其中，1、指尖；2、刀槽；3、驱动杆；4、传动装置；401、第一滑杆；402、第二滑杆；403、顶板；4031、第二通孔；404、侧板；4041、第一通孔；5、底座；6、主动齿轮；7、被动齿轮；8、第一指关节；9、第二指关节；10、第三指关节；11、第四指关节；12、第五指关节；13、第六指关节；14、第七指关节；15、第一弹性件；16、第二弹性件；17、电机；18、舵盘。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1所示，本发明实施例提供一种欠驱动球面果实采摘机械手，包括夹持机构和驱动机构。

其中，夹持机构包括三组手指部，每组手指部包括指尖1和多个指关节，与果实接触的多个指关节连接为球面结构，指尖1内开设有刀槽2，刀槽2中设置有刀片，刀片用于切割果柄。具体的，三组手指部用于对果实进行包络，与果实接触的多个指关节连接为球面结构，使指关节的重心集于一点，提高了对果实的包裹度和承载能力，降低了对果实表皮的损伤，通过利用多个指关节伸展或收缩以对不同形状的果实进行包络，提高了机械手的适用性，同时在指尖1内部开设刀槽，刀槽中设置刀片，可利用刀片对果实的果柄进行切割，从而实现果实的摘取。

驱动机构包括径向直线驱动组件和转动驱动组件，直线驱动组件包括驱动杆3和传动装置4，驱动杆3一端与三组手指部连接，另一端与传动装置4连接，传动装置4驱动驱动杆3沿其轴向方向往复运动，以带动手指部沿驱动杆3的轴向方向伸展或收缩，实现对果实的轴向和径向包络，转动驱动组件包括底座5及啮合的主动齿轮6和被动齿轮7，主动齿轮6和被动齿轮7的一侧均与传动装置4连接，被动齿轮7的另一侧通过底座5与三组手指部连接，驱动主动齿轮6转动，带动被动齿轮7旋转，从而带动底座5和三组手指部转动，实现对果实的径向包络。具体的，驱动杆3的顶端与三组手指部连接，驱动杆3的底端与传动装置4连接，传动装置4能够驱动驱动杆3沿驱动杆3的轴向方向做往复运动，从而带动手指部沿驱动杆3的轴向方向伸展或收缩，当采摘果实时，先通过传动装置4驱动驱动杆3朝向果实运动，此时三组手指部伸展，以能够将果实覆盖，再通过传动装置4驱动驱动杆3向远离果实方向运动，使得三组手指部收缩聚拢，形成对果实的轴向和径向包络；三组手指部与底座5的上表面连接，被动齿轮7设置于底座5的下表面，且与主动齿轮6啮合，主动齿轮6和被动齿轮7的底部均与传动装置连接，驱动主动齿轮6转动，从而能够带动被动齿轮7转动，被动齿轮7带动底座5转动，从而实现三组手指部进行转动，实现了对果实径向抓持位置的调整，当果实果柄难以切割时，可通过利用轴向驱动组件带动手指部进行旋转从而扯断果柄，此机械手结构简单，自适应能力强。

进一步的，参照图2所示，每组手指部包括依次连接的第一指关节8、第二指关节9、第三指关节10、第四指关节11、指尖1、第五指关节12、第六指关节13和第七指关节14，指尖1、第五指关节12和第六指关节13连接为球面结构，第三指关节10与第五指关节12之间设置有第一弹性件15。具体的，每组手指部均包括七个指关节和指尖1，依次连接的第一指关节8、第二指关节9、第三指关节10和第四指关节11形成外层手指部，依次连接的指尖1、第五指关节12和第六指关节13形成内层手指部，第七指关节14用于连接第一指关节8和第六指关节13，内层手指部用于接触果实，其各自的重心交于点O，三组内层手指部围拢形成球面结构，提高了手指部与果实的接触面积，从而提高了机械手的适用性和承载能力，通过在第三指关节10与第五指关节12之间设置第一弹性件15，使得手指部在伸展或收缩时都有弹性力作用，避免出现夹持机构过紧或过松，从而对果实造成损伤。

进一步的，底座5为适于驱动杆3穿设的圆环状，第一指关节8与底座5连接，第七指关节14与驱动杆3连接。具体的，底座5为圆环状，驱动杆3能够穿设出底座5的内环，从而与第七指关节14连接，实现驱动杆3运动带动夹持机构伸展或收缩，第一指关节8与底座5的上表面连接，实现了底座5转动带动夹持机构进行转动，从而实现了机械手对果实径向与轴向的包络，增大了与果实的接触面积，能够根据果实的大小进行调整，从而保证将果实包裹，减少了对果实的损伤。

在一些实施例中，指尖1内设置有控制装置，第六指关节13和第七指关节14朝向果实的一侧均设置有压力传感器，压力传感器将手指部与果实接触时的压力的大小传输至控制装置中，当压力达到预设值时，控制装置控制刀片弹出。具体的，第六指关节13和第七指关节14均与果实接触，在其朝向果实的一侧设置压力传感器，能够监测夹持机构对果实施加压力的大小，当压力达到预设值，此时压力信号传输至控制装置中，控制装置控制指尖内部的刀片弹出，从而对果柄进行切割，实现摘取果实。

进一步的，指尖1处还设置有视觉传感器，视觉传感器将果柄位置信号传输至控制装置中，当控制装置不再接收果柄位置信号时，控制装置控制刀片收回。具体的，指尖1朝向果柄的一侧设置有视觉传感器，视觉传感器用于监测果柄的位置，控制装置用于接收果柄位置信号，当视觉传感器不再监测到果柄，此时控制装置接收不到果柄位置信号，控制装置控制指尖内部的刀片收回，方便机械手移动放置果实，也避免对果实表皮造成损伤。

继续参照图1所示，指尖1内部设置有第二弹性件16，第二弹性件16的一端与指尖1内壁连接，另一端与刀片连接。通过设置第二弹性件16，使得控制装置能够控制第二弹性件16的伸缩，从而控制刀片的伸出与收回，通过释放存储的能量以将刀片弹出，对果柄进行切割，刀片在收回刀槽时，第二弹性件16起到缓冲的作用，避免刀片直接收回，造成刀槽内部的损坏，从而影响机械手的使用寿命。

在另一些实施例中，指尖1、第五指关节12和第六指关节13与果实接触的一侧设置有柔性层。具体的，夹持机构与果实接触的一侧设置有柔性层，柔性层避免了果实直接与硬性材质的手指部接触，从而减小了对果实的损伤。

继续参照图1所示，转动驱动组件还包括驱动组件，驱动组件包括电机17和舵盘18，主动齿轮6与舵盘18连接，电机17设置于舵盘18和传动装置4之间，电机17驱动舵盘18转动，带动主动齿轮6转动，以带动被动齿轮7转动。具体的，电机17驱动舵盘18转动，由于舵盘18与主动齿轮6连接，舵盘18转动能够带动主动齿轮6转动，主动齿轮6与被动齿轮7啮合，从而使得被动齿轮7转动，被动齿轮7与底座5连接，从而使得底座5转动，使得夹持机构随底座5的运动而转动。

传动装置4包括驱动件、机架、第一滑杆401和第二滑杆402，机架包括垂直连接的顶板403和侧板404，侧板404上开设有第一通孔4041，驱动件的输出轴穿设出第一通孔4041与第一滑杆401的一端转动连接，第二滑杆402的一端与第一滑杆401的另一端转动连接，第二滑杆402的另一端通过套管405与驱动杆3连接。具体的，顶板403和侧板404垂直连接，顶板403与底座5平行，驱动件工作，其输出轴带动第一滑杆401转动，第二滑杆402随第一滑杆401转动，第二滑杆402的另一端连接有套管405，套管405与驱动杆3连接，当第二滑杆402转动时，套管405沿驱动杆3轴向方向运动，以带动驱动杆3在竖直方向上运动。

进一步的，顶板403上开设有第二通孔4031，驱动杆3穿设出第二通孔4031与手指部连接，转动驱动组件设置于顶板403上；套管405与驱动杆3同轴设置。具体的，第二通孔4031的直径大于驱动杆3的直径，驱动杆3的一端与套管405连接，另一端穿设出第二通孔4031以与手指部连接，套管405与驱动杆3同轴设置，当套管405随第二滑杆402沿驱动杆3轴向方向运动时，带动驱动杆3沿其轴向方向做往复运动，从而使得手指部实现伸展或收缩，实现对果实的包裹。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的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，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所述的这些实施例，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 (10)

1.一种欠驱动球面果实采摘机械手，其特征在于，包括：

夹持机构，所述夹持机构包括三组手指部，每组所述手指部包括指尖(1)和多个指关节，与果实接触的多个所述指关节连接为球面结构，所述指尖(1)内开设有刀槽(2)，所述刀槽(2)中设置有刀片，所述刀片用于切割果柄；

驱动机构，所述驱动机构包括直线径向驱动组件和转动驱动组件，所述直线驱动组件包括驱动杆(3)和传动装置(4)，所述驱动杆(3)一端与三组所述手指部连接，另一端与所述传动装置(4)连接，所述传动装置(4)驱动所述驱动杆(3)沿其轴向方向往复运动，以带动所述手指部沿所述驱动杆(3)的轴向方向伸展或收缩，实现对果实的轴向和径向包络，所述转动驱动组件包括底座(5)及啮合的主动齿轮(6)和被动齿轮(7)，所述主动齿轮(6)和所述被动齿轮(7)的一侧均与所述传动装置(4)连接，所述被动齿轮(7)的另一侧通过所述底座(5)与三组所述手指部连接，驱动所述主动齿轮(6)转动，带动所述被动齿轮(7)旋转，从而带动所述底座(5)和三组所述手指部转动，实对果实的径向包络。

2.根据权利要求1所述的欠驱动球面果实采摘机械手，其特征在于，每组所述手指部包括依次连接的第一指关节(8)、第二指关节(9)、第三指关节(10)、第四指关节(11)、指尖(1)、第五指关节(12)、第六指关节(13)和第七指关节(14)，所述指尖(1)、所述第五指关节(12)和所述第六指关节(13)连接为球面结构，所述第三指关节(10)与所述第五指关节(12)之间设置有第一弹性件(15)。

3.根据权利要求2所述的欠驱动球面果实采摘机械手，其特征在于，所述底座(5)为适于所述驱动杆(3)穿设的圆环状，所述第一指关节(8)与所述底座(5)连接，所述第七指关节(14)与所述驱动杆(3)连接。

4.根据权利要求2所述的欠驱动球面果实采摘机械手，其特征在于，所述指尖(1)内设置有控制装置，所述第六指关节(13)和所述第七指关节(14)朝向果实的一侧均设置有压力传感器，所述压力传感器将所述手指部与果实接触时的压力的大小传输至所述控制装置中，当所述压力达到预设值时，所述控制装置控制所述刀片弹出。

5.根据权利要求4所述的欠驱动球面果实采摘机械手，其特征在于，所述指尖(1)处还设置有视觉传感器，所述视觉传感器将果柄位置信号传输至所述控制装置中，当所述控制装置不再接收果柄位置信号时，所述控制装置控制所述刀片收回。

6.根据权利要求4和5任一项所述的欠驱动球面果实采摘机械手，其特征在于，所述指尖(1)内部设置有第二弹性件(16)，所述第二弹性件(16)的一端与所述指尖(1)内壁连接，另一端与所述刀片连接。

7.根据权利要求2所述的欠驱动球面果实采摘机械手，其特征在于，所述指尖(1)、所述第五指关节(12)和所述第六指关节(13)与果实接触的一侧设置有柔性层。

8.根据权利要求1所述的欠驱动球面果实采摘机械手，其特征在于，所述还包括驱动组件，所述驱动组件包括电机(17)和舵盘(18)，所述主动齿轮(6)与所述舵盘(18)连接，所述电机(17)设置于所述舵盘(18)和所述传动装置(4)之间，所述电机(17)驱动所述舵盘(18)转动，带动所述主动齿轮(6)转动，以带动所述被动齿轮(7)转动。

9.根据权利要求1所述的欠驱动球面果实采摘机械手，其特征在于，所述传动装置(4)包括驱动件、机架、第一滑杆(401)和第二滑杆(402)，所述机架包括垂直连接的顶板(403)和侧板(404)，所述侧板(404)上开设有第一通孔(4041)，所述驱动件的输出轴穿设出所述第一通孔(4041)与所述第一滑杆(401)的一端转动连接，所述第二滑杆(402)的一端与所述第一滑杆(401)的另一端转动连接，所述第二滑杆(402)的另一端通过套管(405)与所述驱动杆(3)连接。

10.根据权利要求9所述的欠驱动球面果实采摘机械手，其特征在于，所述顶板(403)上开设有第二通孔(4031)，所述驱动杆(3)穿设出所述第二通孔(4031)与所述手指部连接，所述转动驱动组件设置于所述顶板(403)上；

所述套管(405)与所述驱动杆(3)同轴设置。