CN209755248U - 一种采摘机械手的末端执行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采摘机械手的末端执行器，包括：手指机构、支撑与传动机构、驱动机构和视觉系统；所述手指机构和支撑与传动机构连接，所述支撑与传动机构和驱动机构连接，所述视觉系统和支撑与传动机构连接；本实用新型通过驱动电机和压力传感器，实现控制器对所述采摘机械手的末端执行机构的闭环实时控制并柔性抓取目标物，减少采摘时造成的机械损伤；本实用新型所述末端执行机构通过电机的正转与反转实现抓取和采摘，通过丝杠轴的转动带动其他机构运动，利用丝杠本身的自锁功能，保证完成果实抓取后电机不工作果实也不会松动掉下。

Description

一种采摘机械手的末端执行器

技术领域

本发明涉及农业采摘机器领域，具体涉及一种采摘机械手的末端执行器。

背景技术

随着计算机和电子控制技术的飞速发展，机器人逐渐趋向自动化、智能化，并应用于许多领域，农业机器人已逐步进入到农业生产领域中，并将促进现代化农业向着装备机械化、生产智能化的方向发展；果蔬的采摘是农业生产中季节性强、劳动强度大、作业要求高的一个重要环节，而我国的果蔬产业发展较为突出，但农业劳动力却较少，而果蔬的采摘仍主要依靠大量的人力，不仅人工成本高而且采摘效率低；对于一些较高的果树，人工采摘较为困难，而且人工采摘还有因作业环境复杂而不小心跌倒摔伤的风险；因此研究和开发果蔬采摘机械装置对于解放劳动力、提高劳动生产效率、降低劳动成本，保证新鲜水果蔬菜品质以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着重要意义。

我国果树栽培有着悠久的历史，有着适宜于果树生长发育的得天独厚的地理、土壤和气候条件，是非常理想的水果生产地，在世界范围内，我国的水果产业已经占有举足轻重的地位，水果采摘机器人的机械手部分是近年来学者研究的重点，机械手的设计通常被认为是采摘机器人的核心技术之一，是直接接触目标作物的设备，而水果具有一定的脆弱性，而且它的形状与生长情况相对复杂，采摘过程中果实很容易被损伤：①对果实的位置判断错误或者在摆动中碰上其他果实；②机械手抓取力超过水果的最大承受力；③机械手抓取力不稳定，水果容易掉落；对于抓取动作，若采用传统的机械手抓取，往往会因抓取力过大而压伤果实，因此机械手的研究对实现水果自动化采摘起着至关重要的作用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种采摘机械手的末端执行器，通过视觉系统对成熟水果进行识别定位，再通手指结构机构对成熟的水果进行抓取和采摘，解决了现有技术中对果实的位置无法判断，在摆动中碰上其他果实、抓取力过大和抓取力不稳定的问题。

一种采摘机械手的末端执行器，包括：手指机构、支撑与传动机构和驱动机构；所述手指机构和支撑与传动机构连接，所述支撑与传动机构和驱动机构连接。

所述手指机构包括：手指指尖1、小齿轮轴2、小齿轮3、扇形齿轮4、第一连杆5、固定件6、中间连杆7、壳体8、固定螺栓9、固定杆12、接触板19、第二连杆20、硅胶垫21、压力传感器22和驱动连杆14；所述手指机构的移动板17有3个孔，中间的孔与驱动连杆14铰接，两端的孔分别与扇形齿轮4末端的杆和固定杆12铰接，所述扇形齿轮4通过另一个孔与第一连杆5铰接，所述接触板19与第二连杆20铰接，所述第一连杆5和第二连杆20铰接，所述小齿轮3与手指指尖1通过小齿轮轴2固定连接，所述扇形齿轮4与小齿轮3啮合完成手指指尖的运动。

所述支撑与传动机构包括：上端盖23、深沟球轴承24、丝杠轴25、滑动块26、转动块27、托盘13、驱动连杆14、配合盘15、上支撑杆16、移动板17、转动盘18、联轴器28、上底座29；所述丝杠轴25通过联轴器28与驱动机构的电机32的输出轴连接；所述移动板17和转动盘18配合并固定在丝杠轴25上；所述转动块27与配合盘15配合并固定在丝杠轴25上；所述滑动块26位于转动块27和配合盘15的上方并固定于丝杠轴25上；所述托盘13通过上支撑杆16与上底座29连接；所述丝杠轴25的末端通过托盘13与上端盖23连接，所述上端盖23与托盘13之间安装有深沟球轴承24。

所述驱动机构包括：电机32、中底座30、固定螺钉31、下支撑杆33、螺母34和下底座35；所述电机32通过螺母34与下底座35固定连接，通过固定螺钉31与中底座30固定；所述下支撑杆33与下底座35固定连接，通过螺母34锁紧；所述下支撑杆33与中底座30固定连接。

进一步的，所述采摘机械手的末端执行机构还包括视觉系统，所述视觉系统包括：所述视觉部分包括：相机支架11和工业相机10；所述视觉系统包括三个工业相机10和三个相机支架11，所述相机10直接固定于相机支架11上，所述相机支架11固定于托盘13上，所述相机支架11呈120°角圆周分布于托盘13上。

优选的，所述手指机构中的扇形齿轮4及与其啮合的小齿轮3外部安装有壳体8。

优选的，所述手指机构中的接触板19和手指指尖1均安装了压力传感器22，并且在压力传感器的表面上粘贴了硅胶垫21。

优选的，所述手指机构中的壳体8与扇形齿轮4之间安装有扭簧。

所述驱动电机32和视觉系统中的工业相机10均与机械手的控制器电连接。

有益效果

本发明的有益效果是：

1.本发明一种采摘机械手的末端执行器由三个手指机构配合完成水果的抓取，在抓取过程中三个手指在单个驱动器驱动下相继接触（碰撞）果实，因此各手指只需要一个驱动器来驱动，实现了多指欠驱动的效果，相较于两指夹持的方式，本发明的抓取稳定性更好。

2.所述手指机构的接触板和手指指尖均安装了压力传感器，用来感知水果的接触力，避免由于过大的接触力而导致的水果损伤；并且在压力传感器的表面上粘贴了硅胶垫，既增加了水果与指面的摩擦力又对所夹持水果所施加的力起到一定的缓冲作用，进一步减轻了抓取时对水果的机械损伤。

3.本发明末端执行机构通过电机的正转与反转实现水果的抓取和采摘，通过丝杠轴的转动带动其他机构的运动，由于丝杠本身的自锁功能，可以保证完成果实抓取后电机不工作果实也不会松动掉下。

4.本发明视觉系统包括三个工业相机呈120°角分布于末端执行机构上，其具有360°视角，相较于一个相机，本发明视觉系统的视角更大，更能准确的完成目标水果的定位。

附图说明

图1为本发明所述的一种采摘机械手的末端执行器的结构示意图；

图2为扭簧的结构示意图。

附图标记说明：1.手指指尖；2.小齿轮轴；3.小齿轮；4.扇形齿轮；5.第一连杆；6.固定件；7.中间连杆；8.壳体；9.固定螺栓；10.工业相机；11.相机支架；12.固定杆；13.托盘；14.驱动连杆；15.配合盘；16.上支撑杆；17.移动板；18.转动盘；19.接触板；20.第二连杆；21.硅胶垫；22.压力传感器；23.上端盖；24.深沟球轴承；25.丝杠轴；26.滑动块；27.转动块；28.联轴器；29.上底座；30.中底座；31.固定螺钉；32.电机；33.下支撑杆；34.螺母；35.下底座。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例一

参照图1，一种采摘机械手的末端执行器，包括：手指机构、支撑与传动机构、驱动机构和视觉系统；所述手指机构和支撑与传动机构连接，所述支撑与传动机构和驱动机构连接，所述视觉系统和支撑与传动机构连接。

根据图1，所述手指机构包括：手指指尖1、小齿轮轴2、小齿轮3、扇形齿轮4、第一连杆5、固定件6、中间连杆7、壳体8、固定螺栓9、固定杆12、接触板19、第二连杆20、硅胶垫21、压力传感器22和驱动连杆14；所述手指机构的移动板17有3个孔，中间的孔与驱动连杆14铰接，两端的孔分别与扇形齿轮4末端的杆和固定杆12铰接，所述扇形齿轮4通过另一个孔与第一连杆5铰接，所述接触板19与第二连杆20铰接，所述第一连杆5和第二连杆20铰接，所述小齿轮3与手指指尖1通过小齿轮轴2固定连接，所述扇形齿轮4与小齿轮3啮合完成手指指尖的运动；所述支撑与传动机构包括：上端盖23、深沟球轴承24、丝杠轴25、滑动块26、转动块27、托盘13、驱动连杆14、配合盘15、上支撑杆16、移动板17、转动盘18、联轴器28、上底座29；所述丝杠轴25通过联轴器28与驱动机构的电机32的输出轴连接；所述移动板17和转动盘18配合并固定在丝杠轴25上；所述转动块27与配合盘15配合并固定在丝杠轴25上；所述滑动块26位于转动块27和配合盘15的上方并固定于丝杠轴25上；所述托盘13通过上支撑杆16与上底座29连接；所述丝杠轴25的末端通过托盘13与上端盖23连接，所述上端盖23与托盘13之间安装有深沟球轴承24；所述驱动机构包括：电机32、中底座30、固定螺钉31、下支撑杆33、螺母34和下底座35；所述电机32通过螺母34与下底座35固定连接，通过固定螺钉31与中底座30固定；所述下支撑杆33与下底座35固定连接，通过螺母34锁紧；所述下支撑杆33与中底座30固定连接；所述视觉系统包括：所述视觉部分包括：相机支架11和工业相机10；所述视觉系统包括三个工业相机10和三个相机支架11，所述相机10直接固定于相机支架11上，所述相机支架11固定于托盘13上，所述相机支架11呈120°角圆周分布于托盘13上。

进一步的，所述手指机构中的扇形齿轮4及与其啮合的小齿轮3外部安装有壳体8。

进一步的，所述手指机构中的接触板19和手指指尖1均安装了压力传感器22，并且在压力传感器的表面上粘贴了硅胶垫21。

进一步的，所述手指机构中的壳体8与扇形齿轮4之间安装有扭簧。

进一步的，所述驱动电机32和视觉系统中的工业相机10均与机械手的控制器电连接。

实施例二

本发明所述的一种采摘机械手的末端执行器，根据其工作原理，分为驱动部分和执行部分；所述驱动部分工作原理为：电机32驱动丝杠轴转动，丝杠轴25带动滑动块26运动，滑动块26与三个驱动连杆14铰接带动其一起运动；轴上固定转动块27，与转动块27配合的配合盘15固定在滑动块26下方，联合完成转动动作；执行部分由三个手指机构组成（三个手指机构是中心对称的，图中只画了其中2个），所述三个手指机构构型一致，三个手指互成120°角安装在托盘13上，每个手指机构由固定杆12固定在托盘13上，所述中间连杆7有3个孔，中间的孔与驱动连杆14铰接，两端的孔分别与扇形齿轮4的杆和固定件6铰接，所述驱动连杆14带动中间连杆7转动从而带动扇形齿轮4运动，所述扇形齿轮4的另一个孔与第一连杆5铰接，所述接触板19与第二连杆20铰接，所述第一连杆5和第二连杆20铰接，当接触到果实时受到阻碍停止运动并向果实施加一定压力，扇形齿轮4会借助机构本身的自适应性继续转动；小齿轮3与手指指尖1固定连接，扇形齿轮4与小齿轮3啮合完成手指指尖1的运动，所述扇形齿轮4与其啮合小齿轮3外部由壳体8包裹；所述执行部分是由三个手指机构共同完成抓取动作，在抓取过程中个手指在单个驱动器驱动下相继接触果实，因此各手指只需要一个驱动器来驱动，实现了多指欠驱动的效果。

实施例三

本发明通过视觉系统对采摘目标进行定位，通过控制器控制末端执行机构进行目标水果的采摘，初始状态所述末端执行机构的每个手指成张开状态，丝杠轴25在电机32驱动下转动，滑动块26沿丝杠轴25竖直方向作直线运动，与滑动块26铰接的驱动连杆14带动三个手指相向运动；接触板19靠近水果直至接触水果，接触板19接触水果后滑动块26带动驱动连杆14继续运动，从而使壳体8内的扇形齿轮4顺时针转动，带动与之啮合的小齿轮3逆时针转动，小齿轮3转动带动手指指尖1转动，实现对水果的抓紧；接触板19和手指指尖1的表面安装压力传感器22，用来感知水果的接触力，并且在平板压力传感器22的表面上粘贴了硅胶垫21，既增加了水果与指面的摩擦力又对所抓取水果所施加的力起到一定的缓冲作用，进一步减轻了抓取过程中对水果的机械损伤；电机32继续转动，其中滑动块26与配合盘15固定，滑动块26继续滑动，当配合盘15与转动块27配合时，电机32转动将带动整个装置转动从而将水果梗拧断，完成对水果的采摘；摘下果实后，末端执行机构将水果移动到预定的位置，电机32反向转动，推动手指张开，松开摘下的水果并将水果放入指定位置；另外，壳体8与扇形齿轮4之间装有扭簧，如图2所示，所述扭簧力可以使扇形齿轮4恢复初始位置，松开水果时使第三关节迅速张开，依靠扭簧和机械限位装置来实现机构正常工作所需的动力约束条件；本发明末端执行机构只装一个电机32，通过电机32的正转与反转实现水果的抓取和采摘，通过丝杠轴25的转动带动其他机构的运动，由于丝杠本身的自锁功能，可以保证完成果实抓取后电机不工作果实也不会松动掉下。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采摘机械手的末端执行器，其特征在于，包括：手指机构、支撑与传动机构和驱动机构；所述手指机构和支撑与传动机构连接，所述支撑与传动机构和驱动机构连接。

2.根据权利要求1所述的一种采摘机械手的末端执行器，其特征在于，所述手指机构包括：手指指尖（1）、小齿轮轴（2）、小齿轮（3）、扇形齿轮（4）、第一连杆（5）、固定件（6）、中间连杆（7）、壳体（8）、固定螺栓（9）、固定杆（12）、接触板（19）、第二连杆（20）、硅胶垫（21）、压力传感器（22）和驱动连杆（14）；所述手指机构的移动板（17）有3个孔，中间的孔与驱动连杆（14）铰接，两端的孔分别与扇形齿轮（4）末端的杆和固定杆（12）铰接，所述扇形齿轮（4）通过另一个孔与第一连杆（5）铰接，所述接触板（19）与第二连杆（20）铰接，所述第一连杆（5）和第二连杆（20）铰接，所述小齿轮（3）与手指指尖（1）通过小齿轮轴（2）固定连接，所述扇形齿轮（4）与小齿轮（3）啮合完成手指指尖的运动。

3.根据权利要求1所述的一种采摘机械手的末端执行器，其特征在于，所述支撑与传动机构包括：上端盖（23）、深沟球轴承（24）、丝杠轴（25）、滑动块（26）、转动块（27）、托盘（13）、驱动连杆（14）、配合盘（15）、上支撑杆（16）、移动板（17）、转动盘（18）、联轴器（28）、上底座（29）；所述丝杠轴（25）通过联轴器（28）与驱动机构的电机（32）的输出轴连接；所述移动板（17）和转动盘（18）配合并固定在丝杠轴（25）上；所述转动块（27）与配合盘（15）配合并固定在丝杠轴（25）上；所述滑动块（26）位于转动块（27）和配合盘（15）的上方并固定于丝杠轴（25）上；所述托盘（13）通过上支撑杆（16）与上底座（29）连接；所述丝杠轴（25）的末端通过托盘（13）与上端盖（23）连接，所述上端盖（23）与托盘（13）之间安装有深沟球轴承（24）。

4.根据权利要求1所述的一种采摘机械手的末端执行器，其特征在于，所述驱动机构包括：电机（32）、中底座（30）、固定螺钉（31）、下支撑杆（33）、螺母（34）和下底座（35）；所述电机（32）通过螺母（34）与下底座（35）固定连接，通过固定螺钉（31）与中底座（30）固定；所述下支撑杆（33）与下底座（35）固定连接，通过螺母（34）锁紧；所述下支撑杆（33）与中底座（30）固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种采摘机械手的末端执行器，其特征在于，所述采摘机械手的末端执行机构还包括视觉系统，所述视觉系统包括：相机支架（11）和工业相机（10）；所述视觉系统包括三个工业相机（10）和三个相机支架（11），所述相机（10）直接固定于相机支架（11）上，所述相机支架（11）固定于托盘（13）上，所述相机支架（11）呈120°角圆周分布于托盘（13）上。

6.根据权利要求1所述的一种采摘机械手的末端执行器，其特征在于，所述手指机构中的扇形齿轮（4）及与其啮合的小齿轮（3）外部安装有壳体（8）。

7.根据权利要求1所述的一种采摘机械手的末端执行器，其特征在于，所述手指机构中的接触板（19）和手指指尖（1）均安装了压力传感器（22），并且在压力传感器的表面上粘贴了硅胶垫（21）。

8.根据权利要求1所述的一种采摘机械手的末端执行器，其特征在于，所述手指机构中的壳体（8）与扇形齿轮（4）之间安装有扭簧。

9.根据权利要求1所述的一种采摘机械手的末端执行器，其特征在于，所述电机（32）和视觉系统中的工业相机（10）均与机械手的控制器电连接。