CN216180608U - 抓取机器人及其目标抓取执行系统及其末端执行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了抓取机器人及其目标抓取执行系统及其末端执行器，属于自动抓取领域。本实用新型的末端执行器，包括支撑臂、运动托盘和传动杆，运动托盘设置于支撑臂的内部空腔中，并与传动杆相连，由传动杆驱动其在支撑臂内滑动；支撑臂的前端沿周向环绕设有呈间隔分布的指形夹爪，指形夹爪内设有伸缩滑槽，运动托盘的前端对应设有与该伸缩滑槽对应配合的指形伸缩杆，运动托盘驱动指形伸缩杆的伸缩开合。本实用新型针对目前自动化目标抓取仍存在不便的现状，通过对末端执行器的结构优化设计，以更好地完成自动抓取过程，减少抓取过程损害。

Description

抓取机器人及其目标抓取执行系统及其末端执行器

技术领域

本实用新型涉及自动抓取技术领域，更具体地说，涉及抓取机器人及其目标抓取执行系统及其末端执行器。

背景技术

末端执行器是农业果蔬采摘机器人的重要组成部分，一般安装在机械臂的末端，在进行采摘作业时，先由机械臂将末端执行器移动至果实相应的采摘点处，再由末端执行器完成采摘果实的任务。采摘机器人的研究和开发经历了30多年，取得了不少成果。

目前采摘机器人离实用化和商品化还有一定的距离，其主要原因之一在于对末端执行器的研制要求较高，如要求在进行采摘的过程中不能损伤水果；采摘效率和采摘成功率高；末端执行器的成本要低，能使广大用户接受；在保证智能化的同时降低控制系统的复杂性，利于农民操作和机器人整机的采摘过程控制；要求提高通用性，使一种末端执行器能采摘多种水果等等。目前行业内已经出现的采摘机器人实践操作中仍会有各种不便，对于采摘机器人的各种优化设计也一直层出不穷。

经检索，中国专利申请号：2011101060576，发明创造名称为：球状果实采摘机器人末端执行器，该申请案包括旋转电机组件、伸缩气缸组件和弧形手指切割组件，其利用旋转电机通过联轴组件带动四个弧形刀片对其间任意位置的果柄进行旋转切割，这省掉了对果柄位置的检测，单杆双作用气缸通过活塞杆的伸出和缩回动作带动四个弧形手指的张开和合拢，采摘时其不与果实发生接触。

又如申请号2017108539856的申请案公开了一种草莓采摘机器人的末端执行器，采用双夹持臂的设计，有效避免了末端执行器在收获果实时容易损坏草莓植株的茎干的问题，同时，采用双夹持臂设计，操控较为简单；申请号2018116102802的申请案公开了一种水果采摘机器人末端执行器，包括第一卡爪连架、第二卡爪连架、两个相向布置的主卡爪、以及设置在两个主卡爪中间正上方的一个用于对水果进行二次抱紧的辅助卡爪；第一驱动单元用于驱动两个主卡爪进行相向运动；辅助卡爪上设有供果梗穿过的果梗通槽，果梗通槽的槽尾部设有果梗切断槽，果梗切断槽内设有果梗切断机构，能够对被采摘水果果梗的位置进行精确判断后对水果果梗进行精确切断，采摘时不损伤周围水果。

以上申请案均涉及对果蔬自动采摘的机器人执行机构优化，设计思路和工作过程都各有差异，行业内仍需要更为丰富多样的新设计，以进一步完善采摘方式。

实用新型内容

1.实用新型要解决的技术问题

本实用新型的目的在于针对目前自动抓取采摘等应用仍存在不便的现状，拟提供抓取机器人及其目标抓取执行系统及其末端执行器，通过对末端执行器的结构优化设计，以更好地完成自动抓取或采摘过程，减少过程损害，且本实用新型的目标抓取执行器不仅限用于农业，还可以用于工业、服务业、军事、教育、娱乐、航天等多领域，包括目标抓取、夹持、勘探、侦察、服务、示教、娱乐等，具有广泛的应用前景。

2.技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

本实用新型的抓取末端执行器，包括支撑臂、运动托盘和传动杆，运动托盘设置于支撑臂的内部空腔中，并与传动杆相连，由传动杆驱动其在支撑臂内滑动；支撑臂的前端沿周向环绕设有呈间隔分布的指形夹爪，指形夹爪内设有伸缩滑槽，运动托盘的前端对应设有与该伸缩滑槽对应配合的指形伸缩杆，运动托盘驱动指形伸缩杆的伸缩开合。

更进一步地，运动托盘的前端沿周向间隔设有向支撑臂外部延伸的托盘凸爪，托盘凸爪内设有对应从支撑臂内部向外部方向延伸的凸爪滑槽，指形伸缩杆一端配合嵌入凸爪滑槽内，一端配合嵌入指形夹爪的伸缩滑槽内，伴随运动托盘的滑动，指形伸缩杆在指形夹爪内进行伸缩开合。

更进一步地，指形伸缩杆的一端通过传动连杆配合嵌入在凸爪滑槽内，传动连杆外端部通过连接件与指形伸缩杆连接；传动连杆内端部设有减阻滚轮和连接轴，从而与凸爪滑槽配合运动，传动连杆内端部连接在连接轴上，连接轴两端分别设有减阻滚轮与凸爪滑槽内壁配合滚动。

更进一步地，指形夹爪为沿周向分布，多组指形夹爪端部呈逐渐收拢的弧形过渡结构，内部对应开设为弧形延伸的伸缩滑槽，指形伸缩杆对应设为呈弧形延伸，多组指形伸缩杆端部形成逐渐收拢的结构。

更进一步地，指形夹爪内的伸缩滑槽为贯穿其厚度的贯通槽，且贯通槽的截面内宽外窄，指形伸缩杆对应设为下部较宽顶部较窄，与指形夹爪内的伸缩滑槽紧密配合；指形伸缩杆的端部设有呈扁平状的端扩面，指形夹爪的端部对应也设为相配合的扁平状，指形伸缩杆回缩状态时，端扩面与指形夹爪端部保持平齐。

本实用新型的目标抓取执行系统，包括如上所述的末端执行器，还包括传动箱体和驱动动力，支撑臂设置于传动箱体外部，驱动动力设置于传动箱体内部并用于驱动传动杆的直线往复运动。

更进一步地，驱动动力包括驱动电机，驱动电机设置于传动箱体内，且驱动电机的输出端连接有传动齿轮，传动杆通过直线轴承设置于传动箱体内，并一端穿过传动箱体继续延伸至与运动托盘连接，传动杆上设有与传动齿轮相配合的齿条区域，驱动电机驱动传动杆进行直线往复移动。

更进一步地，驱动电机的输出端还设有传动舵盘，传动舵盘通过联轴传动法兰和传动光轴，最终与传动齿轮相连，传动齿轮安装在传动光轴上，且传动光轴端部通过减阻轴承安装在传动箱体内；传动箱体外部还设有支架，支架底部通过连接臂法兰与传动箱体相连，支架上方还依次设有补光光源和视觉传感器。

本实用新型的抓取机器人，包括如上所述的目标抓取执行系统，该目标抓取执行系统安装于机器人的机械手上。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本实用新型的目标抓取末端执行器，采用周向包裹分布的指形伸缩杆，利用其伸缩合拢和回退张开的控制过程，以实现对目标物的包裹抓取和张开释放过程，且多组指形伸缩杆均匀环绕分布，能够实现对待抓取物的完全包裹，保障能够顺利抓取，多个目标物积压在一起时，也可以有效解决，不占用多余空间。

(2)本实用新型的目标抓取末端执行器，指形伸缩杆的端部设有呈扁平状的端扩面，能有助于保护待抓取物不会被戳破，防止损害目标物，在指形伸缩杆向前伸缩动作时，也能有效挤开剥开障碍物，更容易从间隙伸进去包裹目标物，完成抓取。

(3)本实用新型的目标抓取末端执行器，指形伸缩杆设置于指形夹爪内部开设的槽体结构中，指形伸缩杆的伸缩合拢和回退张开状态都始终处于指形夹爪内部，能够保障指形伸缩杆的运动稳定性和位置精确性，有更稳定的导向和定位作用。

(4)本实用新型的目标抓取执行系统，利用电机驱动和齿轮和齿条的配合运动，以电机控制传动杆的直线位置，最终控制指形伸缩杆的伸缩过程，整体驱动结构简单，便于安装实现，且生产成本较低。

附图说明

图1为本实用新型的目标抓取执行系统的收缩状态结构示意图；

图2为本实用新型的目标抓取执行系统的收缩状态结构示意图；

图3为本实用新型的目标抓取执行系统的打开状态结构示意图；

图4为图1中A处的局部放大结构示意图；

图5为图3中B处的局部放大结构示意图；

图6为本实用新型的抓取机器人的结构示意图。

示意图中的标号说明：

100、视觉传感器；101、补光光源；102、支架；103、连接臂法兰；104、传动箱体；105、驱动电机；106、传动齿轮；107、联轴传动法兰；108、直线轴承；109、传动杆；120、支撑臂；121、托盘凸爪；122、凸爪滑槽；123、减阻滚轮；124、传动连杆；125、连接件；126、指形伸缩杆；127、端扩面；128、指形夹爪；129、运动托盘；130、箱体盖；200、机械手； 300、升降部；400、移动部。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，结合附图对本实用新型作详细描述。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。

下面结合实施例对本实用新型作进一步的描述。

实施例1

如图1-图5所示，本实施例的抓取末端执行器，包括支撑臂120、运动托盘129和传动杆109，运动托盘129设置于支撑臂120的内部空腔中，并与传动杆109相连，由传动杆109驱动其在支撑臂120内滑动；支撑臂120的前端沿周向环绕设有呈间隔分布的指形夹爪128，指形夹爪128内设有伸缩滑槽，运动托盘129的前端对应设有与该伸缩滑槽对应配合的指形伸缩杆126，运动托盘129驱动指形伸缩杆126的伸缩开合。

具体本实施例中，支撑臂120可采用多根间隔分布形成的中间具有间隙的框架形支撑结构，运动托盘129和传动杆109则对应位于该框架内，且运动托盘129能够在传动杆109的直线驱动作用下，沿支撑臂120的长度延伸方向进行位移；更进一步地，如图4和图5所示，运动托盘129的前端沿周向间隔设有向支撑臂120外部延伸的托盘凸爪121，托盘凸爪121 内设有沿高度方向，即对应从支撑臂120内部向外部方向延伸的凸爪滑槽122，指形伸缩杆 126一端配合嵌入凸爪滑槽122内，一端配合嵌入指形夹爪128的伸缩滑槽内，伴随运动托盘129的滑动，指形伸缩杆126在指形夹爪128内进行伸缩开合。

具体地，指形伸缩杆126的一端通过传动连杆124配合嵌入在凸爪滑槽122内，传动连杆124外端部通过连接件125与指形伸缩杆126连接；传动连杆124内端部设有减阻滚轮123 和连接轴，从而与凸爪滑槽122配合运动，具体地，传动连杆124内端部连接在连接轴上，连接轴两端分别设有减阻滚轮123与凸爪滑槽122内壁配合滚动。连接件125具体可采用设置于传动连杆124外端部的呈U形开口的连接板，连接板两端分别设有连接孔，指形伸缩杆 126的端部对应设有配合嵌入该U形开口内的连接部，并通过两端的连接螺栓紧固连接，从而实现传动连杆124和指形伸缩杆126的可拆卸连接，便于生产安装。

本实施例中指形夹爪128为沿周向分布，且多组指形夹爪128的外端部呈逐渐收拢的弧形过渡结构，支撑臂120内对应开设为弧形延伸的伸缩滑槽，指形伸缩杆126对应设为呈弧形延伸，多组指形伸缩杆126外端部形成逐渐收拢的结构。且指形夹爪128内的伸缩滑槽可设为贯穿其厚度的贯通槽，且贯通槽的截面内宽外窄，指形伸缩杆126对应设为下部较宽顶部较窄，与指形夹爪128内的伸缩滑槽紧密配合，使得指形伸缩杆126在指形夹爪128内伸缩开合运动时，有更稳定的导向和定位作用。

本实施例实际应用时，通过驱动传动杆109的直线位移，即可驱动运动托盘129在支撑臂120内直线位移，从而通过传动连杆124在凸爪滑槽122内的上下滑动，最终实现指形伸缩杆126在指形夹爪128内的进退伸缩过程，当多组指形伸缩杆126向前伸出时即形成合拢，能够将目标物包裹其中，当多组指形伸缩杆126向后缩保持与指形夹爪128平齐时，则处于初始状态，此时可以不断靠近目标物等待抓取。

本实施例的目标抓取末端执行器采用仿生设计思路，如猫科动物前爪的趾甲前端弯曲，平时会把锋利的趾甲收进脚趾尖，需要用的时候连接趾甲和骨头的肌腱就会收紧，伸缩自如的趾甲才伸出来。本实施例根据猫科动物前爪的单个趾甲弯曲、伸缩自如、捕获目标效率高等特点，设计了本实施例的抓取末端执行器，采用周向包裹分布的指形伸缩杆126，利用其伸缩合拢和回退张开的控制过程，以实现对目标物的包裹抓取和张开释放过程，且多组指形伸缩杆126均匀环绕分布，能够实现对待抓取物的完全包裹，保障能够顺利抓取，多个目标物积压在一起时，也可以有效解决，不占用多余空间。

如图4所示，本实施例具体采用六指包裹形式，分别设有六组指形伸缩杆126和六组指形夹爪128均匀环绕分布，且指形伸缩杆126的端部设有呈扁平状的端扩面127，指形夹爪 128的端部对应也设为相配合的扁平状，指形伸缩杆126回缩状态时，端扩面127与指形夹爪128端部保持平齐。通过端扩面127的设置，使得指形伸缩杆126的端部呈扁平结构，并结合端部圆角处理，不仅缩回状态下与指形夹爪128保持更美观的形态，位置明确，且能有助于保护待抓取物不会被戳破，防止损害目标物，在指形伸缩杆126向前伸缩动作时，能有效挤开剥开障碍物，更容易从间隙伸进去包裹目标物，完成抓取。

实施例2

本实施例的目标抓取执行系统，包括如上实施例1中所述的末端执行器，更进一步地，如图1和图2所示，还包括传动箱体104和驱动动力，支撑臂120设置于传动箱体104外部，驱动动力设置于传动箱体104内部并用于驱动传动杆109的直线往复运动。具体地，驱动动力可采用驱动电机105，驱动电机105设置于传动箱体104内，且驱动电机105的输出端连接有传动齿轮106，传动杆109通过直线轴承108设置于传动箱体104内，并一端穿过传动箱体104继续延伸至与运动托盘129连接，传动杆109上设有与传动齿轮106相配合的齿条区域，驱动电机105驱动传动杆109进行直线往复移动。行业内亦可采用其他各种动力驱动结构，以驱动传动杆109的往复直线运行即可，在此不再尽述。

本实施例中驱动电机105的输出端还设有传动舵盘，传动舵盘通过联轴传动法兰107和传动光轴，最终与传动齿轮106相连，传动齿轮106安装在传动光轴上，且传动光轴端部通过减阻轴承安装在传动箱体104内。通过驱动电机105驱动传动齿轮106的往复旋转运动，利用传动杆109与传动齿轮106的啮合配合，从而最终控制传动杆109的往复直线位移运动，以实现对末端执行器中指形伸缩杆126的伸缩控制。具体如图2中所示，传动杆109通过两组直线轴承108安装在传动箱体104内，并能够进行直线位移。

本实施例中还包括设置于传动箱体104外部的支架102，支架102底部通过连接臂法兰 103与传动箱体104相连，支架102上方还依次设有补光光源101和视觉传感器100。传动箱体104外部罩设有箱体盖130。

实施例3

本实施例的抓取机器人，包括如上实施例2所述的目标抓取执行系统，该目标抓取执行系统安装于机器人的机械手200上，具体地，常规的机器人一般还包括移动部400和升降部 300，用于进行整体位置移动和高度调节，机械手200一般设置于升降部300上方；本实施例的目标抓取执行系统能够安装在不同设备上，具体可根据实际需求而定，本实施例以安装在如图6所示的机器人机械手200上为例，通过视觉传感器100收集待采摘或待抓取目标的姿态和位置，以及是否可具备采摘或抓取条件等信息，反馈给上位机，上位机发出指令，移动部400和升降部300对应移动，使目标抓取执行系统定位到待采摘或待抓取目标的位置，此时指形伸缩杆126处于向后收回的待抓取状态，即如3所示状态；移动到目标位置后，上位机再发送指令，驱动电机105通过驱动传动齿轮106与传动杆109运动，使指形伸缩杆126 处于向前伸出的包裹抓取状态，即如4所示状态；上位机判断包裹住目标，再发送指令通过旋转、扭转、弯折、拉扯等方式完成采摘脱离，然后上位机发送指令使移动部400和升降部 300对应移动将目标物送至后段目标位置，并控制指形伸缩杆126向后收回，释放目标物，完成采摘和释放过程，等待下一次采摘或回位关闭。

利用上述实施例中的目标抓取执行系统，实际进行抓取的方法如下：逐渐靠近待抓取目标时，指形伸缩杆126仍隐藏在指形夹爪128内暂不伸出，以免触碰损伤目标对象，待对准待抓取目标后，指形伸缩杆126再从指形夹爪128内向前伸出，并包裹住待抓取目标，将其抓取。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，可根据实际需求做出调整比如驱动方式、末端结构形状、传动方式、制作用材等，均属于本实用新型的设计思路。该实用新型不仅限用于农业，还可以用于工业、服务业、军事、教育、娱乐、航天等多领域，包括目标抓取、夹持、勘探、侦察、服务、示教、娱乐等，凡是实际应用中使用了此实用新型的设计思路，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均属于该实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.抓取末端执行器，其特征在于：包括支撑臂(120)、运动托盘(129)和传动杆(109)，运动托盘(129)设置于支撑臂(120)的内部空腔中，并与传动杆(109)相连，由传动杆(109)驱动其在支撑臂(120)内滑动；支撑臂(120)的前端沿周向环绕设有呈间隔分布的指形夹爪(128)，指形夹爪(128)内设有伸缩滑槽，运动托盘(129)的前端对应设有与该伸缩滑槽对应配合的指形伸缩杆(126)，运动托盘(129)驱动指形伸缩杆(126)的伸缩开合。

2.根据权利要求1所述的抓取末端执行器，其特征在于：运动托盘(129)的前端沿周向间隔设有向支撑臂(120)外部延伸的托盘凸爪(121)，托盘凸爪(121)内设有对应从支撑臂(120)内部向外部方向延伸的凸爪滑槽(122)，指形伸缩杆(126)一端配合嵌入凸爪滑槽(122)内，一端配合嵌入指形夹爪(128)的伸缩滑槽内，伴随运动托盘(129)的滑动，指形伸缩杆(126)在指形夹爪(128)内进行伸缩开合。

3.根据权利要求2所述的抓取末端执行器，其特征在于：指形伸缩杆(126)的一端通过传动连杆(124)配合嵌入在凸爪滑槽(122)内，传动连杆(124)外端部通过连接件(125)与指形伸缩杆(126)连接；传动连杆(124)内端部设有减阻滚轮(123)和连接轴，从而与凸爪滑槽(122)配合运动，传动连杆(124)内端部连接在连接轴上，连接轴两端分别设有减阻滚轮(123)与凸爪滑槽(122)内壁配合滚动。

4.根据权利要求1所述的抓取末端执行器，其特征在于：指形夹爪(128)为沿周向分布，多组指形夹爪(128)端部呈逐渐收拢的弧形过渡结构，内部对应开设为弧形延伸的伸缩滑槽，指形伸缩杆(126)对应设为呈弧形延伸，多组指形伸缩杆(126)端部形成逐渐收拢的结构。

5.根据权利要求1所述的抓取末端执行器，其特征在于：指形夹爪(128)内的伸缩滑槽为贯穿其厚度的贯通槽，且贯通槽的截面内宽外窄，指形伸缩杆(126)对应设为下部较宽顶部较窄，与指形夹爪(128)内的伸缩滑槽紧密配合；指形伸缩杆(126)的端部设有呈扁平状的端扩面(127)，指形夹爪(128)的端部对应也设为相配合的扁平状，指形伸缩杆(126)回缩状态时，端扩面(127)与指形夹爪(128)端部保持平齐。

6.目标抓取执行系统，其特征在于：包括如权利要求1-5任一项所述的末端执行器，还包括传动箱体(104)和驱动动力，支撑臂(120)设置于传动箱体(104)外部，驱动动力设置于传动箱体(104)内部并用于驱动传动杆(109)的直线往复运动。

7.根据权利要求6所述的目标抓取执行系统，其特征在于：驱动动力包括驱动电机(105)，驱动电机(105)设置于传动箱体(104)内，且驱动电机(105)的输出端连接有传动齿轮(106)，传动杆(109)通过直线轴承(108)设置于传动箱体(104)内，并一端穿过传动箱体(104)继续延伸至与运动托盘(129)连接，传动杆(109)上设有与传动齿轮(106)相配合的齿条区域，驱动电机(105)驱动传动杆(109)进行直线往复移动。

8.根据权利要求7所述的目标抓取执行系统，其特征在于：驱动电机(105)的输出端还设有传动舵盘，传动舵盘通过联轴传动法兰(107)和传动光轴，最终与传动齿轮(106)相连，传动齿轮(106)安装在传动光轴上，且传动光轴端部通过减阻轴承安装在传动箱体(104)内；传动箱体(104)外部还设有支架(102)，支架(102)底部通过连接臂法兰(103)与传动箱体(104)相连，支架(102)上方还依次设有补光光源(101)和视觉传感器(100)。

9.抓取机器人，其特征在于：包括如权利要求6-8任一项所述的目标抓取执行系统，该目标抓取执行系统安装于机器人的机械手(200)上。

Images