CN103688660A - 一种欠驱动采摘末端执行装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种欠驱动采摘末端执行装置及方法，其装置包括手部执行机构、驱动机构和支座组件，手部执行机构通过支座组件与驱动机构连接；手部执行机构为三爪式结构，三个手爪均匀分布于手掌外周边缘，各手爪底部通过相应的铰接组件安装于手掌上，各手爪中部设置滑轮，各滑轮通过钢丝绳与手掌连接，手掌底部通过压块与驱动机构连接。其方法是卷线筒转动卷绕钢丝绳，钢丝绳带动手爪向果实靠拢并夹紧果实，夹紧果实后，卷线筒带动果实、手爪与手掌一起相对电机支座转动，实现扭转分离果实。本发明应用欠驱动原理，实现先夹紧果实，再将果实扭转分离，整个工作过程控制简单，效率高；同时也可较好地控制手爪对果实的夹紧力，避免果实损伤的现象。

Description

一种欠驱动采摘末端执行装置及方法

技术领域

本发明涉及蔬果采摘技术领域，特别涉及一种适用于类球形果实的欠驱动采摘末端执行装置及方法。

背景技术

采摘作业是果蔬生产中最耗时费力的一个环节。采用采摘机器人代替人工采摘，是当前农村劳动力日益短缺、人工成本逐渐增加条件下、实现果实适时采收、降低采收成本、保证果农增收的有效途径。末端执行机构是安装在采摘机器人前端、直接与采摘目标相接触、实现果实抓取和分离的装置，是采摘机器人实现果蔬采摘的关键执行部分。

现有的采摘末端执行机构普遍采用全驱动方式，末端执行机构的自由度数与驱动数目相同，存在抓取机构灵活度越强，自由度数目越多，驱动控制和结构复杂性越高的矛盾，所以全驱动方式的末端采摘执行机构一般较为复杂，制造成本也高，并不适用于我国的农业现状。

欠驱动方式是驱动器数目少于自由度数目的结构方式，一般采用弹簧或扭簧作为动力约束，通过弹簧自适应变形来实现抓取的柔性和灵活性，具有结构简单、控制简单、重量轻、成本低、对物体能实现一定程度的自适应抓取等优点，已逐渐成为当前国内外果蔬采摘末端执行机构的研究重点。

但目前，欠驱动方式的采摘末端执行机构发展并不成熟，应用也较少。如申请号为201320105463.5的实用新型申请公开了一种刚柔混联欠驱动草莓采摘机械手末端执行器装置，由气动肌腱驱动手爪弯曲，气动肌腱的伸缩带动与手爪关节处齿轮、齿形带的传动，旋转气缸驱动手腕盘转动实现采摘目的；但在实际应用中，由于气动传动的可靠性差，对果实摘取力度的把握性不精确，手爪弯曲转动幅度大，所以常会产生果实损伤或摘取不到的现象。申请号为201210217928.6的发明申请公开了一种欠驱动采摘机械手末端执行器装置，采用电机控制齿轮转动，传感器控制齿轮与齿轮、齿轮与齿条之间的啮合实现手爪弯曲抓取及转动盘转动，达到果蔬采摘的目的；然而，由于果实的抓取靠手爪和接触板，抓取力度难以把握好，转动盘旋转过程中容易造成果实脱离，存在果实采取不到的现象较多。申请号为201120410016.1的实用新型申请公开一种果蔬采摘欠驱动机械手爪，通过一个步进电机同时驱动多个手爪，并用扭簧作为限制机构，手爪面装有接触力传感器来检测反馈控制抓取力度，使之具有包络抓取功能；该装置精度较高，但手爪结构较复杂、整体质量较重、制造成本也高。另外，上述三种机械装置都还存在驱动机构部分与机械手爪距离远、传输转矩大、功耗大、动力性能差的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单，可同时实现果实夹紧和扭转分离的欠驱动采摘末端执行装置。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述装置实现的欠驱动采摘末端执行方法。

本发明的技术方案为：一种欠驱动采摘末端执行装置，包括手部执行机构、驱动机构和支座组件，手部执行机构通过支座组件与驱动机构连接；手部执行机构为三爪式结构，包括三个手爪、三个铰接组件、三段钢丝绳、一个手掌和一个压块，三个手爪均匀分布于手掌外周边缘，各手爪底部通过相应的铰接组件安装于手掌上，各手爪中部设置滑轮，各滑轮通过钢丝绳与手掌连接，手掌底部通过压块与驱动机构连接。其中，手部执行机构用于夹持和扭转类球形果实，驱动机构用于为手部执行机构提供动力，支座组件用于将手部执行机构和驱动机构固定连接。

所述手掌顶部设有向上延伸的上圆筒，上圆筒外侧壁上设有连接钢丝绳用的矩形槽，手掌下部为下圆筒，下圆筒外侧壁上均匀设有固定手爪用的三个耳座，各手爪底部通过铰接组件与耳座连接；上圆筒和下圆筒同轴设置且为一体式结构，驱动机构设于上圆筒和下圆筒中部的空间内。

所述手掌上，各耳座开有通槽，手爪底部嵌于通槽内，位于通槽两侧的耳座侧壁上设有第一销钉孔；

铰接组件包括第一销钉、扭簧和第一弹性挡圈，扭簧设于第一销钉中部，在第一销钉孔处，手爪通过第一销钉与耳座连接，第一弹性挡圈设于第一销钉末端。

所述手爪包括手指、橡胶套、滑轮、第二销钉和第二弹性挡圈，手指下端与手掌连接，手指上端与橡胶套固定连接，手指与橡胶套的连接端还设有滑轮，滑轮通过第二销钉设于手指上，第二弹性挡圈设于第二销钉末端，钢丝绳与滑轮连接。

所述支座组件包括电机支座和连接支座，电机支座顶部与手掌相连接，连接支座顶部与电机支座底部相连接，连接支座底部外接采摘机械手。其中，电机支座与手掌的下圆筒之间可采用间隙配合的连接方式，压块与传动轴中部螺纹连接，压块下端面将手掌轴向压在电机支座上端面，三段钢丝绳一端分别固定在手掌上圆筒外侧，另一端分别绕过三个手爪中部的滑轮，穿过手掌上端矩形通槽，均布固定在卷线筒下端。

所述驱动机构包括电机、联轴器、传动轴和卷线筒，电机安装于电机支架上，电机的输出轴通过联轴器与传动轴连接，传动轴顶端与卷线筒连接；钢丝绳端部固定于卷线筒上，压块设于传动轴外周，传动轴通过压块与手掌连接。

本欠驱动采摘末端执行装置使用时，其中手部执行机构的工作原理为：卷线筒转动卷绕钢丝绳，钢丝绳带动手爪克服铰链组件中扭簧的阻力，并向果实靠拢，接近并逐步夹紧果实，夹紧果实后，手爪径向运动阻力较大，钢丝绳向阻力较小的方向运动，带动果实、手爪与手掌一起相对电机支座转动，实现扭转果实目的；果实扭转分离后，电机反转，卷线筒松开钢丝绳，手爪在铰链组件的扭簧作用下反向运动，实现松开果实目的，同时恢复张开状态。

本发明通过上述装置实现一种欠驱动采摘末端执行方法，包括以下步骤：

（1）当末端执行装置处于初始状态时，手爪处于张开状态；

（2）当采摘机械手检测到成熟的果实后，末端执行装置运动至果实进入手爪内部，此时，驱动机构中电机启动，电机通过联轴器和传动轴带动卷线筒转动，卷线筒转动卷绕钢丝绳，各钢丝绳带动相应的手爪向手掌中心靠拢，逐步夹紧果实；

（3）手爪夹紧果实后，电机继续转动，带动卷线筒、手爪和手掌一起转动，实现将果实摘取；

（4）果实摘取后，电机反向转动，带动卷线筒松开钢丝绳，手爪在铰接组件的作用下复位，松开果实并恢复张开状态。

其中，所述步骤（3）中，手爪夹紧果实后，电机继续转动时，手爪继续做径向运动的阻力大于手爪和手掌一起旋转的阻力。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、本欠驱动采摘末端执行装置及方法应用欠驱动原理，实现先夹紧果实，再将果实扭转分离，整个工作过程控制简单，效率高；同时也可较好地控制手爪对果实的夹紧力，避免果实损伤的现象；可较好地适应我国现有的农业现状，应用范围较广。

2、本欠驱动采摘末端执行装置采用一个电机驱动，实现两个自由度方向上的运动，减小了末端执行装置的整体结构尺寸和重量，提高了动力性能，降低了功耗，同时也简化了末端执行装置的结构。

3、本欠驱动采摘末端执行装置中，采用卷线筒、钢丝绳、滑轮、扭簧等驱动手爪夹持和扭转，结构简单紧凑，造价低廉；手爪末端采用橡胶套对果实起到防滑及缓冲作用，保证果实采摘的准确率，避免采空或果实损伤的现象。

4、本欠驱动采摘末端执行装置采用三爪夹持方式，适于采用夹持扭转分离方式的类球形果实，通用性强。

附图说明

图1为本欠驱动采摘末端执行装置的结构示意图。

图2为图1的A向视图。

图3为支座组件和驱动机构的结构示意图。

图4为图3的B-B向视图。

图5为图4的C向视图。

图6为单个手爪的结构示意图。

图7为图6的D-D向视图。

图8为图6的E向视图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例一种欠驱动采摘末端执行装置，如图1或图2所示，包括手部执行机构、驱动机构和支座组件，手部执行机构通过支座组件与驱动机构连接；手部执行机构为三爪式结构，包括三个手爪、三个铰接组件、三段钢丝绳1、一个手掌2和一个压块3（见图4），三个手爪均匀分布于手掌外周边缘，各手爪底部通过相应的铰接组件安装于手掌上，各手爪中部设置滑轮，各滑轮通过钢丝绳与手掌连接，手掌底部通过压块与驱动机构连接。其中，手部执行机构用于夹持和扭转类球形果实，驱动机构用于为手部执行机构提供动力，支座组件用于将手部执行机构和驱动机构固定连接。

如图3、图4或图5所示，手掌顶部设有向上延伸的上圆筒2-1，上圆筒外侧壁上设有连接钢丝绳用的矩形槽2-3，手掌下部为下圆筒2-2，下圆筒外侧壁上均匀设有固定手爪用的三个耳座2-4，各手爪底部通过铰接组件与耳座连接；上圆筒和下圆筒同轴设置且为一体式结构，驱动机构设于上圆筒和下圆筒中部的空间内。

如图3所示，手掌上各耳座开有通槽，手爪底部嵌于通槽内，位于通槽两侧的耳座侧壁上设有第一销钉孔；

如图6或图8所示，铰接组件包括第一销钉4、扭簧5和第一弹性挡圈6，扭簧设于第一销钉中部，在第一销钉孔处，手爪通过第一销钉与耳座连接，第一弹性挡圈设于第一销钉末端。

如图6或图7所示，手爪包括手指7、橡胶套8、滑轮9、第二销钉10和第二弹性挡圈11，手指下端与手掌连接，手指上端与橡胶套固定连接，手指与橡胶套的连接端还设有滑轮，滑轮通过第二销钉设于手指上，第二弹性挡圈设于第二销钉末端，钢丝绳与滑轮连接。

如图4所示，支座组件包括电机支座12和连接支座13，电机支座顶部与手掌相连接，连接支座顶部与电机支座底部相连接，连接支座底部外接采摘机械手。其中，电机支座与手掌的下圆筒之间可采用间隙配合的连接方式，压块与传动轴中部螺纹连接，压块下端面将手掌轴向压在电机支座上端面，三段钢丝绳一端分别固定在手掌上圆筒外侧，另一端分别绕过三个手爪中部的滑轮，穿过手掌上端矩形通槽，均布固定在卷线筒下端。

驱动机构包括电机14、联轴器15、传动轴16和卷线筒17，电机安装于电机支架上，电机的输出轴通过联轴器与传动轴连接，传动轴顶端与卷线筒连接；钢丝绳端部固定于卷线筒上，压块设于传动轴外周，传动轴通过压块与手掌连接。

本欠驱动采摘末端执行装置使用时，其中手部执行机构的工作原理为：卷线筒转动卷绕钢丝绳，钢丝绳带动手爪克服铰链组件中扭簧的阻力，并向果实靠拢，接近并逐步夹紧果实，夹紧果实后，手爪径向运动阻力较大，钢丝绳向阻力较小的方向运动，带动果实、手爪与手掌一起相对电机支座转动，实现扭转果实目的；果实扭转分离后，电机反转，卷线筒松开钢丝绳，手爪在铰链组件的扭簧作用下反向运动，实现松开果实目的，同时恢复张开状态。

本实施例通过上述装置实现一种欠驱动采摘末端执行方法，包括以下步骤：

（1）当末端执行装置处于初始状态时，手爪处于张开状态；

（2）当采摘机械手检测到成熟的果实后，末端执行装置运动至果实进入手爪内部，此时，驱动机构中电机启动，电机通过联轴器和传动轴带动卷线筒转动，卷线筒转动卷绕钢丝绳，各钢丝绳带动相应的手爪向手掌中心靠拢，逐步夹紧果实；

（3）手爪夹紧果实后，电机继续转动，带动卷线筒、手爪和手掌一起转动，实现将果实摘取；

（4）果实摘取后，电机反向转动，带动卷线筒松开钢丝绳，手爪在铰接组件的作用下复位，松开果实并恢复张开状态。

其中，所述步骤（3）中，手爪夹紧果实后，电机继续转动时，手爪继续做径向运动的阻力大于手爪和手掌一起旋转的阻力。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (8)

1.一种欠驱动采摘末端执行装置，其特征在于，包括手部执行机构、驱动机构和支座组件，手部执行机构通过支座组件与驱动机构连接；手部执行机构为三爪式结构，包括三个手爪、三个铰接组件、三段钢丝绳、一个手掌和一个压块，三个手爪均匀分布于手掌外周边缘，各手爪底部通过相应的铰接组件安装于手掌上，各手爪中部设置滑轮，各滑轮通过钢丝绳与手掌连接，手掌底部通过压块与驱动机构连接。

2.根据权利要求1所述一种欠驱动采摘末端执行装置，其特征在于，所述手掌顶部设有向上延伸的上圆筒，上圆筒外侧壁上设有连接钢丝绳用的矩形槽，手掌下部为下圆筒，下圆筒外侧壁上均匀设有固定手爪用的三个耳座，各手爪底部通过铰接组件与耳座连接；上圆筒和下圆筒同轴设置且为一体式结构，驱动机构设于上圆筒和下圆筒中部的空间内。

3.根据权利要求2所述一种欠驱动采摘末端执行装置，其特征在于，所述手掌上，各耳座开有通槽，手爪底部嵌于通槽内，位于通槽两侧的耳座侧壁上设有第一销钉孔；

铰接组件包括第一销钉、扭簧和第一弹性挡圈，扭簧设于第一销钉中部，在第一销钉孔处，手爪通过第一销钉与耳座连接，第一弹性挡圈设于第一销钉末端。

4.根据权利要求1所述一种欠驱动采摘末端执行装置，其特征在于，所述手爪包括手指、橡胶套、滑轮、第二销钉和第二弹性挡圈，手指下端与手掌连接，手指上端与橡胶套固定连接，手指与橡胶套的连接端还设有滑轮，滑轮通过第二销钉设于手指上，第二弹性挡圈设于第二销钉末端，钢丝绳与滑轮连接。

5.根据权利要求1所述一种欠驱动采摘末端执行装置，其特征在于，所述支座组件包括电机支座和连接支座，电机支座顶部与手掌相连接，连接支座顶部与电机支座底部相连接，连接支座底部外接采摘机械手。

6.根据权利要求5所述一种欠驱动采摘末端执行装置，其特征在于，所述驱动机构包括电机、联轴器、传动轴和卷线筒，电机安装于电机支架上，电机的输出轴通过联轴器与传动轴连接，传动轴顶端与卷线筒连接；钢丝绳端部固定于卷线筒上，压块设于传动轴外周，传动轴通过压块与手掌连接。

7.根据权利要求6所述装置实现一种欠驱动采摘末端执行方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）当末端执行装置处于初始状态时，手爪处于张开状态；

（2）当采摘机械手检测到成熟的果实后，末端执行装置运动至果实进入手爪内部，此时，驱动机构中电机启动，电机通过联轴器和传动轴带动卷线筒转动，卷线筒转动卷绕钢丝绳，各钢丝绳带动相应的手爪向手掌中心靠拢，逐步夹紧果实；

（3）手爪夹紧果实后，电机继续转动，带动卷线筒、手爪和手掌一起转动，实现将果实摘取；

（4）果实摘取后，电机反向转动，带动卷线筒松开钢丝绳，手爪在铰接组件的作用下复位，松开果实并恢复张开状态。

8.根据权利要求7所述一种欠驱动采摘末端执行方法，其特征在于，所述步骤（3）中，手爪夹紧果实后，电机继续转动时，手爪继续做径向运动的阻力大于手爪和手掌一起旋转的阻力。

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