CN104303709A - 一种适用于抓取不同形态果蔬的蜓爪式仿生末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明在于提供一种具有仿生结构特征的农业机器人末端执行器，该机械手以蜻蜓爪指为仿生研究对象，并将其特有的六指结构特征应用于该机械手的设计。该机械手由框架式机械平台、控制***、反馈***、传动***、电力辅助***组成。在抓取果蔬时，通过伺服电机下方装有的平底推杆盘形凸轮机构，控制机械手前后两对爪指相对于中爪的角度。在机械手接触到果蔬时，通过传感器的力值反馈调节伺服电机的转动幅度，从而来调节爪指内部的高强度柔性聚酰胺绳的收紧或舒张。进而实现对不同大小、不同形状的果蔬进行稳定并柔顺抓取的目的。

Description

一种适用于抓取不同形态果蔬的蜓爪式仿生末端执行器

技术领域

 本发明涉及一种具有抓取果蔬功能的仿生蜓爪式末端执行器，属于农业工程领域中的一种新型仿生机械手。

背景技术

在农业工程领域，利用农业智能装备摘取和分选果蔬的过程中，由于果蔬种类繁杂、大小各异，所以想达到利用同一机械手抓取各种形状果蔬的效果是十分困难的。另外果蔬容易损伤，所以稳定并柔顺的抓取也是十分重要的。但现今机械手对抓取不同形状的物体的适应程度和柔顺程度都有很大的局限性，所以对摘取和分选中末端执行器的研究就显得尤为重要。

众所周知，蜻蜓在抓取物体时，其爪指具有广泛的适应性，无论是竖直的树枝顶端还是平放的树枝枝干，蜻蜓都能牢靠抓取并且保持身体的稳定性。这种现象与其抓取时的运动形式有直接的关系，而其运动形式与它独特的六指机构和各腿节不同的运动机理是密不可分的。因此蜻蜓爪为末端执行器的仿生研究对象，通过研究其爪的结构、形态和功能机理，可为抓取果蔬的末端执行器提供仿生信息。因此探究蜻蜓爪的特点对于改进传统抓取果蔬的末端执行器有着实在意义。

发明内容

本发明在于提供一种具有仿生结构特征的农业机器人末端执行器，该机械手以蜻蜓爪指为仿生研究对象，并将其特有的六指结构特征应用于该机械手的设计。该机械手由框架式机械平台、控制***、反馈***、传动***、电力辅助***组成。该机械手以复合材料为材料，以电力为驱动能源。在抓取果蔬时，通过伺服电机下方装有的平底推杆盘形凸轮机构，控制机械手前后两对爪指相对于中爪的角度。在机械手接触到果蔬时，通过传感器的力值反馈调节伺服电机的转动幅度，从而来调节爪指内部的高强度柔性聚酰胺绳的收紧或舒张。进而实现对不同大小、不同形状的果蔬进行稳定并柔顺抓取的目的。

本发明所述的一种具有仿生几何结构特征的蜓爪式末端执行器，该机械手由框架式机械平台、智能控制***、反馈***、传动***、电力辅助***组成。机械平台主体框架（1）和机械爪指由复合材料组成，主体框架（1）底部通过螺栓将滑道（19）固定，两机械手转节滑块（18）之间通过弹簧约束，机械手转节滑块（18）上有两条上下贯通的滑槽（15），机械爪指由机械手转节滑块（18）穿过滑槽（15）通过球铰（12）和球铰梁（16）与中爪底盘（13）相联接，中爪底盘（13）与机械手中爪腿节（8）通过中爪梁（14）进行相互固定，伺服电机（3）通过定位螺栓孔固定于平底推杆盘形凸轮（17）上的中爪底盘（13），通过平底推杆盘形凸轮（17）与机械手转节滑块（18）的相对位置的改变，以及弹簧对机械手转节滑块（18）的约束，实现机械手转节滑块（18）在滑道（19）上的往复直线运动。机械手前后两对爪指是相同的，机械手前爪由机械手前爪腿节（4）、机械手前爪胫节（5）、机械手前爪跗节（6）铰接而成。机械手后爪由机械手后爪腿节（23）、机械手后爪胫节（24）、机械手后爪跗节（25）铰接而成。机械手中爪由机械手中爪腿节（8）、机械手中爪胫节（9）、机械手中爪跗节（10）铰接而成。在蜻蜓前（后）爪末端铰接倒钩（22），倒钩（22）由倒钩铰接处（28）、倒钩末端（26）和倒钩转角（27）组成，并且在倒钩（22）中存在弯曲结构。在机械手倒钩（22）和机械手中爪跗节（10）表面都侧贴有应变片（20）。机械手倒钩（22）内侧固定有高强度柔性聚酰胺绳，高强度柔性聚酰胺绳通过机械手内槽（21）缠绕在固定于伺服电机（2）（7）输出轴的绕线盘（11）上，以实现传动的作用。

附图说明：

参见附图

图1为本发明结构示意图

图2为末端执行器前后两对爪指的俯视图

图3为机械手前爪指结构示意图

图4为本发明局部结构示意图

图5为倒钩的主视图

图1中，1、主体框架；2、伺服电机；3、伺服电机；4、机械手前爪腿节；5、机械手前爪胫节；6、机械手前爪跗节；7、伺服电机；8、机械手中爪腿节；9、机械手中爪胫节；10、机械手中爪跗节；11、绕线盘。

图2中，12、球铰；13、中爪底盘；14、中爪梁；15、滑槽；16、球铰梁；17、平底推杆盘形凸轮；18、机械手转节滑块；19、滑道。

图3中，20、应变片；21、内槽；22、倒钩。

图4中，23、机械手后爪腿节；24、机械手后爪胫节；25、机械手后爪跗节。

图5中，26、倒钩末端；27、倒钩转角；28、倒钩铰接处。

具体实施方式：

本发明所述的一种具有仿生几何结构特征的蜓爪式末端执行器，该机械手由框架式机械平台、智能控制***、反馈***、传动***、电力辅助***组成。机械平台主体框架（1）和机械爪指由复合材料组成，主体框架（1）底部通过螺栓将滑道（19）固定，两机械手转节滑块（18）之间通过弹簧约束，机械手转节滑块（18）上有两条上下贯通的滑槽（15），机械爪指由机械手转节滑块（18）穿过滑槽（15）通过球铰（12）和球铰梁（16）与中爪底盘（13）相联接，中爪底盘（13）与机械手中爪腿节（8）通过中爪梁（14）进行相互固定，伺服电机（3）通过定位螺栓孔固定于平底推杆盘形凸轮（17）上的中爪底盘（13），通过平底推杆盘形凸轮（17）与机械手转节滑块（18）的相对位置的改变，以及弹簧对机械手转节滑块（18）的约束，实现机械手转节滑块（18）在滑道（19）上的往复直线运动。机械手前后两对爪指是相同的，机械手前爪由机械手前爪腿节（4）、机械手前爪胫节（5）、机械手前爪跗节（6）铰接而成。机械手后爪由机械手后爪腿节（23）、机械手后爪胫节（24）、机械手后爪跗节（25）铰接而成。机械手中爪由机械手中爪腿节（8）、机械手中爪胫节（9）、机械手中爪跗节（10）铰接而成。在蜻蜓前（后）爪末端铰接倒钩（22），倒钩（22）由倒钩铰接处（28）、倒钩末端（26）和倒钩转角（27）组成，并且在倒钩（22）中存在弯曲结构。在机械手倒钩（22）和机械手中爪跗节（10）表面都侧贴有应变片（20）。机械手倒钩（22）内侧固定有高强度柔性聚酰胺绳，高强度柔性聚酰胺绳通过机械手内槽（21）缠绕在固定于伺服电机（2）（7）输出轴的绕线盘（11）上，以实现传动的作用。

在使用开始时，伺服电机（2）（3）（7）处于初始位置，控制***通过机器视觉技术调节平底推杆盘形凸轮（17）与机械手转节滑块（18）的相对位置，再加上弹簧对机械手转节滑块（18）的约束，实现机械手转节滑块（18）在滑道（19）上的运动，进而实现抓取果蔬时两对爪指相对于中爪的角度，达到了仿生蜻蜓爪的动作来抓取不同形状的果蔬的目的。每条机械爪的腿节的比例是仿生蜻蜓腿节的比例，更加适应各种形状的果蔬。在机械手接触到果蔬时，通过倒钩（22）和机械手中爪跗节（10）内侧贴有的应变片（20），把测到的力值反馈给控制***，进而调节伺服电机（2）（7）的转动，使固定在机械手倒钩（22）和机械手中爪跗节（10）内槽（21）中的高强度柔性聚酰胺绳收紧或舒张，达到轻柔的抓取不同形状果蔬的目的。此仿生蜓爪式末端执行器适应性高，适合各种形状果蔬的抓取。

Claims (5)

1.本发明所述的一种具有仿生几何结构特征的蜓爪式末端执行器，该机械手由框架式机械平台、智能控制***、反馈***、传动***、电力辅助***组成；机械平台主体框架（1）和机械爪指由复合材料组成，主体框架（1）底部通过螺栓将滑道（19）固定，两机械手转节滑块（18）之间通过弹簧约束，机械手转节滑块（18）上有两条上下贯通的滑槽（15），机械爪指由机械手转节滑块（18）穿过滑槽（15）通过球铰（12）和球铰梁（16）与中爪底盘（13）相联接，中爪底盘（13）与机械手中爪腿节（8）通过中爪梁（14）进行相互固定，伺服电机（3）通过定位螺栓孔固定于平底推杆盘形凸轮（17）上的中爪底盘（13），通过平底推杆盘形凸轮（17）与机械手转节滑块（18）的相对位置的改变，以及弹簧对机械手转节滑块（18）的约束，实现机械手转节滑块（18）在滑道（19）上的往复直线运动；机械手前后两对爪指是相同的，机械手前爪由机械手前爪腿节（4）、机械手前爪胫节（5）、机械手前爪跗节（6）铰接而成；机械手后爪由机械手后爪腿节（23）、机械手后爪胫节（24）、机械手后爪跗节（25）铰接而成；机械手中爪由机械手中爪腿节（8）、机械手中爪胫节（9）、机械手中爪跗节（10）铰接而成；在蜻蜓前（后）爪末端铰接倒钩（22），倒钩（22）由倒钩铰接处（28）、倒钩末端（26）和倒钩转角（27）组成，并且在倒钩（22）中存在弯曲结构；在机械手倒钩（22）和机械手中爪跗节（10）表面都侧贴有应变片（20）；机械手倒钩（22）内侧固定有高强度柔性聚酰胺绳，高强度柔性聚酰胺绳通过机械手内槽（21）缠绕在固定于伺服电机（2）（7）输出轴的绕线盘（11）上，以实现传动的作用。

2.根据权利要求1所述的一种具有仿生几何结构特征的蜓爪式末端执行器，其特征在于，与机械手前爪腿节（4）相连的两个球铰梁（16）末端AB之间的距离和两个中爪梁（14）末端CD之间的距离和与机械手后爪腿节（23）相连的两个球铰梁（16）末端EF之间的距离之比为64:123:64；在中爪底盘（13）所处的平面内，与机械手前爪腿节（4）相连的球铰梁（16）与中爪梁（14）之间所夹角度为30°，与机械手后爪腿节（23）相连的球铰梁（16）与中爪梁（14）之间所夹角度为30°。

3.根据权利要求1所述的一种具有仿生几何结构特征的蜓爪式末端执行器，其特征在于，机械手前爪腿节(4)与机械手前爪胫节(5)与机械手前爪跗节(6)的长度比为18:16:7；机械手中爪腿节（8）与机械手中爪胫节（9）与机械手中爪跗节（10）的长度比为8:5:2；机械手后爪腿节（23）与机械手后爪胫节（24）与机械手后爪跗节（25）的长度比为18:16:7。

4.根据权利要求1所述的一种具有仿生几何结构特征的蜓爪式末端执行器，其特征在于，在中爪底盘（13）所处的平面内，机械手前爪腿节（4）相对于中爪梁（14）可转动的角度范围为0°～78°，机械手后爪腿节（23）相对于中爪梁（14）可转动的角度范围为0°～78°。

5.根据权利要求1所述的一种具有仿生几何结构特征的蜓爪式末端执行器，其特征在于，倒钩中存在弯曲结构，即倒钩转角（27）的H点与倒钩铰接处（28）的G点的连线与倒钩铰接处（28）的G点与倒钩末端（26）的I点的连线所夹的角度为120°。