CN106068927B - 一种水果抓持机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农业机械技术领域，尤其涉及一种水果抓持机械手。该水果抓持机械手包括驱动机构、筒型支撑、转盘、抓持爪和导向盖；在驱动机构驱动下转盘转动，由于抓持爪的一端可滑动地卡设在转盘上螺旋线型导向滑槽内，另一端穿过导向盖上向心矩形导向槽，在转盘转动的过程中，抓持爪同时受到向心矩形导向槽和螺旋线型导向滑槽的制约，抓持爪便沿着向心矩形导向槽向着或远离导向盖中心的方向移动，这样抓持爪的动作可完成水果的抓持和释放，这种机械手结构简单、紧凑、小巧，夹紧水果速度快，可极大地提高水果采摘的效率。

Description

一种水果抓持机械手

技术领域

本发明涉及农业机械技术领域，尤其涉及一种水果抓持机械手。

背景技术

目前，我国水果种植面积大，采摘任务繁重。随着人口老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本日益提高，水果自动化采摘已成为必然发展趋势。近些年来一些高校和科研院所在水果采摘机器人的研究中取得一些成果，然而这些采摘机器人仍处于研究阶段，无法实现采摘自动化作业。究其原因：(1)水果在树上随机分布，姿态各异，有些水果被枝叶遮挡，对机器视觉识别难度较大，水果无法精准定位；(2)机械手庞大，结构复杂，关节自由度多，动作缓慢，采摘效率极低，水果容易受伤，而且在果树的某些部位机械手因体积大而无法进入，因此这些机器人无法满足精准、高效的水果采摘要求。鉴于此，本发明针对上述机械手结构复杂、关节自由度多、体积大、动作缓慢，采摘效率极低，水果容易受伤的缺陷提供一种水果抓持机械手。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种水果抓持机械手以解决现有技术的机械手结构复杂、关节自由度多、体积大、动作缓慢，采摘效率极低和水果容易受伤等问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水果抓持机械手，其包括驱动机构、筒型支撑、转盘、抓持爪和导向盖；所述驱动机构固定在所述筒型支撑内，所述转盘的后侧与所述驱动机构的驱动端连接，所述转盘的前侧开设有多个螺旋线型导向滑槽；所述转盘的前方设置有导向盖，所述导向盖固定在所述筒型支撑上，所述导向盖上开设有多个以转盘的旋转中心为中心的向心导向槽；所述抓持爪的一端可滑动地卡设在所述螺旋线型导向滑槽内，另一端穿过向心导向槽且伸向导向盖的前方。

其中，所述筒型支撑包括相连接的第一圆筒型支撑和第二圆筒型支撑，所述驱动机构为步进电机，所述步进电机固定在第一圆筒形支撑内，所述转盘位于第二圆筒形支撑内，所述转盘具有中心孔，所述中心孔与所述步进电机的输出转轴固定连接。

其中，所述螺旋线型导向滑槽呈以转盘旋转中心为极点的对数螺旋线或阿基米德螺旋线走向；所述向心导向槽为向心矩形导向槽。

其中，所述螺旋线型导向滑槽的截面为倒“T”型，多个所述螺旋线型导向滑槽以转盘的旋转中心为中心均匀分布。

其中，所述向心矩形导向槽与所述螺旋线型导向滑槽的数目相同，多个所述向心矩形导向槽以转盘的旋转中心为中心均匀分布。

其中，所述抓持爪、向心矩形导向槽及螺旋线型导向滑槽的数目均为三个，每个抓持爪对应一个向心矩形导向槽和一个螺旋线型导向滑槽；在驱动机构驱动下转盘转动，三个所述抓持爪同时沿着所述向心矩形导向槽向着或远离所述导向盖中心的方向移动。

其中，所述抓持爪包括依次连接的末端指、导向柱体和定位柱体，所述导向柱体和定位柱体嵌入在所述螺旋线型导向滑槽内，所述定位柱体可滑动地卡设于所述螺旋线型导向滑槽的槽底，所述导向柱体与所述螺旋线型导向滑槽的槽侧面之间为间隙配合。

其中，所述末端指包括依次连接的倾斜段和竖直段，所述竖直段与所述向心矩形导向槽的槽侧面之间的间隙为0.1-1mm，所述末端指的截面呈方形且方形截面的四个角处圆弧过渡。

其中，还包括控制单元，所述导向盖的前侧中心位置还设置有压力传感器，所述压力传感器和所述驱动机构均与所述控制单元电连接。

其中，还包括第一限位传感器和第二限位传感器，所述螺旋线型导向滑槽的两端底面分别开设有安装孔，所述第一限位传感器和第二限位传感器分别安装在所述螺旋线型导向滑槽两端底面的安装孔内，所述第一限位传感器和第二限位传感器均与所述控制单元电连接。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)在驱动机构驱动下转盘转动，由于抓持爪的一端可滑动地卡设在转盘上螺旋线型导向滑槽内，另一端穿过导向盖上向心矩形导向槽，在转盘转动的过程中，抓持爪同时受到向心矩形导向槽和螺旋线型导向滑槽的制约，抓持爪便沿着向心矩形导向槽向着或远离导向盖中心的方向移动，这样抓持爪的动作可完成水果的抓持和释放，这种机械手结构简单、紧凑、小巧，夹紧水果速度快，可极大地提高水果采摘的效率。

(2)优选地，抓持爪、向心矩形导向槽及螺旋线型导向滑槽的数目均为三个，螺旋线型导向滑槽呈对数螺旋线或阿基米德螺旋线走向，抓持爪的一端在螺旋线型导向滑槽内滑动顺畅，三爪联动，水果抓持快速高效。

(3)通过在导向盖的前侧设置压力传感器可精确检测水果的受力，然后经过控制单元控制驱动机构，使得机械手不损伤水果；通过第一限位传感器和第二限位传感器的设置可精确检测抓持爪的极限位置，进而控制驱动机构，避免对抓持爪造成损害，运作更安全精确。

附图说明

图1为本发明实施例水果抓持机械手的A-A剖视图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1的B-B剖视图；

图4为转盘的结构示意图；

图5为图4的C-C剖面图，即截面为倒“T”型螺旋线型导向滑槽的结构示意图；

图6为抓持爪的结构示意图；

图7为导向盖的结构示意图；

图8为图7的D-D剖视图；

图9为筒型支撑的主视图；

图10为筒型支撑的右视图；

图11为电机后盖的主视图。

图中，1：抓持爪；2：导向盖；3：转盘；4：筒型支撑；5：步进电机；6：电机后盖；7：压力传感器；8：第一限位传感器；9：第二限位传感器；1.1：导向柱体；1.2：定位柱体；1.3：末端指；2.1：向心矩形导向槽；3.1：螺旋线型导向滑槽；3.2：中心孔；4.1：圆形隔板；4.2：小径圆筒；4.3：大径圆筒；5.1：转轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“前”、“后”、“底”“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”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。

如图1、图2、图4、图6和图9所示，本发明提供的水果抓持机械手包括驱动机构、筒型支撑4、转盘3、抓持爪1和导向盖2；驱动机构固定在筒型支撑4内，该驱动机构优选为步进电机5，转盘3的后侧与驱动机构的驱动端连接，由驱动机构驱动而转动，转盘3的前侧开设有三个螺旋线型导向滑槽3.1；转盘3的前方设置有导向盖2，导向盖2固定在筒型支撑4上，导向盖2上开设有三个以转盘3的旋转中心为中心的向心矩形导向槽2.1；抓持爪1的一端可滑动地卡设在螺旋线型导向滑槽3.1内(通过螺旋型的设置，在转盘3转动时可保证抓持爪1的一端在螺旋线型导向滑槽3.1内滑动)，另一端穿过向心矩形导向槽2.1且伸向导向盖2的前方，当然抓持爪1的数目与螺旋线型导向滑槽3.1和向心矩形导向槽2.1的数目相同，水果被抓持后位于导向盖2前方。

上述实施方式中，由于抓持爪1的一端可滑动地卡设在螺旋线型导向滑槽3.1内，另一端穿过向心矩形导向槽2.1，在驱动机构驱动下转盘3转动，抓持爪1同时受到向心矩形导向槽2.1和螺旋线型导向滑槽3.1的制约，抓持爪1便沿着向心矩形导向槽2.1向着或远离导向盖2中心的方向移动，这样抓持爪1的动作可完成水果的抓持和释放，这种机械手结构简单、紧凑、小巧，夹紧水果速度快，可极大地提高水果采摘的效率。

上述技术方案中，抓持爪1的数目与螺旋线型导向滑槽3.1和向心矩形导向槽2.1的数目根据需要可设置为两个、四个、五个或其他数目；上述向心矩形导向槽2.1的形状不限于矩形，也可采用其他长条型结构；上述转盘3优选为圆盘，当然其他形状的转盘也在本申请的保护范围内。

优选地，如图9、图10和图11中，筒型支撑4包括相连接的第一圆筒型支撑和第二圆筒型支撑，当然筒型支撑4的形状可以为圆筒型，也可为方筒型或其他形状；步进电机5固定在第一圆筒型支撑内，转盘3位于第二圆筒型支撑内，第一圆筒型支撑和第二圆筒型支撑的筒径大小可根据具体步进电机5和转盘3的大小型号而定；图中，第一圆筒型支撑为小径圆筒4.2，第二圆筒型支撑为大径圆筒4.3，筒型支撑4的一端设置大径圆筒4.3，另一端设置小径圆筒4.2，中间用圆形隔板4.1将大径圆筒4.3和小径圆筒4.2连接，所述圆形隔板4.1的中间开设中心通孔，步进电机5的静止部分位于小径圆筒4.2内且固定于圆形隔板4.1上(当然，步进电机5也可通过在其侧面设置支撑连接件而固定于小径圆筒4.2的内侧面上)，步进电机5的转轴5.1穿过圆形隔板4.1的中心通孔进入大径圆筒4.3内，小径圆筒4.2的后端设置有电机后盖6；所述转盘3上设置中心孔3.2，中心孔3.2与步进电机5的转轴5.1固定连接且由电机轴肩轴向定位，步进电机5与转盘3的连接更便捷牢固，传动更可靠。

另外，导向盖2固定于圆筒型支撑4上的大径圆筒4.3端部，电机后盖6固定于筒型支撑4上的小径圆筒4.2端部。

具体地，如图2、图3、图4和图5中，螺旋线型导向滑槽3.1呈以转盘旋转中心为极点的对数螺旋线或阿基米德螺旋线走向，可以保证抓持爪1的一端在螺旋线型导向滑槽3.1内更顺畅地滑动，驱动更省力；螺旋线型导向滑槽3.1的截面为倒“T”型，三个螺旋线型导向滑槽3.1以转盘3的旋转中心为中心均匀分布；也就是，三个截面倒“T”型导向滑槽中的任一个绕转盘3的中心旋转120°，可与另一个截面倒“T”型导向滑槽完全重合。通过螺旋线型导向滑槽3.1的均布设置，可使抓持爪1的受力更均匀，水果的受力更均匀，避免受力不均对水果的损伤。

具体地，向心矩形导向槽2.1与螺旋线型导向滑槽3.1的数目相同，三个向心矩形导向槽2.1以转盘3的旋转中心为中心均匀分布。也就是，三个向心矩形导向槽2.1中的任一个绕导向盖2的中心旋转120°可与另一个向心矩形导向槽2.1完全重合；向心矩形导向槽2.1与夹爪末端指1.3的竖直段两侧的间隙为0.1-1mm；每个抓持爪1对应一个向心矩形导向槽2.1和一个螺旋线型导向滑槽3.1；在驱动机构驱动下转盘3转动，三个抓持爪1同时沿着向心矩形导向槽2.1向着或远离导向盖2中心的方向移动。

具体地，如图6所示，抓持爪1包括依次连接的末端指1.3、导向柱体1.1和定位柱体1.2，导向柱体1.1和定位柱体1.2嵌入在螺旋线型导向滑槽3.1内，定位柱体1.2可滑动地卡设于螺旋线型导向滑槽3.1的槽底，导向柱体1.1与螺旋线型导向滑槽3.1的槽侧面之间为间隙配合；进一步地，所述末端指1.3由竖直段和倾斜段连接而成，所述末端指1.3的竖直段穿过导向盖2上的向心矩形导向槽2.1，在转盘3转动时，竖直段受到向心矩形导向槽2.1的制约，从而可促使抓持爪1的一端在螺旋线型导向滑槽3.1内滑动。

优选地，如图2、图6、图7和图8中，末端指1.3的截面呈方形且方形截面的四个角处圆弧过渡，方形的末端指1.3与向心矩形导向槽2.1配合，可更好地发挥向心矩形导向槽2.1对方形的末端指1.3的制约作用，方形截面的四个角处圆弧过渡可使末端指1.3在向心矩形导向槽2.1内顺畅滑动。

优选地，本发明水果抓持机械手还包括控制单元，导向盖2的前侧中心位置还设置有压力传感器7，压力传感器7和驱动机构均与控制单元电连接，其中，导向盖2的中心位置设置中心圆台，压力传感器7固定于导向盖2设置的中心圆台上。通过在导向盖2的前侧设置压力传感器7可精确检测水果的受力，然后经过控制单元控制驱动机构，使得机械手不损伤水果。

进一步地，本发明水果抓持机械手还包括第一限位传感器8和第二限位传感器9，螺旋线型导向滑槽3.1的两端底面分别开设有安装孔，第一限位传感器8和第二限位传感器9分别安装在螺旋线型导向滑槽3.1两端底面的安装孔内，第一限位传感器8和第二限位传感器9均与控制单元电连接。通过第一限位传感器8和第二限位传感器9的设置可精确检测抓持爪1的极限位置，进而控制驱动机构，避免对抓持爪1造成损害，运作更安全精确。

另外，本发明水果抓持机械手中除标准件外，其它所有零件的材料为ABS塑料，从而可减小水果抓持机械手整体的重量，使水果抓持机械手更加小巧，使用起来更加便捷。

综上所述，本发明水果抓持机械手中，在转盘3转动过程中，抓持爪1同时受到导向盖2上向心矩形导向槽2.1和转盘3上螺旋线型导向滑槽3.1的制约，抓持爪1沿着向心矩形导向槽2.1向着或远离导向盖2中心的方向移动，这样抓持爪1的动作可完成水果的抓持和释放，这种机械手结构简单、紧凑、小巧，夹紧水果速度快，可极大地提高水果采摘的效率；抓持爪1、向心矩形导向槽2.1及螺旋线型导向滑槽3.1的数目均为三个，均匀分布，三爪联动，水果抓持快速高效；通过第一限位传感器8和第二限位传感器9的设置可精确检测抓持爪1的极限位置，进而控制驱动机构，避免对抓持爪1造成损害，运作更安全精确。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种水果抓持机械手，其特征在于：包括驱动机构、筒型支撑、转盘、抓持爪和导向盖；所述驱动机构固定在所述筒型支撑内，所述转盘的后侧与所述驱动机构的驱动端连接，所述转盘的前侧开设有多个螺旋线型导向滑槽；所述转盘的前方设置有导向盖，所述导向盖固定在所述筒型支撑上，所述导向盖上开设有多个以转盘的旋转中心为中心的向心导向槽；所述抓持爪的一端可滑动地卡设在所述螺旋线型导向滑槽内，另一端穿过向心导向槽且伸向导向盖的前方；所述螺旋线型导向滑槽的截面为倒“T”型；所述螺旋线型导向滑槽呈以转盘旋转中心为极点的对数螺旋线或阿基米德螺旋线走向；所述向心导向槽为向心矩形导向槽；所述抓持爪包括依次连接的末端指、导向柱体和定位柱体，所述导向柱体和定位柱体嵌入在所述螺旋线型导向滑槽内，所述定位柱体可滑动地卡设于所述螺旋线型导向滑槽的槽底，所述导向柱体与所述螺旋线型导向滑槽的槽侧面之间为间隙配合。

2.根据权利要求1所述的水果抓持机械手，其特征在于：所述筒型支撑包括相连接的第一圆筒型支撑和第二圆筒型支撑，所述驱动机构为步进电机，所述步进电机固定在第一圆筒形支撑内，所述转盘位于第二圆筒形支撑内，所述转盘具有中心孔，所述中心孔与所述步进电机的输出转轴固定连接。

3.根据权利要求2所述的水果抓持机械手，其特征在于：多个所述螺旋线型导向滑槽以转盘的旋转中心为中心均匀分布。

4.根据权利要求3所述的水果抓持机械手，其特征在于：所述向心矩形导向槽与所述螺旋线型导向滑槽的数目相同，多个所述向心矩形导向槽以转盘的旋转中心为中心均匀分布。

5.根据权利要求4所述的水果抓持机械手，其特征在于：所述抓持爪、向心矩形导向槽及螺旋线型导向滑槽的数目均为三个，每个抓持爪对应一个向心矩形导向槽和一个螺旋线型导向滑槽；在驱动机构驱动下转盘转动，三个所述抓持爪同时沿着所述向心矩形导向槽向着或远离所述导向盖中心的方向移动。

6.根据权利要求1所述的水果抓持机械手，其特征在于：所述末端指包括依次连接的倾斜段和竖直段，所述竖直段与所述向心矩形导向槽的槽侧面之间的间隙为0.1-1mm，所述末端指的截面呈方形且方形截面的四个角处圆弧过渡。

7.根据权利要求1-6任一项所述的水果抓持机械手，其特征在于：还包括控制单元，所述导向盖的前侧中心位置还设置有压力传感器，所述压力传感器和所述驱动机构均与所述控制单元电连接。

8.根据权利要求7所述的水果抓持机械手，其特征在于：还包括第一限位传感器和第二限位传感器，所述螺旋线型导向滑槽的两端底面分别开设有安装孔，所述第一限位传感器和第二限位传感器分别安装在所述螺旋线型导向滑槽两端底面的安装孔内，所述第一限位传感器和第二限位传感器均与所述控制单元电连接。