CN106625734A - 一种针对异形瓜果仿鸟类爪部的欠驱动柔性末端执行器 - Google Patents

一种针对异形瓜果仿鸟类爪部的欠驱动柔性末端执行器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种仿生类机器人末端执行器，具体涉及仿鸟类爪部的欠驱动柔性末端执行器的结构设计，多用于农产品采摘机器人及智能分选、分装领域。该末端执行器由抓取模块、吸取模块、动力模块和固连模块组成。在执行抓取异形瓜果任务时，吸取模块与抓取模块相互协同配合以完成抓取任务。该发明具有仿形的特点，对异形瓜果能够实现柔性抓取，减少工作过程中对于瓜果的损伤，而且具有响应速度快、工作效率高的优点。

Description

一种针对异形瓜果仿鸟类爪部的欠驱动柔性末端执行器
技术领域
本发明涉及一种仿生类机器人末端执行器，具体涉及仿鸟类爪部的欠驱动柔性末端执行器的结构设计。本发明多用于农产品采摘机器人及智能分选、分装领域，作为末端执行器装备在机械手臂上，具有独立完成抓取异形瓜果的功能。
背景技术
仿生学思想在生物学和技术之间架起了一座桥梁，并且对解决一些技术难题提供了创新性的方法。通过再现生物学的原理，人类不仅找到了技术上的解决方案，而且同时该方案也完全适应了自然的需要。
随着近几年人类对机器人研究的深入，关于机器人机械手的研究也取得了许多不错的成果。机械手的主要形式分为全驱动机械手和欠驱动机械手。由于全驱动机械手驱动数与自由度数相等，一般全驱动机械手自由度数特别大，因此该类机械手的运动控制显得尤其复杂。而欠驱动机械手驱动数少于自由度数，控制简单、维修方便、造价廉价等优势。
综上，仿生学与欠驱动机械手的交叉融合成为了研究末端执行器的热门方向，因此本发明设计了一种针对异形瓜果仿鸟类爪部的欠驱动柔性末端执行器。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的难点，提出一种针对异形瓜果仿鸟类爪部的欠驱动柔性末端执行器。该发明具有对产品损伤小、自由度少、控制简单、制造成本低、易维护保养的特点。
本发明所述的一种针对异形瓜果仿鸟类爪部的欠驱动柔性末端执行器，该末端执行器主要由一个顶盘(1)、伸缩气缸(2)、底盘(4)、真空硅胶吸盘(6)、吸盘杆(5)，两个相同的舵机(3)(11)，两个相同的底座(23)(30)，四个相同的柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)，六个齿轮(16)(17)(18)(19)(21)(22)构成。本发明主要可以分为四个模块介绍：一是抓取模块，二是吸取模块，三是动力模块，四是固连模块。
抓取模块包括柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)、两个相同底座(23)(30)以及六个齿轮(16)(17)(18)(19)(21)(22)。其中柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)有四个关节，分别是顶关节(24)、前关节(26)、中关节(27)和尾关节(28)；顶关节(24)和前关节(26)、前关节(26)和中关节(27)、中关节(27)和尾关节(28)之间通过圆柱销钉(25)依次串联铰接。每一个柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)都由一根钢丝绳(9)串联，在每个关节之间有弹簧(8)，弹簧(8)两端分别顶在两个关节上的通孔周边，而且钢丝绳(9)通过弹簧(8)中心。柔性抓取单元(13)和(15)分别与底座(23)和(30)固定，齿轮(16)和(22)分别固定在底座(30)和(23)，在齿轮(16)和(22)之间依次连接齿轮(17)(18)(19)和(21)。
吸取模块包括真空硅胶吸盘(6)和吸盘杆(5)，吸盘杆(5)通过螺纹固定在支架(10)上，支架(10)通过螺丝固定在伸缩气缸(2)上，真空硅胶吸盘(6)固定在吸盘杆(5)上。
动力模块包括一个伸缩气缸(2)和两个相同的舵机(3)(11)。伸缩气缸(2)通过支架(10)与吸盘杆(5)和真空硅胶吸盘(6)连接，舵机(3)与齿轮(19)连接，舵机(11)底端舵盘(29)末端的四个孔分别连接四个柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)引出的钢丝绳(9)。
固连模块包括顶盘(1)，底盘(4)及一些连接件。底盘(1)与顶盘(4)之间通过六角铜柱和螺丝相连接，伸缩气缸(2)通过螺丝固定在顶盘(1)上，两个相同舵机(3)(11)通过螺丝与螺母固定在顶盘(1)上，关节之间通过圆柱销钉(25)依次串联铰接。
在一些实施方式中，其中：末端执行器是根据鸟类爪部进行力学仿生结构设计。其有益效果是：抓取过程中可以根据被抓取物外形适当调整抓取，以实现最佳抓取效果。当抓取球形类瓜果时柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)之间的分布是鸟类在抓取物体时的所呈的分布即柔性抓取单元(13)和(15)之间呈一定角度分布；当抓取条形瓜果时，柔性抓取单元(13)(15)旋转以适应条形瓜果，保证对瓜果自适应调整抓取。
在一些实施方式中，其中：该机械手的变形由舵机(3)控制。其有益效果是：驱动机构和执行机构分离互不干扰，抓取动作响应敏捷，保证抓取过程的实时性。
在一些实施方式中，其中：柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)的顶关节(24)前关节(26)和中关节(27)尾关节(28)上均贴有高摩擦弹性性能的橡胶垫(7)。其有益效果是：保证在抓取过程中瓜果不被损坏和防止瓜果由于运动惯性而滑落。
附图说明
参见附图
图1为本发明的整体结构示意图
图2为柔性抓取单元分布示意图
图3为齿轮及暗槽孔分布示意图
图4为底座安装示意图
图5为柔性抓取单元装配结构示意图
图6为支架结构示意图
图7为抓取球形类瓜果柔性抓取单元分布示意图
图8为抓取条形类瓜果柔性抓取单元分布示意图
图1中，1、顶盘；2、伸缩气缸；3、舵机；4、底盘；5、吸盘杆；6、真空硅胶吸盘；7、橡胶垫；8、弹簧；9、钢丝绳；10、支架；11、舵机；29、舵盘；31、吸盘杆进气管接头；32、进气管接头1；33、进气管接头2。
图2中，12、柔性抓取单元；13、柔性抓取单元；14、柔性抓取单元；15、柔性抓取单元。
图3中，16、齿轮；17、齿轮；18、齿轮；19、齿轮；20、钢丝绳出孔；21、齿轮；22、齿轮。
图4中，23、底座；30、底座。
图5中，24、顶关节；25、圆柱销钉；26、前关节；27、中关节；28、尾关节。
图6中，10、支架。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创新点、达成的功效易于明白了解，下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明由一个顶盘(1)、伸缩气缸(2)、底盘(4)、真空硅胶吸盘(6)、吸盘杆(5)，两个相同舵机(3)(11)，两个底座(23)(30)，四个相同的柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)，六个齿轮(16)(17)(18)(19)(21)(22)构成；所述的该柔性抓取单元(16)(17)(18)(19)(21)(22)的顶关节(24)和前关节(26)、前关节(26)和中关节(27)、中关节(27)和尾关节(28)之间通过圆柱销钉(25)依次串联铰接，其中柔性抓取单元(12)和(14)固定在底盘上，柔性抓取单元(13)和(15)分别固定在底座(23)和(30)上；两个舵机(3)(11)和伸缩气缸(2)分别固定在顶盘(1)上，顶盘(1)通过六角铜柱与底盘(4)固定，吸盘杆(5)通过支架(10)固定在伸缩气缸(2)上，真空硅胶吸盘(6)固定在吸盘杆(5)上，两个底座(23)(30)安装在底盘(4)上的限位孔中，其中两个相同的齿轮(16)和(22)分别固定在底座(30)和(23)上，在齿轮(16)和(22)之间依次连接齿轮(17)(18)(19)和(21)，舵机(3)与其中齿轮(19)相连。
本发明多用于农产品采摘机器人及智能分选、分装领域，作为末端执行器装备在机械手臂上。配套有视觉识别***、微电脑处理***、智能控制***、传动***和辅助***，以实现独立完成抓取异形瓜果的功能。
当目标果实处于图像采集区域(包括类球形和类条状典型果实)，视觉识别***通过摄像头将果实的外部轮廓信息传递给微电脑处理***进行分析处理；微电脑处理***将分析后的结果传递给智能控制***；智能控制***按照预设的模式发送指令到机械执行***，实现对瓜果的抓取。
下面结合图7说明本发明抓取球形类瓜果的具体工作方式及原理。
当微电脑处理***判断该视觉区域的瓜果属于球形类时，辅助***中的气动电磁阀打开，真空发生器开始工作，吸盘杆进气管接头(31)与真空发生器连接，使真空硅胶吸盘(6)开始吸气，伸缩气缸(2)的进气管接头1(32)接通空气，伸缩气缸(2)推动真空硅胶吸盘(6)伸出接触目标物体并吸住目标物体，舵机(11)旋转，拉动钢丝绳(9)，各关节处弹簧(8)受压缩，使四个柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)张开，伸缩气缸(2)的进气管接头2(33)接通空气，伸缩气缸(2)带动真空硅胶吸盘(6)回缩，舵机(11)反向旋转，钢丝绳(9)放松，弹簧(8)弹力使得柔性抓取单元柔性(12)(13)(14)(15)抓取目标物体。柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)的顶关节(24)前关节(26)和中关节(27)尾关节(28)贴有的高摩擦弹性性能的橡胶垫(7)紧贴瓜果，可以防止瓜果掉落；四个柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)的分布是鸟类在抓取物体时的所呈的分布即柔性抓取单元(13)和(15)之间呈一定角度分布，能达到良好包络瓜果的目的。当到达指定区域时，辅助***中的电磁阀关闭，真空发生器停止工作，真空硅胶吸盘(6)松开球类水果，舵机(11)旋转，拉动钢丝绳(9)，各关节处弹簧(8)受压缩，使四个柔性抓取单元张开(12)(13)(14)(15)，瓜果被放下，完成球类水果抓取动作。
下面结合图8说明本发明抓取条形类瓜果的具体工作方式及原理。
当微电脑处理***判断该视觉区域的瓜果属于条形类时，智能控制***控制辅助***中的舵机(3)旋转，使四个柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)的分布为抓取条形瓜果时的分布模式，辅助***中的气动电磁阀打开，真空发生器开始工作，吸盘杆进气管接头(31)与真空发生器链接，使真空硅胶吸盘(6)开始吸气，伸缩气缸(2)的进气管接头1(32)接通空气，伸缩气缸(2)推动真空硅胶吸盘(6)伸出接触目标物体并吸住目标物体，舵机(11)旋转，拉动钢丝绳(9)，各关节处弹簧(8)受压缩，使四个柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)张开，伸缩气缸(2)的进气管接头2(32)接通空气，伸缩气缸(2)带动真空硅胶吸盘(6)回缩，舵机(11)反向旋转，钢丝绳(9)放松，弹簧(8)弹力使得柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)柔性抓取目标物体。柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)的顶关节(24)前关节(26)和中关节(27)尾关节(28)贴有的高摩擦弹性性能的橡胶垫(7)紧贴瓜果，可以防止瓜果掉落；当到达指定区域时，辅助***中的电磁阀关闭，真空发生器停止工作，真空硅胶吸盘(6)松开条形类水果，舵机(11)旋转，拉动钢丝绳(9)，各关节处弹簧(8)受压缩，使四个柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)张开，瓜果被放下，完成条形类水果抓取动作。
上述虽然附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明技术方案基础上，本领域人员不需付出创造性劳动即可做出的各种修改或者变形，仍在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.本发明所述的一种针对异形瓜果仿鸟类爪部的欠驱动柔性末端执行器，其特征在于：由一个顶盘(1)、伸缩气缸(2)、底盘(4)、硅胶真空吸盘(6)、吸盘杆(5)，两个相同的舵机(2)(11)，两个底座(23)(30)，四个相同的柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)，六个齿轮16)(17)(18)(19)(21)(22)构成；所述的该柔性抓取单元的顶关节(24)和前关节(26)、前关节(26)和中关节(27)、中关节(27)和尾关节(28)之间均通过圆柱销钉(25)依次串联铰接，其中柔性抓取单元(12)和(14)固定在底盘上，柔性抓取单元(13)和(15)分别固定在底座(23)(30)上；两个舵机(3)(11)和伸缩气缸(2)分别固定在顶盘(1)上，顶盘(1)通过六角铜柱与底盘(4)固定，吸盘杆(5)通过支架(10)固定在伸缩气缸(2)上，硅胶真空吸盘(6)固定在吸盘杆(5)上，两个底座(23)(30)分别安装在底盘(4)上的限位孔中，其中两个相同的齿轮(16)(22)分别固定在底座(30)(23)上，在齿轮(16)和(22)之间依次连接齿轮(17)(18)(19)和(21)。舵机(3)与其中齿轮(19)相连。
2.根据权利要求1所述的一种针对异形瓜果仿鸟类爪部的欠驱动柔性末端执行器，其特征在于：设计抓取模块，其由四个柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)组成，每一个柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)都由一根钢丝绳(9)串联，在每个关节之间有弹簧(8)，弹簧(8)两端分别顶在两个关节上的通孔周边，而且钢丝绳(9)通过弹簧(8)中心，当舵机(11)旋转而拉动或放松钢丝绳(9)时，柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)会产生相应柔性的张开或闭合；当舵机(3)旋转时带动齿轮(19)，进而带动齿轮(16)和(22)以及底座(23)和(30)相应带动柔性抓取单元(15)和(13)从而实现末端执行器的变形，以适应对不同瓜果的柔性抓取。
3.根据权利要求1所述的一种针对异形瓜果仿鸟类爪部的欠驱动柔性末端执行器，其特征在于：设计吸取模块，其在抓取过程中伸缩气缸(2)的进气管接头1(32)接通空气，伸缩气缸(2)推动吸盘杆(5)和硅胶真空吸盘(6)伸出，吸盘杆进气管接头(31)通真空，使真空硅胶吸盘(6)开始吸气，硅胶真空吸盘(6)与目标物体接触并吸住目标物体，伸缩气缸(2)的进气管接头2(33)接通空气，使伸缩气缸(2)收缩带动硅胶真空吸盘(6)回收，回收完成后抓取模块执行抓取动作。
4.根据权利要求1所述的一种针对异形瓜果仿鸟类爪部的欠驱动柔性末端执行器，其特征在于：末端执行器在执行抓取异形瓜果任务时，吸取模块与抓取模块相互协同配合以完成抓取任务，保证了抓取动作的高效可行，同时防止瓜果由于运动惯性造成滑落。
5.根据权利要求1所述的一种针对异形瓜果仿鸟类爪部的欠驱动柔性末端执行器，其特征在于：柔性抓取单元(13)和(15)关于柔性抓取单元(12)(14)对称分布，对称角度为60°；底盘直径为100mm，限位孔直径为17mm，到底盘中心的距离为40mm。
6.根据权利要求1所述一种针对异形瓜果仿鸟类爪部的欠驱动柔性末端执行器，其特征在于：底座(23)(30)顶部直径为20mm，高度为2mm，中部直径为16mm，高度为7mm，底座(23)和(30)上开有两个相同的圆柱形延长孔以通过钢丝绳，外弧圆弧直径15mm，内弧直径12mm，末端所成直线夹角为110°，且两圆弧的圆心与底座(23)(30)中心重合；齿轮(16)和(22)开有相同的圆柱形延长孔。
7.根据权利要求1所述的一种针对异形瓜果仿鸟类爪部的欠驱动柔性末端执行器，其特征在于：支架(10)底部外径为10mm，内径为8mm，高为15mm，内部有M8内螺纹，中部有一圆台外径为10mm，内径为3mm，高为1mm，顶部外径为8mm，内径为6mm，高为4.2mm。
8.根据权利要求1所述的一种针对异形瓜果仿鸟类爪部的欠驱动柔性末端执行器，其特征在于：钢丝绳直径1mm，底盘(4)内部留有暗槽来放置钢丝绳(9)，在舵机(11)舵盘(29)正下方开有四个限位孔(20)将钢丝绳(9)与舵盘(29)连接。
9.根据权利要求1所述的一种针对异形瓜果仿鸟类爪部的欠驱动柔性末端执行器，其特征在于：柔性抓取单元(12)(13)(14)(15)的顶关节(24)、前关节(26)、中关节(27)和尾关节(28)上均贴有高摩擦弹性性能的橡胶垫(7)，保证在抓取过程中瓜果不被损坏和防止瓜果由于运动惯性而滑落。
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