CN109760098A - 一种自带摄像机的苹果采摘末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自带摄像机的苹果采摘末端执行器，在能够满足苹果采摘、抓取稳定的前提下，能解决现有的苹果采摘末端执行器无图像采集装置、结构复杂、生产成本高等技术问题。该末端执行器配有3D深度摄像头的摄像机和两关节手指，摄像机通过开孔掌盘对采摘目标的三维位置和尺寸信息进行获取；手指由螺旋弹簧固定后安装于开孔掌盘，每根手指由两个指节、一个驱动连杆和一个从动连杆组成，驱动连杆上的腱绳贯穿开孔掌盘、摄像机托盘后垂直固定在升降圆盘，升降圆盘另一端通过腱绳连接驱动电机。通过自带摄像机定位，电机驱动、腱绳传动，带动手指聚拢，实现由一个电机同时驱动3个手指完成对苹果的包络抓取。

Description

一种自带摄像机的苹果采摘末端执行器

技术领域

本发明涉及农业机器人末端执行器领域，特别是指一种自带摄像机、定位方便，采摘效率高的苹果采摘末端执行器装置，属于农业辅助采摘装置技术。

背景技术

我国苹果栽培面积和产量均居全世界第一，是传统优势出口产品。在苹果生产中，采摘作业是最耗时、最费力的一个环节。目前苹果摘作业主要依靠人工完成，需要大量劳动力，工业化的发展造成了农村劳动力大量流失，同时随着社会人口老龄化，存在效率低、成本高、劳动量大等问题，随着计算机技术、人工智能技术和自动控制技术的发展，机器人正逐步进入到农业生产领域，这也使得苹果采摘机器人成为现代农业生产的重要需求。末端执行器是安装在采摘机器人机械臂前端直接作业的部分，由于苹果的外表较为脆弱，因此末端执行器的工作直接关系到采摘机器人整个采摘作业能否准确、高效，它的设计被认为是农业机器人的核心技术之一。

国内外都在这一领域展开了一定研究，如比利时的Baeten创制了一台通过真空吸持采摘苹果末端执行器，末端执行器为呈苹果形状的硅胶漏斗，作为一个真空吸尘器的嘴，内置摄像机，但对尺寸不同的苹果适应性较差且稳定性不高；浙江大学金波团队开发3个手指的苹果采摘末端执行器，步进电动机驱动，配有螺母和螺杆配合形成的螺旋传动副，通过连杆的传动进而驱动手指的向里运动，实现对苹果的抓取，其采用三关节设计方式，作为衡量抓取稳定重要指标的抓取构形数是和关节数成指数变化的关系，抓取构形越多越容易出现接触点脱离，越不容易稳定，且摄像机在无合适位置对作业对象定位的情况下，图像信息获取存在误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术中苹果采摘末端执行器缺少定位装置、结构复杂、控制难度大、生产成本高等缺陷，提出一种自带摄像机的苹果采摘末端执行器，采用配有3D深度摄像头的摄像机内置在开孔掌盘内对采摘目标的三维位置和尺寸信息进行获取，通过电机驱动，腱绳传动，实现了由3D打印ABS塑料制作的两关节手指对苹果的包络抓取，有效的提高了苹果定位速度与精度，在增加了定位装置的同时减少了指关节数，同时三根手指只配有一个驱动器，简化了结构，降低了成本。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种自带摄像机（13）的苹果采摘末端执行器装置，所述摄像机（13）内置开孔掌盘（9）下，通过固定在摄像机托盘（12）上的U型卡槽（20）和L型卡槽（19）将其装配，确保摄像机（13）在末端执行器工作时水平、倾斜各个工况下不会发生移位；开孔掌盘（9）开孔直径与摄像机镜头大小相等，且开孔掌盘（9）下表面距离镜头之间存在间隙。

进一步的，所述摄像机（13）配有3D深度摄像头，除了能够获取平面图像，还可以获得拍摄对象的深度信息，即通过距离信息获取目标之间更加丰富的位置关系。

手指采用一个两关节欠驱动机构组成，包括近指节（5）、远指节（1），且每根手指均具有驱动连杆（4）和从动连杆（2），所述驱动连杆（4）上有一定比例分配的三个铰接孔，其中一端与从动连杆（2）一端铰接，另外一端与腱绳（10）连接，两端孔夹角为35°，中部与近指节（5）、指节支座（8）共同铰接；所述从动连杆（2）和近指节（5）两端均设置为凹槽，每个凹槽两端有铰接孔，槽口都倒有圆角；远指节（1）设置为直角三角形，斜边和直角边的夹角两端面处被去除等大小的长方体后与从动连杆（2）铰接，另外一端与近指节（5）铰接孔铰接；确保了手指在工作时内部各个构件不会干涉。

进一步的，开孔掌盘（9）上以60°圆心角均布三个指节支座（8）和三个螺旋弹簧Ⅱ（7）：指节支座（8）具有一定高度，能使驱动连杆（4）在腱绳（10）驱动下在一定范围内上下移动且不会与开孔掌盘（9）干涉；螺旋弹簧Ⅱ（7）与驱动连杆（4）下部连接，具有一定刚度，能使手指在自然状态时呈扩口状，工作时可被拉伸，抓取结束后可复原为扩口状。螺旋弹簧Ⅰ（3）与驱动连杆（4）上部和近指节（5）背部连接，以便手指在工作时驱动连杆（4）可以为近指节（5）提供辅助动力使其向心运动，结束工作时驱动连杆（5）可以迫使近指节（5）离心运动使其复位。

进一步的，所述近指节（5）、远指节（1）、驱动连杆（4）、从动连杆（2）组成了两关节手指，传动形式采用了四连杆机构，具有效率高、抓持力大等特点，采用螺旋弹簧作为动力和复位机构。

进一步的，所述开孔掌盘（9）、摄像机托盘（12）及升降圆盘（18）上分别均匀分布3个小孔，其中开孔掌盘（9）和摄像机托盘（12）上的小孔为通孔，每个通孔的开孔位置都可以使与驱动连杆（4）相连接的腱绳（10）垂直下落且不会与之接触；升降圆盘（18）上的小孔为螺栓孔，通过螺栓将垂直下落的腱绳（10）固定，螺栓对腱绳（10）固定时需要调节张紧度，以便末端执行器在各个工况下腱绳（10）与通孔之间不会接触。

进一步的，所述升降圆盘（18）下表面几何中心同样开有一螺栓孔，腱绳（10）一端通过螺栓孔固定，另外一端垂直下落后均匀缠绕在滑轮（16）凹槽上。

进一步的，所述滑轮（16）固定在驱动电机（15）的转轴上，腱绳（10）和转轴之间有一段恒定的偏心距，始终相切于凹槽，设置有一定张紧力，以保证腱绳（10）在任何工况下垂直升降圆盘（18）中心，且升降圆盘（18）不会发生晃动。

进一步的，所述驱动电机（15）固定在底座（14）上。

一种末端执行器，开孔掌盘（9）与摄像机托盘（12）之间通过一种均匀分布的三根上支撑杆（11）固定，摄像机托盘（12）与底座（14）之间通过另外一种均匀分布的三根下支撑杆（17）固定；下支撑杆（17）长度大于上支撑杆（11），以便升降圆盘（18）在垂直腱绳（10）方向上下移动。

进一步的，所述近指节（5）和远指节（1）内侧表面覆盖软硅胶垫，以免损伤苹果表皮。

进一步的，所述近指节（5）和远指节（1）内侧表面设置有压力传感器（6），随时获取采摘过程中的抓取力。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

一种配有摄像机（13）的苹果采摘末端执行器装置，配有3D摄像头的摄像机（13）可以获得拍摄对象的深度信息，深度信息可以完成对目标图像的分割、识别和跟踪并建模，借助其CMOS的特性，可以获取大量数据及信息；所述的三指两关节手指减少了传统末端执行器的指关节数，简化了装置结构，使抓取控制更加灵活，并通过腱绳（10）和螺旋弹簧机构控制手指完成和手掌抓取相似的运动方式，结构设计巧妙、控制灵活、生产成本低。

附图说明

图1为本发明的末端执行器的结构示意图。

图2为本发明的开孔掌盘、摄像机、升降圆盘和电机的连接结构示意图。

图3为本发明的末端执行器面对苹果时手指张开结构示意图。

图4为本发明的末端执行器手指包络抓取苹果结构示意图。

图5为本发明的末端执行器手指结构示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图对本发明进一步详细描述：

参考图1所示，一种自带摄像机的苹果采摘末端执行器装置，包括配有3D深度摄像头的摄像机（13），除了能够获取待采摘植株的二维平面图像，还能获得待采摘苹果的三维位置和尺寸信息，采集的图像信息经过控制模块送入图像处理模块进行处理，对待采摘苹果进行3D建模，并筛选出符合采摘标准的苹果，保证了苹果的品质；从图2可以看出，所述摄像机（13）内置在开孔掌盘（9）下，装配在摄像机托盘（12）上的U型卡槽（20）和L型卡槽上（19），U型卡槽（20）和L型卡槽（19）上固定在摄像机托盘（12）上表面，摄像机（13）通过与摄像镜头直径相等的掌盘（9）上开孔对采摘目标识别定位；另外摄像镜头与开孔掌盘（9）下表面有2cm间隙，开孔掌盘（9）与摄像机托盘（12）之间通过三根长度相同的、均匀分布的上支撑杆（11）固定。

参考图1、图3-图5所示，以结构相同的三个两关节手指为例介绍，两关节手指由近指节（5）、远指节（1）、驱动连杆（4）、从动连杆（2）相互串联组成，驱动连杆（4）一端与从动连杆（2）一端铰接，另外一端与腱绳（10）连接，两端孔夹角为35°，弯曲的驱动连杆（4）会使其上两个端口在垂直开孔掌盘（9）方向有更大的转动行程；中部与近指节（5）、指节支座（8）共同铰接，从动连杆（2）和近指节（5）另外两端分别与远指节（1）铰接组成了一个四连杆手指结构，驱动连杆（4）与近指节（5）之间相连的螺旋弹簧Ⅱ（3），可以在近指节（5）向苹果（21）方向转动时提供辅助动力；所述两关节手指各个机构之间为了防止发生干涉，本实施例中采取了以下几个措施：指节支座（8）在确保正常采摘的情况下设置了一定高度；近指节（5）和从动连杆（2）两端都设置有U型卡槽，且槽底均为倒圆角。

手指对物体的形状适应能力一般与关节数成正比，但是，作为衡量抓取稳定重要指标的抓取构形数是和关节数成指数变化的关系，抓取构形越多越容易出现接触点脱离，进而抓取越不容易稳定。本实施例中设计目的是作为最终执行装置抓取苹果，因此抓取稳定性就显得更加重要。本实施例改进了传统的多关节末端执行器，减少了指关节数，采用了四连杆机构组合传动，不仅提高了抓取稳定性，且控制方便、运动灵活。

参考图2所示，开孔掌盘（9）上以60°圆心角均布三个指节支座（8）和螺旋弹簧Ⅱ（7），驱动连杆（4）和近指节（5）根据对应的铰接孔与指节支座（8）铰接，自然状态下，无论末端执行器处于水平或者倾斜状态，螺旋弹簧Ⅱ（7）的刚度足以保证三个手指在整体外张，与此同时在和驱动电机（15）的配合下，腱绳（10）、升降圆盘（18）不会发生晃动；正常工作时，驱动电机（15）的驱动力克服螺旋弹簧Ⅱ（7）的刚度，三个手指朝向苹果（21）转动，腱绳（10）、升降圆盘（18）也不会发生晃动。

参考图3所示，在摄像机在识别目标苹果过程中，三个手指处于自然状态，整体外张，呈扩口结构，便于苹果（21）的收容；腱绳（10）通过开孔掌盘（9）和摄像机托盘（12）上均匀分布3个小孔垂直下落后与升降圆盘（18）固定，腱绳（10）一端和升降圆盘（18）下表面几何中心连接，另外一端自由下落缠绕在滑轮（16）凹槽上，且腱绳（10）初始状态具有一定的张紧力，滑轮（16）固定在驱动电机（15）的转轴上，驱动电机（15）工作时，腱绳（10）在滑轮（16）凹槽上均匀缠绕；摄像机托盘（12）和底座（14）之间通过三根长度相同的、均匀分布的下支撑杆（17）固定。

参考图4所示，在摄像机（13）将采集的信息经控制模块送入图像处理器（图中未示意）进行处理，控制器（图中未示意）向驱动电机（15）发出指令，电机转轴克服螺旋弹簧Ⅱ（7）的阻力带动滑轮（16）旋转，收缩腱绳（10），升降圆盘（18）下移，通过腱绳（10）带动驱动连杆（4）以中部铰接孔为圆心对心转动，螺旋弹簧Ⅰ（3）变形推动近指节（5）绕指节支座（8）转动，直到接触到苹果（21），受到接触封闭力的约束作用，该自由度被约束，同时从动连杆（2）在驱动连杆（4）的驱动下使得远指节（1）变成工作自由度，远指节（1）向心收拢并于苹果（21）接触，最终形成包容苹果（21）的收纳腔，实现手指的对心运动，完成苹果（21）抓取；近指节（5）和远指节（1）内侧表面覆盖软硅胶垫，以免损伤苹果（21）表皮；近指节（5）和远指节（1）内侧表面设置有压力传感器（6），随时获取采摘过程中的抓取力，当力达到要求值时将信号反馈给驱动电机（15），驱动电机（15）停止工作；这样一来，此末端执行器装置不仅能够实现苹果稳定抓取，而且能够很好的在采摘过程中对目标进行图像识别和定位。

Claims (10)

1.一种自带摄像机的苹果采摘末端执行器，其特征在于：包括配有3D深度摄像头的摄像机（12）、开孔掌盘（9）、摄像机托盘（12）、两关节手指、腱绳（10）、升降圆盘（18）、滑轮（16）和驱动电机（15），所述摄像机（13）装配在摄像机托盘（12）上；两关节手指分别通过所述指节支座（8）支撑于所述开孔掌盘（9）；所述腱绳（10）一端连接手指、另一端贯穿开孔掌盘（9）、摄像机托盘（12）后垂直固定在所述升降圆盘（18）；腱绳（10）一端固定所述升降圆盘（18）中心、另一端连接所述滑轮（16）；滑轮（16）装配于驱动电机（15）的转轴；驱动电机（15）固定于所述底座（14）；所述两关节手指设置有近指节（5）、远指节（1）、驱动连杆（4）和从动连杆（2），近指节（5）、驱动连杆（4）中部铰接孔及指节支座（8）共同铰接，近指节（5）和驱动连杆（4）之间设有螺旋弹簧Ⅰ（3），驱动连杆（4）和开孔掌盘（9）之间设有螺旋弹簧Ⅱ（7），从动连杆（2）与驱动连杆（4）一端铰接，远指节（1）两端分别与近指节（5）和从动连杆（2）铰接。

2.根据权利要求1所述的一种末端执行器，其特征在于：所述开孔掌盘（9）几何中心开孔直径与所述摄像机（13）镜头直径相等，且开孔掌盘（9）下表面与所述摄像机（13）镜头上表面留有2cm间隙。

3.根据权利要求1所述的一种末端执行器，其特征在于：所述摄像机（13）装配在U型卡槽上（20）、两端装卡在L型卡槽（19）内；所述U型卡槽（20）和L型卡槽（19）固定在摄像机托盘（12）上，镜头中心与所述开孔掌盘（9）几何中心重合。

4.根据权利要求1所述的一种末端执行器，其特征在于：所述开孔掌盘（9）上均布三个指节支座（8），所述驱动连杆（4）上有3个铰接孔，两个端孔之间有35°夹角，设置为弯曲的连杆，其中一端与从动连杆（2）铰接，另外一端与腱绳（10）连接。

5.根据权利要求1或3或4所述的一种末端执行器，其特征在于：所述开孔掌盘（9）、摄像机托盘（12）均布三个小孔，腱绳（10）通过开孔掌盘（9）和摄像机托盘（12）上均匀分布3个小孔垂直下落后与升降圆盘（18）固定。

6.根据权利要求5所述的一种末端执行器，其特征在于：升降圆盘（18）下表面几何圆心处设置有一个螺栓孔，腱绳（10）一端通过螺栓与固定，另外一端垂直下落与滑轮（16）上的凹槽均匀缠绕，下落方向与升降圆盘（18）中心轴重合所述、相切与滑轮（16），滑轮（16）固定在驱动电机（15）的转轴上。

7.根据权利要求5或6所述的一种末端执行器，其特征在于：开孔掌盘（9）与摄像机托盘（12）之间通过均匀分布的三根上支撑杆（11）固定，摄像机托盘（12）与底座（14）之间通过均匀分布的三根下支撑杆（17）固定，下支撑杆（17）长度大于上支撑杆（11）。

8.根据权利要求1或4所述的一种末端执行器，其特征在于：近指节（5）和远指节（1）内侧表面覆盖软硅胶垫，减少抓取过程中对苹果的损伤，并且近指节（1）和远指节（5）上的压力传感器（6）可以对夹持力进行反馈。

9.根据权利要求8所述的一种末端执行器，其特征在于：所述驱动电机（15）的转速根据电机脉冲频率控制，所述压力传感器（6）获取各个手指的接触力，当手指表面压力传感器（6）达到设定的抓取力，信号反馈给驱动电机（15），驱动电机（15）停止运动，实现苹果抓取。

10.根据权利要求1所述的一种末端执行器，其特征在于：所述手指、支撑杆、指节支座（8）、开孔掌盘（9）、摄像机托盘（12）、升降圆盘（18）、底座（14）均选用3D打印ABS塑料。