本發(fā)明涉及機(jī)器人末端執(zhí)行器領(lǐng)域，特別涉及一種欠驅(qū)動(dòng)果蔬采摘末端執(zhí)行器裝置及采摘方法。

背景技術(shù)：

在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，蔬菜和水果分別是第二、三大種植作物，是很多地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)。果蔬采摘作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最耗時(shí)耗力的一個(gè)環(huán)節(jié)，約占整個(gè)生產(chǎn)過程作業(yè)量的40％。勞動(dòng)強(qiáng)度高，人工采摘成本高且果蔬的季節(jié)性強(qiáng)，因此農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的應(yīng)用是解決存在問題與現(xiàn)狀矛盾的根本出路。

現(xiàn)在的末端執(zhí)行器中，兩指末端執(zhí)行器存在手指尺寸大，抓取不穩(wěn)定的問題；多指末端執(zhí)行器采用多個(gè)動(dòng)力源，使得末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)體積、重量較大，難以保證產(chǎn)品的可靠性。對(duì)于剪切果梗機(jī)構(gòu)，大多需要首先進(jìn)行果梗的識(shí)別定位，使得果實(shí)采摘抓取時(shí)間變長(zhǎng)，采摘效率低。欠驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器作為未來的發(fā)展方向，目前許多國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)均對(duì)其進(jìn)行了研究，它通過減少驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量，減輕了機(jī)構(gòu)重量，減小了機(jī)構(gòu)體積，從而降低了成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種欠驅(qū)動(dòng)果蔬采摘末端執(zhí)行器裝置及采摘方法，該裝置通過手指基座上不同的安裝孔，實(shí)現(xiàn)手掌和手指基座兩種不同位姿的連接：三指對(duì)心、兩指和另外一個(gè)手指平行的位姿。在三指對(duì)心的狀態(tài)下，通過電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)桿進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)手指相向運(yùn)動(dòng)閉攏，實(shí)現(xiàn)包絡(luò)抓取，并配合機(jī)械臂的旋擰實(shí)現(xiàn)果實(shí)的采摘；在兩手指和另一個(gè)手指處于平行的狀態(tài)，通過電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)桿進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)手指相向運(yùn)動(dòng)，然后通過機(jī)械臂折斷果?；蛘咄ㄟ^果梗剪切裝置剪切果梗，實(shí)現(xiàn)不同位姿的抓取，方便不同種類的果蔬采摘，具有一定的通用性和實(shí)用性。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。

一種欠驅(qū)動(dòng)果蔬采摘末端執(zhí)行器裝置，包括手掌5、均勻分布并固定在手掌5上的2‐4個(gè)手指基座4、手指基座4上安裝的具有結(jié)構(gòu)相同的手指，所述手指有三個(gè)關(guān)節(jié)，分別為近指節(jié)3、中指節(jié)2和遠(yuǎn)指節(jié)1，每個(gè)關(guān)節(jié)與果蔬接觸的一側(cè)粘有力傳感器18和防止關(guān)節(jié)損壞的橡膠17，其中，近指節(jié)3一端和手指基座4鉸接，近指節(jié)3另一端和中指節(jié)2一端通過連桿機(jī)構(gòu)連接，中指節(jié)2另一端和遠(yuǎn)指節(jié)1一端通過連桿機(jī)構(gòu)連接；所述手掌5下方，均勻分布并固定有多根長(zhǎng)度相同的支撐桿15，支撐桿15另一端和底板12固定連接，底板12下表面和第一步進(jìn)電機(jī)11接觸并固定連接，且底板12下表面的幾何中心和第一步進(jìn)電機(jī)11與之相接觸的表面幾何中心重合，底板12中心開有直徑大于第一步進(jìn)電機(jī)11軸徑的孔，便于電機(jī)軸通過，第一步進(jìn)電機(jī)11通過聯(lián)軸器13和絲桿螺母14連接，絲桿螺母14的移動(dòng)部分和升降平臺(tái)16固定連接且兩者的中心重合，升降平臺(tái)16上方均勻鉸接有與手指數(shù)量相同的驅(qū)動(dòng)桿6，驅(qū)動(dòng)桿6的另一端和近指節(jié)1鉸接；所述手掌5側(cè)面和側(cè)安裝板9上端垂直并固定連接，側(cè)安裝板9的長(zhǎng)度大致等于手掌5和底板12之間的距離，側(cè)安裝板9下端和底板12側(cè)面固定連接，側(cè)安裝板9上固定有同步帶裝置8，同步帶裝置包括主動(dòng)輪、皮帶和從動(dòng)輪，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的軸線均和側(cè)安裝板9的面垂直，且主從動(dòng)輪中心的連線和側(cè)安裝板9的長(zhǎng)度方向平行，保證皮帶傳動(dòng)過程中的良好受力，同步帶裝置8的主動(dòng)輪和第二步進(jìn)電機(jī)10連接，從動(dòng)輪和刀具7鉸接。

所述手掌5上均布三個(gè)手指基座4，手指基座4與手掌5固定連接的部分開有兩組在圓周上呈60度分布的安裝孔，基座4的兩組安裝孔分別和手掌5對(duì)應(yīng)的安裝孔通過螺栓連接，實(shí)現(xiàn)手指的對(duì)心抓取和平行抓取。

所述遠(yuǎn)指節(jié)1和中指節(jié)2、中指節(jié)2和近指節(jié)3之間安裝有限制相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的扭簧19，且扭簧19安裝時(shí)，有初始轉(zhuǎn)矩。

所述底板12在同步帶裝置8的主從動(dòng)輪中心的連線之間設(shè)計(jì)有限制刀具轉(zhuǎn)動(dòng)的突出小塊I。

欠驅(qū)動(dòng)果實(shí)采摘末端執(zhí)行器裝置的采摘的方法，所述第一步進(jìn)電機(jī)11通電，電機(jī)11正轉(zhuǎn)，通過聯(lián)軸器13帶動(dòng)絲桿螺母14轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿螺母14將第一步進(jìn)電機(jī)11的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲桿螺母14的移動(dòng)，帶動(dòng)與螺母連接的升降平臺(tái)16向上移動(dòng)，升降平臺(tái)16推動(dòng)與之相鉸接的驅(qū)動(dòng)桿6順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)桿6帶動(dòng)與之鉸接的近指節(jié)3彎曲接觸果實(shí)II，繼續(xù)增大的驅(qū)動(dòng)力使得近指節(jié)3和中指節(jié)2之間的扭簧19開始扭轉(zhuǎn)，中指節(jié)2開始運(yùn)動(dòng)，直到中指節(jié)2接觸果實(shí)II，驅(qū)動(dòng)力繼續(xù)增加，使得中指節(jié)2和遠(yuǎn)指節(jié)1之間的扭簧19也開始扭轉(zhuǎn)，然后遠(yuǎn)指節(jié)1接觸果實(shí)II，完成抓?。蝗缓?，第二步進(jìn)電機(jī)10通過同步帶裝置8帶動(dòng)刀具7旋轉(zhuǎn)剪切果梗，完成果實(shí)II采摘；刀具7繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到接觸到突出小塊I后，第二步進(jìn)電機(jī)10停止轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具7停止轉(zhuǎn)動(dòng)；然后，第一步進(jìn)電機(jī)11反轉(zhuǎn)，通過聯(lián)軸器13帶動(dòng)與螺母連接的升降平臺(tái)16向下移動(dòng)，升降平臺(tái)16推動(dòng)與之相鉸接的驅(qū)動(dòng)桿6逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)桿6帶動(dòng)與之鉸接的近指節(jié)3松開果實(shí)II，便于后續(xù)的果實(shí)處理。

第一步進(jìn)電機(jī)11、第二步進(jìn)電機(jī)10的轉(zhuǎn)速是根據(jù)電機(jī)的脈沖頻率進(jìn)行控制的；為了避免手指接觸力過大，損傷果實(shí)II，采用力傳感器18獲取各個(gè)手指的接觸力，當(dāng)手指表面的力傳感器18到達(dá)設(shè)定的抓取力，將信號(hào)反饋給第一步進(jìn)電機(jī)11，控制電機(jī)11停止運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)果實(shí)II抓取。

本發(fā)明具有的有益效果是：

與現(xiàn)有采摘末端執(zhí)行器裝置相比，本發(fā)明的欠驅(qū)動(dòng)果蔬采摘末端執(zhí)行器裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，不但可以完成果實(shí)的包絡(luò)抓取，還可以完成果實(shí)的平行抓取，具有一定的通用性；運(yùn)用帶輪傳動(dòng)帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)切割果梗，無需進(jìn)行果梗的識(shí)別和定位。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，控制靈活且成本低廉。將此末端執(zhí)行器安裝在機(jī)械臂上可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的采摘。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的欠驅(qū)動(dòng)果蔬采摘末端執(zhí)行器裝置手指對(duì)心裝配示意圖。

圖2是本發(fā)明的欠驅(qū)動(dòng)果蔬采摘末端執(zhí)行器裝置手指平行裝配示意圖。

圖3是本發(fā)明的手指內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

其中：1、遠(yuǎn)指節(jié)；2、中指節(jié)；3、近指節(jié)；4、手指基座；5、手掌；6、驅(qū)動(dòng)桿；7、刀具；8、同步帶裝置；9、側(cè)安裝板；10、第二步進(jìn)電機(jī)；11、第一步進(jìn)電機(jī)；12、底板；13、聯(lián)軸器；14、絲桿螺母；15、支撐桿；16、升降平臺(tái)；17、橡膠；18、力傳感器；19、扭簧；I：突出小塊；II：果實(shí)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

如圖1、圖2和圖3所示，一種欠驅(qū)動(dòng)果蔬采摘末端執(zhí)行器裝置，包括手掌5、均勻分布并固定在手掌5上的2‐4個(gè)手指基座4(本實(shí)施例為三個(gè)手指基座4)、手指基座4上安裝的具有結(jié)構(gòu)相同的手指，所述手指有三個(gè)關(guān)節(jié)，分別為近指節(jié)3、中指節(jié)2、遠(yuǎn)指節(jié)1，每個(gè)指節(jié)與果蔬接觸的一側(cè)粘有橡膠17和力傳感器18，其中，近指節(jié)3一端和手指基座4鉸接，近指節(jié)3另一端和中指節(jié)2通過連桿機(jī)構(gòu)連接，中指節(jié)2另一端和遠(yuǎn)指節(jié)1通過連桿機(jī)構(gòu)連接；所述手掌5下方，均勻分布并固定有三根長(zhǎng)度相同的支撐桿15，支撐桿15另一端和底板12固定連接，底板12下表面和第一步進(jìn)電機(jī)11接觸并固定連接，且底板12下表面的幾何中心和第一步進(jìn)電機(jī)11與之相接觸的表面幾何中心重合，底板12中心開有直徑大于第一步進(jìn)電機(jī)11軸徑的孔，便于電機(jī)軸通過，第一步進(jìn)電機(jī)11通過聯(lián)軸器13和絲桿螺母14連接，絲桿螺母14的移動(dòng)部分和升降平臺(tái)16固定連接且兩者的中心重合，升降平臺(tái)16上方均勻鉸接有與手指數(shù)量相同的驅(qū)動(dòng)桿6，驅(qū)動(dòng)桿6的另一端和近指節(jié)1鉸接；所述手掌5側(cè)面和側(cè)安裝板9上端垂直并固定連接，側(cè)安裝板9的長(zhǎng)度大致等于手掌5和底板12之間的距離，側(cè)安裝板9下端和底板12側(cè)面固定連接，側(cè)安裝板9上固定有同步帶裝置8，同步帶裝置包括主動(dòng)輪、皮帶、從動(dòng)輪，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的軸線均和側(cè)安裝板9的面垂直，且主從動(dòng)輪中心的連線和側(cè)安裝板9的長(zhǎng)度方向平行，保證皮帶傳動(dòng)過程中的良好受力，同步帶裝置8的主動(dòng)輪和第二步進(jìn)電機(jī)10連接，從動(dòng)輪和刀具7鉸接。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述手掌5上均布三個(gè)手指基座4，手指基座4與手掌5固定連接的部分開有兩組在圓周上呈60度分布的安裝孔，基座4的兩組安裝孔分別和手掌5對(duì)應(yīng)的安裝孔通過螺栓連接，實(shí)現(xiàn)手指的對(duì)心抓取(如圖1所示)和平行抓取(如圖2所示)。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述遠(yuǎn)指節(jié)1和中指節(jié)2、中指節(jié)2和近指節(jié)3之間安裝有限制相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的扭簧19，且扭簧19安裝時(shí)，有初始轉(zhuǎn)矩。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述底板12在同步帶裝置8的主從動(dòng)輪中心的連線之間設(shè)計(jì)有限制刀具轉(zhuǎn)動(dòng)位置的突出小塊I。

欠驅(qū)動(dòng)果實(shí)采摘末端執(zhí)行器裝置的采摘方法，所述第一步進(jìn)電機(jī)11通電，電機(jī)11正轉(zhuǎn)，通過聯(lián)軸器13帶動(dòng)絲桿螺母14轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿螺母14將第一步進(jìn)電機(jī)11的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺母的移動(dòng)，帶動(dòng)與螺母連接的升降平臺(tái)16向上移動(dòng)，升降平臺(tái)16推動(dòng)與之相鉸接的驅(qū)動(dòng)桿6順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)桿6帶動(dòng)與之鉸接的近指節(jié)3彎曲接觸果實(shí)II，繼續(xù)增大的驅(qū)動(dòng)力使得近指節(jié)3和中指節(jié)2之間的扭簧19開始扭轉(zhuǎn)，中指節(jié)2開始運(yùn)動(dòng)，直到中指節(jié)2接觸果實(shí)II，驅(qū)動(dòng)力繼續(xù)增加，使得中指節(jié)2和遠(yuǎn)指節(jié)1之間的扭簧19也開始扭轉(zhuǎn)，然后遠(yuǎn)指節(jié)1接觸果實(shí)II，完成抓取。然后，第二步進(jìn)電機(jī)10通過同步帶裝置8帶動(dòng)刀具7旋轉(zhuǎn)剪切果梗，完成果實(shí)II采摘；刀具7繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到接觸到突出小塊I后，第二步進(jìn)電機(jī)10停止轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具7停止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后，第一步進(jìn)電機(jī)11反轉(zhuǎn)，通過聯(lián)軸器13帶動(dòng)與螺母連接的升降平臺(tái)16向下移動(dòng)，升降平臺(tái)16推動(dòng)與之相鉸接的驅(qū)動(dòng)桿6逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)桿6帶動(dòng)與之鉸接的近指節(jié)3松開果實(shí)II，便于后續(xù)的果實(shí)處理。

第一步進(jìn)電機(jī)11、第二步進(jìn)電機(jī)10的轉(zhuǎn)速是根據(jù)電機(jī)的脈沖頻率進(jìn)行控制的；為了避免手指接觸力過大，損傷果實(shí)II，采用力傳感器18獲取各個(gè)手指的接觸力，當(dāng)手指表面的力傳感器18到達(dá)設(shè)定的抓取力，將信號(hào)反饋給第一步進(jìn)電機(jī)11，控制電機(jī)11停止運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)果實(shí)II抓取。