專利名稱：果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采摘機器人領(lǐng)域，特別涉及一種果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的果蔬人工采摘工作繁雜、勞動量極大，利用采摘機器人實現(xiàn)水果蔬菜的智能化采摘，成為智能農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。末端執(zhí)行器是果蔬采摘機器人中直接與果實接觸，執(zhí)行采摘任務(wù)的關(guān)鍵部分。由于果蔬及其環(huán)境的復(fù)雜多變性、不規(guī)則性和柔嫩性特征，采摘機器人末端執(zhí)行器必須充分感知作業(yè)對象及環(huán)境信息，并根據(jù)感知信息進行合理動作，從而實現(xiàn)果蔬的智能化采摘。日本岡山大學(xué)開發(fā)的番茄采摘機器人末端執(zhí)行器(M.MONTA，N.KONDO andK.C.TING. End-Effectors for Tomato Harvesting Robot.Artificial Intelligence Review 1998，1211-25)，可以抓住果實并扭斷果梗，從而實現(xiàn)果實的采摘，同時安裝了壓力傳感器和限位開關(guān)，用以反饋末端執(zhí)行器的壓力和位置信息，但無法感知果實和植株信息，扭斷果梗時要求手指對果實有較大的夾持力，往往造成果實的損傷甚至破裂；日本國家蔬菜茶葉科學(xué)會開發(fā)的茄子采摘機器人末端執(zhí)行器(Shigehiko HAYASHI，Katsunobu GANNO，Yukitsugu ISHII et a1.，Robotic Harvesting System for Eggplants.JARQ，2002，36(3)，163-168)，具有四個手指進行抓持，同時安裝了光電傳感器等輔助其進行目標(biāo)果實的準確定位，但該末端執(zhí)行器只能用于茄子采摘，其剪刀剪斷粗硬果梗需要較大的功率，且無法充分感知力、距離、接近等信息。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有采摘方法和裝置無法智能化的不足，本發(fā)明提供一種果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器應(yīng)用多傳感器進行信息感知，并通過信息融合，獲取果蔬及其環(huán)境的充分可靠信息。末端執(zhí)行器根據(jù)感知信息完成果蔬的吸附拉動、抓取和分離動作，實現(xiàn)果蔬的采摘。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是末端執(zhí)行器由執(zhí)行裝置、感知系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成。
其中執(zhí)行裝置由真空吸盤機構(gòu)、手指夾持機構(gòu)、激光切斷機構(gòu)組成。由真空發(fā)生器產(chǎn)生真空壓力，使波紋吸盤產(chǎn)生吸力，直流伺服電機通過齒輪的傳動，使齒條帶動真空波紋吸盤完成果實的吸附并拉動其從果束中移開，由雙向螺旋機構(gòu)完成兩夾持手指的開合，由激光器和聚焦透鏡完成果梗的切斷。
感知系統(tǒng)由安裝在執(zhí)行裝置不同部位的伺服電機編碼器、近距傳感器、遠距接近傳感器、指力傳感器、腕力傳感器和壓力傳感器組成，其中編碼器、壓力傳感器用于末端執(zhí)行器內(nèi)部信息的感知，而近距傳感器、遠距接近傳感器、指力傳感器、腕力傳感器則用于感知外部環(huán)境與目標(biāo)信息。由高能鋰電池組并通過電壓轉(zhuǎn)換對末端執(zhí)行器各元器件進行供電。
本發(fā)明的有益效果是，可以根據(jù)多傳感器的信息感知，控制末端執(zhí)行器執(zhí)行按照吸附、抓取和分離動作，實現(xiàn)果實的智能化采摘，并保證果實品質(zhì)。高能鋰電池組供電使采摘機器人末端執(zhí)行器脫離交流電源運行，可以滿足田間作業(yè)的實際條件。


圖1為果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖2為果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器的供電方案示意圖。
圖中1.手指，2.真空波紋吸盤，3.雙向螺桿，4.直流伺服電機，5.激光聚焦透鏡，6.齒條，7.六維腕力/力矩傳感器，8.遠距傳感器，9.直流伺服電機，10.錐齒輪，11.錐齒輪，12.直流伺服電機，13.齒輪，14.接近傳感器，15.三維指力傳感器，16.近距傳感器，17.激光器，18.壓力傳感器，19.真空管，20.真空發(fā)生器，21.小型氣源。
具體實施例方式
本發(fā)明末端執(zhí)行器由執(zhí)行裝置、感知系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成。執(zhí)行裝置包括真空吸盤機構(gòu)、手指夾持機構(gòu)和激光切斷機構(gòu)，分別完成果實吸附拉動、夾持和切斷動作。其中真空吸盤機構(gòu)包括小型氣源(21)、真空發(fā)生器(18)、真空管(18)、真空波紋吸盤(2)、直流伺服電機(12)、齒輪(13)和齒條(6)，真空發(fā)生器(18)分別通過軟管和真空管(18)與小型氣源(21)和真空波紋吸盤(2)相連，真空波紋吸盤(2)固定于齒條(6)上，直流伺服電機(12)與末端執(zhí)行器機架固定，齒輪(13)安裝于直流伺服電機(12)的伸出軸上。真空發(fā)生器(18)由小型氣源(21)提供壓縮空氣，真空發(fā)生器(18)產(chǎn)生真空，使真空波紋吸盤(2)產(chǎn)生吸力；由直流伺服電機(12)帶動齒輪(13)轉(zhuǎn)動，驅(qū)使齒條(6)和固定于齒條(6)上的真空吸盤(2)前進；當(dāng)真空吸盤吸住果實后退回，使目標(biāo)果實從果實束中脫離出來，以增加手指夾持的成功率并避免在夾持過程中手指(1)對其它果實的損害。
手指夾持機構(gòu)包括兩手指(1)、雙向螺桿(3)、錐齒輪(10)、錐齒輪(11)和直流伺服電機(9)，直流伺服電機(9)與末端執(zhí)行器的機架固定，錐齒輪(10)安裝于直流伺服電機(9)的伸出軸上，錐齒輪(11)安裝于雙向螺桿(3)的伸出端，雙向螺桿(3)上具有左旋和右旋兩段螺紋，分別與兩手指(1)組成螺旋傳動。由直流伺服電機(9)通過錐齒輪(10)、(11)的傳動，驅(qū)動雙向螺桿(3)轉(zhuǎn)動，雙向螺桿(3)的轉(zhuǎn)動帶動兩手指(1)產(chǎn)生平行相對運動，合攏抓住果實。
激光切斷機構(gòu)包括直流伺服電機(4)、激光聚焦透鏡(5)和激光器(17)，激光器(17)通過光纖與聚焦透鏡(5)相連，直流伺服電機(4)固定于末端執(zhí)行器機架上，聚焦透鏡(5)通過中間連接件安裝于直流伺服電機(4)的軸上，由直流伺服電機(4)帶動激光聚焦透鏡(5)轉(zhuǎn)動，使光斑對準果梗，激光器(17)發(fā)射激光束，將果梗切斷，實現(xiàn)果實的成功采摘。末端執(zhí)行器感知系統(tǒng)由分布于末端執(zhí)行器各部分的外部感覺系統(tǒng)與內(nèi)部感覺系統(tǒng)組成，包括伺服電機編碼器、近距傳感器、遠距接近傳感器、指力傳感器、腕力傳感器和壓力傳感器，以充分感知末端執(zhí)行器的內(nèi)部和外部信息，其中內(nèi)部感覺包括1.在直流伺服電機(4)、(9)、(12)中，與直流電機和微型減速器集成為一體的直流伺服電機編碼器，用于檢測電機的轉(zhuǎn)速和位置，構(gòu)成半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，以精確控制真空吸盤(2)、手指(1)和激光聚焦透鏡(5)的運動位置和速度；2.在真空系統(tǒng)中，安裝有壓力傳感器(18)，以測量并反饋真空負壓，判斷真空波紋吸盤(2)對果實的吸附和拉動狀態(tài)，并決定末端執(zhí)行器的下一步動作提供信息；與工業(yè)機器人相比，果蔬采摘機器人及其末端執(zhí)行器的作業(yè)對象及環(huán)境具有明顯的嬌嫩性、不規(guī)則性和變化性，因此借助傳感器來充分感知作業(yè)目標(biāo)及環(huán)境的距離覺、接近覺、力覺等外部信息是非常重要的，外部感知部分包括1.在末端執(zhí)行器中部安裝有遠距傳感器(8)，可以檢測20cm～150cm范圍內(nèi)物體的距離，在兩手指(1)前端分別安裝一個近距傳感器(16)，可以檢測10cm～60cm范圍內(nèi)物體的距離，在兩手指(1)前端分別安裝一個接近傳感器(14)，用來在10cm距離范圍內(nèi)感知物體的接近情況。以上1個遠距傳感器(8)、2個近距傳感器(16)和2個接近傳感器(14)所獲取的信息相融合，以輔助采摘機器人及其末端執(zhí)行器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、空間定位、測定果實的表面形狀、決定抓取的姿態(tài)和動作并避免手指對果實的碰撞；2.在末端執(zhí)行器兩手指(1)內(nèi)側(cè)面分別安裝了三維指力傳感器(15)，能同時檢測三維力信息(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z)，在末端執(zhí)行器與機械手腕部連接處安裝有六維腕力/力矩傳感器(7)，可以同時檢測三維空間內(nèi)的全部力和力矩信息(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Mx，My，Mz)。以上2個三維指力傳感器(15)和1個六維腕力/力矩傳感器(7)感知的力覺信息相融合，以檢測控制手指對果實的夾持力，即能可靠抓緊果實，又避免果實的夾壞；同時檢測夾持過程中果實有無滑動，并感測末端執(zhí)行器抓取的姿態(tài)和對果實進行稱重，根據(jù)果實重量進行分級。
該果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器采用高能鋰電池組進行供電。果蔬采摘機器人在田間或溫室環(huán)境下進行大范圍內(nèi)移動作業(yè)，無法利用交流電源進行供電。高能鋰電池的重量輕、容量大、壽命長，體積重量僅為普通蓄電池的1/4～1/3，非常適合于作為采摘機器人及其末端執(zhí)行器的電源。圖2為果蔬采摘末端執(zhí)行器的供電方案，電源開關(guān)用于采摘機器人末端執(zhí)行器的啟動和關(guān)閉。電機驅(qū)動器、激光器、電磁閥及各傳感器的額定電壓不同，應(yīng)用DC/DC電壓轉(zhuǎn)換芯片進行直流的變壓。
權(quán)利要求
1.一種果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器，其特征在于由執(zhí)行裝置、感知系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成，其中執(zhí)行裝置由真空吸盤機構(gòu)、手指夾持機構(gòu)、激光切斷機構(gòu)組成，真空吸盤機構(gòu)包括小型氣源(21)、真空發(fā)生器(20)、真空管(19)、真空波紋吸盤(2)、直流伺服電機(12)、齒輪(13)、齒條(6)，真空發(fā)生器(20)相連分別通過軟管和真空管(19)與小型氣源(21)和真空波紋吸盤(2)相連，真空波紋吸盤(2)固定于齒條(6)上，齒輪(13)安裝于直流伺服電機(12)的伸出軸上；手指夾持機構(gòu)包括手指(1)、雙向螺桿(3)、直流伺服電機(9)、錐齒輪(10)、錐齒輪(11)，其中錐齒輪(10)安裝于直流伺服電機(9)的伸出軸上，錐齒輪(11)安裝于雙向螺桿(3)的伸出端，雙向螺桿(3)上具有左旋和右旋兩段螺紋，分別與兩手指(1)組成螺旋傳動；激光切斷機構(gòu)包括激光器(17)、激光聚焦透鏡(5)、直流伺服電機(4)，其中激光器(17)通過光纖與聚焦透鏡(5)相連，聚焦透鏡(5)通過中間連接件安裝于直流伺服電機(4)的軸上，；感知系統(tǒng)包括內(nèi)部感知和外部感知部分，內(nèi)部感知部分由3個電機編碼器、位于真空管(19)的壓力傳感器(18)組成，外部感知部分由末端執(zhí)行器中部的1個遠距傳感器(8)、兩手指前端的2個近距傳感器(16)、兩手指前端的2個接近傳感器(14)、兩手指內(nèi)側(cè)面的三維指力傳感器(15)和末端執(zhí)行器與機械手腕部相連部位的六維腕力/力矩傳感器(7)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器，其特征在于用高能鋰電池組進行供電。
全文摘要
一種果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器，由執(zhí)行裝置、感知系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成。其中執(zhí)行裝置由真空吸盤機構(gòu)、手指夾持機構(gòu)、激光切斷機構(gòu)組成。由真空發(fā)生器產(chǎn)生真空壓力，使波紋吸盤產(chǎn)生吸力，直流伺服電機通過齒輪的傳動，使齒條帶動真空波紋吸盤完成果實的吸附并拉動其從果束中移開，由雙向螺旋機構(gòu)完成兩夾持手指的開合，由激光器和聚焦透鏡完成果梗的切斷。感知系統(tǒng)由安裝在執(zhí)行裝置不同部位的伺服電機編碼器、近距傳感器、遠距接近傳感器、指力傳感器、腕力傳感器和壓力傳感器組成，由高能鋰電池組并通過電壓轉(zhuǎn)換對末端執(zhí)行器各元器件進行供電。本發(fā)明可根據(jù)多傳感器的信息感知，執(zhí)行吸附、抓取和分離動作，實現(xiàn)果實的智能化采摘，并保證果實品質(zhì)。
文檔編號B25J9/00GK101019484SQ200710020500
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月6日
發(fā)明者劉繼展, 李萍萍, 李智國, 王新忠, 向忠平 申請人:江蘇大學(xué)