一種欠驅動采摘末端執行裝置及方法
【專利摘要】本發明公開一種欠驅動采摘末端執行裝置及方法，其裝置包括手部執行機構、驅動機構和支座組件，手部執行機構通過支座組件與驅動機構連接；手部執行機構為三爪式結構，三個手爪均勻分布于手掌外周邊緣，各手爪底部通過相應的鉸接組件安裝于手掌上，各手爪中部設置滑輪，各滑輪通過鋼絲繩與手掌連接，手掌底部通過壓塊與驅動機構連接。其方法是卷線筒轉動卷繞鋼絲繩，鋼絲繩帶動手爪向果實靠攏并夾緊果實，夾緊果實后，卷線筒帶動果實、手爪與手掌一起相對電機支座轉動，實現扭轉分離果實。本發明應用欠驅動原理，實現先夾緊果實，再將果實扭轉分離，整個工作過程控制簡單，效率高；同時也可較好地控制手爪對果實的夾緊力，避免果實損傷的現象。
【專利說明】一種欠驅動采摘末端執行裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及蔬果采摘【技術領域】，特別涉及一種適用于類球形果實的欠驅動采摘末端執行裝置及方法。
【背景技術】 [0002]采摘作業是果蔬生產中最耗時費力的一個環節。采用采摘機器人代替人工采摘，是當前農村勞動力日益短缺、人工成本逐漸增加條件下、實現果實適時采收、降低采收成本、保證果農增收的有效途徑。末端執行機構是安裝在采摘機器人前端、直接與采摘目標相接觸、實現果實抓取和分離的裝置，是采摘機器人實現果蔬采摘的關鍵執行部分。
[0003]現有的采摘末端執行機構普遍采用全驅動方式，末端執行機構的自由度數與驅動數目相同，存在抓取機構靈活度越強，自由度數目越多，驅動控制和結構復雜性越高的矛盾，所以全驅動方式的末端采摘執行機構一般較為復雜，制造成本也高，并不適用于我國的農業現狀。
[0004]欠驅動方式是驅動器數目少于自由度數目的結構方式，一般采用彈簧或扭簧作為動力約束，通過彈簧自適應變形來實現抓取的柔性和靈活性，具有結構簡單、控制簡單、重量輕、成本低、對物體能實現一定程度的自適應抓取等優點，已逐漸成為當前國內外果蔬采摘末端執行機構的研究重點。
[0005]但目前，欠驅動方式的采摘末端執行機構發展并不成熟，應用也較少。如申請號為201320105463.5的實用新型申請公開了一種剛柔混聯欠驅動草莓采摘機械手末端執行器裝置，由氣動肌腱驅動手爪彎曲，氣動肌腱的伸縮帶動與手爪關節處齒輪、齒形帶的傳動，旋轉氣缸驅動手腕盤轉動實現采摘目的；但在實際應用中，由于氣動傳動的可靠性差，對果實摘取力度的把握性不精確，手爪彎曲轉動幅度大，所以常會產生果實損傷或摘取不到的現象。申請號為201210217928.6的發明申請公開了一種欠驅動采摘機械手末端執行器裝置，采用電機控制齒輪轉動，傳感器控制齒輪與齒輪、齒輪與齒條之間的嚙合實現手爪彎曲抓取及轉動盤轉動，達到果蔬采摘的目的；然而，由于果實的抓取靠手爪和接觸板，抓取力度難以把握好，轉動盤旋轉過程中容易造成果實脫離，存在果實采取不到的現象較多。申請號為201120410016.1的實用新型申請公開一種果蔬采摘欠驅動機械手爪，通過一個步進電機同時驅動多個手爪，并用扭簧作為限制機構，手爪面裝有接觸力傳感器來檢測反饋控制抓取力度，使之具有包絡抓取功能；該裝置精度較高，但手爪結構較復雜、整體質量較重、制造成本也高。另外，上述三種機械裝置都還存在驅動機構部分與機械手爪距離遠、傳輸轉矩大、功耗大、動力性能差的缺陷。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種結構簡單，可同時實現果實夾緊和扭轉分離的欠驅動采摘末端執行裝置。
[0007]本發明的另一目的在于提供一種通過上述裝置實現的欠驅動采摘末端執行方法。[0008]本發明的技術方案為:一種欠驅動采摘末端執行裝置，包括手部執行機構、驅動機構和支座組件，手部執行機構通過支座組件與驅動機構連接；手部執行機構為三爪式結構，包括三個手爪、三個鉸接組件、三段鋼絲繩、一個手掌和一個壓塊，三個手爪均勻分布于手掌外周邊緣，各手爪底部通過相應的鉸接組件安裝于手掌上，各手爪中部設置滑輪，各滑輪通過鋼絲繩與手掌連接，手掌底部通過壓塊與驅動機構連接。其中，手部執行機構用于夾持和扭轉類球形果實，驅動機構用于為手部執行機構提供動力，支座組件用于將手部執行機構和驅動機構固定連接。
[0009]所述手掌頂部設有向上延伸的上圓筒，上圓筒外側壁上設有連接鋼絲繩用的矩形槽，手掌下部為下圓筒，下圓筒外側壁上均勻設有固定手爪用的三個耳座，各手爪底部通過鉸接組件與耳座連接；上圓筒和下圓筒同軸設置且為一體式結構，驅動機構設于上圓筒和下圓筒中部的空間內。
[0010]所述手掌上，各耳座開有通槽，手爪底部嵌于通槽內，位于通槽兩側的耳座側壁上設有第一銷釘孔；
[0011]鉸接組件包括第一銷釘、扭簧和第一彈性擋圈，扭簧設于第一銷釘中部，在第一銷釘孔處，手爪通過第一銷釘與耳座連接，第一彈性擋圈設于第一銷釘末端。
[0012]所述手爪包括手指、橡膠套、滑輪、第二銷釘和第二彈性擋圈，手指下端與手掌連接，手指上端與橡膠套固定連接，手指與橡膠套的連接端還設有滑輪，滑輪通過第二銷釘設于手指上，第二彈性擋圈設于第二銷釘末端，鋼絲繩與滑輪連接。
[0013]所述支座組件包括電機支座和連接支座，電機支座頂部與手掌相連接，連接支座頂部與電機支座底部相連接，連接支座底部外接采摘機械手。其中，電機支座與手掌的下圓筒之間可采用間隙配合的連接方式，壓塊與傳動軸中部螺紋連接，壓塊下端面將手掌軸向壓在電機支座上端面，三段鋼絲繩一端分別固定在手掌上圓筒外側，另一端分別繞過三個手爪中部的滑輪，穿過手掌上端矩形通槽，均布固定在卷線筒下端。
[0014]所述驅動機構包括電機、聯軸器、傳動軸和卷線筒，電機安裝于電機支架上，電機的輸出軸通過聯軸器與傳動軸連接，傳動軸頂端與卷線筒連接；鋼絲繩端部固定于卷線筒上，壓塊設于傳動軸外周，傳動軸通過壓塊與手掌連接。
[0015]本欠驅動采摘末端執行裝置使用時，其中手部執行機構的工作原理為:卷線筒轉動卷繞鋼絲繩，鋼絲繩帶動手爪克服鉸鏈組件中扭簧的阻力，并向果實靠攏，接近并逐步夾緊果實，夾緊果實后，手爪徑向運動阻力較大，鋼絲繩向阻力較小的方向運動，帶動果實、手爪與手掌一起相對電機支座轉動，實現扭轉果實目的；果實扭轉分離后，電機反轉，卷線筒松開鋼絲繩，手爪在鉸鏈組件的扭簧作用下反向運動，實現松開果實目的，同時恢復張開狀態。
[0016] 本發明通過上述裝置實現一種欠驅動采摘末端執行方法，包括以下步驟:
[0017](I)當末端執行裝置處于初始狀態時，手爪處于張開狀態；
[0018](2)當采摘機械手檢測到成熟的果實后，末端執行裝置運動至果實進入手爪內部，此時，驅動機構中電機啟動，電機通過聯軸器和傳動軸帶動卷線筒轉動，卷線筒轉動卷繞鋼絲繩，各鋼絲繩帶動相應的手爪向手掌中心靠攏，逐步夾緊果實；
[0019](3)手爪夾緊果實后，電機繼續轉動，帶動卷線筒、手爪和手掌一起轉動，實現將果實摘取；[0020](4)果實摘取后，電機反向轉動，帶動卷線筒松開鋼絲繩，手爪在鉸接組件的作用下復位，松開果實并恢復張開狀態。
[0021]其中，所述步驟(3)中，手爪夾緊果實后，電機繼續轉動時，手爪繼續做徑向運動的阻力大于手爪和手掌一起旋轉的阻力。
[0022]本發明相對于現有技術，具有以下有益效果:
[0023]1、本欠驅動采摘末端執行裝置及方法應用欠驅動原理，實現先夾緊果實，再將果實扭轉分離，整個工作過程控制簡單，效率高；同時也可較好地控制手爪對果實的夾緊力，避免果實損傷的現象；可較好地適應我國現有的農業現狀，應用范圍較廣。
[0024]2、本欠驅動采摘末端執行裝置采用一個電機驅動，實現兩個自由度方向上的運動，減小了末端執行裝置的整體結構尺寸和重量，提高了動力性能，降低了功耗，同時也簡化了末端執行裝置的結構。
[0025]3、本欠驅動采摘末端執行裝置中，采用卷線筒、鋼絲繩、滑輪、扭簧等驅動手爪夾持和扭轉，結構簡單緊湊，造價低廉；手爪末端采用橡膠套對果實起到防滑及緩沖作用，保證果實采摘的準確率，避免采空或果實損傷的現象。
[0026]4、本欠驅動采摘末端執行裝置采用三爪夾持方式，適于采用夾持扭轉分離方式的類球形果實，通用性強。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1為本欠驅動采摘末端執行裝置的結構示意圖。
[0028]圖2為圖1的A向視圖。
[0029]圖3為支座組件和驅動機構的結構示意圖。
[0030]圖4為圖3的B-B向視圖。
[0031]圖5為圖4的C向視圖。
[0032]圖6為單個手爪的結構示意圖。
[0033]圖7為圖6的D-D向視圖。
[0034]圖8為圖6的E向視圖。 【具體實施方式】
[0035]下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。
[0036]實施例
[0037]本實施例一種欠驅動采摘末端執行裝置，如圖1或圖2所示，包括手部執行機構、驅動機構和支座組件，手部執行機構通過支座組件與驅動機構連接；手部執行機構為三爪式結構，包括三個手爪、三個鉸接組件、三段鋼絲繩1、一個手掌2和一個壓塊3(見圖4)，三個手爪均勻分布于手掌外周邊緣，各手爪底部通過相應的鉸接組件安裝于手掌上，各手爪中部設置滑輪，各滑輪通過鋼絲繩與手掌連接，手掌底部通過壓塊與驅動機構連接。其中，手部執行機構用于夾持和扭轉類球形果實，驅動機構用于為手部執行機構提供動力，支座組件用于將手部執行機構和驅動機構固定連接。
[0038]如圖3、圖4或圖5所示，手掌頂部設有向上延伸的上圓筒2-1，上圓筒外側壁上設有連接鋼絲繩用的矩形槽2-3，手掌下部為下圓筒2-2，下圓筒外側壁上均勻設有固定手爪用的三個耳座2-4，各手爪底部通過鉸接組件與耳座連接；上圓筒和下圓筒同軸設置且為一體式結構，驅動機構設于上圓筒和下圓筒中部的空間內。
[0039]如圖3所示，手掌上各耳座開有通槽，手爪底部嵌于通槽內，位于通槽兩側的耳座側壁上設有第一銷釘孔；
[0040]如圖6或圖8所示，鉸接組件包括第一銷釘4、扭簧5和第一彈性擋圈6，扭簧設于第一銷釘中部，在第一銷釘孔處，手爪通過第一銷釘與耳座連接，第一彈性擋圈設于第一銷釘末端。
[0041]如圖6或圖7所示，手爪包括手指7、橡膠套8、滑輪9、第二銷釘10和第二彈性擋圈11，手指下端與手掌連接，手指上端與橡膠套固定連接，手指與橡膠套的連接端還設有滑輪，滑輪通過第二銷釘設于手指上，第二彈性擋圈設于第二銷釘末端，鋼絲繩與滑輪連接。
[0042]如圖4所示，支座組件包括電機支座12和連接支座13，電機支座頂部與手掌相連接，連接支座頂部與電機支座底部相連接，連接支座底部外接采摘機械手。其中，電機支座與手掌的下圓筒之間可采用間隙配合的連接方式，壓塊與傳動軸中部螺紋連接，壓塊下端面將手掌軸向壓在電機支座上端面，三段鋼絲繩一端分別固定在手掌上圓筒外側，另一端分別繞過三個手爪中部的滑輪，穿過手掌上端矩形通槽，均布固定在卷線筒下端。
[0043]驅動機構包括電機14、聯軸器15、傳動軸16和卷線筒17，電機安裝于電機支架上，電機的輸出軸通過聯軸器與傳動軸連接，傳動軸頂端與卷線筒連接；鋼絲繩端部固定于卷線筒上，壓塊設于傳動軸外周，傳動軸通過壓塊與手掌連接。
[0044]本欠驅動采摘末端執行裝置使用時，其中手部執行機構的工作原理為:卷線筒轉動卷繞鋼絲繩，鋼絲繩帶動手爪克服鉸鏈組件中扭簧的阻力，并向果實靠攏，接近并逐步夾緊果實，夾緊果實后，手爪徑向運動阻力較大，鋼絲繩向阻力較小的方向運動，帶動果實、手爪與手掌一起相對電機支座轉動，實現扭轉果實目的；果實扭轉分離后，電機反轉，卷線筒松開鋼絲繩，手爪在鉸鏈組件的扭簧作用下反向運動，實現松開果實目的，同時恢復張開狀態。`
[0045]本實施例通過上述裝置實現一種欠驅動采摘末端執行方法，包括以下步驟:
[0046](I)當末端執行裝置處于初始狀態時，手爪處于張開狀態；
[0047](2)當采摘機械手檢測到成熟的果實后，末端執行裝置運動至果實進入手爪內部，此時，驅動機構中電機啟動，電機通過聯軸器和傳動軸帶動卷線筒轉動，卷線筒轉動卷繞鋼絲繩，各鋼絲繩帶動相應的手爪向手掌中心靠攏，逐步夾緊果實；
[0048](3)手爪夾緊果實后，電機繼續轉動，帶動卷線筒、手爪和手掌一起轉動，實現將果實摘取；
[0049](4)果實摘取后，電機反向轉動，帶動卷線筒松開鋼絲繩，手爪在鉸接組件的作用下復位，松開果實并恢復張開狀態。
[0050]其中，所述步驟(3)中，手爪夾緊果實后，電機繼續轉動時，手爪繼續做徑向運動的阻力大于手爪和手掌一起旋轉的阻力。
[0051]如上所述，便可較好地實現本發明，上述實施例僅為本發明的較佳實施例，并非用來限定本發明的實施范圍；即凡依本
【發明內容】
所作的均等變化與修飾，都為本發明權利要求所要求保護的范圍所涵蓋。
【權利要求】
1.一種欠驅動采摘末端執行裝置，其特征在于，包括手部執行機構、驅動機構和支座組件，手部執行機構通過支座組件與驅動機構連接；手部執行機構為三爪式結構，包括三個手爪、三個鉸接組件、三段鋼絲繩、一個手掌和一個壓塊，三個手爪均勻分布于手掌外周邊緣，各手爪底部通過相應的鉸接組件安裝于手掌上，各手爪中部設置滑輪，各滑輪通過鋼絲繩與手掌連接，手掌底部通過壓塊與驅動機構連接。
2.根據權利要求1所述一種欠驅動采摘末端執行裝置，其特征在于，所述手掌頂部設有向上延伸的上圓筒，上圓筒外側壁上設有連接鋼絲繩用的矩形槽，手掌下部為下圓筒，下圓筒外側壁上均勻設有固定手爪用的三個耳座，各手爪底部通過鉸接組件與耳座連接；上圓筒和下圓筒同軸設置且為一體式結構，驅動機構設于上圓筒和下圓筒中部的空間內。
3.根據權利要求2所述一種欠驅動采摘末端執行裝置，其特征在于，所述手掌上，各耳座開有通槽，手爪底部嵌于通槽內，位于通槽兩側的耳座側壁上設有第一銷釘孔； 鉸接組件包括第一銷釘、扭簧和第一彈性擋圈，扭簧設于第一銷釘中部，在第一銷釘孔處，手爪通過第一銷釘與耳座連接，第一彈性擋圈設于第一銷釘末端。
4.根據權利要求1所述一種欠驅動采摘末端執行裝置，其特征在于，所述手爪包括手指、橡膠套、滑輪、第二銷釘和第二彈性擋圈，手指下端與手掌連接，手指上端與橡膠套固定連接，手指與橡膠套的連接端還設有滑輪，滑輪通過第二銷釘設于手指上，第二彈性擋圈設于第二銷釘末端，鋼絲繩與滑輪連接。
5.根據權利要求1所述一種欠驅動采摘末端執行裝置，其特征在于，所述支座組件包括電機支座和連接支座，電機支座頂部與手掌相連接，連接支座頂部與電機支座底部相連接，連接支座底部外接 采摘機械手。
6.根據權利要求5所述一種欠驅動采摘末端執行裝置，其特征在于，所述驅動機構包括電機、聯軸器、傳動軸和卷線筒，電機安裝于電機支架上，電機的輸出軸通過聯軸器與傳動軸連接，傳動軸頂端與卷線筒連接；鋼絲繩端部固定于卷線筒上，壓塊設于傳動軸外周，傳動軸通過壓塊與手掌連接。
7.根據權利要求6所述裝置實現一種欠驅動采摘末端執行方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)當末端執行裝置處于初始狀態時，手爪處于張開狀態； (2)當采摘機械手檢測到成熟的果實后，末端執行裝置運動至果實進入手爪內部，此時，驅動機構中電機啟動，電機通過聯軸器和傳動軸帶動卷線筒轉動，卷線筒轉動卷繞鋼絲繩，各鋼絲繩帶動相應的手爪向手掌中心靠攏，逐步夾緊果實； (3)手爪夾緊果實后，電機繼續轉動，帶動卷線筒、手爪和手掌一起轉動，實現將果實摘取； (4)果實摘取后，電機反向轉動，帶動卷線筒松開鋼絲繩，手爪在鉸接組件的作用下復位，松開果實并恢復張開狀態。
8.根據權利要求7所述一種欠驅動采摘末端執行方法，其特征在于，所述步驟(3)中，手爪夾緊果實后，電機繼續轉動時，手爪繼續做徑向運動的阻力大于手爪和手掌一起旋轉的阻力。
【文檔編號】A01D46/00GK103688660SQ201310651649
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月5日 優先權日:2013年12月5日
【發明者】夏紅梅, 何騰鋒, 甄文斌, 張炳超, 范維富 申請人:華南農業大學