專利名稱：智能化收獲機器人末端執(zhí)行器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及收獲機器人領域，特別涉及ー種智能化收獲機器人末端執(zhí)行器。
背景技術：
收獲機器人作業(yè)時，其末端執(zhí)行器直接與果蔬發(fā)生交互作用。由于機器人作業(yè)環(huán)境的非結構性、果蔬種類的多祥性、形狀的不規(guī)則性、質(zhì)地的差異性以及果實和植株之間有果梗相連，因此收獲機器人末端執(zhí)行器必須能夠充分感知作業(yè)環(huán)境、靈活抓取不同尺寸和形狀的作業(yè)對象，準確定位和分離果梗、有效防止手指抓取カ過大和過小。目前國內(nèi)外常見的收獲機器人末端執(zhí)行器如草莓采摘機器人末端執(zhí)行器(韓國，KR100784830(B1))、 黃瓜采摘機器人末端執(zhí)行器(日本，JP8056459(A))、番茄收獲機器人末端執(zhí)行器(日本， JP2001145412 (A))和蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器(中國，CN101395989B)等都是為特定果實的收獲而設計的，難以擴展；如果實收獲機器手(美國，US4663925(A))、果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器(中國，CN101238775B和CN100512621)和水果采摘機器人末端執(zhí)行器(中國，CN101669423B)等亦不能夠?qū)崿F(xiàn)手指自動定心抓緊一定尺寸范圍內(nèi)不同種類和形狀的果蔬，通用性不強。大多數(shù)收獲機器人末端執(zhí)行器的果梗分離方式采用扭斷、折斷或激光切斷，扭斷分離時手指對果實抓取力較大，果實易損傷；折斷分離方式僅限于果梗中存在易折斷部位的果實；激光切斷分離方式需要激光束自動準確定位果梗，難度較高。此外，機器人末端執(zhí)行器的防過載和防滑落能力較弱，導致其作業(yè)效果不佳和智能化程度偏低。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有收獲機器人末端執(zhí)行器通用性不強、作業(yè)效果不佳以及智能化程度不高的缺陷，本發(fā)明提供了ー種智能化收獲機器人末端執(zhí)行器，通過改進其手指抓取機構和果梗分離機構的機械結構、配置用于感知果實成熟度、空間位姿以及實時監(jiān)測果實受力和滑動狀況的攝像頭、距離傳感器和力敏傳感器，提高收獲機器人末端執(zhí)行器的通用性、作業(yè)效果以及智能化水平，進而實現(xiàn)果實的智能化收獲。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是末端執(zhí)行器的手指抓取機構采用可自動調(diào)節(jié)手指面傾角和定心抓緊果實的四手指結構，該執(zhí)行機構僅用ー個電機拖動；果梗分離機構采用可自定位果梗和自調(diào)節(jié)刀片開合角度剪切果梗的剪刀式結構；感知系統(tǒng)由カ 敏傳感器、攝像頭和距離傳感器組成，カ敏傳感器實時監(jiān)測手指抓取カ是否過載，攝像頭感知果實成熟度和空間姿態(tài)以及實時監(jiān)測果實與手指之間是否存在相對滑動位移，距離傳感器測定果實的空間位置。末端執(zhí)行器的機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和供電系統(tǒng)相互配合，完成果實的智能化收獲。本發(fā)明的有益效果是手指抓取機構可以自動定心抓緊一定尺寸范圍內(nèi)不同種類和形狀的果蔬，提高了機器人末端執(zhí)行器的通用性以及抓取穩(wěn)定性；果梗分離機構可以自動捕獲被抓取果實的果梗并剪斷，改進了機器人末端執(zhí)行器的果梗分離方式；感知系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測手指抓取力是否過載以及果實在手指面上是否滑動，實現(xiàn)了果實的智能化收獲，并保證果實品質(zhì)。機器人末端執(zhí)行器設計合理、新穎獨特、智能化程度高，通用性強。


圖1為本發(fā)明智能化收獲機器人末端執(zhí)行器的系統(tǒng)結構圖，圖2為圖1所示結構中手指抓取機構的結構圖，圖3為圖1所示結構中果梗分離機構的結構圖。圖1中1.殼體，2.攝像頭，3.距離傳感器，4.手指抓取機構，5.果梗分離機構， 6.計算機，7.控制電纜，8.下支撐體，9.上支撐體，10.鋰電池組，11.穩(wěn)壓與變壓模塊， 12.運動控制器，13.驅(qū)動器。圖2中4-1.支撐桿，4-2.傳動板，4-3.連接板，4-4.轉動軸，4-5.轉動軸，4-6. 轉動軸，4-7.左手指海綿墊1，4-8.力敏傳感器，4-9.左手指1，4-10.左手指海綿墊2， 4-11.雙向螺桿，4-12.微型直流伺服電機，4-13.左手指2，4-14.力敏傳感器，4-15.傳動板，4-16.齒輪，4-17.齒輪，4-18.連接板，4-19.右手指海綿墊2，4-20.右手指2，4-21.力敏傳感器，4-22.轉動軸，4-23.右手指海綿墊1，4-24.力敏傳感器，4-25.右手指1，4_26. 轉動軸，4-27.滑套，4-28.導向塊，4-29.滑套，4-30.轉動軸，4-31.導向塊。圖3中5-1.轉動軸，5-2.導向桿，5-3.連接件，5-4.右刀片，5-5.轉動軸，5-6. 轉動軸，5-7.左刀片，5-8.傳動板，5-9.軸承，5-10.齒輪，5-11.齒輪，5-12.微型直流伺服電機，5-13.螺桿，5-14.軸承。
具體實施例方式智能化收獲機器人末端執(zhí)行器(如圖1)由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成。其中機械系統(tǒng)由手指抓取機構G)、果梗分離機構(5)和殼體支撐機構組成，殼體支撐機構包括殼體(1)、上支撐體(9)和下支撐體(8)；控制系統(tǒng)由運動控制器(12)、驅(qū)動器(13)和微型直流伺服電機G-12、5-12)組成；供電系統(tǒng)由鋰電池組(10)和穩(wěn)壓與變壓模塊(11)組成；感知系統(tǒng)由カ敏傳感器G-8、4-14、4-21和4-M)、攝像頭⑵和距離傳感器⑶組成。手指抓取機構⑷如圖2所示，包括支撐桿(4-1)、傳動板G-2和4-15)、連接板 (4-3 和 4-18)、轉動軸(4-4、4-5、4-6、4-22、4-26 和 4-30)、左手指海綿墊 1 (4_7)、左手指 1 (4-9)、左手指海綿墊2 (4-10)、雙向螺桿(4-11)、左手指2 (4-13)、齒輪(4-16和4-17)、右手指海綿墊2 (4-19)、右手指2 (4-20)、右手指海綿墊1 0-23)、右手指1 0-25)、滑套(4_27 和4-29)和導向塊(4- 和4-31)。右手指10-2 內(nèi)側黏貼薄片型力敏傳感器(4- )， 力敏傳感器G-24)內(nèi)側黏貼右手指海綿墊1(4-23)，由于カ敏傳感器G-24)與右手指 1(4-25)和右手指海綿墊K4-23)的相互作用面面積相同，故當不同大小和形狀的果實與右手指海綿墊1在任意位置接觸吋，力敏傳感器G-24)都可以實時監(jiān)測右手指K4-25)對果實的抓取力大小，防止過大的手指抓取力使果實產(chǎn)生機械損傷。手指抓取果實時，海綿墊パ4-2；3)與果實先行接觸，從一定程度上降低了果實產(chǎn)生抓取碰撞損傷的概率。連接板 (4-18)通過轉動軸(4-30)與滑套(4-29)相連接，滑套(4-29)與導向塊(4-31)組成滑動副，導向塊G-31)通過螺釘固定在右手指10-2 的外側，當不同大小和形狀的果實與右手指海綿墊1在某一位置接觸吋，右手指1 0-2 可以繞轉動軸G-30)轉動自動調(diào)節(jié)其傾斜角度。其它3個手指的組合機械結構與此類似。右手指K4-25)與右手指パ4-20)之間通過轉動軸0-2 鉸接，左手指1(4-9)與左手指パ4-1 之間通過轉動軸(4-5)鉸接，當果實位于左手指海綿墊1 G-7)與右手指海綿墊1 G-23)之間時，隨左手指G-9和4-13) 和右手指(4-20和4-25)的平行合攏，左手指海綿墊1(4-7)和右手指海綿墊1分
別同果實表面接觸，海綿墊首先被壓縮，左手指1(4-9)和右手指K4-25)根據(jù)果實與海綿墊的接觸位置分別繞轉動軸(4-6)和轉動軸G-30)自動旋轉調(diào)整其傾斜角度，同時右手指バ4-25)與右手指2(4-20)繞轉動軸(4-22)轉動形成V型，左手指1 (4_9)與左手 ^2(4-13)繞轉動軸(4-5)轉動形成V型，果實在左手指1(4-9)和右手指1 (4_25)的抓取力作用下向末端執(zhí)行器殼體(1)的方向移動，果實的部分左半曲面同時與左手指海綿墊 (4-7,4-10)相接觸，果實的部分右半曲面同時與右手指海綿墊(4-19、4-23)相接觸，左手指1(4-9)和左手指パ4-1 根據(jù)果實左半平面的形狀和大小繞轉動軸(4- 旋轉自動調(diào)整其V型開度，右手指パ4-20)和右手指10-2 根據(jù)果實右半平面的形狀和大小繞轉動軸0-2 旋轉自動調(diào)整其V型開度，最終實現(xiàn)手指對果實的自動定心抓緊。右手指2(4-20) 和右手指10-2 的V型開度能夠被自動調(diào)節(jié)是因為滑套G-27)和滑套G-29)在分別繞轉動軸G-26)和轉動軸G-30)轉動的同時可以在導向塊G-28)和導向塊G-31)上滑動， 左手指1 (4-9)和左手指2 (4-13)的V型開度調(diào)節(jié)與此類似。 果梗分離機構(5)如圖3所示，包括轉動軸(5-1、5_5和5_6)、導向桿(5_2)、連接件(5-3)、右刀片(5-4)、左刀片(5-7)、傳動板(5-8)、軸承(5-9和5-14)、齒輪(5-10和 5-11)和螺桿(5-13)。左刀片(5-7)、右刀片(5-4)和導向桿(5_2)通過轉動軸(5-5)鉸接，左刀片(5-7)的上表平面與右刀片(5-4)的下表平面相切，導向桿(5-2)安裝于轉動軸(5-5)的最上部，約束左刀片(5-7)和右刀片(5-4)上移，連接件(5-3)分別通過轉動軸(5-1)和轉動軸(5-6)與右刀片(5-4)和左刀片(5-7)相連接，左刀片(5_7)和右刀片 (5-4)上有滑行槽。當果梗位于右刀片(5-4)的左前方吋，隨連接件(5-3)向前移動，右刀片(5-4)自動接觸到果梗后以轉動軸(5-1)為中心軸逆時針旋轉一定角度，同時通過轉動軸(5-5)帶動左刀片(5-7)以轉動軸(5-6)為中心軸順時針旋轉一定角度，此時左刀片 (5-7)和右刀片(5-4)呈V型，導向桿(5- 被壓縮向后運動一定位移，連接件(5- 繼續(xù)向前運動，果梗被自動置于左刀片(5-7)和右刀片(5-4)的中心位置，而后被剪斷。智能化收獲機器人末端執(zhí)行器的作業(yè)流程攝像頭(2)感知果實的成熟度及果實所處的空間姿態(tài)， 距離傳感器(3)感知果實到末端執(zhí)行器的距離，機器人依據(jù)攝像頭(2)和距離傳感器(3) 所獲得的信息控制末端執(zhí)行器到達預定位姿。當果實位于左手指海綿墊1(4-7)與右手指海綿墊K4-23)之間時，運動控制器(12)和驅(qū)動器(13)控制微型直流伺服電機G-12)通過其輸出軸拖動直齒輪G-17)沿順時針方向做圓周運動，直齒輪G-17)和直齒輪G-16) 構成齒輪副嚙合傳動，直齒輪G-17)帶動直齒輪G-16)沿逆時針方向做圓周運動，直齒輪 (4-16)拖動雙向螺桿G-11)沿逆時針方向做圓周運動，傳動板G-15)和傳動板(4-2)在支撐桿G-1)的支撐下隨雙向螺桿G-11)的逆時針旋轉做相向運動，從而使連接板(4-3) 和連接板G-18)帶動左手指G-9、4-13)和右手指(4-20、4-25)合攏。左手指0_9、4_13) 根據(jù)果實左半平面的形狀和大小繞轉動軸(4- 旋轉自動調(diào)整其傾斜角度及相對開度，右手指(4-20、4-2幻根據(jù)果實右半平面的形狀和大小繞轉動軸0-2 旋轉自動調(diào)整其傾斜角度及相對開度，最終完成手指對果實的定心抓緊。運動控制器(1 和驅(qū)動器(1 控制微型直流伺服電機(5-12)通過其輸出軸拖動直齒輪(5-11)沿順時針方向做圓周運動，直齒輪(5-11)和直齒輪(5-10)構成齒輪副嚙合傳動，直齒輪(5-11)帶動直齒輪(5-10)沿逆時針方向做圓周運動，直齒輪(5-10)拖動螺桿(5-1 在軸承(5-9和5-14)的支撐下沿逆時針方向做圓周運動，傳動板(5-8)隨螺桿(5-1 的逆時針旋轉做遠離末端執(zhí)行器殼體 (1)的向前直線運動，連接板(5-3)、左刀片(5-7)和右刀片(5-4)亦做相同的向前直線運動。當左刀片(5-7)和右刀片(5-4)接觸到果實的果梗后，隨連接件(5-3)向前運動，果梗被自動置于左刀片(5-7)和右刀片(5-4)的中心位置，而后被剪斷。運動控制器(1 控制微型直流伺服電機(5-12)拖動直齒輪(5-11)沿逆時針方向做圓周運動，直齒輪(5-10)拖動螺桿(5-1 沿順時針方向做圓周運動，傳動板(5-8)、連接板(5-3)、左刀片(5-7)和右刀片(5-4)隨螺桿(5-13)的順時針旋轉做靠近末端執(zhí)行器殼體(1)的向后直線運動。當導向桿(5-2)的后端與上支撐板(9)的前端面接觸吋，左刀片(5-7)和右刀片(5-4)以導向桿(5-2)的前端為支撐點，以轉動軸(5-5)為轉軸相背旋轉，隨傳動板(5-8)和連接板 (5-2)向后移動，左刀片(5-7)和右刀片(5-4)在導向桿(5-2)的推力作用下恢復到初始張開狀態(tài)。攝像頭(2)實時監(jiān)測果實與手指之間是否存在相對滑動位移，防止果實從手指中滑落，產(chǎn)生跌落損傷。
權利要求
1.ー種智能化收獲機器人末端執(zhí)行器，其特征在于機器人末端執(zhí)行器由機械系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成，其中機械系統(tǒng)由手指抓取機構G)、果梗分離機構 (5)和殼體支撐機構組成，感知系統(tǒng)由カ敏傳感器(4-8、4-14、4-21和4づ4)、攝像頭(2) 和距離傳感器(3)組成；手指抓取機構包括支撐桿G-1)、傳動板G-2和4-15)、連接板 (4-3 和 4-18)、轉動軸(4-4、4-5、4-6、4-22、4-26 和 4-30)、左手指海綿墊 1 (4_7)、左手指 1 (4-9)、左手指海綿墊2 (4-10)、雙向螺桿(4-11)、左手指2 (4-13)、齒輪(4-16和4-17)、右手指海綿墊2 (4-19)、右手指2 (4-20)、右手指海綿墊1 0-23)、右手指1 0-25)、滑套(4_27 和4-29)和導向塊(4- 和4-31)；果梗分離機構(5)包括轉動軸(5-1、5-5和5-6)、導向桿(5-2)、連接件(5-3)、右刀片(5-4)、左刀片(5-7)、傳動板(5-8)、軸承(5-9和5-14)、齒輪(5-10 和 5-11)和螺桿(5-13)。
2.根據(jù)權利要求1所述的智能化收獲機器人末端執(zhí)行器，其特征在于手指抓取機構 (5)中手指內(nèi)側黏貼薄片型力敏傳感器，力敏傳感器內(nèi)側黏貼手指海綿墊，力敏傳感器與手指和海綿墊的相互作用面面積相同，故當不同大小和形狀的果實與手指海綿墊在任意位置接觸吋，力敏傳感器都可以實時監(jiān)測手指對果實的抓取力大小，防止過大的手指抓取力使果實產(chǎn)生機械損傷；手指抓取果實吋，海綿墊與果實先行接觸，防止果實產(chǎn)生碰撞損傷。
3.根據(jù)權利要求1所述的智能化收獲機器人末端執(zhí)行器，其特征在于手指抓取機構 (5)中右手指K4-25)與右手指バ4-20)之間通過轉動軸G-22)鉸接，左手指1(4-9)與左手指パ4-13)之間通過轉動軸(4-5)鉸接，當果實位于左手指海綿墊G-7和4-10)與右手指海綿墊(4-19和4-2 之間時，左手指1(4-9)和左手指パ4-1 根據(jù)果實左半平面的形狀和大小繞轉動軸G-5)旋轉自動調(diào)整其V型開度，右手指2 G-20)和右手指K4-25)根據(jù)果實右半平面的形狀和大小繞轉動軸0-2 旋轉自動調(diào)整其V型開度，最終實現(xiàn)手指對果實的自動定心抓緊。
4.根據(jù)權利要求1所述的智能化收獲機器人末端執(zhí)行器，其特征在于果梗分離機構 (5)中左刀片(5-7)和右刀片(5-4)做向前直線運動，待接觸到果梗后，以轉動軸(5-1、 5-5,5-6)為中心軸相向旋轉成V型，自動將果梗置于兩刀片中心，隨傳動板(5-8)繼續(xù)向前做直線運動，兩刀片自動合攏剪斷果梗，而后返回初始位置，兩刀片在導向桿(5-2)的推力作用下恢復到初始張開狀態(tài)。
5.根據(jù)權利要求1所述的智能化收獲機器人末端執(zhí)行器，其特征在于感知系統(tǒng)中攝像頭(2)通過實時監(jiān)測果實與手指之間是否存在相對位移判斷果實與手指之間是否存在相對滑動。
全文摘要
一種智能化收獲機器人末端執(zhí)行器由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成。其中機械系統(tǒng)主要由手指抓取機構和果梗分離機構組成，手指抓取機構采用可自動調(diào)節(jié)手指傾角和定心抓緊果實的四手指結構，果梗分離機構采用可自動定位果梗和調(diào)節(jié)刀片開合角度的剪刀式結構；感知系統(tǒng)由力敏傳感器、攝像頭和距離傳感器組成，力敏傳感器實時監(jiān)測手指抓取力是否過載，攝像頭感知果實成熟度和空間姿態(tài)以及實時監(jiān)測果實與手指之間是否存在相對滑動位移，距離傳感器測定果實的空間位置。末端執(zhí)行器的機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和供電系統(tǒng)相互配合，完成果實的智能化收獲。本發(fā)明可實現(xiàn)多種果實的智能化收獲，并保證果實品質(zhì)。
文檔編號A01D46/30GK102550216SQ20111043739
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權日2011年12月15日
發(fā)明者劉繼展, 李智國, 李萍萍, 楊志波, 楊紅玲, 趙波 申請人:河南理工大學