專利名稱：果蔬收獲機(jī)器人柔順采摘末端執(zhí)行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種果蔬收獲機(jī)器人柔順采摘末端執(zhí) 行器。
背景技術(shù)：
果蔬收獲機(jī)器人在作業(yè)時(shí)， 一般由機(jī)械手將末端執(zhí)行器運(yùn)送至果實(shí)附近，并 確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)，再由末端執(zhí)行器完成對(duì)果實(shí)的抓取和分離。由于果實(shí)的 柔嫩性，在采摘過程中避免末端執(zhí)行器動(dòng)作所造成被采摘果實(shí)的破裂和損傷，以 及因采摘?jiǎng)幼鞫鴮?duì)相鄰果實(shí)造成的碰撞傷害，對(duì)于提高收獲成功率、保證果實(shí)的 品質(zhì)和延長(zhǎng)果實(shí)的貯藏保鮮周期具有非常重要的意義?，F(xiàn)有收獲機(jī)器人末端執(zhí)行 器均難以實(shí)現(xiàn)果蔬的柔順采摘。如荷蘭E丄VAN HENTEN等開發(fā)的黃瓜收獲機(jī)器 人(An Autonomous Robot for Harvesting Cucumbers in Greenhouses. Autonomous Robots 13, 241-258, 2002.)，其末端執(zhí)行器的夾持器由工業(yè)用夾持器改造而成， 手指為剛性結(jié)構(gòu)；日本M.MONTA等開發(fā)的番茄收獲機(jī)器人(End-Effectors for Tomato Harvesting Robot. Artificial Intelligence Review 12: 11—25,1998.)，僅在末 端執(zhí)行器的平板手指內(nèi)側(cè)貼一層橡膠，在加緊果實(shí)后扭斷果梗的過程中需要較大 夾持力，而手指與果皮接觸面積很小，容易造成果實(shí)的損傷甚至破裂；而曰本 N.KONDO等開發(fā)的番茄收獲機(jī)器人，四指由橡膠管構(gòu)成，通過馬達(dá)帶動(dòng)鋼絲拉 動(dòng)手指閉合抓住果實(shí)，但欠驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)精度受到影響。以上收獲機(jī)器人均無法實(shí) 現(xiàn)果蔬的柔順采摘。而專利200710020500.1通過3維指力傳感器和6維腕力傳感器 的力反饋實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的主動(dòng)柔順控制，為增大夾持時(shí)果實(shí)與手指的接觸面積 而采用了圓弧面和橡膠層，但如何使安裝于手指的3維指力傳感器獲得果實(shí)與手 指面間的全部作用力，這一問題并未得到解決；在夾持時(shí)，由于視覺系統(tǒng)誤差、 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)誤差和枝葉遮擋、阻礙造成的末端執(zhí)行器與果實(shí)的姿態(tài)偏差，容易造 成果實(shí)的夾持失效或損傷；同時(shí)真空吸盤固定于移動(dòng)部件上，采摘過程中果實(shí)與 吸盤的位置、角度偏差，以及吸盤運(yùn)動(dòng)過程中與果實(shí)相對(duì)位置、角度的變化很容易造成真空吸盤與果實(shí)的脫離。 發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有收獲機(jī)器人采摘裝置的不足，本發(fā)明提供一種果蔬收獲機(jī)器人 柔順采摘末端執(zhí)行器，通過被動(dòng)柔順結(jié)構(gòu)和主動(dòng)柔順控制的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)果實(shí)的柔 順采摘。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是被動(dòng)柔順結(jié)構(gòu)包括真空波紋 吸盤和球副組成的真空吸盤柔順結(jié)構(gòu)、手指前端3維指力傳感器安裝及浮動(dòng)回轉(zhuǎn) 支承結(jié)構(gòu)；主動(dòng)柔順控制通過兩指內(nèi)側(cè)安裝的3維指力傳感器和腕部安裝的6 維腕力傳感器感知并反饋力信息來實(shí)現(xiàn)。其特征在于，將一受力附件安裝于3 維指力傳感器的受力體上，將3維指力傳感器的本體通過一浮動(dòng)回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)聯(lián) 接于手指上；通過球副將真空波紋吸盤聯(lián)接于移動(dòng)部件上。本發(fā)明的有益效果是，與現(xiàn)有專利相比，通過手指前端浮動(dòng)回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)， 可以自動(dòng)調(diào)整指面與果實(shí)的姿態(tài)偏差，實(shí)現(xiàn)夾持的被動(dòng)柔順；通過手指前端3 維指力傳感器安裝結(jié)構(gòu)，使3維指力傳感器受力體可以感受果實(shí)與手指面間全部 夾持力和摩擦力信息，并與6維腕力傳感器所感知的信息一起反饋回控制系統(tǒng)， 進(jìn)行采摘過程的主動(dòng)柔順控制；通過采用球副代替固定聯(lián)接，能夠自動(dòng)適應(yīng)果實(shí) 與真空波紋吸盤間的位置、角度偏差和變化。


圖1為果蔬收獲機(jī)器人柔順采摘末端執(zhí)行器主體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為手指前 端3維指力傳感器安裝及浮動(dòng)回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)主視圖，圖3為手指前端3維指力傳 感器安裝及浮動(dòng)回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)俯視圖，圖4為浮動(dòng)回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)對(duì)姿態(tài)偏差的順 應(yīng)示意圖。圖中1.手指，2.雙頭螺桿，3.導(dǎo)桿，4.齒輪，5.齒條，6.6維腕力傳感器， 7.電機(jī)，8.錐齒輪，9.錐齒輪，IO.球副，ll.真空波紋吸盤，12.3維指力傳感 器，13.3維指力傳感器受力體，14.3維指力傳感器本體，15.端蓋，16.拉伸彈 簧，17.下法蘭，18.滾珠，19.手指頭，20.手指架，21.受力附件，22.彈性材料,23.螺釘，24.凸耳，25.螺栓/螺母，26.凸耳。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，果蔬收獲機(jī)器人柔順采摘末端執(zhí)行器中，電機(jī)(7)通過錐齒 輪(8)和錐齒輪(9)帶動(dòng)雙頭螺桿(2)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過螺旋傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩手指(1) 平行相對(duì)移動(dòng)，合攏和張開。另一電機(jī)通過齒輪(4)與齒條(5)的傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng) 齒條(5)前進(jìn)和后退。真空波紋吸盤(11)通過一球副(10)連接于齒條(5) 上。在兩手指的內(nèi)側(cè)面分別安裝有3維指力傳感器(12)，在末端執(zhí)行器與機(jī)械 手聯(lián)接的腕部安裝有6維腕力傳感器(6)。圖2及圖3表示手指(1)前端3維指力傳感器安裝及浮動(dòng)回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)。3 維指力傳感器本體(14)通過平頭螺釘與下法蘭(17)固定，下法蘭(17)、三 個(gè)滾珠(18)與端蓋(15)組成推力球軸承，使下法蘭(17)與端蓋(15)之間 可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。端蓋(15)通過螺釘(23)固定在手指頭(19)上。在下法蘭(17) 上有一凸耳(24)，在端蓋(15)上有兩個(gè)凸耳(26)相對(duì)分布，凸耳(24)與 兩個(gè)凸耳(26)之間分別連接一拉伸彈簧(16)。手指頭(19)與手指架(20) 通過螺栓/螺母(25)固定。受力附件(21)通過平頭螺釘固定于3維指力傳感 器受力體(13)的受力面上，受力附件(21)圓弧型內(nèi)側(cè)面上貼有彈性材料(22)。為實(shí)現(xiàn)果實(shí)的柔順采摘，采用了被動(dòng)柔順結(jié)構(gòu)與主動(dòng)柔順控制相結(jié)合的方 式。被動(dòng)柔順結(jié)構(gòu)包括手指前端3維指力傳感器安裝及浮動(dòng)回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)、真空 波紋吸盤(11)和球副(10)組成的真空吸盤柔順結(jié)構(gòu)；主動(dòng)柔順控制通過兩指 內(nèi)側(cè)安裝的3維指力傳感器(12)和腕部安裝的6維腕力傳感器(6)感知并反 饋力信息來實(shí)現(xiàn)。采摘時(shí)， 一電機(jī)通過齒輪(4)驅(qū)動(dòng)齒條(5)前進(jìn)，真空波紋 吸盤(11)吸住果實(shí)后，由齒條(5)帶動(dòng)真空波紋吸盤(11)向后拉動(dòng)一定距 離，以避免兩手指(1)夾持目標(biāo)果實(shí)時(shí)碰傷相鄰果實(shí)。在此過程中由于果實(shí)的 曲面和定位誤差等造成的果實(shí)與真空波紋吸盤(11)間的位置與角度偏差，可以 通過真空波紋吸盤(11)與齒條(5)之間的球副(10)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。同時(shí)， 在真空波紋吸盤(11)吸住果實(shí)向后拉動(dòng)時(shí)，由于齒條(5)沿一固定導(dǎo)線移動(dòng)，而果實(shí)受到真空波紋吸盤(11)拉力后產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使真空波紋吸盤(11)與果實(shí) 間的位置與角度發(fā)生變化，這一變化由波紋吸盤(11)的變形和球副(10)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，以保持對(duì)果實(shí)的可靠吸持。當(dāng)真空波紋吸盤(11)吸持果實(shí)向后拉動(dòng)一定距離后，電機(jī)(7)通過錐齒 輪(8)、錐齒輪(9)傳動(dòng)帶動(dòng)雙頭螺桿(2)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)兩手指(1)合攏，抓 住果實(shí)。通過兩3維指力傳感器受力體(13)上安裝的受力附件(21)，可以保 證兩3維指力傳感器(12)完全感知手指(1)與果實(shí)之間的夾持力和摩擦力信 息。在受力附件(21)內(nèi)側(cè)的彈性材料(22)可以減小夾持時(shí)手指(1)與果實(shí) 之間的碰撞。當(dāng)受力附件(21)的圓弧形內(nèi)側(cè)面與果實(shí)姿態(tài)之間存在一定偏差時(shí)， 夾持時(shí)下法蘭(17)連同3維指力傳感器(12)、受力附件(21)和彈性材料(22) 可以相對(duì)端蓋(15)及手指頭(10)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而自動(dòng)調(diào)整順應(yīng)(圖4)。當(dāng)結(jié)束 夾持時(shí)，放開果實(shí)，由于兩拉伸彈簧(16)的作用，又使受力附件(21)回到原 來狀態(tài)。兩3維指力傳感器(12)主要用以感知兩手指(1)對(duì)果實(shí)的夾持力和橫、 縱向摩擦力，用于判斷手指(1)與果實(shí)之間的接觸與滑動(dòng)情況。6維腕力傳感 器(6)用以獲取采摘過程中腕部全部的六維力/力矩信息，并利用該信息確定采 摘扭矩或拉力、進(jìn)行采摘完成的判斷。同時(shí)，在末端執(zhí)行器與植株接觸而即將發(fā) 生碰撞前，將由腕力傳感器(6)的力/力矩信息的變化來迅速感知。通過兩3 維指力傳感器(12)和6維腕力傳感器(6)所獲得力信息的反饋，進(jìn)行采摘過 程的主動(dòng)柔順控制，可以實(shí)現(xiàn)采摘過程中末端執(zhí)行器與果實(shí)之間作用力的主動(dòng)控 制，并防止末端執(zhí)行器與植株的碰撞。
權(quán)利要求
1.一種果蔬收獲機(jī)器人柔性采摘末端執(zhí)行器，采取被動(dòng)柔順結(jié)構(gòu)和主動(dòng)柔順控制相結(jié)合，被動(dòng)柔順結(jié)構(gòu)包括真空波紋吸盤和球副組成的真空吸盤柔順結(jié)構(gòu)、手指前端3維指力傳感器安裝及浮動(dòng)回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)；主動(dòng)柔順控制通過兩指內(nèi)側(cè)安裝的3維指力傳感器和腕部安裝的6維腕力傳感器感知并反饋力信息來實(shí)現(xiàn)，其特征在于，將一受力附件安裝于3維指力傳感器的受力體上，將3維指力傳感器的本體通過一浮動(dòng)回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)聯(lián)接于手指上；通過球副將真空波紋吸盤聯(lián)接于移動(dòng)部件上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的果蔬收獲機(jī)器人柔順采摘末端執(zhí)行器，其特征是 所述的浮動(dòng)回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)為3維指力傳感器本體(14)通過平頭螺釘與下法蘭(17)固定，下法蘭(17)、三個(gè)滾珠(18)與端蓋(15)組成推力球軸承；端 蓋(15)通過螺釘(23)固定在手指頭(19)上，在下法蘭(17)上有一凸耳(24)， 在端蓋(15)上有兩個(gè)凸耳(26)相對(duì)分布，凸耳(24)與兩個(gè)凸耳(26)之間 分別連接一拉伸彈簧(16)，手指頭(19)與手指架(20)通過螺栓組(25)固 定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的果蔬收獲機(jī)器人柔性采摘末端執(zhí)行器，其特征在 于受力附件(21)通過平頭螺釘固定于3維指力傳感器受力體(13)上，受力 附件(21)圓弧型內(nèi)側(cè)面上貼有彈性材料(22)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的果蔬收獲機(jī)器人柔性采摘末端執(zhí)行器，其特征在 于真空波紋吸盤(11)通過一球副(10)連接于所述移動(dòng)部件的齒條(5)上。
全文摘要
本發(fā)明為通過被動(dòng)柔順結(jié)構(gòu)和主動(dòng)柔順控制的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)果實(shí)的柔順采摘的裝置。其被動(dòng)柔順結(jié)構(gòu)包括真空波紋吸盤和球副組成的真空吸盤柔順結(jié)構(gòu)、手指前端3維指力傳感器安裝及柔順結(jié)構(gòu)；主動(dòng)柔順控制通過兩指內(nèi)側(cè)安裝的3維指力傳感器和腕部安裝的6維腕力傳感器來感知并反饋力信息來實(shí)現(xiàn)。通過真空波紋吸盤和球副聯(lián)接，自動(dòng)適應(yīng)果實(shí)與真空波紋吸盤間的位置、角度偏差和變化；通過手指前端柔順結(jié)構(gòu)，自動(dòng)調(diào)整指面與果實(shí)的姿態(tài)偏差，實(shí)現(xiàn)夾持過程的緩沖；通過3維指力傳感器的安裝結(jié)構(gòu)完全感知手指與果實(shí)之間的夾持力和摩擦力信息，并與6維腕力傳感器所感知的信息一起反饋回控制系統(tǒng)，進(jìn)行采摘過程的柔順控制。
文檔編號(hào)A01D46/30GK101238775SQ20081001982
公開日2008年8月13日 申請(qǐng)日期2008年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月18日
發(fā)明者劉繼展, 李萍萍, 毛罕平 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)