專利名稱：新型收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器及柔性控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及收獲機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及ー種新型收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器及柔性控制方法。
背景技術(shù)：
目前，小麥、玉米和水稻等農(nóng)作物的收獲都已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，大大降低了人類的勞動(dòng)強(qiáng)度，然而果蔬的機(jī)械化收獲所面臨的主要難點(diǎn)為收獲后果蔬的過載機(jī)械損傷和跌落損傷較大，導(dǎo)致其貨架期明顯縮短。收獲機(jī)器人的末端執(zhí)行器是與果蔬直接接觸的部件，因而如何改進(jìn)末端執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方法有效防止和降低果蔬的機(jī)械損傷成為近年來國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外常見的收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器如水果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器(中國(guó)，CN10166942;3B)、果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器(中國(guó)， CNlO 1238775B和CN100512621，韓國(guó)，KR20020078311 (A))、蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器(中國(guó)，CN101395989B)、草莓采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器(韓國(guó)，KR100784830 (Bi))和番茄收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器(日本，JP2001145412(A))等，大多數(shù)末端執(zhí)行器的防過載損傷和防滑動(dòng)跌落損傷能力較弱，智能化程度不高；末端執(zhí)行器依據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)量確定使用電機(jī)的數(shù)目，自動(dòng)化和集成度較低；手指抓取機(jī)構(gòu)的指面內(nèi)側(cè)主要黏貼橡膠材料，面向特定果蔬采摘時(shí)逐顯柔韌性不足，此外果梗分離機(jī)構(gòu)主要采用采用扭斷和折斷，對(duì)果蔬抓緊カ需求較大， 易造成果蔬過載損傷，從而導(dǎo)致末端執(zhí)行器的作業(yè)效果不佳。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器作業(yè)效果不佳以及集成化、自動(dòng)化和智能化程度不高的缺陷，本發(fā)明提供了ー種新型收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器及其柔性控制方法，通過選用微型電磁離合器和制動(dòng)器自動(dòng)化控制元件、改進(jìn)手指抓取機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和果梗分離機(jī)構(gòu)的刀片結(jié)構(gòu)、采用編碼器反饋檢測(cè)果梗分離效果和改變手指內(nèi)側(cè)壓カ傳感器的布置方式以及手指面黏貼材料，提高收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器的集成化、自動(dòng)化和智能化水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)果實(shí)的柔性收獲。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該末端執(zhí)行器通過使用微型電磁離合器和制動(dòng)器克服單個(gè)電機(jī)不能拖動(dòng)多個(gè)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)自由運(yùn)動(dòng)的局限性，使末端執(zhí)行器僅用ー個(gè)直流伺服電機(jī)便可按照作業(yè)順序分別拖動(dòng)手指抓取機(jī)構(gòu)和果梗分離機(jī)構(gòu)完成果實(shí)抓取與果梗分離任務(wù)，此外還采用內(nèi)置的齒輪齒條式手指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)，減小末端執(zhí)行器的整體幾何尺寸；手指內(nèi)側(cè)的兩個(gè)壓カ傳感器采用上下平行式布置方式，位于手指面上方的壓カ傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手指對(duì)果實(shí)抓取力，位于手指面下方的壓カ傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)果實(shí)在手指面上的滑動(dòng)狀況；手指內(nèi)側(cè)黏貼具有一定厚度的海綿墊，防止快速抓取時(shí)手指與果實(shí)高速碰撞；果梗分離機(jī)構(gòu)采用獨(dú)特的V型剪刀式刀片結(jié)構(gòu)，通過刀刃與果梗的高速碰撞剪斷果梗；果梗分離過程中依據(jù)編碼器所反饋的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律判斷果梗是否被剪斷， 進(jìn)而決定果梗分離機(jī)構(gòu)的執(zhí)行動(dòng)作。
本發(fā)明的有益效果是微型電磁離合器和制動(dòng)器的選用克服了末端執(zhí)行器依據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量確定電機(jī)數(shù)目的局限性，提高了末端執(zhí)行器的自動(dòng)化水平。末端執(zhí)行器中伺服電機(jī)數(shù)目的減少和手指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)有利于末端執(zhí)行器的高度集成。果梗分離機(jī)構(gòu)中V 型刀片結(jié)構(gòu)的獨(dú)特設(shè)計(jì)、使用編碼器檢測(cè)果梗分離效果、采用特殊的壓カ傳感器布置方式防止果實(shí)滑落和選用海綿材料貼于手指內(nèi)側(cè)增強(qiáng)手指的抓取柔性和可靠性，提高了末端執(zhí)行器的作業(yè)效果以及智能化水平。該新型機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)単，設(shè)計(jì)合理，新穎獨(dú)持，能夠?qū)崿F(xiàn)果實(shí)的柔性收獲。


圖1為本發(fā)明新型收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖2為圖1所示結(jié)構(gòu)中手指抓取機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，圖3為圖1所示結(jié)構(gòu)中果梗分離機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，圖4為圖3所示結(jié)構(gòu)中V型刀片的結(jié)構(gòu)圖。圖1中1.壓カ傳感器，2.壓カ傳感器，3.手指抓取機(jī)構(gòu)，4.下支撐體，5.壓カ傳感器，6.壓カ傳感器，7.鋰電池組，8.變壓與穩(wěn)壓模塊，9.運(yùn)動(dòng)控制器，10.驅(qū)動(dòng)器，11.計(jì)算機(jī)，12.攝像頭，13.殼體，14.上支撐體，15.距離傳感器，16.果梗分離機(jī)構(gòu)。圖2中3-1.左手指海綿墊，3-2.左手指，3-3.連接板，3-4.齒條，3-5.電磁制動(dòng)器，3-6.電磁離合器，3-7.微型直流伺服電機(jī)，3-8.齒輪，3-9.齒條，3-10.連接板，3-11. 右手指，3-12.右手指海綿墊，3-13.支撐桿，3-14.支撐桿。圖3中16-1. V型刀片，16-2.導(dǎo)桿，16-3.支撐體，16-4.電磁離合器，16-5.齒輪， 16-6.螺桿，16-7.軸承，16-8.傳動(dòng)塊，16-9.齒輪，16-10.導(dǎo)桿，16-11.連接件。圖4中:16-1-1.右刀背前沿，16-1-2.左刀背前沿，16-1-3.左刀背，16-1-4.左刀刃，16-1-5.螺孔，16-1-6.螺孔，16-1-7.右刀刃，16-1-8.右刀背。
具體實(shí)施例方式新型收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器(圖1)由機(jī)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(jī)械系統(tǒng)由手指抓取機(jī)構(gòu)(3)、果梗分離機(jī)構(gòu)(16)和支撐機(jī)構(gòu)(4、13和14)組成；控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)(11)、運(yùn)動(dòng)控制器(9)、驅(qū)動(dòng)器(10)、電磁離合器(3-6和16-4)、電磁制動(dòng)器(3- 和微型直流伺服電機(jī)(3-7)組成；供電系統(tǒng)由鋰電池組(7)和變壓與穩(wěn)壓模塊⑶組成；感知系統(tǒng)由壓力傳感器(1、2、5和6)、攝像頭(12)和距離傳感器(15)組成。手指抓取機(jī)構(gòu)(3)如圖2所示，包括左手指海綿墊(3-1)、左手指(3-2)、連接板 (3-3和3-10)、齒條(3-4和3-9)、齒輪(3_8)、右手指(3_11)、右手指海綿墊(3-12)和支撐桿(3-13和3-14)。左手指海綿墊(3-1)和壓カ傳感器(1和2)貼于左手指(3_2)的內(nèi)側(cè)，左手指(3- 和齒條(3-4)分別通過螺釘與連接板(3- 固定，左手指(3-2)內(nèi)側(cè)的壓力傳感器(1)和壓カ傳感器( 采用上下平行式布置方式；右手指海綿墊(3-1 和壓カ傳感器(5和6)貼于右手指(3-11)的內(nèi)側(cè)，右手指(3-11)和齒條(3-9)分別通過螺釘與連接板(3-10)固定，右手指(3-11)內(nèi)側(cè)的壓力傳感器( 和壓カ傳感器(6)采用上下平行式布置方式；左手指(3-2)內(nèi)側(cè)的壓力傳感器( 和右手指(3-11)內(nèi)側(cè)的壓力傳感器(6) 實(shí)時(shí)測(cè)定手指對(duì)果實(shí)的抓取力，當(dāng)果實(shí)向下滑動(dòng)時(shí)，左手指(3-2)內(nèi)側(cè)的壓力傳感器(1)和右手指(3-11)內(nèi)側(cè)的壓力傳感器( 測(cè)定的壓カ值逐漸増大。上支撐體(14)和下支撐體(4)通過支撐桿(3-13和3-14)、齒條(3-4和3_9)將連接體(3_3和3_10)壓在上下支撐體之間，電磁離合器(3-6)合上，電機(jī)(3-7)通過齒輪(3-8)拖動(dòng)齒條(3-9)和齒條(3_4) 做直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)左手指(3-2)和右手指(3-11)的相對(duì)平行直線運(yùn)動(dòng)。由于海綿的彈性模量通常小于果實(shí)和手指材料的彈性模量，故在左手指(3-2)和右手指(3-11)抓取果實(shí)吋，左手指海綿墊(3-1)和右手指海綿墊(3-12)分別自動(dòng)依據(jù)其與果實(shí)接觸部位的形狀壓縮變形，使左手指(3- 和右手指(3-11)自適應(yīng)抓緊果實(shí)，左手指海綿墊(3-1)和右手指海綿墊(3-12)與果實(shí)之間的接觸形式為面接觸。果梗分離機(jī)構(gòu)(16)如圖3所示，包括V型刀片(16-1)、導(dǎo)桿(16-2和16-10)、 支撐體(16-3)、齒輪(16-5和16-9)、螺桿(16_6)、軸承(16-7)、傳動(dòng)塊(16-8)和連接件 (16-11)。電磁離合器(3-6)和齒輪(16-9)安裝在電機(jī)(3-7)的輸出軸上，齒輪(16_5)通過螺釘固定在電磁離合器(16-4)的電樞單元外側(cè)，電磁離合器(16-4)的法蘭通過螺釘固定在支撐體(16- 的左側(cè)耳子上，齒輪(16-9)和齒輪(16- 通過外齒嚙合增速傳動(dòng)，螺桿(16-6)通過安裝在支撐體(16- 左右兩側(cè)耳子中的軸承支撐，V型刀片(16-1)通過連接件(16-11)與導(dǎo)桿(16-2和16-10)相連接，導(dǎo)桿(16-2和16-10)與安裝在螺桿(16-6) 上的傳動(dòng)塊(16-8)通過螺釘連接。電磁離合器(3-6)分離，電磁離合器(16-4)合上，電機(jī)(3-7)通過齒輪(16-9)和齒輪(16- 的嚙合傳動(dòng)拖動(dòng)螺桿(16-6)高速旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)塊 (16-8)和螺桿(16-6)之間通過螺旋傳動(dòng)推動(dòng)導(dǎo)桿(16-2和16-10)和V型刀片(16_1)做直線運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)(3-7)通過齒輪傳動(dòng)(16-5和16-9)和螺旋傳動(dòng)(16_6和16_8)拖動(dòng) V型刀片(16-1)剪切果梗吋，其速度變化規(guī)律為0(啟動(dòng))-高(碰撞前，空載向前)-低 (碰撞，負(fù)載向前)-高(剪斷后，空載向前)-0 (到達(dá)最大行程，停止)，果梗被剪斷后，伺服電機(jī)(3-7)托拖動(dòng)V型刀片(16-1)向前運(yùn)動(dòng)的速度變化規(guī)律為0(啟動(dòng))-高(空載向前)-0(到達(dá)最大行程，停止)，果梗分離過程中可依據(jù)編碼器所反饋的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律判斷果梗是否被剪斷。V型刀片(16-1)如圖4所示，包括右刀背前沿(16-1-1)、左刀背前沿(16_1_2)、 左刀背(16-1-3)、左刀刃(16-1-4)、螺孔(16-1-5和16_1_6)、右刀刃(16-1-7)和右刀背 (16-1-8)。左刀背前沿(16-1-2)和右刀背前沿(16-1-1)構(gòu)成第一級(jí)V型結(jié)構(gòu)，左刀刃 (16-1-4)和右刀刃(16-1-7)構(gòu)成第二級(jí)V型結(jié)構(gòu)，左刀刃(16-1-4)和右刀刃(16_1_7)的橫截面成直角三角形，左刀刃(16-1-4)的下表面和右刀刃(16-1-7)的上表面相切，類似剪刀的結(jié)構(gòu)。當(dāng)果梗位于第一級(jí)V型結(jié)構(gòu)所包圍的區(qū)域內(nèi)吋，V型刀片(16-1)的快速向前移動(dòng)迫使果梗首先被自動(dòng)收攏到第二級(jí)V型結(jié)構(gòu)的入口處，而后在第二級(jí)V型結(jié)構(gòu)所包圍的區(qū)域內(nèi)被左刀刃(16-1-4)和右刀刃(16-1-7)快速剪斷。新型收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器作業(yè)時(shí)，其柔性控制方法為攝像頭(1 感知果實(shí)的成熟度及所處空間姿態(tài)，距離傳感器(15)感知果實(shí)到末端執(zhí)行器的距離；計(jì)算機(jī)(11)依據(jù)感知系統(tǒng)所獲得的信息通過運(yùn)動(dòng)控制器(9)控制末端執(zhí)行器到達(dá)預(yù)定位姿；運(yùn)動(dòng)控制器 (9)控制微型直流伺服電機(jī)(3-7)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，電磁離合器(3-6)合上，電機(jī)(3-7)通過齒輪(3-8)拖動(dòng)齒條(3-9)和齒條(3-4)做相向直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)左手指(3- 和右手指 (3-11)的相向平行直線運(yùn)動(dòng)，開始合攏；左手指海綿墊(3-1)和右手指海綿墊(3-12)分別自動(dòng)依據(jù)其與果實(shí)接觸部位的形狀壓縮變形，使左手指(3- 和右手指(3-11)自適應(yīng)抓緊果實(shí)。左手指(3-2)內(nèi)側(cè)的壓力傳感器(2)和右手指(3-11)內(nèi)側(cè)的壓力傳感器(6)實(shí)時(shí)測(cè)定手指對(duì)果實(shí)的抓取力，左手指(3-2)內(nèi)側(cè)的壓力傳感器(1)和右手指(3-11)內(nèi)側(cè)的壓カ傳感器(5)實(shí)時(shí)檢測(cè)果實(shí)是否開始向下滑動(dòng)，若存在手指抓取力過大或果實(shí)有向下滑動(dòng)的跡象，立即將該信息反饋給計(jì)算機(jī)(11)，重復(fù)手指抓取過程，直至左手指(3- 和右手指(3-11)抓緊果實(shí)，電磁制動(dòng)器(3-5)將齒輪(3-8)制動(dòng)，電磁離合器(3-6)分離。電磁離合器(16-4)合上，電機(jī)(3-7)通過齒輪(16-9)和齒輪(16- 的嚙合增速傳動(dòng)拖動(dòng)螺桿 (16-6)順時(shí)針高速旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)塊(16-8)和螺桿(16-6)之間通過螺旋傳動(dòng)推動(dòng)導(dǎo)桿(16_2 和16-10)和V型刀片(16-1)做向前的快速直線運(yùn)動(dòng)，V型刀片(16-1)與果梗高速碰撞后剪斷果梗，而后返回初始位置。果梗分離過程中通過編碼器所反饋的伺服電機(jī)(3-7)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律判斷果梗是否被剪斷，若存在果梗未被剪斷，立即將該信息反饋給計(jì)算機(jī)(11)，重復(fù)上述果梗分離過程，直至果梗被完全剪斷，電磁離合器(16-4)分離，完成ー個(gè)工作循環(huán)。
權(quán)利要求
1.ー種新型收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器及其柔性控制方法，其特征在于新型收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器的機(jī)械系統(tǒng)由手指抓取機(jī)構(gòu)(3)、果梗分離機(jī)構(gòu)(16)和支撐機(jī)構(gòu)(4、13和14) 組成，控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)(11)、運(yùn)動(dòng)控制器(9)、驅(qū)動(dòng)器(10)、電磁離合器(3-6和16-4)、 電磁制動(dòng)器(3-5)和微型直流伺服電機(jī)(3-7)組成，感知系統(tǒng)由壓力傳感器(1、2、5和6)、 攝像頭(12)和距離傳感器(15)組成；手指抓取機(jī)構(gòu)(3)包括左手指海綿墊(3-1)、左手指 (3-2)、連接板(3-3和3-10)、齒條(3-4和3_9)、齒輪(3_8)、右手指(3_11)、右手指海綿墊 (3-12)和支撐桿(3-13和3-14)；果梗分離機(jī)構(gòu)(16)包括V型刀片(16-1)、導(dǎo)桿(16_2和 16-10)、支撐體(16- 、齒輪(16-5 和 16-9)、螺桿(16_6)、軸承(16-7)、傳動(dòng)塊(16-8)和連接件(16-11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器，其特征在于末端執(zhí)行器通過選用電磁離合器(3-6和16-4)和電磁制動(dòng)器(3-5)，僅用ー個(gè)伺服電機(jī)(3-7)便可按照作業(yè)順序分別拖動(dòng)手指抓取機(jī)構(gòu)(3)和果梗分離機(jī)構(gòu)(16)完成果實(shí)抓取與果梗分離任務(wù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器，其特征在干左手指(3-2)內(nèi)側(cè)貼有海綿墊(3-1)和壓カ傳感器(1和2)，右手指(3-11)內(nèi)側(cè)貼有海綿墊(3-12)和壓力傳感器(5和6)；左手指(3-2)內(nèi)側(cè)的壓力傳感器(1和2)與右手指(3-11)內(nèi)側(cè)的壓力傳感器(5和6)采用上下平行式布置方式，左手指(3-2)內(nèi)側(cè)的壓力傳感器(2)和右手指 (3-11)內(nèi)側(cè)的壓力傳感器(6)實(shí)時(shí)測(cè)定手指對(duì)果實(shí)的抓取力，左手指(3-2)內(nèi)側(cè)的壓カ傳感器⑴和右手指(3-11)內(nèi)側(cè)的壓力傳感器(5)實(shí)時(shí)檢測(cè)果實(shí)是否向下滑動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器，其特征在干V型刀片(16-1) 的左刀背前沿(16-1-2)和右刀背前沿(16-1-1)構(gòu)成第一級(jí)V型結(jié)構(gòu)，左刀刃(16-1-4)和右刀(16-1-7)構(gòu)成第二級(jí)V型結(jié)構(gòu)，左刀刃(16-1-4)和右刀刃(16-1-7)的橫截面成直角三角形，左刀刃(16-1-4)的下表面和右刀刃(16-1-7)的上表面相切；當(dāng)果梗位于第一級(jí)V 型結(jié)構(gòu)所包圍的區(qū)域內(nèi)吋，V型刀片(16-1)的快速向前移動(dòng)迫使果梗首先被自動(dòng)收攏到第 ニ級(jí)V型結(jié)構(gòu)的入口處，而后在第二級(jí)V型結(jié)構(gòu)所包圍的區(qū)域內(nèi)被左刀刃(16-1-4)和右刀刃(16-1-7)快速剪斷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器，其特征在于果梗分離過程中依據(jù)編碼器反饋的伺服電機(jī)(3-7)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律判斷果梗是否被剪斷。
全文摘要
一種新型收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器及其柔性控制方法，涉及收獲機(jī)器人領(lǐng)域。末端執(zhí)行器僅用一個(gè)伺服電機(jī)按照作業(yè)順序分別拖動(dòng)手指抓取機(jī)構(gòu)和果梗分離機(jī)構(gòu)完成果實(shí)抓取與果梗分離任務(wù)；手指內(nèi)側(cè)的兩個(gè)壓力傳感器采用上下平行式布置方式，手指面上方的壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手指對(duì)果實(shí)的抓取力大小，手指面下方的壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)果實(shí)在手指面上的滑動(dòng)狀況；手指內(nèi)側(cè)黏貼具有一定厚度的海綿墊，防止快速抓取時(shí)手指與果實(shí)高速碰撞；果梗分離機(jī)構(gòu)采用獨(dú)特的V型剪刀式刀片結(jié)構(gòu)，通過刀刃與果梗的高速碰撞剪斷果梗；果梗分離時(shí)依據(jù)編碼器所反饋的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律判斷果梗是否被剪斷。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，新穎獨(dú)特，能夠?qū)崿F(xiàn)果實(shí)的柔性收獲。
文檔編號(hào)A01D46/30GK102550217SQ20111043740
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者劉繼展, 李智國(guó), 李萍萍, 楊志波, 楊紅玲, 趙波 申請(qǐng)人:河南理工大學(xué)