專利名稱：一種多類型果蔬采摘的磁流變適型夾持器及機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)采摘領(lǐng)域，特別涉及一種多類型果蔬采摘的磁流變適型夾持器及機器人。
背景技術(shù)：
中國作為農(nóng)業(yè)大國，果蔬產(chǎn)業(yè)是農(nóng)業(yè)中的重要產(chǎn)業(yè)之一。水果采摘機器人是發(fā)展現(xiàn)代化果蔬產(chǎn)業(yè)的重要手段之一。但是，與當前水果種植業(yè)的迅速發(fā)展相比，國內(nèi)外對采摘機器人的研究較少，主要是一些簡易的采摘機械手，功能單一且通用性較差，通常只針對某一種水果的單一夾持采摘，這樣不僅定制機械手的成本較高，而且還會因采摘對象變化而發(fā)生不便實施應(yīng)用的問題。由于果蔬采摘對象是具有多樣性和不確定性的有機生物體，大多數(shù)果蔬的表皮和果實本身都比較脆弱和柔軟，容易造成損傷，并且果實形狀各異，大小不一，這對果蔬采摘時的夾持控制提出了很高要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，提供一種可采摘多類型水果、夾持定位準確、對水果損傷小的多類型果蔬采摘的磁流變適型夾持器。本發(fā)明的另一目的在于提供一種帶有上述磁流變適型夾持器的機器人。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種多類型果蔬采摘的磁流變適型夾持器，包括夾持柄13、磁流變液袋16、外殼 15和夾持柄平移機構(gòu)；夾持柄平移機構(gòu)由步進電機11、同步帶12和滾珠絲桿14組成，步進電機11通過同步帶12來帶動滾珠絲桿14的平移運動；夾持柄13的一端設(shè)于夾持器外殼 15的內(nèi)部，并與夾持柄平移機構(gòu)的滾珠絲桿14相連接，通過滾珠絲桿14的平移運行實現(xiàn)夾持柄13對目標果蔬的靠近動作；夾持柄13的另一端的內(nèi)側(cè)上安裝有磁流變液袋16 ；磁流變液袋16的里面裝有磁流變液，并與控制電路連接，通過電磁激勵調(diào)節(jié)來實現(xiàn)最適合果蔬夾持的外形輪廓功能。所述外殼15由兩個以上的連接板構(gòu)成盒狀結(jié)構(gòu)，相鄰兩個連接板之間通過螺栓連接。一種多類型果蔬采摘機器人，包括工作臺、機械手以及設(shè)置于機械手末端的末端執(zhí)行器10，所述末端執(zhí)行器10由上述磁流變適型夾持器和剪切機構(gòu)組成；剪切機構(gòu)由切割器18和執(zhí)行器電機17組成，切割器18設(shè)于夾持器外殼15的內(nèi)側(cè)，執(zhí)行器電機17與切割器18直接連接，實行切割動作。所述末端執(zhí)行器10還設(shè)有雙目視覺單元或單目視覺單元，從而實現(xiàn)果蔬采摘的精確性，可以與基于數(shù)字信號處理(DSP)與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的控制系統(tǒng)構(gòu)成基于視覺系統(tǒng)的果蔬采摘機器人。所述機械手包括機械手大臂6和機械手小臂8 ；機械手大臂6的一端通過帶有諧波減速器的伺服電機3、傳動齒輪組4、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5固定安裝在工作臺上，伺服電機3產(chǎn)生的
3動力經(jīng)過諧波減速器輸出后由傳動齒輪組4傳遞到旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5，從而帶動機械手大臂6的轉(zhuǎn)動；機械手大臂6的另一端通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)7、伺服電機與機械手小臂8的一端相連接；機械手小臂8的另一端通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)9、伺服電機連接有末端執(zhí)行器10。所述工作臺通過旋轉(zhuǎn)活動關(guān)節(jié)1和伺服電機2實現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)動作；所述工作臺是履帶式小車，可以滿足隨時移動的要求，實現(xiàn)采摘的方便性。本發(fā)明的多類型果蔬采摘機器人進行果蔬采摘時，步進電機11通電工作，通過同步帶12的傳動帶動滾珠絲桿14進行平移運動，使得夾持柄13靠近果蔬；同時，分別固定在兩個夾持柄13上的電磁激勵產(chǎn)生電磁場，在磁場力的作用下磁流變液袋16開始變形，由于磁流變液柔軟靈活可變的特性，磁流變液袋16可形成任意外形輪廓大小以適應(yīng)不同外形的果蔬，然后通過執(zhí)行器電機17帶動切割器18旋轉(zhuǎn)并切割果蔬，從而實現(xiàn)多種類型的果蔬采摘。而且，為了滿足不同類型果蔬的不同空間位置要求，共采用4臺伺服電機和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對多類型果蔬采摘機器人實行聯(lián)合控制。機械手固定安裝在工作臺上，伺服電機3通過控制旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5的角度來調(diào)節(jié)機械手第一旋轉(zhuǎn)角；機械手大臂6與工作臺之間的連接是采用兩個大小不相等的同軸傳動齒輪組4，從而達到減速增矩的功能及對機械手大臂6的位姿角度的調(diào)節(jié)控制；對機械手小臂8的位姿角度的控制同樣采取伺服電機和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)9 調(diào)節(jié)；末端執(zhí)行器10與機械手小臂8連接，末端執(zhí)行器位姿角度控制采用伺服電機、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)9調(diào)節(jié)。該機械手通過4個伺服電機聯(lián)合控制工作，實現(xiàn)末端執(zhí)行器10多空間位姿角度，進而滿足空間任何不同位置的采摘需要。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點和效果(1)本發(fā)明的磁流變適型夾持器，在采摘不同類型的果蔬時，通過激活在夾持器上的電磁體使接觸果實側(cè)的磁流變液屈服應(yīng)力增加，形成適應(yīng)果實的輪廓從而起到夾持功能，該采摘方式對果實的損傷較小，不用更換夾持器械即能適應(yīng)多種水果的采摘，采摘效率高；采用的剪切機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單可行，切割機構(gòu)在電機的帶動下，驅(qū)動刀片進行剪切，其采摘速度快，采摘效率高。(2)本發(fā)明的多類型果蔬采摘機器人，采用4個伺服電機和4個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)聯(lián)合控制，使得末端執(zhí)行器可以滿足空間任何不同位置的采摘需求，其運動靈活，伺服電機比傳統(tǒng)的采摘機械手使用的步進電機控制也更加精確。


圖1為本發(fā)明多類型果蔬采摘機器人的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明磁流變適型夾持器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明末端執(zhí)行器的原理示意圖。圖中，1、旋轉(zhuǎn)活動關(guān)節(jié)；2、伺服電機；3、伺服電機；4、傳動齒輪組；5、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；6、 機械手大臂；7、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；8、機械手小臂；9、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；10、末端執(zhí)行器；11、步進電機；12、 同步帶；13、夾持柄；14、滾珠絲桿；15、外殼；16、磁流變液袋；17、執(zhí)行器電機；18、切割器。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例如圖1所示，多類型果蔬采摘機器人，包括工作臺、機械手以及設(shè)置于機械手末端的末端執(zhí)行器10。末端執(zhí)行器10由磁流變適型夾持器和剪切機構(gòu)組成。如圖2所示，磁流變適型夾持器，包括兩個夾持柄13、磁流變液袋16、外殼15和夾持柄平移機構(gòu)；夾持柄平移機構(gòu)由步進電機11、同步帶12和滾珠絲桿14組成，步進電機11通過同步帶12帶動滾珠絲桿14的平移運動；夾持柄13的一端設(shè)于夾持器外殼15的內(nèi)部，并與夾持柄平移機構(gòu)的滾珠絲桿 14相連接，通過滾珠絲桿14的平移運行實現(xiàn)夾持柄13對目標果蔬的靠近動作；夾持柄13 的另一端的內(nèi)側(cè)上安裝有磁流變液袋16 ；磁流變液袋16的里面裝有磁流變液，并與控制電路連接，通過電磁激勵調(diào)節(jié)來實現(xiàn)最適合果蔬夾持的外形輪廓功能。夾持器外殼15由兩個以上的連接板構(gòu)成盒狀結(jié)構(gòu)，相鄰兩個連接板之間通過螺栓連接。如圖3所示，剪切機構(gòu)由切割器18和執(zhí)行器電機17組成，切割器18設(shè)于夾持器外殼15的內(nèi)側(cè)，執(zhí)行器電機17與切割器18直接連接，實行切割動作。末端執(zhí)行器10上設(shè)有雙目視覺單元，從而實現(xiàn)果蔬采摘的精確性，可以與基于 DSP+FPGA的控制系統(tǒng)構(gòu)成基于視覺系統(tǒng)的果蔬采摘機器人。機械手包括機械手大臂6和機械手小臂8 ；機械手大臂6的一端通過帶有諧波減速器的伺服電機3、傳動齒輪組4、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5固定安裝在工作臺上，伺服電機3產(chǎn)生的動力經(jīng)過諧波減速器輸出后由傳動齒輪組4傳遞到旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5，從而帶動機械手大臂6的轉(zhuǎn)動； 機械手大臂6的另一端通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)7、伺服電機與機械手小臂8的一端相連接；機械手小臂8的另一端通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)9、伺服電機連接有末端執(zhí)行器10。工作臺是履帶式小車，可以滿足隨時移動的要求，實現(xiàn)采摘的方便性。工作臺安裝于固定機構(gòu)上，工作臺與固定機構(gòu)的連接處設(shè)有相連接的旋轉(zhuǎn)活動關(guān)節(jié)1和伺服電機2，實現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)動作。機器人中各部分結(jié)構(gòu)(外殼、大臂、小臂等)均采用輕質(zhì)的材料設(shè)計制造，以求有效減輕機器人的自身重量。采摘過程本實施例是使用4臺伺服電機進行聯(lián)合控制的四自由度采摘機器人。 機械手本體安裝在工作平臺上，工作平臺與底座間可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動(第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié))，該關(guān)節(jié)采用齒輪聯(lián)接，旋轉(zhuǎn)的角度由第一伺服電機控制；大臂與工作平臺的連接處為第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)， 第二伺服電機輸出的動力通過諧波齒輪減速器的減速增矩后傳遞到關(guān)節(jié)處，從而實現(xiàn)對大臂的位姿角度的控制；小臂與大臂的連接處為第三旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，此處小臂的位姿角度由第三伺服電機控制；末端執(zhí)行器的位姿角度由與安裝在小臂末端的第四伺服電機相連的同步帶輪控制。該機械手通過改變4個伺服電機的工作狀態(tài)即能對末端執(zhí)行器的空間位置進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)采摘果蔬的功能。具體采摘時，進行果蔬采摘時，步進電機11通電工作，通過同步帶12的傳動帶動滾珠絲桿14進行平移運動，使得夾持柄13靠近果蔬；同時，分別固定在兩個夾持柄13上的電磁激勵產(chǎn)生電磁場，在磁場力的作用下磁流變液袋16開始變形，由于磁流變液柔軟靈活可變的特性，磁流變液袋16可形成任意外形輪廓大小以適應(yīng)不同外形的果蔬，然后通過執(zhí)行器電機17帶動切割器18旋轉(zhuǎn)并切割果蔬，從而實現(xiàn)多種類型的果蔬采摘。如上所述，便可較好地實現(xiàn)本發(fā)明，上述實施例僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍；即凡依本發(fā)明內(nèi)容所作的均等變化與修飾，都為本發(fā)明權(quán)利要求所要求保護的范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種多類型果蔬采摘的磁流變適型夾持器，其特征在于包括夾持柄、磁流變液袋、 外殼和夾持柄平移機構(gòu)；夾持柄平移機構(gòu)由步進電機、同步帶和滾珠絲桿組成，步進電機通過同步帶來帶動滾珠絲桿的平移運動；夾持柄的一端設(shè)于夾持器外殼的內(nèi)部，并與夾持柄平移機構(gòu)的滾珠絲桿相連接；夾持柄的另一端的內(nèi)側(cè)上安裝有磁流變液袋；磁流變液袋的里面裝有磁流變液，并與控制電路連接，通過電磁激勵調(diào)節(jié)來實現(xiàn)適合果蔬夾持的外形輪廓功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多類型果蔬采摘的磁流變適型夾持器，其特征在于所述外殼由兩個以上的連接板構(gòu)成盒狀結(jié)構(gòu)，相鄰兩個連接板之間通過螺栓連接。
3.一種多類型果蔬采摘機器人，其特征在于包括工作臺、機械手以及設(shè)置于機械手末端的末端執(zhí)行器，所述末端執(zhí)行器由權(quán)利要求1或2所述的磁流變適型夾持器和剪切機構(gòu)組成；剪切機構(gòu)由切割器和執(zhí)行器電機組成，切割器設(shè)于夾持器外殼的內(nèi)側(cè)，執(zhí)行器電機與切割器直接連接，實行切割動作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多類型果蔬采摘機器人，其特征在于所述末端執(zhí)行器設(shè)有雙目視覺單元或單目視覺單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多類型果蔬采摘機器人，其特征在于所述機械手包括機械手大臂和機械手小臂；機械手大臂的一端通過帶有諧波減速器的伺服電機、傳動齒輪組、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)固定安裝在工作臺上，伺服電機產(chǎn)生的動力經(jīng)過諧波減速器輸出后由傳動齒輪組傳遞到旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，從而帶動機械手大臂的轉(zhuǎn)動；機械手大臂的另一端通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、伺服電機與機械手小臂的一端相連接；機械手小臂的另一端通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、伺服電機連接有末端執(zhí)行器。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多類型果蔬采摘機器人，其特征在于所述工作臺是履帶式小車。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多類型果蔬采摘的磁流變適型夾持器及機器人。所述磁流變適型夾持器包括夾持柄、磁流變液袋、外殼和夾持柄平移機構(gòu)；夾持柄一端的內(nèi)側(cè)上安裝有磁流變液袋，磁流變液袋的里面裝有磁流變液，并與控制電路連接，通過電磁激勵調(diào)節(jié)來實現(xiàn)最適合果蔬夾持的外形輪廓功能。多類型果蔬采摘機器人，包括工作臺、機械手以及設(shè)置于機械手末端的末端執(zhí)行器，所述末端執(zhí)行器由磁流變適型夾持器和剪切機構(gòu)組成。本發(fā)明的磁流變適型夾持器及機器人，在采摘不同類型的果蔬時，不用更換夾持器械即能適應(yīng)多種水果的采摘，采摘效率高；而且可以滿足空間任何不同位置的采摘需求，其運動靈活，伺服電機比傳統(tǒng)的采摘機械手使用的步進電機控制也更加精確。
文檔編號A01D46/30GK102550215SQ201210011049
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者葉敏, 熊俊濤, 羅承宇, 鄒湘軍 申請人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)