一種適用于抓取不同形態(tài)果蔬的蜓爪式仿生末端執(zhí)行器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明在于提供一種具有仿生結(jié)構(gòu)特征的農(nóng)業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器，該機(jī)械手以蜻蜓爪指為仿生研究對象，并將其特有的六指結(jié)構(gòu)特征應(yīng)用于該機(jī)械手的設(shè)計。該機(jī)械手由框架式機(jī)械平臺、控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電力輔助系統(tǒng)組成。在抓取果蔬時，通過伺服電機(jī)下方裝有的平底推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)，控制機(jī)械手前后兩對爪指相對于中爪的角度。在機(jī)械手接觸到果蔬時，通過傳感器的力值反饋調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動幅度，從而來調(diào)節(jié)爪指內(nèi)部的高強(qiáng)度柔性聚酰胺繩的收緊或舒張。進(jìn)而實現(xiàn)對不同大小、不同形狀的果蔬進(jìn)行穩(wěn)定并柔順抓取的目的。
【專利說明】一種適用于抓取不同形態(tài)果蔬的蜓爪式仿生末端執(zhí)行器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有抓取果蔬功能的仿生蜓爪式末端執(zhí)行器，屬于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中的一種新型仿生機(jī)械手。

【背景技術(shù)】
[0002]在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，利用農(nóng)業(yè)智能裝備摘取和分選果蔬的過程中，由于果蔬種類繁雜、大小各異，所以想達(dá)到利用同一機(jī)械手抓取各種形狀果蔬的效果是十分困難的。另外果蔬容易損傷，所以穩(wěn)定并柔順的抓取也是十分重要的。但現(xiàn)今機(jī)械手對抓取不同形狀的物體的適應(yīng)程度和柔順程度都有很大的局限性，所以對摘取和分選中末端執(zhí)行器的研究就顯得尤為重要。
[0003]眾所周知，蜻蜓在抓取物體時，其爪指具有廣泛的適應(yīng)性，無論是豎直的樹枝頂端還是平放的樹枝枝干，蜻蜓都能牢靠抓取并且保持身體的穩(wěn)定性。這種現(xiàn)象與其抓取時的運動形式有直接的關(guān)系，而其運動形式與它獨特的六指機(jī)構(gòu)和各腿節(jié)不同的運動機(jī)理是密不可分的。因此蜻蜓爪為末端執(zhí)行器的仿生研究對象，通過研究其爪的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能機(jī)理，可為抓取果蔬的末端執(zhí)行器提供仿生信息。因此探究蜻蜓爪的特點對于改進(jìn)傳統(tǒng)抓取果蔬的末端執(zhí)行器有著實在意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明在于提供一種具有仿生結(jié)構(gòu)特征的農(nóng)業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器，該機(jī)械手以蜻蜓爪指為仿生研究對象，并將其特有的六指結(jié)構(gòu)特征應(yīng)用于該機(jī)械手的設(shè)計。該機(jī)械手由框架式機(jī)械平臺、控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電力輔助系統(tǒng)組成。該機(jī)械手以復(fù)合材料為材料，以電力為驅(qū)動能源。在抓取果蔬時，通過伺服電機(jī)下方裝有的平底推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)，控制機(jī)械手前后兩對爪指相對于中爪的角度。在機(jī)械手接觸到果蔬時，通過傳感器的力值反饋調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動幅度，從而來調(diào)節(jié)爪指內(nèi)部的高強(qiáng)度柔性聚酰胺繩的收緊或舒張。進(jìn)而實現(xiàn)對不同大小、不同形狀的果蔬進(jìn)行穩(wěn)定并柔順抓取的目的。
[0005]本發(fā)明所述的一種具有仿生幾何結(jié)構(gòu)特征的蜓爪式末端執(zhí)行器，該機(jī)械手由框架式機(jī)械平臺、智能控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電力輔助系統(tǒng)組成。機(jī)械平臺主體框架
(I)和機(jī)械爪指由復(fù)合材料組成，主體框架(I)底部通過螺栓將滑道(19)固定，兩機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)之間通過彈簧約束，機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)上有兩條上下貫通的滑槽(15)，機(jī)械爪指由機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18 )穿過滑槽(15 )通過球鉸(12 )和球鉸梁(16 )與中爪底盤(13 )相聯(lián)接，中爪底盤(13)與機(jī)械手中爪腿節(jié)(8)通過中爪梁(14)進(jìn)行相互固定，伺服電機(jī)(3)通過定位螺栓孔固定于平底推桿盤形凸輪(17)上的中爪底盤(13)，通過平底推桿盤形凸輪(17)與機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)的相對位置的改變，以及彈簧對機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)的約束，實現(xiàn)機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)在滑道(19)上的往復(fù)直線運動。機(jī)械手前后兩對爪指是相同的，機(jī)械手前爪由機(jī)械手前爪腿節(jié)(4)、機(jī)械手前爪脛節(jié)(5)、機(jī)械手前爪跗節(jié)(6)鉸接而成。機(jī)械手后爪由機(jī)械手后爪腿節(jié)(23)、機(jī)械手后爪脛節(jié)(24)、機(jī)械手后爪跗節(jié)(25)鉸接而成。機(jī)械手中爪由機(jī)械手中爪腿節(jié)(8)、機(jī)械手中爪脛節(jié)(9)、機(jī)械手中爪跗節(jié)(10)鉸接而成。在蜻蜓前(后)爪末端鉸接倒鉤(22 )，倒鉤(22 )由倒鉤鉸接處(28 )、倒鉤末端(26 )和倒鉤轉(zhuǎn)角(27)組成，并且在倒鉤(22)中存在彎曲結(jié)構(gòu)。在機(jī)械手倒鉤(22)和機(jī)械手中爪跗節(jié)(10)表面都側(cè)貼有應(yīng)變片(20)。機(jī)械手倒鉤(22)內(nèi)側(cè)固定有高強(qiáng)度柔性聚酰胺繩，高強(qiáng)度柔性聚酰胺繩通過機(jī)械手內(nèi)槽(21)纏繞在固定于伺服電機(jī)(2) (7)輸出軸的繞線盤
(11)上，以實現(xiàn)傳動的作用。
[0006]【專利附圖】

【附圖說明】:
參見附圖
圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖圖2為末端執(zhí)行器前后兩對爪指的俯視圖圖3為機(jī)械手前爪指結(jié)構(gòu)示意圖圖4為本發(fā)明局部結(jié)構(gòu)示意圖圖5為倒鉤的主視圖
圖1中，1、主體框架；2、伺服電機(jī)；3、伺服電機(jī)；4、機(jī)械手前爪腿節(jié)；5、機(jī)械手前爪脛節(jié)；6、機(jī)械手前爪跗節(jié)；7、伺服電機(jī)；8、機(jī)械手中爪腿節(jié)；9、機(jī)械手中爪脛節(jié)；10、機(jī)械手中爪跑節(jié)；11、繞線盤。
[0007]圖2中，12、球鉸；13、中爪底盤；14、中爪梁；15、滑槽；16、球鉸梁；17、平底推桿盤形凸輪；18、機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊；19、滑道。
[0008]圖3中，20、應(yīng)變片；21、內(nèi)槽；22、倒鉤。
[0009]圖4中，23、機(jī)械手后爪腿節(jié)；24、機(jī)械手后爪胚節(jié)；25、機(jī)械手后爪跑節(jié)。
[0010]圖5中，26、倒鉤末端；27、倒鉤轉(zhuǎn)角；28、倒鉤鉸接處。
[0011]【具體實施方式】:
本發(fā)明所述的一種具有仿生幾何結(jié)構(gòu)特征的蜓爪式末端執(zhí)行器，該機(jī)械手由框架式機(jī)械平臺、智能控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電力輔助系統(tǒng)組成。機(jī)械平臺主體框架(I)和機(jī)械爪指由復(fù)合材料組成，主體框架(I)底部通過螺栓將滑道(19)固定，兩機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)之間通過彈簧約束，機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)上有兩條上下貫通的滑槽(15)，機(jī)械爪指由機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)穿過滑槽(15)通過球鉸(12)和球鉸梁(16)與中爪底盤(13)相聯(lián)接，中爪底盤(13)與機(jī)械手中爪腿節(jié)(8)通過中爪梁(14)進(jìn)行相互固定，伺服電機(jī)(3)通過定位螺栓孔固定于平底推桿盤形凸輪(17)上的中爪底盤(13)，通過平底推桿盤形凸輪(17)與機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)的相對位置的改變，以及彈簧對機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)的約束，實現(xiàn)機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)在滑道(19)上的往復(fù)直線運動。機(jī)械手前后兩對爪指是相同的，機(jī)械手前爪由機(jī)械手前爪腿節(jié)(4)、機(jī)械手前爪脛節(jié)(5)、機(jī)械手前爪跗節(jié)(6)鉸接而成。機(jī)械手后爪由機(jī)械手后爪腿節(jié)(23)、機(jī)械手后爪脛節(jié)(24)、機(jī)械手后爪跗節(jié)(25)鉸接而成。機(jī)械手中爪由機(jī)械手中爪腿節(jié)(8)、機(jī)械手中爪脛節(jié)(9)、機(jī)械手中爪跗節(jié)(10)鉸接而成。在蜻蜓前(后)爪末端鉸接倒鉤(22 )，倒鉤(22 )由倒鉤鉸接處(28 )、倒鉤末端(26 )和倒鉤轉(zhuǎn)角(27)組成，并且在倒鉤(22)中存在彎曲結(jié)構(gòu)。在機(jī)械手倒鉤(22)和機(jī)械手中爪跗節(jié)(10)表面都側(cè)貼有應(yīng)變片(20)。機(jī)械手倒鉤(22)內(nèi)側(cè)固定有高強(qiáng)度柔性聚酰胺繩，高強(qiáng)度柔性聚酰胺繩通過機(jī)械手內(nèi)槽(21)纏繞在固定于伺服電機(jī)(2) (7)輸出軸的繞線盤
(11)上，以實現(xiàn)傳動的作用。
[0012]在使用開始時，伺服電機(jī)(2 ) (3 ) (7 )處于初始位置，控制系統(tǒng)通過機(jī)器視覺技術(shù)調(diào)節(jié)平底推桿盤形凸輪(17)與機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)的相對位置，再加上彈簧對機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)的約束，實現(xiàn)機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)在滑道(19)上的運動，進(jìn)而實現(xiàn)抓取果蔬時兩對爪指相對于中爪的角度，達(dá)到了仿生蜻蜓爪的動作來抓取不同形狀的果蔬的目的。每條機(jī)械爪的腿節(jié)的比例是仿生蜻蜓腿節(jié)的比例，更加適應(yīng)各種形狀的果蔬。在機(jī)械手接觸到果蔬時，通過倒鉤(22)和機(jī)械手中爪跗節(jié)(10)內(nèi)側(cè)貼有的應(yīng)變片(20)，把測到的力值反饋給控制系統(tǒng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)伺服電機(jī)(2) (7)的轉(zhuǎn)動，使固定在機(jī)械手倒鉤(22)和機(jī)械手中爪跗節(jié)(10)內(nèi)槽(21)中的高強(qiáng)度柔性聚酰胺繩收緊或舒張，達(dá)到輕柔的抓取不同形狀果蔬的目的。此仿生蜓爪式末端執(zhí)行器適應(yīng)性高，適合各種形狀果蔬的抓取。
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明所述的一種具有仿生幾何結(jié)構(gòu)特征的蜓爪式末端執(zhí)行器，該機(jī)械手由框架式機(jī)械平臺、智能控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電力輔助系統(tǒng)組成；機(jī)械平臺主體框架(I)和機(jī)械爪指由復(fù)合材料組成，主體框架(I)底部通過螺栓將滑道(19)固定，兩機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)之間通過彈簧約束，機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)上有兩條上下貫通的滑槽(15)，機(jī)械爪指由機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)穿過滑槽(15)通過球鉸(12)和球鉸梁(16)與中爪底盤(13)相聯(lián)接，中爪底盤(13)與機(jī)械手中爪腿節(jié)(8)通過中爪梁(14)進(jìn)行相互固定，伺服電機(jī)(3)通過定位螺栓孔固定于平底推桿盤形凸輪(17)上的中爪底盤(13)，通過平底推桿盤形凸輪(17)與機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)的相對位置的改變，以及彈簧對機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)的約束，實現(xiàn)機(jī)械手轉(zhuǎn)節(jié)滑塊(18)在滑道(19)上的往復(fù)直線運動；機(jī)械手前后兩對爪指是相同的，機(jī)械手前爪由機(jī)械手前爪腿節(jié)(4)、機(jī)械手前爪脛節(jié)(5)、機(jī)械手前爪跗節(jié)(6)鉸接而成；機(jī)械手后爪由機(jī)械手后爪腿節(jié)(23)、機(jī)械手后爪脛節(jié)(24)、機(jī)械手后爪跗節(jié)(25)鉸接而成；機(jī)械手中爪由機(jī)械手中爪腿節(jié)(8 )、機(jī)械手中爪脛節(jié)(9 )、機(jī)械手中爪跗節(jié)(10 )鉸接而成；在蜻蜓前(后)爪末端鉸接倒鉤(22 )，倒鉤(22 )由倒鉤鉸接處(28 )、倒鉤末端(26 )和倒鉤轉(zhuǎn)角(27)組成，并且在倒鉤(22)中存在彎曲結(jié)構(gòu)；在機(jī)械手倒鉤(22)和機(jī)械手中爪跑節(jié)(10)表面都側(cè)貼有應(yīng)變片(20);機(jī)械手倒鉤(22)內(nèi)側(cè)固定有高強(qiáng)度柔性聚酰胺繩，高強(qiáng)度柔性聚酰胺繩通過機(jī)械手內(nèi)槽(21)纏繞在固定于伺服電機(jī)(2) (7)輸出軸的繞線盤(11)上，以實現(xiàn)傳動的作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有仿生幾何結(jié)構(gòu)特征的蜓爪式末端執(zhí)行器，其特征在于，與機(jī)械手前爪腿節(jié)(4)相連的兩個球鉸梁(16)末端AB之間的距離和兩個中爪梁(14)末端⑶之間的距離和與機(jī)械手后爪腿節(jié)(23)相連的兩個球鉸梁(16)末端EF之間的距離之比為64:123:64 ;在中爪底盤(13)所處的平面內(nèi)，與機(jī)械手前爪腿節(jié)(4)相連的球鉸梁(16)與中爪梁(14)之間所夾角度為30°，與機(jī)械手后爪腿節(jié)(23)相連的球鉸梁(16)與中爪梁(14)之間所夾角度為30°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有仿生幾何結(jié)構(gòu)特征的蜓爪式末端執(zhí)行器，其特征在于，機(jī)械手前爪腿節(jié)(4)與機(jī)械手前爪脛節(jié)(5)與機(jī)械手前爪跗節(jié)￠)的長度比為18:16:7 ;機(jī)械手中爪腿節(jié)(8)與機(jī)械手中爪脛節(jié)(9)與機(jī)械手中爪跗節(jié)(10)的長度比為8:5:2 ;機(jī)械手后爪腿節(jié)(23)與機(jī)械手后爪脛節(jié)(24)與機(jī)械手后爪跗節(jié)(25)的長度比為18:16:7。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有仿生幾何結(jié)構(gòu)特征的蜓爪式末端執(zhí)行器，其特征在于，在中爪底盤(13)所處的平面內(nèi)，機(jī)械手前爪腿節(jié)(4)相對于中爪梁(14)可轉(zhuǎn)動的角度范圍為0°?78°，機(jī)械手后爪腿節(jié)(23)相對于中爪梁(14)可轉(zhuǎn)動的角度范圍為0°?78。。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有仿生幾何結(jié)構(gòu)特征的蜓爪式末端執(zhí)行器，其特征在于，倒鉤中存在彎曲結(jié)構(gòu)，即倒鉤轉(zhuǎn)角(27)的H點與倒鉤鉸接處(28)的G點的連線與倒鉤鉸接處(28)的G點與倒鉤末端(26)的I點的連線所夾的角度為120°。
【文檔編號】A01D46/24GK104303709SQ201410607470
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】權(quán)龍哲, 趙琳, 祝越, 季忠良, 奚德君, 舒夢婷 申請人:東北農(nóng)業(yè)大學(xué)