專利名稱：可感知碰撞的采摘機器人伸縮臂的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種機器人機械臂，尤其涉及的是一種可感知碰撞的采摘機器人伸縮臂。
背景技術：
自1883年第一臺西紅柿采摘機器人在美國誕生以來，采摘機器人的研究和開發(fā)歷經了近30年的時間。在國外，日本和歐美等國家相繼立項研究采摘蘋果、柑桔、西紅柿、 西瓜和葡萄等智能機器人。日本Kondo-N等人研制的西紅柿采摘機器手具有七個自由度， 具有一定的避障能力。Johan Baeten和Sven Boedri j等人研制的蘋果采摘機器人，將工業(yè)機器人的六自由度手臂安裝于可水平和豎直移動的架子上，再由一臺拖拉機牽引在果園里移動。法國一家公司開發(fā)了一臺蘋果采摘機器人，其利用液壓作為動力，機器人工作空間有限。東北林業(yè)大學的陸懷民研制了林木球果采摘機器人，上海交通大學正在進行黃瓜采摘機器人的研究，浙江大學對七自由度番茄收獲機械手進行了機構分析與優(yōu)化設計研究等。目前國內外對于采摘機器人機械臂結構主要采用二種類型，第一種類型就是直接借用工業(yè)機械臂形式。第二種是基于避障而采用的冗余自由度機械臂。無論哪種類型，其機器人的關節(jié)類型多采用轉動形式，而在實際的機器人采摘作業(yè)中，轉動關節(jié)臂動作時，在果樹內掃過的面積是一個扇面，而移動關節(jié)臂的伸縮只是一條直線，相比而言，轉動關節(jié)臂增大了采摘機器人機械臂與果樹枝葉的碰撞幾率，降低了機器人的避障能力，增加了采摘機器人路徑規(guī)劃和運動控制的難度，所以在保證采摘功能的前提下，機械臂的后關節(jié)采用移動關節(jié)具有更優(yōu)的性能，另外，目前用來感知外部環(huán)境信息的傳感器大都裝在機器人的末端執(zhí)行器上，在機械臂上安裝的很少，而機器人在采摘果樹內部的果實時，機械臂的后關節(jié)不可避免的要深入果樹的內部進行作業(yè)，會與枝葉發(fā)生碰撞，如果機械臂沒有感知碰撞力大小程度的功能，當其撞上較粗的樹枝時就沒有能力做出判斷，那么這種碰撞即可對果樹和機器人都帶來損害。

實用新型內容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種可感知碰撞的采摘機器人伸縮臂，在伸縮臂上設置碰撞感知部分實現(xiàn)了對外界的碰撞感知。技術方案本實用新型包括驅動伸縮部分和至少一組碰撞感知部分，所述碰撞感知部分包括至少一個碰撞片、至少一個彈簧組件和至少一個開關組件；其中碰撞片設置于驅動伸縮部分沿軸向的外部，開關組件設置于驅動伸縮部分的端部，彈簧組件的一端固定在碰撞片上，另一端固定在驅動伸縮部分的端部，彈簧組件的高度大于開關組件的高度。所述驅動伸縮部分包括交流伺服電機、架體、導桿、絲杠、螺母件和伸縮桿；其中 交流伺服電機驅動絲杠運動，絲杠的兩端設有架體，絲杠的兩端固定在架體內，螺母件套接在絲杠上構成了絲杠螺母機構，導桿套接在螺母件上，伸縮桿固定在螺母件上，碰撞片設置于絲杠的軸向方向。絲杠的自轉使得螺母件在導桿的定向作用下進行前后移動，伸縮桿和螺母件一同動作，實現(xiàn)伸縮功能。所述絲杠的兩端分別通過向心推力軸承軸向固定在架體內，向心推力軸承用于承受絲桿在運動過程中產生的軸向力和徑向力。所述架體上設有支撐架，伸縮桿套接在支撐架內，使得伸縮桿的伸縮動作定向進行。所述彈簧組件包括圓柱卡片、彈簧支撐架、導柱和壓縮彈簧；其中彈簧支撐架上設有光孔，導柱依次套接在壓縮彈簧和彈簧支撐架的光孔內，導柱的頂端和碰撞片固定相連，底端和圓柱卡片通過螺釘固定相連，壓縮彈簧固定在彈簧支撐架上，圓柱卡片設置于彈簧支撐架的底部。所述彈簧支撐架上的光孔直徑小于圓柱卡片的圓柱直徑，導柱依靠彈簧支撐架上的光孔進行對壓縮彈簧的壓縮定向，導柱和圓柱卡片固定相連，圓柱卡片的直徑大于光孔直徑是為了限制導柱連接的碰撞片不會因為壓縮彈簧的預緊力使其從架體上飛出去，從而限定了碰撞片的活動空間。所述開關組件包括微動開關和微動開關支架，微動開關固定在微動開關支架上， 微動開關支架固定在架體上，微動開關的的高度小于相應的碰撞片的高度。所述碰撞感知部分有三組，每組碰撞感知部分包括一個碰撞片、四個彈簧組件和兩個開關組件，一個碰撞片設置于架體沿軸向的外部，一個碰撞片的兩端分別設有兩個彈簧組件，一個開關組件設置于兩個彈簧組件之間。本實用新型工作時，壓縮彈簧的一端由于預緊力將相應的碰撞片頂起，壓縮彈簧的另一端壓在彈簧支撐架上，當碰撞片受到較大壓力碰撞后，壓縮彈簧隨著導柱的移動向下收縮，直至碰撞片壓到其下的微動開關動作為止，這時，微動開關發(fā)信號給機器人控制系統(tǒng)，提示該方向上碰到危險障礙，機械臂應該停止在這個方向上的運動，重新規(guī)劃采摘路徑，選擇其他方向進行采摘。有益效果本實用新型相比現(xiàn)有技術，具有以下優(yōu)點本實用新型結構簡單，實現(xiàn)方便，能夠提高機器人整體的采摘效率和成功率，避免機器人進行采摘作業(yè)時的危險碰撞， 保護機器人及果樹的安全。

圖1是本實用新型的整體結構示意圖；圖2是本實用新型的內部結構示意圖；圖3是本實用新型的驅動伸縮部分的結構示意圖；圖4是本實用新型的彈簧組件的結構示意圖；圖5是本實用新型的開關組件的結構示意圖。
具體實施方式
下面對本實用新型的實施例作詳細說明，本實施例在以本實用新型技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范圍不限于下述的實施例。 如圖1、圖2和圖3所示，本實施例整體安裝在采摘機器人機械臂最后的關節(jié)處，用
4連接法蘭1和最后的關節(jié)的驅動輸出端固聯(lián)，本實施例包括驅動伸縮部分和三組碰撞感知部分，三組碰撞感知部分分別設置于驅動伸縮部分的沿軸向的頂端、左端和右端，每組碰撞感知部分包括一個碰撞片11、四個彈簧組件9和兩個開關組件10，一個碰撞片11設置于驅動伸縮部分的架體沿軸向的外部，一個碰撞片11的兩端分別設有兩個彈簧組件9，一個開關組件10設置于兩個彈簧組件9之間，即每個碰撞片11的兩端在架體上各安裝一個開關組件10，每個開關組件10配合兩個彈簧組件9使用。驅動伸縮部分的下方有收集果實的裝置，沒有空間來安裝碰撞感知部分。以驅動伸縮部分的左端為例，驅動伸縮部分包括交流伺服電機2、架體3、兩根導桿4、絲杠5、螺母件6、支撐架8和伸縮桿7 ；其中交流伺服電機2固定在架體3上并驅動絲杠5動作，絲杠5的兩端設有架體3，絲杠5的兩端分別通過向心推力軸承軸向固定在架體3內，螺母件6套接在絲杠5上構成了絲杠螺母機構，導桿4分別套接在螺母件6的兩端， 伸縮桿7固定在螺母件6上，螺母件6在導桿4的定向作用下進行前后移動，架體3上設有支撐架8，支撐架8上設有直線軸承，伸縮桿7套接在支撐架8的直線軸承內，對伸縮桿7的伸縮動作起到定向支撐和減少摩擦的作用，碰撞片11設置于沿絲杠5軸向的架體3右端的外部，絲杠5的自轉使得螺母件6在導桿4的定向作用下進行前后移動，伸縮桿7和螺母件 6 —同動作，實現(xiàn)了伸縮功能。如圖4所示，彈簧組件9包括壓縮彈簧16、圓柱卡片13、螺釘12、導柱15和彈簧支撐架14 ；其中彈簧支撐架14上設有光孔，導柱15依次套接在壓縮彈簧16和彈簧支撐架14的光孔內，導柱15的頂端和碰撞片11固定相連，底端和圓柱卡片13通過螺釘12固定相連，壓縮彈簧16固定在彈簧支撐架14上，圓柱卡片13設置于彈簧支撐架14的底部； 彈簧支撐架14上的光孔直徑小于圓柱卡片13的圓柱直徑。以驅動伸縮部分的左端為例，彈簧組件9共有四個，絲杠5兩端的架體3上各有兩個。驅動伸縮部分的右端和左端相同設置，由于安裝空間的限制，驅動伸縮部分的上端減少一個彈簧組件9，即在絲杠5前端的架體3的上方只裝有一個彈簧組件9，相對應的后端的架體3的上方裝有兩個彈簧組件9。本實施例中碰撞片11采用厚度為lmm-2mm的冷軋Q235鋼板制成，導桿4和導柱 15分別選用直徑為6mm和16mm的光滑圓鋼。如圖5所示，開關組件10包括微動開關17和微動開關支架18，微動開關17固定在微動開關支架18上，微動開關支架18固定在架體3上，微動開關17的的高度小于相應的碰撞片11的高度。本實施例微動開關17的型號為MSW-11。微動開關17和機器人的控制系統(tǒng)相連，壓縮彈簧16的一端由于受到預緊力作用將相應的碰撞片11頂起，另一端壓在彈簧支撐架14上。當碰撞片11受到大于相應壓縮彈簧16的預緊力之和的壓力碰撞后，壓縮彈簧16將沿著導柱15向下收縮，直至碰撞片11壓到其下的微動開關17動作為止，微動開關17發(fā)信號給機器人控制系統(tǒng)，提示該方向上碰到障礙物，機械臂應該停止在這個方向上的運動，重新規(guī)劃采摘路徑或選擇其他方向進行采摘。彈簧組件9的個數和其本身的剛度系數和預緊力決定了機械臂對何種大小程度的碰撞力作出反應。在實際的機器人采摘果實過程中，特別是枝葉較茂密的果樹，機械臂經常碰到很多柔韌性好的細枝條，這時，機械臂不必對此做出反應，即此時的機械臂的碰撞反應力應大于碰撞力，這樣即避免了機器人做無謂的判斷和規(guī)劃，有利于提高機器人整體的采摘效率和成功率。所以，可以根據具體采摘對象和環(huán)境的不同，通過實驗獲得相應的對果樹或機器人有損害的臨界碰撞力，再以臨界碰撞力作為設計依據，確定相應彈簧組件9的個數、剛度系數和預緊力。
權利要求1.一種可感知碰撞的采摘機器人伸縮臂，其特征在于，包括驅動伸縮部分和至少一組碰撞感知部分，所述碰撞感知部分包括至少一個碰撞片(11)、至少一個彈簧組件(9)和至少一個開關組件(10)；其中碰撞片(11)設置于驅動伸縮部分沿軸向的外部，開關組件(10) 設置于驅動伸縮部分的端部，彈簧組件(9)的一端固定在碰撞片(11)上，另一端固定在驅動伸縮部分的端部，彈簧組件(9)的高度大于開關組件(10)的高度。
2.根據權利要求1所述的可感知碰撞的采摘機器人伸縮臂，其特征在于所述驅動伸縮部分包括交流伺服電機(2)、架體(3)、導桿(4)、絲杠(5)、螺母件(6)和伸縮桿(7)；其中交流伺服電機⑵驅動絲杠(5)運動，絲杠(5)的兩端設有架體(3)，絲杠(5)的兩端固定在架體(3)內，螺母件(6)套接在絲杠( 上構成了絲杠螺母機構，導桿(4)套接在螺母件(6)上，伸縮桿(7)固定在螺母件(6)上，碰撞片(11)設置于絲杠(5)的軸向方向。
3.根據權利要求2所述的可感知碰撞的采摘機器人伸縮臂，其特征在于所述絲杠(5) 的兩端分別通過向心推力軸承軸向固定在架體(3)內。
4.根據權利要求2所述的可感知碰撞的采摘機器人伸縮臂，其特征在于所述架體(3) 上設有支撐架(8)，伸縮桿(7)套接在支撐架(8)內。
5.根據權利要求2所述的可感知碰撞的采摘機器人伸縮臂，其特征在于所述彈簧組件(9)包括圓柱卡片(13)、彈簧支撐架(14)、導柱(1 和壓縮彈簧(16)；其中彈簧支撐架(14)上設有光孔，導柱(1 依次套接在壓縮彈簧(16)和彈簧支撐架(14)的光孔內，導柱(1 的頂端和碰撞片(11)固定相連，底端和圓柱卡片(1 通過螺釘(1 固定相連，壓縮彈簧(16)固定在彈簧支撐架(14)上，圓柱卡片(1 設置于彈簧支撐架(14)的底部。
6.根據權利要求5所述的可感知碰撞的采摘機器人伸縮臂，其特征在于所述彈簧支撐架(14)上的光孔直徑小于圓柱卡片(13)的圓柱直徑。
7.根據權利要求5所述的可感知碰撞的采摘機器人伸縮臂，其特征在于所述開關組件(10)包括微動開關(17)和微動開關支架(18)，微動開關(17)固定在微動開關支架(18) 上，微動開關支架(18)固定在架體(3)上，微動開關(17)的的高度小于相應的碰撞片(11) 的高度。
專利摘要本實用新型公開了一種可感知碰撞的采摘機器人伸縮臂，包括驅動伸縮部分和至少一組碰撞感知部分，所述碰撞感知部分包括至少一個碰撞片、至少一個彈簧組件和至少一個開關組件；碰撞片設置于驅動伸縮部分沿軸向的外部，開關組件設置于驅動伸縮部分的端部，彈簧組件的一端固定在碰撞片上，另一端固定在驅動伸縮部分的端部，彈簧組件的高度大于開關組件的高度。本實用新型結構簡單，實現(xiàn)方便，能夠提高機器人整體的采摘效率和成功率。
文檔編號B25J19/00GK202043460SQ20112007857
公開日2011年11月23日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權日2011年3月23日
發(fā)明者馮虎, 劉桂芝, 李小笠, 楊文亮, 王剛, 童桂, 郁漢琪 申請人:南京工程學院