一种吞咽式采摘机械手及机器人系统

1.本发明涉及一种农业机器人，尤其是一种采摘机械手及机器人，具体的说是一种吞咽式采摘机械手及机器人系统。


背景技术：

2.近年来，农业果蔬的高效无损采收成为农产品收获过程的重要研究领域，由于采摘作业质量的好坏直接影响到产品的后续加工和储存，研究果实的高效无损采收对实现农业自动化、智能化具有重要意义。
3.目前，常规的果蔬采摘机器人一般由视觉系统、机械臂、末端执行器和移动装置组成，并采用串联机械臂结构进行抓取作业。但由于串联机构每个连杆自身误差所导致末端跟踪误差累积，以及位于串联机械臂上的电机和传动部件影响着机器人动态性能的固有问题，使得机械臂末端精度控制难度加大，进而导致夹持性能不够稳定。机械手是与操作对象直接接触的核心部件。传统机械手大都为刚性机械手，在抓取不规则形状或易损的农产品时，由于其柔顺性较差，往往会导致农产品受损或者抓取目标物失败。另外，大多数机械手的结构是针对单一水果的特殊设计，采摘对象有限，无法实现对多种果实的自适应抓取。
4.因此，需要对现有的采摘机械手及机器人加以改进，以便能够更好的满足市场需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种吞咽式采摘机械手及机器人系统，可降低机械系统结构及其控制的复杂度，提高抓取速度。同时，还可实现对多种果梗韧性较差的果实的自适应抓取，减少果实损耗，提高采摘的灵活性与无损性。
6.本发明的技术方案是：一种吞咽式采摘机械手，包括通过曲臂连杆结构相连的底座和手指，所述底座为上下均为开敞的中空盒状；所述手指包括主手指和副手指，其下端分别与主手指固定板和副手指固定板相连；所述曲臂连杆结构包括固定长连杆、主连杆i、主连杆ii和副连杆；所述固定长连杆为曲杆状，其一端与主手指固定板相连，其另一端通过副连杆与所述副手指固定板活动相连；所述主连杆i的上端与所述固定长连杆的上端相铰接，其下端与所述底座相铰接；所述主连杆ii的上端与所述固定长连杆的中部相铰接，其下端与所述底座相铰接；所述底座上设有电机i；该电机i的输出轴通过线绳与所述副连杆相连；该线绳分别绕过所述主连杆ii的下端铰接处和主连杆i的上端铰接处；所述主连杆i的下端铰接处设有扭簧；所述副连杆与固定长连杆之间设有拉簧。
7.进一步的，所述底座由两块主板和两块侧板围合而成，其围合的中空部分大于水果的最大直径，其端与软质管袋相连；所述侧板的上部为三角形，其顶角与所述主连杆i相连，其一个底角与所述主连杆ii相连；所述电机i设置于所述侧板上；还包括底板；该底板为框形，设置于所述底座下端。
8.进一步的，所述主手指和副手指均为软质仿生鳍条结构，包括面板和背板；该面板和背板之间设有多个倾斜设置的隔板，与所述面板和背板构成多个镂空的平行四边形；所述主手指的背板和副手指的背板分别与主手指固定板和副手指固定板相连。
9.进一步的，所述固定长连杆的下端设有定位销。
10.进一步的，所述副连杆为两根，相互平行设置。
11.进一步的，所述曲臂连杆结构为两组，对称设置。
12.一种机器人系统，包括所述的吞咽式采摘机械手，还包括机械臂结构和基座；该基座包括横板和竖板，呈倒“t”形；该机械臂结构包括主动臂、从动臂和电机ii；所述主动臂和从动臂均为直杆状；所述主动臂的下端与所述电机ii的输出轴相连，其上端与从动臂的下端相铰接；所述从动臂的上端与所述底板相铰接；所述电机ii安装在所述竖板上。
13.进一步的，所述机械臂结构为两个，对称设置。
14.进一步的，还包括辅助杆组件，包括辅助杆i、辅助杆ii和连接板；所述连接板为v形，其顶角连接于所述主动臂和从动臂的连接处；所述辅助杆i和辅助杆ii均为细杆状；所述辅助杆i的下端与所述连接板的上端角相铰接，其上端与所述从动臂的上端相铰接；所述辅助杆ii的上端与所述连接板的下端角相铰接，其下端与所述竖板相铰接。
15.进一步的，还包括连接块；该连接块为条状，其两端分别与所述辅助杆i的上端和所述从动臂的上端相铰接。
16.本发明的有益效果：1.本发明的机械手，其结构简单，仅需线绳驱动控制，避免了复杂的控制算法带来的诸多难题，便于设计与控制；2.本发明采用的柔性仿生鳍条手指，具有对物体自适应贴合的结构特性，可降低果实损耗，提高采摘的高效性与无损性；3.本发明采用的柔性仿生鳍条手指，可实现对多种果梗韧性较差的果实的自适应抓取，采摘灵活性强，可满足不同采收场景的采摘需求；4.本发明机械手的采收过程仅需通过线绳拉动，即可实现果实与果梗的扭转分离，并使果实可在重力作用下落入管袋中，控制方便，提高效率。
附图说明
17.图1是本发明机械手的结构示意图。
18.图2是副手指的结构示意图。
19.图3是本发明机器人系统的结构示意图。
20.图4是本发明机械手的工作过程示意图。
21.其中：1-管袋；2-电机i；3-侧板；4-扭簧；5-主连杆i；6-主手指固定板；7-主手指；8-副手指；9-副连杆；10-拉簧；11-定位销；12-主连杆ii；13-主板；14-底板；15-线绳；16-面板；17-背板；18-隔板；19-副手指固定板；20-固定长连杆；21-连接板；22-辅助杆ii；23-从动臂；24-主动臂；25-电机ii；26-基座；27-横板；28-辅助杆i；29-连接块。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
23.如图1和2所示。
24.一种吞咽式采摘机械手，包括通底座和手指。该底座和手指过曲臂连杆结构相连。
25.所述底座为上下均为开敞的中空盒状，由两块主板13和两块侧板3围合而成，其围合的中空部分大于水果的最大直径，其下端与软质管袋1相连。该管袋1为细长袋状，可由塑料等材料制成，轻便而牢固，以便将水果暂时存放其中，便于连续作业，提高效率。
26.所述手指包括主手指7和副手指8。该主手指7和副手指8的形状和结构基本相同，均包括面板16、背板17和隔板18。该面板16、背板17和隔板18均由橡胶等软质材料制成，可在受压时产生形变。所述隔板18为多个，倾斜设置于所述面板16和背板17之间，与所述面板16和背板17构成多个镂空的平行四边形结构，使所述主手指和副手指形成仿生鳍条结构，可当面板受到一个点力而引发变形时，引发整个手指的结构变形，使其对物体产生一种自适应的紧密贴合。所述主手指7的背板和副手指8的背板分别与主手指固定板6和副手指固定板19相连，使所述主手指和副手指具有一定的刚性，提高机械手的夹持力，并可便于控制手指的动作。
27.所述曲臂连杆结构包括固定长连杆20、主连杆i5、主连杆ii12和副连杆9。所述固定长连杆20为曲杆状，其一端与主手指固定板6相连，其另一端通过所述副连杆9与所述副手指固定板19活动相连。所述主连杆i5的上端与所述固定长连杆20的上端相铰接，其下端与所述底座的侧板3相铰接。所述主连杆ii12的上端与所述固定长连杆20的中部相铰接，其下端与所述侧板3相铰接。优选的，所述侧板3的上部为直角三角形，其直角位于下部，其顶角与所述主连杆i5相铰接，其另一个底角与所述主连杆ii12相铰接。所述底座的下端设有底板14。该底板14为框形，套接在所述底座的下端，方便所述机械手的安装。
28.所述底座的侧板3上设有电机i2。该电机i2的输出轴通过线绳15与所述副连杆9相连，并使该线绳15分别绕过所述主连杆ii12的下端铰接处和主连杆i5的上端铰接处，可在电机i驱动下，通过所述线绳15拉动所述副连杆9移动，带动所述副手指向主手指靠拢而夹住水果，再进一步的带动手指以所述主连杆i下端为中心进行转动，将水果果梗扭断。
29.所述副连杆9与固定长连杆20之间设有拉簧10，可在所述副连杆9移动时被拉伸而产生回弹力，使所述副连杆9的移动距离受到限制，进而限制所述副手指8的移动距离，避免将水果夹伤。同时，可在所述线绳15放松后，协助所述副手指复位。优选的，所述固定长连杆20的下端设有定位销11，可避免所述副手指复位时产生过度的位移，保证下一次采摘动作的正常进行。
30.所述主连杆i5的下端铰接处设有扭簧4，可限制所述主连杆i的最大扭转角度，避免对水果植株造成影响，并且可协助所述主连杆i复位。
31.所述副连杆9为两根，相互平行设置，可提高副手指动作的稳定性。
32.所述曲臂连杆结构为两组，对称设置，可提高整个采摘动作的稳定性。
33.如图3所示，一种机器人系统，包括所述的吞咽式采摘机械手。同时，还包括机械臂结构和基座。该基座包括横板27和竖板26，呈倒“t”形。所述机械臂结构包括主动臂24、从动臂23和电机ii25。该电机ii25安装在所述竖板26上。所述主动臂24和从动臂23均为直杆状。所述主动臂24的下端与所述电机ii25的输出轴相连，其上端与从动臂23的下端相铰接。所述从动臂23的上端与所述底板14相铰接，可在电机ii25的驱动下，带动主动臂转动，进而再带动所述从动臂转动，最终实现机械手的上下移动。所述电机ii25为步进电机，可利用控制
器输出的pwm波，控制该电机ii的转动角度，让机械臂位移到指定位置。
34.进一步的，所述机械臂结构为两个，对称设置，构成二轴并联机器人结构，可提高操作和运行的稳定性。
35.进一步的，还包括辅助杆组件和连接块29。该辅助杆组件包括辅助杆i28、辅助杆ii22和连接板。所述连接板21为v形，其顶角连接于所述主动臂和从动臂的连接处。所述辅助杆i28和辅助杆ii22均为细杆状。所述辅助杆i28的下端与所述连接板21的上端角相铰接，其上端通过所述连接块29与所述从动臂23的上端相铰接。所述辅助杆ii22的上端与所述连接板21的下端角相铰接，其下端连接所述竖板26。所述连接块29为条状，其两端分别与所述辅助杆i28的上端和所述从动臂23的上端相铰接，可使所述机械臂结构动作时，确保所述机械手的底座与基座平行。
36.本发明的机器人系统中还包括视觉检测模块等结构，可以识别抓取对象，并通过控制器控制机械手进行动作。
37.如图4所示，本发明的工作过程为：1）识别定位，通过视觉检测模块检测到抓取对象，然后，控制器控制电机ii转动，使机械臂移动到指定位置。
38.2）接触夹持，电机i转动，通过线绳拉动副连杆动作，使副手指移动而夹住水果。
39.3）驱动扭转，电机i继续转动，使线绳拉动曲臂连杆结构转动一定的角度，产生扭转效果。
40.4）分离摘取，主连杆i转动至极限位置，副连杆在力的平衡下保持夹持力不变，将水果果梗拉断，实现对果实的分离摘取。
41.5）弹力复位，电机i反转，使线绳拉力消除，并在扭簧和拉簧的作用下，使主连杆和副连杆逐渐复位。
42.6）吞咽收获，机械手的主、副手指分开后，水果落入下方的管袋，完成吞咽收获。
43.本发明有效降低了机械系统结构及其控制的复杂度，提高了抓取速度。同时，还可实现对多种果梗韧性较差的果实的自适应抓取，减少果实损耗，提高采摘的灵活性与无损性。
44.本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。