本发明涉及农业机械领域，特别涉及一种用于水果采摘的变构型欠驱动机械手及其使用方法。
背景技术：
我国是世界上著名的农业大国，水果种植业非常兴盛。而水果种植业的迅速发展提升了果园机械的市场需求。采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的33％～50％，目前我国的水果采摘绝大部分还是以人工采摘为主。水果采摘作业比较复杂，季节性很强，若使用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实损伤，最终导致经济上的损失。因此提高水果采摘作业机械化水平具有重要的意义。
水果采摘机械一般最主要的还是机械手部分，水果采摘时往往会遇到茂密的枝叶的阻挡，致使机械手难以到达指定的工作区域。同时大多数机械手要想完成多个自由度的运动，就得需要多个驱动源和复杂的结构。因此设计一种结构简单、适应性强的采摘机械手尤为重要。
技术实现要素：
发明的目的在于提供一种用于水果采摘的变构型欠驱动机械手，解决了提到目前水果采摘机械手设计存在的不足的问题。
本发明是这样实现的，一种用于水果采摘的变构型欠驱动机械手，该用于水果采摘的变构型欠驱动机械手主要由：手指旋转机构、手爪开合机构、三关节手指机构以及支撑机构组合而成，所述手指旋转机构设置在所述支撑机构内，所述手爪开合机构与所述手指旋转机构配合连接，所述三关节手指机构与所述手爪开合机构配合连接。
本发明的进一步技术方案是：所述支撑机构主要由：上板、短连接杆、平台、长连接杆以及下板组合而成，所述平台通过所述长连接杆与所述下板连接，所述上板通过所述短连接杆与所述平台连接。
本发明的进一步技术方案是：所述手指旋转机构主要由旋转部与固定部组合而成，所述旋转部包括：步进电机、联轴器、丝杠轴、双齿条装置、固定齿轮、双齿轮连接体以及手指连接装置；所述步进电机通过螺钉与电机连接板相连，并固定到平台上；所述丝杠轴通过所述联轴器与所述步进电机的转轴连接；所述双齿条装置的孔内有螺纹，所述双齿条装置套在丝杠轴上与其配合连接；所述固定齿轮与所述平台固定连接；所述双齿轮连接体中的第一个齿轮与所述双齿条装置中的一个齿条相啮合并摆放在所述固定齿轮上且通过销轴与所述平台连接；双齿轮连接体中第二个齿轮与所述固定齿轮相啮合，通过销轴与所述平台连接，同时销轴与所述平台上的弧形槽相切配合；两个齿轮通过连接板焊接；所述手指连接装置通过螺钉固定在所述双齿轮连接体中的连接板上。
本发明的进一步技术方案是：所述手爪开合机构包括：活动指与固定指，所述活动指包括：锥齿轮、中间轴、中间齿轮、左齿轮一、左传动轴一、左齿轮二、左传动轴二、左齿轮三、下固定齿轮一、左齿轮四、套筒连接装置、左蜗杆轴、左齿轮五、左齿轮驱动杆、右齿轮一、右传动轴一、右齿轮二、下固定齿轮二、右齿轮三、右蜗杆轴、右齿轮四、右齿轮驱动杆；所述锥齿轮分为第一个锥齿轮与第二个锥齿轮；第一个锥齿轮通过键和轴端挡圈安装在丝杠轴上；第二个锥齿轮与第一个锥齿轮呈90°安装在中间轴的轴环上，上端通过套筒顶住平台，周向通过键固定；中间齿轮通过中间轴的轴环、键和套筒安装在中间轴上；下固定齿轮一和下板上有孔，左传动轴一安装在孔中；左齿轮一与中间齿轮相啮合，同时通过左传动轴一上的轴肩、轴端挡圈和键安装在左传动轴一上；下板上有弧形槽，左传动轴二安装在弧形槽中；左齿轮二与左齿轮一相啮合，通过左传动轴二上的轴肩、轴端挡圈和键安装在左传动轴二上；左齿轮三与下固定齿轮一相啮合，通过左传动轴二上的轴肩和键安装在左传动轴二上；左蜗杆轴安装在下板的另一个弧形槽中；左齿轮四与左齿轮三相啮合，通过左蜗杆轴上的轴肩和键安装在左蜗杆轴上；同时左传动轴二和左蜗杆轴通过套筒连接装置相连接；左齿轮五与左蜗杆轴相啮合，通过销轴安装在手指连接装置上；左齿轮驱动杆与左齿轮五相啮合，通过销轴安装在手指连接装置上；下板上有弧形槽，右传动轴一安装在弧形槽中；右齿轮一与中间齿轮相啮合，通过右传动轴一上的轴肩、轴端挡圈和键安装在右传动轴一上；下固定齿轮二焊接固定在下板上；右齿轮二与下固定齿轮二相啮合，通过右传动轴一上的轴肩和键安装在右传动轴一上；右蜗杆轴安装在下板的另一个弧形槽中；右齿轮三与右齿轮二相啮合，通过右蜗杆轴上的轴肩和键安装在右蜗杆轴上；同时右传动轴一和左蜗杆轴通过套筒连接装置相连接；右齿轮四与右蜗杆轴相啮合，通过销轴安装在手指连接装置上；右齿轮驱动杆与右齿轮四相啮合，通过销轴安装在手指连接装置上，所述的平台上焊接的固定齿轮和弧形槽都对手指的旋转起到引导和限位作用，所述的手爪开合机构中的套筒连接装置对相邻的传动轴起到轴向固定和引导旋转运动的作用。
本发明的进一步技术方案是：所述固定指的结构与所述活动指相同，所述固定指与所述手指旋转机构的固定部连接。
本发明的进一步技术方案是：所述三关节手指机构包括：四杆机构、扭簧和第三指骨；所述四杆机构包括：第一个四杆机构与第二个四杆机构，所述第一个四杆机构为齿轮驱动杆的一端与机架一的一端通过销轴连接，齿轮驱动杆的另一端与连杆一的一端通过销轴连接，连杆一的另一端与摇杆一的一端通过销轴连接，摇杆一的另一端与机架一的另一端通过销轴连接；同时摇杆一和机架一的连接处设置扭簧；第二个四杆机构主要是摇杆一的一端与连杆二的一端通过销轴连接，连杆二的另一端与第三指骨的一端通过销轴连接，第三指骨的另一端与机架二的一端通过销轴连接，同时第三指骨和机架二的连接处设置扭簧，机架二的另一端与摇杆一的另一端通过销轴连接，该三关节手指机构中安装的扭簧起到自适应的作用；当机架接触到物体时，扭簧会驱动下一个指骨转动，从而更好地抓住物体。
本发明的进一步技术方案是：所述手指连接装置的下端有一个旋转限位装置，旋转限位装置包括弹簧、套筒、套环和连杆，所述连杆包括：第一连杆与第二连杆，所述手指连接装置下端有小孔，所述弹簧的一端套在所述小孔内，所述弹簧的另一端套在所述套筒内，所述套环套住所述套筒，所述第一连杆与所述第二连杆的一端与所述套环上的孔通过螺栓连接，所述第一连杆与所述第二连杆的另一端通过销轴与机架一连接；所述平台上设有与之相匹配的孔，当手指旋转到这个小孔位置时，弹簧就会将套筒压入小孔中，起到限位的作用。
本发明的进一步技术方案是：所述手指连接装置的下端有一个蜗杆连接杆，所述蜗杆连接杆将手指连接装置与蜗杆轴进行连接，蜗杆连接杆用于限制蜗杆轴绕下固定齿轮的圆心转动，使整个装置只进行手爪的闭合，而不进行手指的旋转运动。
本发明的进一步技术方案是：所述丝杠轴的一端外表面设有螺纹，所述丝杠轴的另一端外表面不设螺纹，当双齿条装置移动到丝杠轴上无螺纹的一段时，手指也恰好旋转了指定的角度，这时双齿条装置不会运动，左右两个手指也不会旋转，只剩下手爪开闭机构在运动，手爪慢慢进行闭合。
本发明是这样实现的，一种用于水果采摘的变构型欠驱动机械手的使用方法，首先启动步进电机，驱动联轴器连着的丝杠轴旋转，丝杠轴上有螺纹的一段旋转带动双齿条装置做直线向上运动；双齿条装置上的齿条与安装在平台上的双齿轮连接体的第一个齿轮相互啮合，从而带动齿轮转动；双齿轮连接体的第二个齿轮与平台上的固定齿轮相互啮合，使它绕着固定齿轮转动，从而带动连接的左右两个手指相向转动，实现一个手指变成三个手指的变构型操作；转动到指定的位置后，旋转限位装置中弹簧就会把套筒压入平台上的小孔中，双齿条装置也移动到丝杠轴上无螺纹的一段，手指停止旋转；同时通过蜗杆连接杆连接蜗杆轴，限制蜗杆绕下固定齿轮的圆心旋转，然后只进行手爪的闭合运动；丝杠轴转动带动轴上的锥齿轮旋转，第一个锥齿轮又带动第二个锥齿轮旋转；第二个锥齿轮旋转带动中间轴转动，中间轴带动中间齿轮转动；蜗杆轴旋转带动安装在手指连接装置上的齿轮转动，从而带动齿轮驱动杆转动，实现手指上两个四杆机构的转动，三个手指闭合抓住物体当电机反转时，手指张开，运用杠杆原理带动旋转限位装置中的套环抬起套筒，同时蜗杆轴绕下固定齿轮的圆心旋转带动手指转动；手指和双齿轮连接体是固定在一起的，使双齿轮连接体带动双齿条装置推入丝杠轴上有螺纹的一段，丝杠轴旋转带动双齿条装置做直线向下运动，从而使两个手指绕固定齿轮圆心反向旋转；转动到平台上的弧形槽上端时，限制左右两个手指的旋转，使三个手指相互平行，相当于三指变一指，同时手爪张开恢复原始状态。
本发明的有益效果：本发明的用于水果采摘的变构型欠驱动机械手欠驱动效果好。只需要一个电机就能控制手爪的变构型和张开闭合两个运动同时进行并且该装置结构简单紧凑、适应性强。组合运用螺旋副传动、齿轮齿条传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动和四杆机构，机构紧凑，传动平稳。手指的旋转机构能减小机械手的尺寸，手指位置的可变换的变构型机械手能更好地伸进枝叶繁密的树枝中采摘水果。
附图说明
图1是本发明提供的一种用于水果采摘的变构型欠驱动机械手的整体结构示意图；
图2是本发明提供的一种用于水果采摘的变构型欠驱动机械手的手指旋转机构局部剖视图；
图3是本发明提供的一种用于水果采摘的变构型欠驱动机械手的手爪开合机构的传动原理图；
图4是本发明提供的一种用于水果采摘的变构型欠驱动机械手的除上板的的整体结构立体图；
图5是本发明提供的一种用于水果采摘的变构型欠驱动机械手的旋转限位装置的整体结构示意图。
附图标记：1、手指旋转机构2、手爪开合机构3、三关节手指机构4、支撑机构11、步进电机12、联轴器13、双齿条装置14、丝杠轴15、电机连接板16、固定齿轮17、双齿轮连接体18、手指连接装置21、中间齿轮22、左齿轮一23、做传动轴二24、左齿轮三25、左齿轮四26、下固定齿轮二27、右齿轮一28、右齿轮二29、右齿轮三211、第二个锥齿轮212、中间轴213、套筒连接装置214、左传动轴一215、左传动轴二216、左蜗杆轴217、左齿轮五218、左齿轮驱动杆219、右传动轴一220、右蜗杆轴221、右齿轮四222、右齿轮驱动杆31、机架一32、连杆一33、摇杆一34、连杆二35、第三指骨36、机架二37、扭簧41、上板42、短连接杆43、平台44、长连接杆45、下板5、弹簧6、套筒7、套环8、连杆。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一：图1-图5示出了一种用于水果采摘的变构型欠驱动机械手，该用于水果采摘的变构型欠驱动机械手主要由：手指旋转机构、手爪开合机构、三关节手指机构以及支撑机构组合而成，所述手指旋转机构设置在所述支撑机构内，所述手爪开合机构与所述手指旋转机构配合连接，所述三关节手指机构与所述手爪开合机构配合连接；所述支撑机构主要由：上板、短连接杆、平台、长连接杆以及下板组合而成，所述平台通过所述长连接杆与所述下板连接，所述上板通过所述短连接杆与所述平台连接；所述手指旋转机构主要由旋转部与固定部组合而成，所述旋转部包括：步进电机、联轴器、丝杠轴、双齿条装置、固定齿轮、双齿轮连接体以及手指连接装置；所述步进电机通过螺钉与电机连接板相连，并固定到平台上；所述丝杠轴通过所述联轴器与所述步进电机的转轴连接；所述双齿条装置的孔内有螺纹，所述双齿条装置套在丝杠轴上与其配合连接；所述固定齿轮与所述平台固定连接；所述双齿轮连接体中的第一个齿轮与所述双齿条装置中的一个齿条相啮合并摆放在所述固定齿轮上且通过销轴与所述平台连接；双齿轮连接体中第二个齿轮与所述固定齿轮相啮合，通过销轴与所述平台连接，同时销轴与所述平台上的弧形槽相切配合；两个齿轮通过连接板焊接；所述手指连接装置通过螺钉固定在所述双齿轮连接体中的连接板上；所述手爪开合机构包括：活动指与固定指，所述活动指包括：锥齿轮、中间轴、中间齿轮、左齿轮一、左传动轴一、左齿轮二、左传动轴二、左齿轮三、下固定齿轮一、左齿轮四、套筒连接装置、左蜗杆轴、左齿轮五、左齿轮驱动杆、右齿轮一、右传动轴一、右齿轮二、下固定齿轮二、右齿轮三、右蜗杆轴、右齿轮四、右齿轮驱动杆；所述锥齿轮分为第一个锥齿轮与第二个锥齿轮；第一个锥齿轮通过键和轴端挡圈安装在丝杠轴上；第二个锥齿轮与第一个锥齿轮呈90°安装在中间轴的轴环上，上端通过套筒顶住平台，周向通过键固定；中间齿轮通过中间轴的轴环、键和套筒安装在中间轴上；下固定齿轮一和下板上有孔，左传动轴一安装在孔中；左齿轮一与中间齿轮相啮合，同时通过左传动轴一上的轴肩、轴端挡圈和键安装在左传动轴一上；下板上有弧形槽，左传动轴二安装在弧形槽中；左齿轮二与左齿轮一相啮合，通过左传动轴二上的轴肩、轴端挡圈和键安装在左传动轴二上；左齿轮三与下固定齿轮一相啮合，通过左传动轴二上的轴肩和键安装在左传动轴二上；左蜗杆轴安装在下板的另一个弧形槽中；左齿轮四与左齿轮三相啮合，通过左蜗杆轴上的轴肩和键安装在左蜗杆轴上；同时左传动轴二和左蜗杆轴通过套筒连接装置相连接；左齿轮五与左蜗杆轴相啮合，通过销轴安装在手指连接装置上；左齿轮驱动杆与左齿轮五相啮合，通过销轴安装在手指连接装置上；下板上有弧形槽，右传动轴一安装在弧形槽中；右齿轮一与中间齿轮相啮合，通过右传动轴一上的轴肩、轴端挡圈和键安装在右传动轴一上；下固定齿轮二焊接固定在下板上；右齿轮二与下固定齿轮二相啮合，通过右传动轴一上的轴肩和键安装在右传动轴一上；右蜗杆轴安装在下板的另一个弧形槽中；右齿轮三与右齿轮二相啮合，通过右蜗杆轴上的轴肩和键安装在右蜗杆轴上；同时右传动轴一和左蜗杆轴通过套筒连接装置相连接；右齿轮四与右蜗杆轴相啮合，通过销轴安装在手指连接装置上；右齿轮驱动杆与右齿轮四相啮合，通过销轴安装在手指连接装置上，所述的平台上焊接的固定齿轮和弧形槽都对手指的旋转起到引导和限位作用，所述的手爪开合机构中的套筒连接装置对相邻的传动轴起到轴向固定和引导旋转运动的作用；所述固定指的结构与所述活动指相同，所述固定指与所述手指旋转机构的固定部连接；所述三关节手指机构包括：四杆机构、扭簧和第三指骨；所述四杆机构包括：第一个四杆机构与第二个四杆机构，所述第一个四杆机构为齿轮驱动杆的一端与机架一的一端通过销轴连接，齿轮驱动杆的另一端与连杆一的一端通过销轴连接，连杆一的另一端与摇杆一的一端通过销轴连接，摇杆一的另一端与机架一的另一端通过销轴连接；同时摇杆一和机架一的连接处设置扭簧；第二个四杆机构主要是摇杆一的一端与连杆二的一端通过销轴连接，连杆二的另一端与第三指骨的一端通过销轴连接，第三指骨的另一端与机架二的一端通过销轴连接，同时第三指骨和机架二的连接处设置扭簧，机架二的另一端与摇杆一的另一端通过销轴连接，该三关节手指机构中安装的扭簧起到自适应的作用；当机架接触到物体时，扭簧会驱动下一个指骨转动，从而更好地抓住物体；所述手指连接装置的下端有一个旋转限位装置，旋转限位装置包括弹簧、套筒、套环和连杆，所述连杆包括：第一连杆与第二连杆，所述手指连接装置下端有小孔，所述弹簧的一端套在所述小孔内，所述弹簧的另一端套在所述套筒内，所述套环套住所述套筒，所述第一连杆与所述第二连杆的一端与所述套环上的孔通过螺栓连接，所述第一连杆与所述第二连杆的另一端通过销轴与机架一连接；所述平台上设有与之相匹配的孔，当手指旋转到这个小孔位置时，弹簧就会将套筒压入小孔中，起到限位的作用；所述手指连接装置的下端有一个蜗杆连接杆，所述蜗杆连接杆将手指连接装置与蜗杆轴进行连接，蜗杆连接杆用于限制蜗杆轴绕下固定齿轮的圆心转动，使整个装置只进行手爪的闭合，而不进行手指的旋转运动；所述丝杠轴的一端外表面设有螺纹，所述丝杠轴的另一端外表面不设螺纹，当双齿条装置移动到丝杠轴上无螺纹的一段时，手指也恰好旋转了指定的角度，这时双齿条装置不会运动，左右两个手指也不会旋转，只剩下手爪开闭机构在运动，手爪慢慢进行闭合。
使用时：三个手指刚开始是平行安装的，可以看作一个手指。步进电机驱动联轴器连着的丝杠轴旋转，丝杠轴上有螺纹的一段旋转带动双齿条装置做直线向上运动；双齿条装置上的齿条与安装在平台上的双齿轮连接体的第一个齿轮相互啮合，从而带动齿轮转动；双齿轮连接体的第二个齿轮与平台上的固定齿轮相互啮合，使它绕着固定齿轮转动，从而带动连接的左右两个手指相向转动，实现一个手指变成三个手指的变构型操作；转动到指定的位置后，旋转限位装置中弹簧就会把套筒压入平台上的小孔中，双齿条装置也移动到丝杠轴上无螺纹的一段，手指停止旋转；同时通过蜗杆连接杆连接蜗杆轴，限制蜗杆绕下固定齿轮的圆心旋转，然后只进行手爪的闭合运动；丝杠轴转动带动轴上的锥齿轮旋转，第一个锥齿轮又带动第二个锥齿轮旋转；第二个锥齿轮旋转带动中间轴转动，中间轴带动中间齿轮转动；蜗杆轴旋转带动安装在手指连接装置上的齿轮转动，从而带动齿轮驱动杆转动，实现手指上两个四杆机构的转动，三个手指闭合抓住物体当电机反转时，手指张开，运用杠杆原理带动旋转限位装置中的套环抬起套筒，同时蜗杆轴绕下固定齿轮的圆心旋转带动手指转动；手指和双齿轮连接体是固定在一起的，使双齿轮连接体带动双齿条装置推入丝杠轴上有螺纹的一段，丝杠轴旋转带动双齿条装置做直线向下运动，从而使两个手指绕固定齿轮圆心反向旋转；转动到平台上的弧形槽上端时，限制左右两个手指的旋转，使三个手指相互平行，相当于三指变一指，同时手爪张开恢复原始状态。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。