水果自动包装设备用的机械手抓取装置及方法与流程

本发明涉及水果包装技术领域，特别涉及一种水果自动包装设备用的机械手抓取装置及方法。

背景技术：

在水果自动包装生产线中，应用工业机器人技术日渐广泛，但目前主要是用于包装后的码垛搬运等工作，比较少用于包装工序中的入盒装箱工序。特别是对于一些精品包装，如水果吸塑托盘包装，目前基本还是采用人工逐个装填的方法，普通的机械手难以适应。

水果不同于工业产品，即使通过分级后其外形尺寸也有差异，若采用普通的夹持式机械手抓取，为避免夹伤水果则需要在工作过程中频繁调节夹紧力度，从而造成效率低下。因此，目前大多数用于水果的机械手均采用真空吸取式，通过真空吸头直接吸附水果表面，提取移位。但是，这种真空吸取式机械手只能用于表面平滑且坚韧的水果，对于表皮有绒毛或褶纹的水果则难以适应，特别是对于表皮柔软柔嫩的水果，还极易造成吸取位置表皮的淤伤，其应用具有很大的局限性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种水果自动包装设备用的机械手抓取装置，该抓取装置可实现一次多果的柔性夹持，能自适应水果外形和外径大小的变化，应该范围较广。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述装置实现的水果自动包装设备用的机械手抓取方法。

本发明的技术方案为：一种水果自动包装设备用的机械手抓取装置，包括安装座、至少一个抓取机械手、升降气缸和谐波减速器，谐波减速器安装于安装座下方、升降气缸顶部与谐波减速器底部连接，升降气缸底部与抓取机械手连接；升降气缸带动抓取机械手进行上下移动，谐波减速器带动抓取机械手进行转动。其中，安装座作为整个机械手抓取装置的主体基座，其顶部外接机器人手臂，其底部用于安装组成机械手抓取装置的各部件。

所述机械手抓取装置还设有外置的ccd摄像机。ccd摄像机可直接安装于水果自动包装设备上机架上，位于水果输送通道上方。升降气缸、谐波减速器和ccd摄像机共同外接水果自动包装设备的控制系统，通过ccd摄像机拍摄水果在水果输送机上的放置状态后，由控制系统分析计算抓取机械手需要转动的角度以及水果从ccd摄像机处运行至抓取机械手处所需的时间后，再分别向谐波减速器和升降气缸发出指令，控制抓取机械手完成一系列动作。

所述抓取机械手有多个，每个抓取机械手上配置一个升降气缸和一个谐波减速器；

安装座底部设有导轨，每个谐波减速器上设有一个上轨座和一个下轨座，各上轨座的上部分别与导轨相配合，每个上轨座的下部与一个下轨座相配合；

各下轨座的底部分别设有第一销轴和错位气缸，错位气缸的活塞杆末端与第一销轴一端固定连接，第一销轴的另一端与下轨座固定连接；其中，错位气缸可通过安装支座固定安装于上轨座底部，第一销轴与下轨座相垂直设置，错位气缸的活塞动作时，通过第一销轴推动或拉动下轨座相对于上轨座进行滑动，从而控制各个抓取机械手的前后位置，可使水果所处的前后位置与包装盒上的包装位置相适应；

相邻的两个上轨座中，前一个上轨座顶部设有移位气缸，后一个上轨座顶部设有第二销轴，移位气缸的活塞杆末端设有拨杆，且拨杆与第二销轴相连接；当抓取机械手有n个时，第一个抓取机械手至第n-1个抓取机械手上对应的上轨座顶部分别设有移位气缸，第二个抓取机械手至第n个抓取机械手上对应的上轨座顶部分别设有第二销轴，各移位气缸的活塞杆末端通过拨杆与第二销轴一一对应连接，当移位气缸动作时，可通过拨杆和第二销轴推动上轨座沿导轨进行滑动，从而调节相邻两个抓取机械手之间的距离，使相邻两个水果之间的距离与包装盒上的包装位置相适应。

所述上轨座中，导轨与上轨座的上部外侧相配合，配合处形成上滑动槽；下轨座与上轨座的下部内侧相配合，配合处形成下滑动槽；上滑动槽和下滑动槽的截面均呈燕尾状或t型状。该燕尾状或t型状结构可有效防止上轨座脱离导轨或下轨座脱离上轨座的现象发生，保证设备运行的稳定性和可靠性。

所述抓取机械手包括柔性夹爪、刚性夹爪和开合驱动机构，开合驱动机构顶部与升降气缸连接，柔性夹爪和刚性夹爪分别与开合驱动机构连接，柔性夹爪与刚性夹爪之间形成水果夹持空间；柔性夹爪包括爪架和弹力弦，爪架朝向刚性夹爪的一侧分布有若干根弹力弦。其中，柔性夹爪中的爪架可采用一体式结构，刚性夹爪也可采用一体式结构。该结构的抓取机械手中，利用弹力弦的弹力作用实现对水果的柔性夹持和自适应水果外形，一方面可适应不同水果的大小变化，另一方面可实现机械手的快速高效动作，在设定的范围内无需要实时调节夹紧力，也不会夹伤水果表面。

所述柔性夹爪中，爪架的上部为带有第一销孔的第一扇形板，爪架的下部为弓形结构，各弹力弦呈纵向安装于弓形结构上。

所述弹力弦至少有两根，采用圆形橡胶条制造，弹力弦两端分别固定有圆柱金属夹头；

弓形结构中设有上横杆和下横杆，上横杆和下横杆中分别加工至少两个定间距的圆柱阶梯通孔，各圆柱阶梯通孔还向外延伸有侧开槽，弹力弦上的圆柱金属夹头对应卡嵌于圆柱阶梯通孔中。其中，上横杆和下横杆中，圆柱阶梯通孔靠近弹力弦中部的一端比远离弹力弦中部的一端内径小，从而能紧固弹力弦。

装配弹力弦时，首先拉长弹力弦，使圆形橡胶条从侧开槽卡入，进入到圆柱阶梯通孔时放松弹力弦，使弹力弦两端的圆柱金属夹头分别嵌入上横杆和下横杆的圆柱阶梯通孔内，即可紧固弹力弦，弹力弦逐根操作装配即可。

所述刚性夹爪的上部为带有第二销孔的第二扇形板，刚性夹爪的下部为弧形状的弯爪；弯爪至少有两个，各弯爪相平行设置。

所述开合驱动机构包括基座、柔性夹爪气缸、柔性夹爪支座、刚性夹爪气缸和刚性夹爪支座，柔性夹爪气缸和刚性夹爪气缸分别安装于基座的两侧，基座底部设有柔性夹爪支座和刚性夹爪支座，柔性夹爪气缸的活塞杆末端和柔性夹爪支座下端分别与柔性夹爪的上部铰接，刚性夹爪气缸的活塞杆末端和刚性夹爪支座下端分别与刚性夹爪的上部铰接。其中，基座两侧分别设有第一缸座和第二缸座，柔性夹爪气缸通过第一缸座固定安装于基座上，刚性夹爪气缸通过第二缸座固定安装于基座上；柔性夹爪气缸的活塞杆末端设有第一铰支且通过第一铰支与柔性夹爪连接，刚性夹爪气缸的活塞杆末端设有第二铰支且通过第二铰支与刚性夹爪连接。

抓取机械手的整体结构对称，柔性夹爪和刚性夹爪左右对称安装，通过柔性夹爪气缸和刚性夹爪气缸分别驱动柔性夹爪和刚性夹爪，柔性夹爪气缸和刚性夹爪气缸同时伸缩活塞杆，实现柔性夹爪和刚性夹爪的张开和收拢。柔性夹爪气缸和刚性夹爪气缸分别外接水果自动包装设备的控制系统，由控制系统控制器动作，从而进行水果抓取、移动、放开等动作。

抓取机械手中，柔性夹爪中，其爪架上部的第一扇形板上设有两个第一销孔，柔性夹爪气缸的活塞杆末端通过第一铰支与其中一个第一销孔连接，柔性夹爪支座与另一个第一销孔连接；刚性夹爪中，其上部的第二扇形板上设有第二销孔，刚性夹爪气缸的活塞杆末端通过第二铰支与其中一个第二销孔连接，刚性夹爪支座与另一个第二销孔连接。

通过上述机械手抓取装置可实现一种水果自动包装设备用的机械手抓取方法，包括以下步骤：

(1)当水果被送至抓取机械手下方时，利用谐波减速器调整抓取机械手的角度，使抓取机械手的夹持方向与水果相适应；

(2)利用升降气缸带动抓取机械手上升或下降，抓取机械手抓取水果；

(3)利用错位气缸带动抓取机械手进行前后移动，使各抓取机械手及水果所处的位置与包装盒上的包装位置相对应；

(4)利用移位气缸带动抓取机械手进行左右移动，使任意相邻两个抓取机械手之间的距离与包装盒上包装位置之间的距离相对应；

(5)整体移动机械手抓取装置，将各抓取机械手上所夹持的水果放入包装盒中相应的位置。

其中，步骤(2)中抓取机械手抓取水果的方法为：水果位于抓取机械手下方后，开合驱动机构带动柔性夹爪和刚性夹爪向两侧张开，水果进入水果夹持空间后，开合驱动机构带动柔性夹爪和刚性夹爪收拢，利用柔性夹爪上弹力弦的弹力柔性夹持水果。其具体过程为：

(2-1)柔性夹爪气缸和刚性夹爪气缸的活塞杆均收缩，与柔性夹爪气缸相连的第一铰支带动柔性夹爪的一侧向上移动，整个柔性夹爪以柔性夹爪支座和第一扇形板的连接处为圆心转动；同时，与刚性夹爪气缸相连的第二铰支带动刚性夹爪的一侧向上移动，整个刚性夹爪以刚性夹爪支座与第二扇形板的连接处为圆心转动；柔性夹爪和刚性夹爪向两侧张开；

(2-2)抓取机械手被升降气缸驱动下移，直至待抓取的水果进入柔性夹爪和刚性夹爪之间水果夹持空间；

(2-3)柔性夹爪气缸和刚性夹爪气缸的活塞杆均伸出，推动柔性夹爪和刚性夹爪向中间合拢复位，刚性夹爪把水果压合在柔性夹爪的弹力弦上，通过弹力弦的形变获得夹紧力，水果被夹紧在抓取机械手上。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本机械手抓取装置及方法是针对水果自动包装设备而设计的，通过设置升降气缸、谐波减速器等机构，可调节抓取机械手的夹持方向，使其与水果(尤其是水果形状不成圆形的情况下)在水果输送机上的放置状态相对应，实现水果的精准抓取，提高水果自动包装设备的自动化程度，有效提高生产效率。

本机械手抓取装置中，抓取机械手的数量可根据包装盒中水果排列个数进行选择确定，当抓取机械手有多个时，通过设置错位气缸及移位气缸等机构，可调整多个机械手之间的相对位置，使其所夹持的水果所处位置与包装盒上的包装位置相适应。

本机械手抓取装置中，抓取机械手通过设置相配合使用的柔性夹爪和刚性夹爪，利用柔性夹爪上弹力弦的弹性形变张紧贴合在水果表面，能够牢固地夹紧水果，同时不会损伤水果表面，在一定范围内能适应水果尺寸的变化，无需调节加持力即可实现柔性抓取，能够有效提高生产效率。该抓取机械手的结构简单，使用柔性夹爪气缸和刚性夹爪气缸驱动，柔性夹爪气缸和刚性夹爪气缸的活塞杆同时伸缩，能够控制精确，夹取水果的夹紧力稳定，实用性强，具有较好的市场推广前景。

附图说明

图1为本机械手抓取装置的结构示意图。

图2为图1的a方向局部剖面视图。

图3为图1中去除板座后的b方向视图。

图4为抓取机械手的结构示意图。

图5为柔性夹爪的结构示意图。

图6为图5的c方向视图。

图7为单根弹力弦的结构示意图。

图8为爪架的结构示意图。

图9为图8的d方向视图。

图10为图9的e-e方向视图。

图11为刚性夹爪的结构示意图。

图12为图11的f方向视图。

图13为本机械手抓取装置抓取水果并送入包装盒的原理示意图。

图14为本机械手抓取装置抓果的原理示意图。

图15为图14的g方向视图。

图16为抓取机械手从水果输送机上抓取水果的原理示意图。

图17为抓取机械手抓取水果后进行排列使水果排列状态与包装盒的包装位置相适应的原理示意图。

图18为本机械手抓取装置应用于水果自动包装设备时的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例一种机械手抓取装置及方法，应用于水果自动包装设备，机械手抓取装置中设有五套抓取机械手，一次可同时抓取五个水果，本实施例以奇异果包装为例，机械手抓取装置的具体结构及工作原理如下：

1、机械手抓取装置的总体结构：

如图1-3所示为机械手抓取装置的总体结构。整套装置由五套抓取机械手组合而成(每套抓取机械手的结构如图4所示)，可同时抓取五个水果。

如图2所示，五套结构相同的抓取机械手装配在安装座1-22上，垂直向下，相互平行。安装座1-22为框架式结构，上部的板座1-23与工业机器人手腕联接。

机械手抓取装置主要由基座1-1、第一缸座1-2、柔性夹爪气缸1-3、柔性夹爪支座1-4、第一铰支1-5、柔性夹爪1-6、第二缸座1-7、刚性夹爪气缸1-8、刚性夹爪支座1-9、第二铰支1-10、刚性夹爪1-11、升降气缸1-12、谐波减速器1-13、下轨座1-14、上轨座1-15、导轨1-16、错位气缸1-17、第一销轴1-18、移位气缸1-19、第二销轴1-20、拨杆1-21等零部件组成，且所有零部件以安装座1-22为基础进行装配。

(1)手爪结构：

抓取机械手的手爪部主要由柔性夹爪和刚性夹爪组成。

柔性夹爪的结构如图5或图6所示，主要由爪架1-6-1和若干根弹力弦1-6-2组成(本实施例中弹力弦为六根，根据水果的实际需要，其数量可进行调整)。其中，弹力弦采用圆形橡胶条1-6-3制造，两端用金属圆柱夹头1-6-4固定(如图7所示)。爪架形状如图8或图9所示，上部长圆板加工有左右两个销孔，其下部为弓形结构。在弓形的上横杆1-6-5和下横杆1-6-6对应部位加工有若干个(本实施例中为六个)定间距的圆柱孔1-6-7及侧开槽1-6-8(如图10所示)，其圆柱孔与弹力弦的圆柱夹头配合。装配弹力弦时，首先拉长弹力弦，让圆形橡胶条从侧开槽卡入，然后放松，使上下圆柱夹头分别嵌入上横杆和下横杆的圆柱孔内，即可固紧一根弹力弦。

刚性夹爪的结构如图11或图12所示，其上部长圆板加工有左右两个销孔，其下部加工为两条平行的弯爪。

(2)手爪的开合

如图1所示，柔性夹爪和刚性夹爪安装在基座下部，左右对称。

柔性夹爪的右销孔通过销轴与柔性夹爪支座联接，左销孔则通过第一铰支与柔性夹爪气缸的活塞杆联接。柔性夹爪气缸通过销轴安装在第一缸座上。

刚性夹爪的左销孔通过销轴与刚性夹爪支座联接，右销孔则通过第二铰支与刚性夹爪气缸的活塞杆联接。刚性夹爪气缸通过销轴安装在第二缸座上。

柔性夹爪支座和刚性夹爪支座固定安装在基座的底板下部，第一缸座和第二缸座分别固定安装在基座的两侧板外部。

当柔性夹爪气缸的活塞杆伸缩时，可通过第一铰支驱动柔性夹爪，以柔性夹爪支座的销轴为圆心左右摆动。当刚性夹爪气缸的活塞杆伸缩时，可通过第二铰支驱动刚性夹爪，以刚性夹爪支座的销轴为圆心左右摆动。

(3)抓取机械手的升降

基座为u型板式结构，其底板的上部与升降气缸1-12的活塞杆端板联接。当升降气缸的活塞杆伸缩时，可通过其端板带动基座，驱使手爪下降和上升。

(4)抓取机械手的转位

升降气缸的缸体上端联接谐波减速器1-13，而谐波减速器的上部固定安装在下轨座1-14的下方。谐波减速器外接伺服电机及水果自动输送设备的控制系统，由伺服电机驱动，可驱使升降气缸旋转任意角度。

(5)抓取机械手的错位

由图2可见，下轨座1-14与上轨座1-15之间通过t型滑轨配合安装。由图1可见，错位气缸1-17通过其对应的支座装配在上轨座的一侧，该错位气缸的活塞杆端部与固定在下轨座上的第一销轴1-18联接。当错位气缸的活塞杆伸缩时，可推拉下轨座进行前后移动，从而带动下轨座下方的各部件进行前后移动。

如图1所示，上轨座与其上方的左右导轨1-16配合安装，导轨固定在安装座下方。由图2可见，导轨沿安装座的长度方向安装，五套抓取机械手分别通过上轨座嵌入导轨上，且定间距安装。

(6)抓取机械手的移位

如图3所示，在上轨座的上表面安装有移位气缸1-19。自左至右五套抓取机械手，其中第一至第四套的上轨座分别安装有移位气缸，第二至第五套的上轨座分别安装有第二销轴1-20。每个移位气缸均通过对应的支座固定在上轨座上，其活塞杆端部通过拨杆1-21与下一个上轨座的第二销轴联接。

由于第一套抓取机械手的上轨座固定安装，其余四套机械手的上轨座可沿导轨滑动，因此当四个移位气缸的活塞杆同时伸缩时，可驱动除第一套机械手外的其余四套机械手移动，作出相互合拢或相互分开的移位动作。

2、机械手抓取装置的工作原理：

机械手抓取装置的整体通过安装座1-22顶部的板座1-23与工业机器人的手腕联接，被机器人驱动工作。

(1)抓取机械手的手爪动作过程

如图13或图18所示，机械手抓取装置1在水果输送机6上方待命；内含吸塑托盘和薄膜的纸盒运行进入盒体输送机11，被盒体定位机构15固定位置。盒体定位机构由右侧气缸推板机构和左侧定板组成，当盒体运行到位后，被压合在气缸推板和定板之间。

如图13中第(1)步所示，当水果运行至机械手抓取装置正下方时，升降气缸1-12带动抓取机械手下降；柔性夹爪气缸1-3和刚性夹爪气缸1-8的活塞杆收缩，分别拉动柔性夹爪和刚性夹爪向两侧张开。

如图13中第(2)步所示，柔性夹爪气缸1-3和刚性夹爪气缸1-8的活塞杆伸出，分别推动柔性夹爪和刚性夹爪向中间合拢，刚性夹爪把水果压合在弹力弦上，通过弹力弦的变形夹紧水果。随后，升降气缸1-12带动手爪夹持水果上升。

如图13中第(3)步所示，工业机器人驱动机械手平移，移位至包装盒16的位置上方，升降气缸1-12带动抓取机械手下降，使夹持的水果靠近吸塑托盘模孔，柔性夹爪气缸的活塞杆收缩，拉动柔性夹爪向外侧张开，释放水果落入托盘模孔。

由于弹力弦的弹性变形，可自行适应水果的外形，张紧贴合在水果表面，配合刚性夹爪可靠的抓紧水果，在设定的范围内无需调节夹紧力。

(2)机械手循环抓果装盒原理

如图14和图15所示，机械手抓取装置在水果输送机上方待命。水果连续送入，在水果输送机中线形成单行列队运行。水果之间相隔一定距离，但不一定相等。

在水果输送机上方，进入机械手范围之前的位置，安装有一台ccd摄像机17。ccd摄像机与五套抓取机械手a、b、c、d、e的距离分别为la、lb、lc、ld、le，该数值固定不变。

以椭圆状水果(本实施例为奇异果)为例，工作时，水果逐个经过ccd摄像机，被拍摄成像。以水果a1为例，其具体过程如图16所示：

水果a1经过时被摄像，水果自动包装设备的控制系统中，视频信号经图像采集卡转换为数字信号，进入电脑分析，电脑测定水果长径中心点，确定水果蒂部方向处于α角，同时计算水果运行距离la所需的时间(即从摄像机位置运行至抓取机械手a的位置的时间)；随后，电脑发出指令，通过plc控制抓取机械手a作出系列动作；

抓取机械手a接到运行指令，伺服电机驱动谐波减速器1-13转动，带动抓取机械手由初始位0°顺时针转位α角；

待水果a1运行至抓取机械手a正下方，升降气缸1-12带动抓取机械手下降，柔性夹爪和刚性夹爪先张开后合拢，夹紧水果a1；随后，升降气缸带动抓取机械手夹持水果上升；

伺服电机再次驱动谐波减速器转动，带动抓取机械手a逆时针转位α角，回复至初始位0°位置。

紧随水果a1之后，是水果b1、c1、d1、e1，依次被ccd摄像机拍摄成像，如水果a1一样经历电脑分析，分别被抓取机械手b、c、d、e夹持。

其后，各抓取机械手的动作如图17所示：

经历上述过程，抓取机械手a、b、c、d、e分别夹持水果a1、b1、c1、d1、e1；

抓取机械手b、d上的错位气缸1-17动作，拉动各自的下轨座，使抓取机械手夹持的水果b1、d1移动半个水果位置；

抓取机械手a、b、c、d上的移位气缸1-19同时动作，分别拉动机械手b、c、d、e的上轨座1-15，使各抓取机械手夹持的水果合拢，形成与包装盒上各包装位置相对应的状态；

各抓取机械手夹持水果后的合拢状态与吸塑托盘上的模孔排列一致，抓取机械手移位至托盘上方，把夹持的多个水果一次性装填入对应的模孔。

经历上述动作后，机械手抓取装置复位至水果输送机上方，完成一个抓果装填循环。其后，水果继续输入，机械手进行循环的抓果装填动作，直到装满一个托盘，再次输进另一包装盒。

实施例2

本实施例一种机械手抓取装置及方法，与实施例1相比较，其不同之处在于：机械手抓取装置中仅设有一套抓取机械手，一次仅抓取一个水果。

机械手抓取装置包括安装座、一个抓取机械手、升降气缸和谐波减速器，谐波减速器安装于安装座下方、升降气缸顶部与谐波减速器底部连接，升降气缸底部与抓取机械手连接；升降气缸带动抓取机械手进行上下移动，谐波减速器带动抓取机械手进行转动。其中，安装座作为整个机械手抓取装置的主体基座，其顶部外接机器人手臂，其底部用于安装组成机械手抓取装置的各部件。

机械手抓取装置还设有外置的ccd摄像机。其中抓取机械手的具体结构与实施例1相同。

即上述结构与实施例1相比较，本实施例的机械手抓取装置省去导轨、上轨座、下轨座、错位气缸、移位气缸及其辅助配合部件，在水果抓取过程中，也无需进行水果之间的移位和错位处理。该结构的机械手抓取装置结构更为简单，可适用于水果的少量包装或单个包装。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。