一种线缆驱动的仿生软体果蔬采收机械手

1.本发明涉及软体机器人技术领域，特别涉及软体果蔬采收机械手领域，具体为一种线缆驱动的仿生软体果蔬采收机械手，基于人体手指构造，具有良好的刚度、顺应性、抓取能力。


背景技术：

2.人工进行果蔬采收任务费时费力。为提高果蔬采收的效率，学者研究出多样的果蔬采收机械手，但现有的果蔬采收机械手大多是刚性结构，但这种刚性结构很容易损伤果实，造成果实口感下滑。软材料是一种杨氏模量人体手指的柔性材料，目前使用软体材料制作的机械爪能够适应果蔬的形状进行抓取并且不会损伤果实。
3.中国专利cn201910452228.7公开了一种基于气动柔性采摘的水果采摘机械装置，由基座、大臂、小臂、腕关节、软体机械手指、电动伸缩杆、可伸缩软体输送管路、水果收集箱部分组成。采用六指气动柔性包裹式采摘，利用气压驱动，可实现对多种水果的无损采摘。该采摘机械装置通过基座电机驱动齿轮传动实现大臂360度旋转，利用电动式伸缩杆带动小臂俯仰运动，通过腕关节中的电机驱动齿轮传动实现机械手的微小转动，使软体机械手指到达合适的采摘位置；利用气压泵驱动软体机械手指张合包裹果实，再利用小臂的俯仰带动机械手的刚性部分完成水果与枝桠分离；分离后的水果直接通过可伸缩软体管道输送到水果收集箱中，完成一次完整的采摘过程。
4.中国专利cn202010667378.2公开了一种软体采摘机械手，包括气动手指气缸，所述气动手指气缸包括两个转动伸出端；支撑架，所述支撑架下端与所述气动手指气缸的转动伸出端固定连接；软体抓取件，所述软体抓取件与所述支撑架上端固定连接；充放气组件，所述充放气组件对所述软体抓取件充气或放气；所述充放气组件向所述软体抓取件充气后，所述的软体抓取件发生折弯，所述充放气组件放气后，所述软体抓取件复原。解决了常见的草莓采摘机大多采用切断草莓梗的形式进行采摘，采摘强度得到提高，但其残留的梗在草莓盛装容器内对其他草莓的表皮破坏较为严重的问题。
5.中国专利cn202010629738.x公开了一种基于刚柔结合的可变刚度采摘机械手。该机械手结构采用delat并联机械结构和伸缩气缸作为其刚性驱动模块，利用硅胶等柔性材料制备气动腔体结构作为其弯曲变形的柔性变刚度抓手模块，磁流变弹性体通入特定的硅胶腔体结构中，通过抓手结构的弯曲变形程度和改变电磁铁磁场强度共同作用改变机械抓手结构的刚度。通入磁流变弹性体的腔体与发生弯曲变形的机械抓手为一个整体，利用3d打印技术可一体化制备。本研究中伸缩气缸与柔性变刚度抓手通过宽口导管相连接，利用气压阀门来控制气压实现对柔性变刚度抓手的弯曲控制。
6.综合以往的研究和发明，目前所涉及的软体果蔬采收机械手存在以下问题：
7.(1)大多数采用气动驱动方式，额外配置气泵给机器人采摘作业自由受到限制；
8.(2)现有软体机械手缺乏足够的刚度完成采摘任务。
9.(3)现有的软体手灵巧性不足，大多软体机械抓手依靠指尖部分完成果实固定和
抓取任务使得抓取力较低。
10.因此，设计一种灵巧、刚度合适、驱动简单的果蔬采收软体机械手具有重要的研究意义。


技术实现要素：

11.针对上述机械手所存在的局限性问题，本发明提供了一种线缆驱动的仿生软体果蔬采收机械手。本发明的线缆驱动的仿生软体果蔬采收机械手是基于人体手指构建的、具有一定刚度的、通过线缆驱动方式实现的软体采摘机械手，具有结构简单、柔软性、环境适应性强、便携性、驱动简单、可移植性等优点。
12.为实现上述方案，本发明采用的技术方案如下：
13.一种线缆驱动的仿生软体果蔬采收机械手，包括抓手驱动机构、机械抓手、内线缆和外线缆；
14.所述的机械抓手包括固定安装在下法兰盘底部的若干仿生手指，所述的仿生手指仅能沿下法兰盘径向内外方向弯曲；所述的仿生手指由串联的上指骨球头柱形连接器、中指骨球头柱形连接器、下指骨球头柱形连接器构成，所述的上指骨球头柱形连接器、中指骨球头柱形连接器、下指骨球头柱形连接器包括柱形主体和位于柱形主体下端面且直径小于柱形外径的球头，所述的球头上设有球头孔，所述的柱形主体上设有贯通上下端面的内圆柱孔和外圆柱孔，内圆柱孔和外圆柱孔的中心线所构成的平面与仿生手指的弯曲平面共面；
15.所述的内线缆和外线缆一端均固定在仿生手指中的下指骨球头柱形连接器下端面的球头上的球头孔处，内线缆另一端依次穿过下指骨球头柱形连接器、中指骨球头柱形连接器、上指骨球头柱形连接器的内圆柱孔后固定在驱动机构上，外线缆另一端依次穿过下指骨球头柱形连接器、中指骨球头柱形连接器、上指骨球头柱形连接器的外圆柱孔后固定在驱动机构上；所述的驱动机构能够带动内线缆和外线缆张紧和松弛，从而实现仿生软体果蔬采收机械手完成张开和抓紧动作。
16.进一步地，所述的仿生手指的数量至少为3个，若干仿生手指沿下法兰盘周向均布。
17.进一步地，所述的上指骨球头柱形连接器、中指骨球头柱形连接器、下指骨球头柱形连接器外部套设有硅胶套，所述的硅胶套通过缠绕的弹性纤维绳紧固。
18.进一步地，所述的中指骨球头柱形连接器和下指骨球头柱形连接器上端面还设有球面带孔凹槽；
19.所述的中指骨球头柱形连接器上端面的球面带孔凹槽与上指骨球头柱形连接器下端面的球头相匹配，且球面带孔凹槽上的孔与下端面的球头上的球头孔相匹配；
20.所述的下指骨球头柱形连接器上端面的球面带孔凹槽与中指骨球头柱形连接器下端面的球头相匹配，且球面带孔凹槽上的孔与下端面的球头上的球头孔相匹配。
21.进一步地，所述的球面带孔凹槽上的孔与下端面的球头上的球头孔通过销钉连接，所述销钉的轴线与仿生手指的弯曲平面垂直。
22.进一步地，所述的下指骨球头柱形连接器下端面的球头上的球头孔所在中心线与仿生手指的弯曲平面共面。
23.进一步地，所述的上法兰盘还设有与所述的上指骨球头柱形连接器的内圆柱孔、外圆柱孔相匹配的穿线通孔。
24.进一步地，所述的抓手驱动机构包括步进电机、上法兰盘、u型螺丝、丝杠和传递螺母；所述的上法兰盘通过支撑结构安装在下法兰盘上方，所述的步进电机安装在上法兰盘的中心，步进电机的电机轴与丝杠连接后贯穿上法兰盘；所述的传递螺母安装在丝杠上，位于上法兰盘和下法兰盘之间，传递螺母沿周向设有用于固定内线缆和外线缆的穿线接口；所述的u型螺丝安装在上法兰盘的底部，u型螺丝的数量与仿生手指的数量相同。
25.进一步地，从上指骨球头柱形连接器的内圆柱孔穿出的内线缆经上法兰盘的穿线通孔后固定在传递螺母的穿线接口处；从上指骨球头柱形连接器的外圆柱孔穿出的外线缆经上法兰盘的穿线通孔后再绕经u型螺丝后固定在传递螺母的穿线接口处；
26.自由状态下，内线缆和外线缆不受力，仿生手指自然下垂；在传递螺母下降过程中，内线缆松弛而外线缆张紧，仿生手指沿下法兰盘径向向外弯曲，仿生软体果蔬采收机械手张开；在传递螺母上升过程中，内线缆张紧而外线缆松弛，仿生手指沿下法兰盘径向向内弯曲，仿生软体果蔬采收机械抓紧。
27.进一步地，所述的u型螺丝的安装位置、以及传递螺母上的穿线接口位置均与若干仿生手指的安装位置相对应。
28.本发明具有的有益效果是：
29.本发明借助线缆驱动来实现机械爪手的抓取功能，避免了使用体积加大的气泵，从而能使得采摘机械手具有较大的自由作业空间，驱动简单、顺应性强、可移植性性强。此外，本发明提出的仿生软体果蔬采收机械手体积小、易于制造，为果蔬采收机械手提供了新方案和新技术。
附图说明
30.图1为线缆驱动的仿生软体果蔬采收机械手抓取时的结构示意图。
31.图2为驱动机构的结构示意图。
32.图3为机械抓手的结构示意图。
33.图4为机械抓手仿生手指的结构示意图。
34.图5为线缆驱动的仿生软体果蔬采收机械手自由状态的示意图。
35.图6为线缆驱动的仿生软体果蔬采收机械手张开状态的示意图。
36.图7为上指骨球头柱形连接器的结构示意图。
37.图8为中指骨球头柱形连接器的结构示意图。
38.图9为下指骨球头柱形连接器的结构示意图。
39.图中：1-步进电机，2-上法兰盘，3-u型螺丝，4-六角螺母，5-外线缆，6-六角铜柱，7-下法兰盘固定螺丝，8-下法兰盘，9-上指骨球头柱形连接器，10-中空圆柱型硅胶套，11-弹性纤维绳，12-销钉，13-中指骨球头柱形连接器，14-下指骨球头柱形连接器，15-球头中空圆柱型硅胶套，16-内线缆，17-传递螺母，18-丝杠，19-内六角螺丝，171-传动螺母周边孔，91-上指骨球头柱形连接器球头孔，92-上指骨球头柱形连接器内圆柱孔，93-上指骨球头柱形连接器外圆柱孔，94-上指骨球头柱形连接器平面孔，131-中指骨球头柱形连接器球头孔，132-中指骨球头柱形连接器内圆柱孔，133-中指骨球头柱形连接器外圆柱孔，134-中
指骨球头柱形连接器球面带孔凹槽，141-下指骨球头柱形连接器球头孔，142-下指骨球头柱形连接器内圆柱孔，143-下指骨球头柱形连接器外圆柱孔，144-下指骨球头柱形连接器球面带孔凹槽。
40.图1
具体实施方式
41.下面将结合附图说明和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。
42.如图1所示，一种线缆驱动的仿生软体果蔬采收机械手，主要由抓手驱动机构、机械抓手、内线缆16、外线缆5组成。
43.本实施例中，抓手驱动机构由步进电机1、上法兰盘2、u型螺丝3、六角螺母4、内六角螺丝19、丝杠18、传递螺母17组合而成；
44.机械抓手由下法兰盘8、仿生手指、下法兰盘固定螺丝7组成；每一个仿生手指都由上指骨球头柱形连接器9、中指骨球头柱形连接器13、下指骨球头柱形连接器14、销钉12、中空圆柱型硅胶套10、球头中空圆柱型硅胶套15、弹性纤维绳11组成；通过三个六角铜柱6将抓手驱动机构和机械抓手进行连接；
45.将内线缆16、外线缆5分别固定在下指骨球头柱形连接器14的球头孔141中，内线缆16穿过下指骨球头柱形连接器的内圆柱孔142、中指骨球头柱形连接器的内圆柱孔132、上指骨球头柱形连接器的内圆柱孔92、下法兰盘8与传递螺母17下端进行固定连接；外线缆5穿过下指骨球头柱形连接器的外圆柱孔143、中指骨球头柱形连接器的外圆柱孔133、上指骨球头柱形连接器的外圆柱孔93、下法兰盘8并绕过u型螺丝3与传递螺母17上端进行固定连接。通过步进电机1控制丝杠18的正转和反转来控制传递螺母17的上升和下降进而分别控制内线缆16和外线缆5的拉伸，完成控制机械抓手的关闭和打开进行果蔬采摘任务。
46.如图2所示，抓手驱动机构由步进电机1、上法兰盘2、u型螺丝3、六角螺母4、内六角螺丝19、丝杠18、传递螺母17组合而成；步进电机1通过四个内六角螺丝19固定在上法兰盘2上；丝杠18通过焊接技术与步进电机1相连使得其旋转与步进电机1同步，传递螺母17与丝杠18通过螺纹进行配合，通过控制步进电机1正转和反转来控制传动螺母17的上下传动；传动螺母17上设有周边孔171，用于连接内线缆16和外线缆5以实现对内线缆16和外线缆5拉伸的控制；u型螺丝3通过六角螺母4固定在上法兰盘2上，外线缆5绕过u型螺丝3与传动螺母17上的周边孔171连接。
47.如图3所示，机械抓手由下法兰盘8、仿生手指、下法兰盘固定螺丝7组成；每一个仿生手指都由上指骨球头柱形连接器9、中指骨球头柱形连接器13、下指骨球头柱形连接器14、销钉12、中空圆柱型硅胶套10、球头中空圆柱型硅胶套15、弹性纤维绳11组成。
48.如图7所示，上指骨球头柱形连接器9的主体为柱形结构，且下端面中心设有直径小于柱形外径的球头，上指骨球头柱形连接器9上设有上指骨球头柱形连接器球头孔91、上指骨球头柱形连接器内圆柱孔92、上指骨球头柱形连接器外圆柱孔93、上指骨球头柱形连接器平面孔94；所述的上指骨球头柱形连接器平面孔94位于上指骨球头柱形连接器9的上端面，上指骨球头柱形连接器平面孔94通过下法兰盘固定螺丝7固定在下法兰盘8上；上指骨球头柱形连接器球头孔91位于上指骨球头柱形连接器9的下端面球头上，球头孔91所在中心线与仿生手指的弯曲平面垂直，在球头孔91处通过销钉12连接中指骨球头柱形连接器
球面带孔凹槽134上的孔，限制中指骨球头柱形连接器13只能沿下法兰盘8径向内外方向进行弯曲；所述的上指骨球头柱形连接器内圆柱孔92、上指骨球头柱形连接器外圆柱孔93贯穿上指骨球头柱形连接器9的上下端面，上指骨球头柱形连接器内圆柱孔92和上指骨球头柱形连接器外圆柱孔93的中心线所构成平面与仿生手指的弯曲平面共面。
49.本实施例中，在下法兰盘8上还设有与上指骨球头柱形连接器内圆柱孔92、上指骨球头柱形连接器外圆柱孔93、上指骨球头柱形连接器平面孔94相匹配的通孔。
50.如图8所示，中指骨球头柱形连接器13的主体为柱形结构，且下端面中心设有直径小于柱形外径的球头，中指骨球头柱形连接器13上设有中指骨球头柱形连接器球头孔131、中指骨球头柱形连接器内圆柱孔132、中指骨球头柱形连接器外圆柱孔133、中指骨球头柱形连接器球面带孔凹槽134；所述的中指骨球头柱形连接器球面带孔凹槽134位于中指骨球头柱形连接器13的上端面上，带孔凹槽134与上指骨球头柱形连接器9的球头相匹配，带孔凹槽134上的孔所在中心线与仿生手指的弯曲平面垂直，带孔凹槽134上的孔与上指骨球头柱形连接器9上的球头孔相匹配；所述的中指骨球头柱形连接器球头孔131位于中指骨球头柱形连接器13的下端面球头上，球头孔131所在的中心线与仿生手指的弯曲平面垂直，在球头孔131处通过销钉12连接下指骨球头柱形连接器球面带孔凹槽144上的孔，可限制下指骨球头柱形连接器14只能沿下法兰盘8径向内外方向进行弯曲；所述的中指骨球头柱形连接器内圆柱孔132、中指骨球头柱形连接器外圆柱孔133贯穿中指骨球头柱形连接器13的上下端面，中指骨球头柱形连接器内圆柱孔132和中指骨球头柱形连接器外圆柱孔133的中心线所构成平面与仿生手指的弯曲平面共面。
51.如图9所示，下指骨球头柱形连接器14的主体为柱形结构，且下端面中心设有直径小于柱形外径的球头，下指骨球头柱形连接器14上设有下指骨球头柱形连接器球头孔141、下指骨球头柱形连接器内圆柱孔142、下指骨球头柱形连接器外圆柱孔143、下指骨球头柱形连接器球面带孔凹槽144；所述的下指骨球头柱形连接器球面带孔凹槽144位于下指骨球头柱形连接器14的上端面上，带孔凹槽144与中指骨球头柱形连接器13的球头相匹配，带孔凹槽144上的孔所在中心线与仿生手指的弯曲平面垂直，带孔凹槽144上的孔与中指骨球头柱形连接器13上的球头孔相匹配；所述的下指骨球头柱形连接器球头孔141位于下指骨球头柱形连接器14的下端面球头上，球头孔141所在的中心线与仿生手指的弯曲平面共面，球头孔141用于固定内线缆16和外线缆5的一端。所述的下指骨球头柱形连接器内圆柱孔142、下指骨球头柱形连接器外圆柱孔143贯穿下指骨球头柱形连接器14的上下端面，下指骨球头柱形连接器内圆柱孔142和下指骨球头柱形连接器外圆柱孔143的中心线所构成平面与仿生手指的弯曲平面共面。
52.通过图7至图9所示的上、中、下指骨球头柱形连接器的结构，可以看出，上指骨球头柱形连接器9通过上端面的平面孔94与下法兰盘8固定；中指骨球头柱形连接器13上端面的球面带孔凹槽134通过销钉12与上指骨球头柱形连接器9的下端面球头相连，可限制中指骨球头柱形连接器13只能沿下法兰盘8径向内外方向进行弯曲；下指骨球头柱形连接器14上端面的球面带孔凹槽144通过销钉12与中指骨球头柱形连接器13的下端面球头相连，可限制下指骨球头柱形连接器14只能沿下法兰盘8径向内外方向进行弯曲。所述的上、中、下指骨球头柱形连接器的外围还套设有圆柱型硅胶套，其中，球头中空圆柱型硅胶套15套在下指骨球头柱形连接器14的外部，两个中空圆柱型硅胶套10分别套在中指骨球头柱形连接
器13和上指骨球头柱形连接器9的外部，增加了机械抓手的柔软性和顺应性；本实施例中，所述的球头中空圆柱型硅胶套15和中空圆柱型硅胶套10均由弹性纤维绳11缠绕在仿生手指的外部，提高了机械抓手的抓取能力，且可防硅胶套脱落。
53.在本发明的一项具体实施中，下法兰盘8下方沿周向均匀固定三根仿生手指，形成三爪机械手结构，每一根仿生手指的结构相同。
54.如图4所示，抓手驱动机构中的上法兰盘2和机械抓手中的下法兰盘8通过三个六角铜柱6进行连接；内线缆16、外线缆5的一端分别固定在下指骨球头柱形连接器14下端面球头的球头孔141中，内线缆16另一端依次穿过下指骨球头柱形连接器内圆柱孔142、中指骨球头柱形连接器内圆柱孔132、上指骨球头柱形连接器内圆柱孔92、下法兰盘8通孔后在传递螺母17的周边孔171处固定；外线缆5的另一端依次穿过下指骨球头柱形连接器外圆柱孔143、中指骨球头柱形连接器外圆柱孔133、上指骨球头柱形连接器外圆柱孔93、下法兰盘8通孔并绕过上法兰盘底部的u型螺丝3后在传递螺母17的周边孔171处固定。
55.如图5所示，内线缆16、外线缆5在自由状态时都处于松弛状态，三根仿生手指自然下垂。如图1所示，当步进电机1带动丝杠18正向转动时，传动螺母17上升，使得内线缆16拉伸而外线缆松弛，带动机械抓手向内弯曲形成抓取状态；如图6所示，当步进电机1带动丝杠18反向转动时，传动螺母17下降，使得外线缆5拉伸而内线缆松弛带动机械抓手向外弯曲形成张开状态。
56.对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。