一种具有力感知功能的水果采摘机器人及操作方法技术

本发明专利技术公开了一种具有力感知功能的水果采摘机器人及操作方法，机器人包括车身，车身前方设置有XY平移传动机构，XY平移传动机构的Y向顶端安装有摄像头，XY平移传动机构中的平移件安装有液压伸缩杆，液压伸缩杆杆端转动连接有欠驱动水果采摘灵巧手，车身内操作者穿戴在手上的绳牵引式磁流变力反馈数据手套与欠驱动水果采摘灵巧手通过车载计算机实现相互感应。本发明专利技术适用于水果智能化采摘领域。

Fruit picking robot with force sensing function and operation method thereof

The invention discloses a force sensing function of fruit picking robot and operation method, including the robot body, a transmission mechanism is arranged in front of the body XY translation, XY translation drive mechanism in Y to the top of the camera, XY translation in transmission mechanism of translational fitting is equipped with hydraulic telescopic rod, hydraulic telescopic rod end is rotatably connected there are underactuated fruit picking robot hand, magneto rheological force feedback data glove and underactuated robot hand to achieve the mutual induction of fruit picking through the on-board computer body operator in the hands of the traction rope wear. The invention is applicable to the fruit intelligent picking field.

【技术实现步骤摘要】
一种具有力感知功能的水果采摘机器人及操作方法
本专利技术涉及水果采摘机器人领域，具体是一种具有力感知功能的水果采摘机器人及操作方法。
技术介绍
水果采摘是农业生产链中最费时费力的一个环节，伴随着机器人技术的发展，工业机器人已经有了相当可喜的成绩，但在农业方面应用的机器人还少之又少。水果采摘环节需要消耗大量的人力物力，单靠人工劳动已经不能满足现在水果采摘的需要。随着机器人技术的发展、农业化肥和农药对人体的危害加大以及水果采摘方面遇到的劳动力短缺等问题的出现，使得专利技术可应用于水果采摘方面的农业机器人越来越成为必要。水果采摘机器人主要在解决劳动力不足、降低工人劳动强度、提高工人劳动舒适性、减轻农业化肥和农药对人体的危害、保证采摘工人的安全以及保护采摘水果的完整性等方面具有很大的应用潜力。目前研究的水果采摘机器人主要分为两种：一种是自主型采摘机器人，另一种是人机协作型采摘机器人。自主型采摘机器人由于目前的传感器技术，控制技术等方面技术难以达到完全智能的程度以及控制成本和控制精度的要求都比较高，难以完全实现。所以人机协作型采摘机器人是当前条件下比较理想的选择。而目前的人机协作型采摘机器人普遍不具备力反馈的功能，那么在末端执行器采摘水果的时候就会出现破坏水果表面、挤压过度等问题。因此，可以开发出一种把采摘者的决策、感觉加入到采摘过程中的半自主的采摘机器人，而采摘过程由采摘机器人来完成。这样对于提高采摘效率、增强采摘的安全性以及保护采摘水果的完整性等方面都有极其重大的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有力感知功能的水果采摘机器人及操作方法，以解决现有技术人机协作型采摘机器人不具备力反馈功能的问题。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种具有力感知功能的水果采摘机器人，其特征在于：包括可移动的车身，车身前方设置有XY平移传动机构，XY平移传动机构的Y向顶端安装有摄像头，XY平移传动机构中的平移件垂直向前安装有液压伸缩杆，液压伸缩杆杆端固定有伺服电机，伺服电机的转轴上连接有欠驱动水果采摘灵巧手，车身内还有穿戴在操作者手上的绳牵引式磁流变力反馈数据手套，绳牵引式磁流变力反馈数据手套与欠驱动水果采摘灵巧手通过车载计算机实现相互感应，其中：欠驱动水果采摘灵巧手包括手掌，手掌后端连接在伺服电机的转轴上，伺服电机固定在液压伸缩杆前端，手掌前端连接有四指，手掌一侧连接有拇指，四指分别由四指近指节关节、四指中指节关节、四指远指节关节组成，四指近指节关节后端分别转动连接在手掌前端，四指近指节关机前端分别通过铰链与对应的四指中指节关节后端连接，四指中指节关节前端分别通过铰链与四指远指节关节后端连接，拇指由拇指近指节关节和拇指远指节关节构成，拇指近指节关节后端转动连接在手掌一侧，拇指近指节关节前端通过铰链与拇指远指节关节后端连接，且每个铰链上分别配装有扭簧，四指中，每个四指近指节关节、四指远指节关节中分别转动安装有小滑轮，四指中指节关节中转动安装有大滑轮，拇指的拇指近指节关节、拇指远指节关节中分别转动安装有小滑轮，所述手掌对应四指后方位置、拇指后方位置分别设有伺服电机，伺服电机的输出轴上分别固定有卷筒，卷筒上分别缠绕有绳索，其中四指对应的伺服电机卷筒上的绳索依次绕过四指近指节关节中小滑轮、四指中指节关节中大滑轮、四指远指节关节中小滑轮后，再固定在四指远指节关节内前端，拇指对应的伺服电机卷筒上的绳索依次绕过拇指近指节关节中小滑轮、拇指远指节关节中小滑轮后，再固定在拇指远指节关节内前端；绳牵引式磁流变力反馈数据手套包括手掌机架，手掌机架顶部后侧设有从左向右依次排列的五组磁流变阻尼器，五组磁流变阻尼器分别对应操作者五个手指，手掌机架底面前侧通过立向的支架支撑有五个手掌滑轮，五个手掌滑轮位置与五组磁流变阻尼器位置一一对应，手掌机架前方还对应五指分别设有指套、指环，其中指套分别套在操作者手指中间部分，指环分别套在操作者手指指端，每个指套顶部分别通过立向的支架支撑有指套滑轮，每个磁流变阻尼器活塞杆杆端分别连接有绳索，绳索依次绕过对应的手掌滑轮、指套滑轮后固定在对应的指环上；所述欠驱动水果采摘灵巧手中的伺服电机，以及绳牵引式磁流变力反馈数据手套中的磁流变阻尼器分别与车载计算机连接，通过车载计算机实现驱动水果采摘灵巧手和绳牵引式磁流变力反馈数据手套的相互感应。所述的一种具有力感知功能的水果采摘机器人，其特征在于：XY平移传动机构包括沿X向水平设置的X滚珠丝杠平移平台、沿Y向竖直设置的Y滚珠丝杠平移平台，其中X滚珠丝杠平移平台通过支架安装在车身前方，Y滚珠丝杠平移平台固定在X滚珠丝杠平移平台的滑动台上，Y滚珠丝杠平移平台的Y向顶端安装有摄像头，所述液压伸缩杆后端垂直连接在Y滚珠丝杠平移平台的滑动台上，液压伸缩杆前端水平向前延伸，所述欠驱动水果采摘灵巧手连接在伺服电机的转轴上，伺服电机固定在液压伸缩杆前端。一种具有力感知功能的水果采摘机器人的操作方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）进行系统初始化，调整传感器、伺服电机的初始状态，磁流变阻尼器处于失电状态；（2）由操作者发出指令，调整采摘机器人到一个最佳的采摘位置；操作者通过摄像头采集到水果的位置信息，通过控制XY移动机构的上下以及左右位置、液压伸缩杆的伸缩以及采摘手后方的伺服电机的角度转动将欠驱动水果采摘灵巧手调整到一个合适的采摘位置，准备采摘；（3）开始采摘，操作者的右手进行抓握动作，戴于右手手臂上的磁流变力反馈数据手套将操作者右手抓握的角度、力觉信息经过计算机的处理传递给欠驱动水果采摘灵巧手，使采摘手开始进行采摘；（4）欠驱动水果采摘灵巧手开始抓握动作，将欠驱动水果采摘灵巧手进行抓握的过程中所受到的力觉信号、转动角度信号经过计算机的处理通过操作者所穿戴的磁流变力反馈数据手套、磁流变力反馈数据手套通过控制电流的大小来控制操作者感受到的力觉大小，也就是通过控制磁流变阻尼器产生一定的阻尼力，进而使操作者感受到力觉，以实现临场感；（5）当操作者感觉所受的反馈力不足以握住水果，操作者再逐渐的加大抓握的角度与力度，重复（3）、（4）过程，直到操作者感受到合适的反馈力为止；（6）当操作者感受到欠驱动水果采摘灵巧手可以抓好水果的时候，通过控制欠驱动水果采摘灵巧手所连接的伺服电机的转动来实现欠驱动水果采摘灵巧手的扭断动作，这样就可以把水果与果梗相分离，实现水果的采摘。本专利技术提供一种具有力感知功能的水果采摘机器人及操作方法，适用于水果智能化采摘领域，具有如下的有益效果：（1）可以解决水果采摘中的劳动力不足问题，降低工人劳动强度，提高工人劳动舒适性，减轻农业化肥和农药对人体的危害，保证采摘工人的安全以及保护采摘水果的完整性。（2）磁流变阻尼器是一种能量耗散型智能器件，具备有安全、稳定和体积小等优点。通过被动的力反馈，由其为操作者提供一定的反馈力，同时结合角度传感器检测手指关节的活动范围，有利于提高操作的舒适感，更好的实现临场感。（3）当操作者进行抓握时，本专利技术的外骨骼式力反馈数据手套则避免了机构在手掌内对临场感的破坏，使操作者更加真实的感受到身临其境。（4）欠驱动水果采摘灵巧手能够很好的包络水果，结构简单，不需要过多的自由度，扭簧的加入能够有效的实现灵巧手的握紧和伸展。附图说明图1是本专利技术的整体结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有力感知功能的水果采摘机器人，其特征在于：包括可移动的车身，车身前方设置有XY平移传动机构，XY平移传动机构的Y向顶端安装有摄像头，XY平移传动机构中的平移件垂直向前安装有液压伸缩杆，液压伸缩杆杆端固定有伺服电机，伺服电机的转轴上连接有欠驱动水果采摘灵巧手，车身内还有穿戴在操作者手上的绳牵引式磁流变力反馈数据手套，绳牵引式磁流变力反馈数据手套与欠驱动水果采摘灵巧手通过车载计算机实现相互感应，其中：欠驱动水果采摘灵巧手包括手掌，手掌后端连接在伺服电机的转轴上，伺服电机固定在液压伸缩杆前端，手掌前端连接有四指，手掌一侧连接有拇指，四指分别由四指近指节关节、四指中指节关节、四指远指节关节组成，四指近指节关节后端分别转动连接在手掌前端，四指近指节关机前端分别通过铰链与对应的四指中指节关节后端连接，四指中指节关节前端分别通过铰链与四指远指节关节后端连接，拇指由拇指近指节关节和拇指远指节关节构成，拇指近指节关节后端转动连接在手掌一侧，拇指近指节关节前端通过铰链与拇指远指节关节后端连接，且每个铰链上分别配装有扭簧，四指中，每个四指近指节关节、四指远指节关节中分别转动安装有小滑轮，四指中指节关节中转动安装有大滑轮，拇指的拇指近指节关节、拇指远指节关节中分别转动安装有小滑轮，所述手掌对应四指后方位置、拇指后方位置分别设有伺服电机，伺服电机的输出轴上分别固定有卷筒，卷筒上分别缠绕有绳索，其中四指对应的伺服电机卷筒上的绳索依次绕过四指近指节关节中小滑轮、四指中指节关节中大滑轮、四指远指节关节中小滑轮后，再固定在四指远指节关节内前端，拇指对应的伺服电机卷筒上的绳索依次绕过拇指近指节关节中小滑轮、拇指远指节关节中小滑轮后，再固定在拇指远指节关节内前端；绳牵引式磁流变力反馈数据手套包括手掌机架，手掌机架顶部后侧设有从左向右依次排列的五组磁流变阻尼器，五组磁流变阻尼器分别对应操作者五个手指，手掌机架底面前侧通过立向的支架支撑有五个手掌滑轮，五个手掌滑轮位置与五组磁流变阻尼器位置一一对应，手掌机架前方还对应五指分别设有指套、指环，其中指套分别套在操作者手指中间部分，指环分别套在操作者手指指端，每个指套顶部分别通过立向的支架支撑有指套滑轮，每个磁流变阻尼器活塞杆杆端分别连接有绳索，绳索依次绕过对应的手掌滑轮、指套滑轮后固定在对应的指环上；所述欠驱动水果采摘灵巧手中的伺服电机，以及绳牵引式磁流变力反馈数据手套中的磁流变阻尼器分别与车载计算机连接，通过车载计算机实现驱动水果采摘灵巧手和绳牵引式磁流变力反馈数据手套的相互感应，根据权利要求1所述的一种具有力感知功能的水果采摘机器人，其特征在于：XY平移传动机构包括沿X向水平设置的X滚珠丝杠平移平台、沿Y向竖直设置的Y滚珠丝杠平移平台，其中X滚珠丝杠平移平台通过支架安装在车身前方，Y滚珠丝杠平移平台固定在X滚珠丝杠平移平台的滑动台上，Y滚珠丝杠平移平台的Y向顶端安装有摄像头，所述液压伸缩杆后端垂直连接在Y滚珠丝杠平移平台的滑动台上，液压伸缩杆前端水平向前延伸，所述欠驱动水果采摘灵巧手连接在伺服电机的转轴上，伺服电机固定在液压伸缩杆前端。...

【技术特征摘要】
1.一种具有力感知功能的水果采摘机器人，其特征在于：包括可移动的车身，车身前方设置有XY平移传动机构，XY平移传动机构的Y向顶端安装有摄像头，XY平移传动机构中的平移件垂直向前安装有液压伸缩杆，液压伸缩杆杆端固定有伺服电机，伺服电机的转轴上连接有欠驱动水果采摘灵巧手，车身内还有穿戴在操作者手上的绳牵引式磁流变力反馈数据手套，绳牵引式磁流变力反馈数据手套与欠驱动水果采摘灵巧手通过车载计算机实现相互感应，其中：欠驱动水果采摘灵巧手包括手掌，手掌后端连接在伺服电机的转轴上，伺服电机固定在液压伸缩杆前端，手掌前端连接有四指，手掌一侧连接有拇指，四指分别由四指近指节关节、四指中指节关节、四指远指节关节组成，四指近指节关节后端分别转动连接在手掌前端，四指近指节关机前端分别通过铰链与对应的四指中指节关节后端连接，四指中指节关节前端分别通过铰链与四指远指节关节后端连接，拇指由拇指近指节关节和拇指远指节关节构成，拇指近指节关节后端转动连接在手掌一侧，拇指近指节关节前端通过铰链与拇指远指节关节后端连接，且每个铰链上分别配装有扭簧，四指中，每个四指近指节关节、四指远指节关节中分别转动安装有小滑轮，四指中指节关节中转动安装有大滑轮，拇指的拇指近指节关节、拇指远指节关节中分别转动安装有小滑轮，所述手掌对应四指后方位置、拇指后方位置分别设有伺服电机，伺服电机的输出轴上分别固定有卷筒，卷筒上分别缠绕有绳索，其中四指对应的伺服电机卷筒上的绳索依次绕过四指近指节关节中小滑轮、四指中指节关节中大滑轮、四指远指节关节中小滑轮后，再固定在四指远指节关节内前端，拇指对应的伺服电机卷筒上的绳索依次绕过拇指近指节关节中小滑轮、拇指远指节关节中小滑轮后，再固定在拇指远指节关节内前端；绳牵引式磁流变力反馈数据手套包括手掌机架，手掌机架顶部后侧设有从左向右依次排列的五组磁流变阻尼器，五组磁流变阻尼器分别对应操作者五个手指，手掌机架底面前侧通过立向的支架支撑有五个手掌滑轮，五个手掌滑轮位置与五组磁流变阻尼器位置一一对应，手掌机架前方还对应五指分别设有指套、指环，其中指套分别套在操作者手指中间部分，指环分别套在操作者手指指端，每个指套顶部分别通过立向的支架支撑有指套滑轮，每个磁流变阻尼器活塞杆杆端分别连接有绳索，绳索依次绕过对应的手掌滑轮、指...

【专利技术属性】
技术研发人员：王道明，庞佳伟，訾斌，王正雨，钱钧，曹子祥，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34