一种可根据果实大小调整作业范围的柔性末端执行器手指及使用方法技术

本专利是针对不同果实的一种可根据果实大小调整作业范围的柔性末端执行器手指及使用方法，利用手指关节层的弯曲收缩和伸展以及调节固定夹位于关节层上不同的高度，实现根据果实大小调整作业范围的柔性末端执行器手指。该手指包括：连接口、分流道、关节层和气流道。通过气流控制手指关节层的弯曲程度，实现对不同果实的抓取及释放。手指通过固定夹固定于末端执行器的固定板上，通过调节螺钉的松紧实现固定夹位于关节层不同的高度，构成不同长度的手指，从而实现一个末端执行器对多种不同尺寸果实的采摘。末端执行器手指结构简单，通过末端执行器三手指的配合可有效解决毗邻果实分离问题，实现单个果实稳定抓取和无损采摘。

A flexible end actuator finger which can adjust the working range according to the size of fruit and its use method

【技术实现步骤摘要】
一种可根据果实大小调整作业范围的柔性末端执行器手指及使用方法
本专利涉及果实的采摘领域，具体涉及针对不同果实的一种可根据果实大小调整作业范围的柔性末端执行器手指及使用方法。
技术介绍
在果园生产过程中，果园收获作业是最重要的环节，具有季节性强和劳动密集的特点，劳动力成本占整个生产过程的35%~45%。中国是世界上果实种植面积最大的国家，但目前靠人工采摘，是各种果实种植中最费时费力的环节。因此，研究果实采摘机器人具有重要意义。相比于工业机器人，果实采摘机器人在作业上存在一定难度。首先，果实采摘机器人的作业对象复杂程度高。不同于工业生产，果实具有一定柔软性，在采摘过程中要避免伤到果树及果实有一定难度。采摘时为保证不损伤果实需要进行毗邻果实分离，降低夹持力，同时去除果柄，果实无损采摘是采摘机器人的关键技术之一，主要靠采摘机器人末端执行器机构及手指原理来保证。在JosefF.Christ等人发表的“3Dprintingofhighlyelasticstrainsensorsusingpolyurethane/multiwallcarbonnanotubecomposites”文章中证明了低成本制造嵌入式和多向柔性应变传感器的可能性，及其在软机器人、柔性电子和健康监测方面的潜在应用。在CameronHohimer等人发表的“3Dprintedthermoplasticpolyurethanewithisotropicmaterialproperties”的论文中通过实验证明：空气间隙对塑模样品的极限抗拉强度（UtimateTensileStrength，UTS）有显著影响，与刚性热塑性塑料不同，可以在打印的热塑性聚氨酯弹性体橡胶（thermoplasticpolyurethanes，TPU）样品中产生各向同性的机械性能,TPU材料具有高张力、高拉力、强韧和耐老化的特性。这种材料可用于3D打印机中，从而构造任意形状的物体。通过本专利的特殊设计，能使该物体的形状在充气后发生变化，例如未充气时为直的，充气后弯曲。基于以上分析，本专利提出一种基于柔性材料的可根据果实大小调整作业范围的柔性末端执行器手指及使用方法，设置特殊气体通道，充气后使柔性材料弯曲，利用多根手指包围果实，模拟人手实现果实的采摘。
技术实现思路
针对不同果实的无损采摘，本专利提出了一种可根据果实大小调整作业范围的柔性末端执行器手指及其使用方法。该末端执行器手指包括连接口21、分流道22、关节层23和气流道24。该末端执行器的各个手指内侧为实心实体TPU材料，外侧为带有气室空腔的关节层23；当有气流通过分流道22进入气流道24时，气体经气流道24进入各关节层23内的气室空腔，通过控制气流在气室空腔内产生的气压大小使手指关节层23产生不同程度的伸展，而手指内侧为实心实体无气室空腔，伸展受到限制，继而达到对手指关节层弯曲程度的控制，实现对不同大小果实的抓持。末端执行器包括食指1、中指2、无名指3、螺钉4、固定夹5、固定板6、分流口7、进气口8、气流通道环9、主流口10、弹性绳11和多向柔性应变传感器12。三个手指1、2、3通过固定夹5固定于末端执行器的固定板6上。通过手指底部的连接口21及软管将各手指的分流道22连接成气流通道环9；固定板6及弹性绳11可有效防止果实掉落或者损伤，同时固定板6上装有多向柔性应变传感器12，给传感器设定压力阈值；当固定板6上的多向柔性应变传感器12示值达到阈值时，停止充气。拉动末端执行器朝外运动，直至苹果与树枝分离，将抓持有苹果的末端执行器移至果实收集装置上方。再将末端执行器向下旋转90°，之后对整个系统进行放气，手指伸直恢复至初始状态，苹果则自然掉至果实收集装置，完成采摘。手指的关节层23的设置是为了让手指在有气流通过时，更好的实现手指的弯曲收缩及伸展，各手指充气弯曲后的效果如图3所示。通过调节螺钉4的松紧实现固定夹5位于关节层23不同的位置，构成不同长度的手指，从而实现一个柔性末端执行器对多种不同尺寸果实的采摘。本专利的优点：该末端执行器手指结构简单，通过三手指的配合可有效解决毗邻果实分离问题，实现单个果实稳定抓取和无损采摘。附图说明下面结合附图和实施方式对本专利进一步详细的说明。图1是手指在末端执行器上的装配图的三视图；图2是手指结构的三视图；图3是手指充气弯曲后的效果图。具体实施方式如图1、2和3所示，本专利的一种可根据果实大小调整作业范围的柔性末端执行器手指及使用方法，该末端执行器手指包括连接口21、分流道22、关节层23和气流道24。具体工作过程：工作时，根据不同种类果实的最大尺寸预先通过调节螺钉4的松紧将固定夹5位于关节层23的不同位置，构成不同长度的手指，实现对不同种类果实的采摘。以采摘富士苹果为例：基于机器人的视觉识别定位系统将末端执行器移至苹果侧方，再朝苹果方向前进，将苹果包围在手指范围内；当固定板6上的多向柔性应变传感器12接触到苹果时，产生作用力后，则开始对整个系统充气；气流通过末端执行器上进气口8经过主流口10进入气流通道环9，气流逐渐填充气流通道环9，同时经由各分流口7分别进入手指的三个气流道24，继而进入关节层23内的气室空腔，关节层23外侧膨胀伸展、内侧伸展受到限制，进而控制各手指弯曲抓紧苹果，各手指充气弯曲后的效果如图3所示。该动作同时能有效撑开毗邻苹果，底部的弹性绳11及固定板6可防止苹果的掉落或者损伤，中指2比其它两根手指1和3更长，不仅是为了仿生人手结构，更是采摘过程的实际需要：若各手指高度一致，在弯曲抓紧过程中手指之间会接触挤压，影响对果实的抓紧。当固定板6上的多向柔性应变传感器12示值达到阈值6.77N时，停止充气。拉动末端执行器朝外运动，直至苹果与树枝分离，将抓持有苹果的末端执行器移至果实收集装置上方。再将末端执行器向下旋转90°，之后对整个系统进行放气，手指伸直恢复至初始状态，苹果则自然掉至果实收集装置，完成采摘。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可根据果实大小调整作业范围的柔性末端执行器手指及使用方法，由连接口（21）、分流道（22）、关节层（23）和气流道（24）；该末端执行器的各个手指内侧为实心实体TPU材料，外侧为带有气室空腔的关节层（23）；当有气流通过分流道（22）进入气流道（24）时，气体经气流道（24）进入各关节层（23）内的气室空腔，通过控制气流在气室空腔内产生的气压大小使手指关节层（23）产生不同程度的伸展，而手指内侧为实心实体无气室空腔，伸展受到限制，继而达到对手指关节层（23）弯曲程度的控制，实现对不同大小果实的抓持；末端执行器包括食指（1）、中指（2）、无名指（3）、螺钉（4）、固定夹（5）、固定板（6）、分流口（7）、进气口（8）、气流通道环（9）、主流口（10）、弹性绳（11）和多向柔性应变传感器（12）；三个手指（1）、（2）、（3）通过固定夹（5）固定于末端执行器的固定板（6）上；通过手指底部的连接口（21）及软管将各手指的分流道（22）连接成气流通道环（9）；固定板（6）及弹性绳（11）可有效防止果实掉落或者损伤，同时固定板（6）上装有多向柔性应变传感器（12），给传感器设定压力阈值；当固定板（6）上的多向柔性应变传感器（12）示值达到阈值时，停止充气；拉动末端执行器朝外运动，直至苹果与树枝分离，将抓持有苹果的末端执行器移至果实收集装置上方；再将末端执行器向下旋转90°，之后对整个系统进行放气，手指伸直恢复至初始状态，苹果则自然掉至果实收集装置，完成采摘；手指的关节层（23）的设置是为了让手指在有气流通过时，更好的实现手指的弯曲收缩及伸展；通过调节螺钉（4）的松紧实现固定夹（5）位于关节层（23）不同的高度，构成不同长度的手指，从而实现一个柔性末端执行器对多种不同尺寸果实的采摘。/n...

【技术特征摘要】
1.一种可根据果实大小调整作业范围的柔性末端执行器手指及使用方法，由连接口（21）、分流道（22）、关节层（23）和气流道（24）；该末端执行器的各个手指内侧为实心实体TPU材料，外侧为带有气室空腔的关节层（23）；当有气流通过分流道（22）进入气流道（24）时，气体经气流道（24）进入各关节层（23）内的气室空腔，通过控制气流在气室空腔内产生的气压大小使手指关节层（23）产生不同程度的伸展，而手指内侧为实心实体无气室空腔，伸展受到限制，继而达到对手指关节层（23）弯曲程度的控制，实现对不同大小果实的抓持；末端执行器包括食指（1）、中指（2）、无名指（3）、螺钉（4）、固定夹（5）、固定板（6）、分流口（7）、进气口（8）、气流通道环（9）、主流口（10）、弹性绳（11）和多向柔性应变传感器（12）；三个手指（1）、（2）、（3）通过固定夹（...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅隆生，邬宏，李瑞，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61