一种欠驱动果蔬采摘机械手及采摘方法技术

本发明专利技术公开了一种欠驱动果蔬采摘机械手，包括手指机构和基座；所述基座上设有步进电机，步进电机的输出端设有齿轮；所述基座的侧面设有齿条固定件，齿条固定件内设有齿条，齿条的上端连接有传动连接板；所述基座的侧面上端设有第三连接件，第三连接件的两侧分别连接有第一连接件和第二连接件；所述第一连接件的上端连接有第一支撑板；所述第二连接件的上端设有第二支撑板；所述手指机构为结构相同的第一手指、第二手指和第三手指。本发明专利技术不仅操作方便，结构简单，而且手指之间不会出现干涉现象，能够有效的实现果蔬的无损采摘。

A kind of underactuated fruit and vegetable picking manipulator and picking method

【技术实现步骤摘要】
一种欠驱动果蔬采摘机械手及采摘方法
本专利技术涉及农业机器人领域，特别涉及一种欠驱动果蔬采摘机械手及采摘方法。
技术介绍
果蔬采摘作业是果蔬生产中最耗时、最费力的一个环节，其收获又属于劳动密集型作业，果蔬收获期间投入的劳动力约占整个生产过程的50%～70%。这些对农业机械化、智能化、规模化的快速发展提出较高的要求。欠驱动机构近年来已经迅速发展起来了，因为其可以实现用较少的驱动来控制较多的自由度，已经成为机器人末端执行器的研究热点，采用欠驱动原理设计的机械手合理地解决了多自由度和控制复杂之间的难题。现有的果蔬采摘机械手往往结构复杂，手指之间容易出现干涉现象，而且机械手的控制难度高，对果蔬采摘难以有效的把握，导致果蔬损伤。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种欠驱动果蔬采摘机械手及采摘方法。本专利技术不仅操作方便，结构简单，而且手指之间不会出现干涉现象，能够有效的实现果蔬的无损采摘。本专利技术的技术方案：一种欠驱动果蔬采摘机械手，包括手指机构和基座；所述基座上设有步进电机，步进电机的输出端设有齿轮；所述基座的侧面设有齿条固定件，齿条固定件内设有与齿轮相啮合的齿条，齿条的上端连接有传动连接板；所述基座的侧面上端设有第三连接件，第三连接件的两侧分别连接有第一连接件和第二连接件；所述第一连接件的上端连接有第一支撑板；所述第二连接件的上端设有第二支撑板；所述手指机构为结构相同的第一手指、第二手指和第三手指；所述手指结构包括手指第一连杆，手指第一连杆铰接有手指第二连杆和手指第三连杆；所述手指第三连杆的上端铰接有远指，远指铰接有中指，中指的下端与手指第二连杆铰接，且铰接有传动杆；所述传动连接板的一侧与第一手指的传动杆铰接，另一侧分别与第二手以及第三手指的传动杆铰接；所述第一支撑板与第一手指的手指第一连杆螺栓连接；所述第二支撑板分别与第二手指和第三手指的手指第一连杆螺栓连接。上述的欠驱动果蔬采摘机械手，所述远指为仿人手大拇指结构；所述的远指的下端设有两个连接块；所述远指经对应的连接块分别与手指第三连杆和中指铰接。前述的欠驱动果蔬采摘机械手，所述远指的关节内表面设有力反馈传感器。前述的欠驱动果蔬采摘机械手，所述远指和中指的连接处设有扭簧。前述的欠驱动果蔬采摘机械手，所述第三连接件一侧与第一连接件螺栓连接，另一侧与第二连接件螺栓连接；所述第一连接件还与齿条固定件螺栓连接。前述的欠驱动果蔬采摘机械手，所述的基座的底面连接有转动圆盘，转动圆盘连接有舵机；所述的舵机四周外边沿设有安装固定架。前述的欠驱动果蔬采摘机械手，所述的步进电机的输出端上还设有第一弹性金属片，所述第三连接件上设有第二弹性金属片；所述第一弹性金属片和第二弹性金属片用于步进电机的输出端转动一周时两者相互接触形成行程反馈。前述的欠驱动果蔬采摘机械手的采摘方法，通过步进电机带动齿轮转动，经齿轮与齿条的啮合，将步进电机的旋转力转变为齿条垂直方向的运动力，从而带动齿条上端连接的传动连接板的上下运动，由于传动连接板与手指机构中的传动杆连接，当传动杆碰到果蔬时，该传动杆贴近果蔬表面停止运动，然后随齿条的下降，进而经传动连接板通过传动杆带动中指开始运动，当中指也贴近物体表面时，中指完成聚拢作用，再由中指带动远指进行包络抓取过程，当机械手将整个果蔬的包络完成时，由于传动杆是内侧连杆，其运动方向有着背离采摘物初始位置的趋势，整个抓取过程完成后，果蔬的位置朝着机械手的掌心靠近，脱离初始位置，出现一定的位移，实现果蔬同枝干的分离。前述的采摘方法，在远指上设置力反馈传感器以及在步进电机的输出端上还设置第一弹性金属片，在第三连接件上设置第二弹性金属片，当步进电机通过齿轮转动带动齿条上端连接的传动连接板的上下运动时，步进电机的输出端上设置第一弹性金属片转动一周并与第二弹性金属片接触碰撞，形成齿轮转动一周以及齿条位移的行程反馈，并且力反馈传感器在远指对果蔬进行包络抓取时进行力的反馈，使其能够限定抓取力的大小，进而实现果蔬采摘的准确控制。前述的采摘方法，在基座的下方设置舵机，舵机的输出端连接转动圆盘，转动圆盘与基座连接后，由舵机驱动转动圆盘，带动基座转动，使得进行不同角度的抓取。与现有技术相比，本专利技术通过步进电机带动齿轮转动，通过齿轮与齿条的啮合，将步进电机的旋转力转变为齿条垂直方向的运动力，从而带动齿条上端连接的传动连接板的上下运动，由于传动连接板与手指机构中的传动杆连接，当传动杆碰到果蔬时，该传动杆贴近果蔬表面停止运动，然后随齿条的下降，进而经传动连接板通过传动杆带动中指开始运动，当中指也贴近物体表面时，中指完成聚拢作用，再由中指带动远指进行包络抓取过程，当机械手将整个果蔬的包络完成时，由于传动杆是内侧连杆，其运动方向有着背离采摘物初始位置的趋势，整个抓取过程完成后，果蔬的位置朝着机械手的掌心靠近，脱离初始位置，出现一定的位移，实现果蔬同枝干的分离，方便了果蔬的采摘。相比现有机械手的仿人手掌形状或中心点聚拢形状，本专利技术采用的手指结构不会发生手指之间的干涉现象，适用于圆球体、扁球体和圆柱体等常见的果蔬形状，适用范围广，抓取效果好，而且通过一个步进电机即可驱动三个手指，结构简单，操作方便，成本低廉。此外，本专利技术通过将远指设置成仿人手大拇指形状，防止与被采摘对象直接接触时使其表面受损。本专利技术在远指上设置力反馈传感器以及在步进电机的输出端上还设置第一弹性金属片，在第三连接件上设置第二弹性金属片，当步进电机通过齿轮转动带动齿条上端连接的传动连接板的上下运动时，步进电机的输出端上设置第一弹性金属片转动一周并与第二弹性金属片接触碰撞，形成齿轮转动一周以及齿条位移的行程反馈，并且力反馈传感器在远指对果蔬进行包络抓取时进行力的反馈，使其能够限定抓取力的大小，进而实现果蔬采摘的准确控制，使其具有很好的自适应抓取物体的能力，通过力反馈传感器来限定抓取力控制在一定的区间内，实现了果蔬的无损采摘。本专利技术还在远指和中指连接处设置有扭簧，扭簧可以在机械手放松时，形成反力，使机械手尽力张开，避免与被采摘对象发生碰撞，导致被采摘对象的表面受损，同时使机械手在未受驱动时，机械手的状态可控。本专利技术还通过设置舵机，由舵机的输出端连接转动圆盘，转动圆盘再与基座连接，进而提高舵机驱动转动圆盘转动，从而实现不同角度的抓取。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术手指结构的结构示意图；图3是本专利技术手指结构的正视结构示意图；图4是本专利技术基座部分结构示意图。附图标记：1、第一手指；2、第二手指；3、第三手指；4、第二支撑板；5、第三连接件；6、第二连接件；7、齿轮；8、步进电机；9、齿条；10、齿条固定件；11、第一连接件；12、第一支撑板；13、传动连接板；14、手指第一连杆；15、手指第二连杆；16、手指第三连杆；17、远指；18、中指；19、传动杆；20、力反馈传感器；21、扭簧；22、基座；23、连接块；24、转动圆盘；25、舵机；26、安装固定架；27、第一弹性金属片；28、第二弹性金属片。具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种欠驱动果蔬采摘机械手，其特征在于：包括手指机构和基座(22)；所述基座(22)上设有步进电机(8)，步进电机(8)的输出端设有齿轮(7)；所述基座(22)的侧面上端设有第三连接件(5)，第三连接件(5)的两侧分别连接有第一连接件(11)和第二连接件(6)；所述第一连接件(11)的一侧上端连接有第一支撑板(12)，第一连接件(11)的一侧面设有齿条固定件（10），齿条固定件（10）内设有与齿轮(7)相啮合的齿条(9)，齿条(9)的上端连接有传动连接板(13)；所述第二连接件(6)的上端设有第二支撑板(4)；所述手指机构为结构相同的第一手指(1)、第二手指(2)和第三手指(3)；所述手指结构包括手指第一连杆(14)，手指第一连杆(14)铰接有手指第二连杆(15)和手指第三连杆(16)；所述手指第三连杆(16)的上端铰接有远指(17)，远指(17)铰接有中指(18)，中指(18)的下端与手指第二连杆(15)铰接，且铰接有传动杆(19)；所述传动连接板(13)的一侧与第一手指(1)的传动杆(19)铰接，另一侧分别与第二手指(2)以及第三手指(3)的传动杆(19)铰接；所述第一支撑板(12)与第一手指(1)的手指第一连杆（14）螺栓连接；所述第二支撑板(4)分别与第二手指(2)和第三手指(3)的手指第一连杆螺栓（14）连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种欠驱动果蔬采摘机械手，其特征在于：包括手指机构和基座(22)；所述基座(22)上设有步进电机(8)，步进电机(8)的输出端设有齿轮(7)；所述基座(22)的侧面上端设有第三连接件(5)，第三连接件(5)的两侧分别连接有第一连接件(11)和第二连接件(6)；所述第一连接件(11)的一侧上端连接有第一支撑板(12)，第一连接件(11)的一侧面设有齿条固定件（10），齿条固定件（10）内设有与齿轮(7)相啮合的齿条(9)，齿条(9)的上端连接有传动连接板(13)；所述第二连接件(6)的上端设有第二支撑板(4)；所述手指机构为结构相同的第一手指(1)、第二手指(2)和第三手指(3)；所述手指结构包括手指第一连杆(14)，手指第一连杆(14)铰接有手指第二连杆(15)和手指第三连杆(16)；所述手指第三连杆(16)的上端铰接有远指(17)，远指(17)铰接有中指(18)，中指(18)的下端与手指第二连杆(15)铰接，且铰接有传动杆(19)；所述传动连接板(13)的一侧与第一手指(1)的传动杆(19)铰接，另一侧分别与第二手指(2)以及第三手指(3)的传动杆(19)铰接；所述第一支撑板(12)与第一手指(1)的手指第一连杆（14）螺栓连接；所述第二支撑板(4)分别与第二手指(2)和第三手指(3)的手指第一连杆螺栓（14）连接。


2.根据权利要求1所述的欠驱动果蔬采摘机械手，其特征在于：所述远指(17)为仿人手大拇指结构；所述的远指(17)的下端设有两个连接块（23）；所述远指(17)经对应的连接块（23）分别与手指第三连杆(16)和中指(18)铰接。


3.根据权利要求1所述的欠驱动果蔬采摘机械手，其特征在于：所述远指(17)的关节内表面设有力反馈传感器(20)。


4.根据权利要求1所述的欠驱动果蔬采摘机械手，其特征在于：所述远指(17)和中指(18)的连接处设有扭簧(21)。


5.根据权利要求1所述的欠驱动果蔬采摘机械手，其特征在于：
所述第三连接件(5)一侧与第一连接件(11)螺栓连接，另一侧与第二连接件(6)螺栓连接；所述第一连接件(11)还与齿条固...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞雯，吴乾新，于小锣，陈雨欣，
申请(专利权)人：浙江大学城市学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33