小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器及其采摘方法技术

本发明专利技术公开了一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，包括柔性手指、手指关节、基座和仿生喉管。柔性手指的底部通过T形槽与连接块固定后通过螺钉螺母固定在手指关节上连杆上；手指关节下连杆与滑台气缸固定后通过螺钉固定在基座上。手指关节上安装有本发明专利技术设计的柔性波纹管，基座下方安装有本发明专利技术设计的仿生喉管，通过波纹管的充气放气，滑台气缸的直线运动和仿生喉管的充气放气实现了柔性手指对的自适应包络式抓取采摘和吞咽式运输。本发明专利技术结构简单、质量轻便、价格低廉，解决了小型球形水果采摘效率低，采摘接触力过大对果实造成损伤和采摘时小型球形水果坠落跌损，采摘后小型球形水果间两两碰撞损伤导致采摘失败的技术难题。

【技术实现步骤摘要】
小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器及其采摘方法
本专利技术涉及一种采摘末端执行器，尤其涉及一种柔性抓吸式机械手，属于机械手设计

技术介绍
我国苹果产量高居世界第一，其采摘作业是生产过程中最为耗时费力的环节，具有季节性强、劳动强度大等特点，目前以人工为主要采摘方式，成本高，限制了苹果产业的进一步发展。为了可靠而又柔顺地采摘下成熟果实，保证苹果能及时收获，降低生产成本以提高产品竞争力，使苹果产业进一步发展，研究苹果采摘末端执行器具有重要意义。传统的末端执行器通常以工业生产线为应用领域，工作对象一致，工作环境简单，因此往往采用刚性结构，抓取易损对象时容易造成对象损伤。采摘末端执行器以农业果园为应用领域，工作对象为水果，不仅质地柔嫩且个体之间大小、尺寸均存在差异，且工作环境非结构化程度高，将传统工业末端执行器用于采摘，极易对脆弱的果实造成损伤，降低产量，造成经济损失。普通柔性末端执行器多由传统末端执行器改造而来，在接触位置安装柔性材料、或采用欠驱动的结构来提高适应性。但这种机械手依然存在局限性，依赖精准的信号驱动才能实现对不同果实的稳定、柔顺采摘，结构复杂、成本较高、控制难度大，因此限制了其在农业领域的推广。
技术实现思路
本专利技术针对
技术介绍
中存在的问题，提出了一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器及其采摘方法。技术方案：本专利技术首先公开了一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，它包括柔性手指(1)、手指关节(2)、基座(3)和仿生喉管(4)，手指关节(2)包括连接块(5)、上连杆(2.1)、上紧固环(6)、柔性波纹管(7)、下紧固环(8)、下连杆(2.2)和滑台气缸(9)；柔性手指(1)为V形结构，柔性手指(1)的表面设置薄膜压力传感器；柔性手指(1)的底部通过T形槽与连接块(5)连接；多个手指关节(2)均匀分布于基座(3)的周向，手指关节(2)通过螺钉安装在基座(3)上；连接块(5)与上连杆(2.1)通过螺钉螺母固定，上连杆(2.1)与下连杆(2.2)通过销钉连接，下连杆(2.2)通过螺钉固定安装在滑台气缸(9)上；上连杆(2.1)下部和下连杆(2.2)上部均有凸台结构，柔性波纹管(7)上端通过上紧固环(6)固定在上连杆凸台上，下端通过下紧固环(8)固定在下连杆凸台上；下连杆内部开有气道，一端经下连杆凸台与柔性波纹管相连，另一端接气管与气源相连；常压状态下柔性波纹管(7)呈压缩状，正压状态下柔性波纹管(7)呈直立状，柔性波纹管(7)在缩伸过程中带动上连杆(2.1)向内旋转，进而带动柔性手指(1)向内抓拢形成果实包络；滑台气缸(9)包括收缩和伸出状态，伸出过程中带动柔性手指(1)下拉实现摘取动作；基座(3)的中间设有孔洞，基座(3)与仿生喉管(4)组成吞咽管道；所述仿生喉管(4)为圆筒腔体结构，其侧壁设有气嘴，连接气管由气源供气，仿生喉管的水平剖面在常压状态下为椭圆形，负压状态下为圆形。优选的，所述柔性手指(1)为V形鳍条结构。优选的，所述柔性手指(1)、柔性波纹管(7)、仿生喉管(4)的材质为硅胶材料，通过手板复模技术制作。优选的，所述手指关节(2)、基座(3)为光敏树脂材料，通过3D打印技术制作。优选的，所述柔性手指(1)与上连杆(2.1)之间夹角为15°。优选的，所述滑台气缸(9)行程为30mm。本专利技术还公开了一种小型球形水果抓吸式采摘末端执行器的采摘方法，基于所述的一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，它包括以下步骤：S1、果实定位视觉传感器拍摄果实图像，经图像处理获取果实空间三维坐标，机械臂规划路径将末端执行器送至指定位置；滑台气缸(9)始终处于回缩位置，柔性波纹管(7)内部处于常压状态；S2、形成包络末端执行器送至指定位置后，柔性波纹管(7)开始充气，手指关节(2)弯曲带动柔性手指(1)逐渐贴附于小型球形水果表面，直至柔性手指(1)表面薄膜压力传感器检测到最大压力等于设定值，停止充气，形成包络抓取；S3、果实下落柔性手指(1)表面薄膜压力传感器检测到最大压力等于设定值后，柔性波纹管(7)保持S2阶段的充气气压，滑台气缸(9)动作至伸出状态，柔性手指(1)底部空间扩大，果实下落，穿过基座(3)下方的孔洞，落至仿生喉管(4)处；S4、夹爪打开仿生喉管(4)处接触传感器检测到果实后，改变气源输出仿生喉管(4)由正压状态切换至负压状态实现果实下落；同时柔性波纹管(7)恢复常压状态，同时电磁阀换向，滑台气缸(9)缩回，整个装置回到S1状态，等待下一次采摘。本申请中，小型球形水果包括苹果/柑橘等。本专利技术的有益效果鳍条结构的软体手指，可以在不损伤果实的前提下对水果实现稳定可靠的抓取，采用气动柔性波纹管作为手指关节的驱动，轻便、动作迅速，同时提高了抓握的柔顺性，将果实与果梗分离后，气缸动作确保果实可以落入基座内，避免了掉落导致采摘失败，仿生喉管使果实受控制有次序地落入运输管道，解决了果实与果实在管道内碰撞造成损伤。附图说明图1是本专利技术的整体结构图。图2是本专利技术初始状态的手指关节结构图。图3是本专利技术柔性波纹管常压和正压的对比示意图。图4a是仿生喉管常压的示意图。图4b是仿生喉管正压的示意图。图4c是仿生喉管负压的示意图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术的保护范围不限于此：本专利技术设计的一种柔性抓吸式采摘末端执行器及采摘方法利用串联机械臂，通过多传感器信息融合实施获取、感知工作环境和目标果实信息，确保在不损伤果实的前提下，完成果实定位、形成包络、果实下落和夹爪打开工作过程，本专利技术采用柔性手指夹持，拉扭结合的方式分离果实和果梗，解决了水果自动化采摘效率低、易损伤等技术难题。参见图1所示，一种柔性抓吸式采摘末端执行器，是由由柔性手指1、手指关节2、基座3和仿生喉管4组成。柔性手指1为V形鳍条结构，柔性手指1的表面设置薄膜压力传感器；柔性手指1的底部通过T形槽与连接块连接；本实施例中，3个手指关节2均匀分布于基座3的周向，手指关节2通过螺钉安装在基座3上；仿生喉管4利用喉箍固定在基座3底部。参见图2所示，手指关节2包括连接块5、上连杆2.1、上紧固环6、柔性波纹管7、下紧固环8、下连杆2.2和滑台气缸9；连接块5与上连杆2.1通过螺钉螺母固定，上连杆2.1与下连杆2.2通过销钉连接，下连杆2.2通过螺钉固定安装在滑台气缸9上；上连杆2.1下部和下连杆2.2上部均有凸台结构，柔性波纹管7上端通过上紧固环6固定在上连杆凸台上，下端通过下紧固环8固定在下连杆2.2凸台上。参见图3所示，常压状态下柔性波纹管7呈压缩状(图3左侧)，正压状态下柔性波纹管7呈直立状(图3右侧)，柔性波纹管7在缩伸过程中带动上连杆2.1向内旋转，进而带动柔性手指1向内抓拢形成果实包络；滑台气缸9包括收缩和伸出状态，伸出过程中带动柔性手指1下拉实现摘取动作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，其特征在于它包括柔性手指(1)、手指关节(2)、基座(3)和仿生喉管(4)，手指关节(2)包括连接块(5)、上连杆(2.1)、上紧固环(6)、柔性波纹管(7)、下紧固环(8)、下连杆(2.2)和滑台气缸(9)；柔性手指(1)为V形结构，柔性手指(1)的表面设置薄膜压力传感器；柔性手指(1)的底部通过T形槽与连接块(5)连接；多个手指关节(2)均匀分布于基座(3)的周向，手指关节(2)通过螺钉安装在基座(3)上；连接块(5)与上连杆(2.1)通过螺钉螺母固定，上连杆(2.1)与下连杆(2.2)通过销钉连接，下连杆(2.2)通过螺钉固定安装在滑台气缸(9)上；上连杆(2.1)下部和下连杆(2.2)上部均有凸台结构，柔性波纹管(7)上端通过上紧固环(6)固定在上连杆凸台上，下端通过下紧固环(8)固定在下连杆凸台上；下连杆内部开有气道，一端经下连杆凸台与柔性波纹管相连，另一端接气管与气源相连；常压状态下柔性波纹管(7)呈压缩状，正压状态下柔性波纹管(7)呈直立状，柔性波纹管(7)在缩伸过程中带动上连杆(2.1)向内旋转，进而带动柔性手指(1)向内抓拢形成果实包络；滑台气缸(9)包括收缩和伸出状态，伸出过程中带动柔性手指(1)下拉实现摘取动作；/n基座(3)的中间设有孔洞，基座(3)与仿生喉管(4)组成吞咽管道；所述仿生喉管(4)为圆筒腔体结构，其侧壁设有气嘴，连接气管由气源供气，仿生喉管的水平剖面在常压状态下为椭圆形，负压状态下为圆形。/n...

【技术特征摘要】
1.一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，其特征在于它包括柔性手指(1)、手指关节(2)、基座(3)和仿生喉管(4)，手指关节(2)包括连接块(5)、上连杆(2.1)、上紧固环(6)、柔性波纹管(7)、下紧固环(8)、下连杆(2.2)和滑台气缸(9)；柔性手指(1)为V形结构，柔性手指(1)的表面设置薄膜压力传感器；柔性手指(1)的底部通过T形槽与连接块(5)连接；多个手指关节(2)均匀分布于基座(3)的周向，手指关节(2)通过螺钉安装在基座(3)上；连接块(5)与上连杆(2.1)通过螺钉螺母固定，上连杆(2.1)与下连杆(2.2)通过销钉连接，下连杆(2.2)通过螺钉固定安装在滑台气缸(9)上；上连杆(2.1)下部和下连杆(2.2)上部均有凸台结构，柔性波纹管(7)上端通过上紧固环(6)固定在上连杆凸台上，下端通过下紧固环(8)固定在下连杆凸台上；下连杆内部开有气道，一端经下连杆凸台与柔性波纹管相连，另一端接气管与气源相连；常压状态下柔性波纹管(7)呈压缩状，正压状态下柔性波纹管(7)呈直立状，柔性波纹管(7)在缩伸过程中带动上连杆(2.1)向内旋转，进而带动柔性手指(1)向内抓拢形成果实包络；滑台气缸(9)包括收缩和伸出状态，伸出过程中带动柔性手指(1)下拉实现摘取动作；
基座(3)的中间设有孔洞，基座(3)与仿生喉管(4)组成吞咽管道；所述仿生喉管(4)为圆筒腔体结构，其侧壁设有气嘴，连接气管由气源供气，仿生喉管的水平剖面在常压状态下为椭圆形，负压状态下为圆形。


2.根据权利要求1所述的一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，其特征在于所述柔性手指(1)为V形鳍条结构。


3.根据权利要求1所述的一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，其特征在于所述柔性手指(1)、柔性波纹...

【专利技术属性】
技术研发人员：易伯阳，周俊，张震，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32