[發(fā)明專利]新型收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器及柔性控制方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110437402.4
• 申請日: 2011-12-15
• 公開（公告）號: CN102550217A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李智國;李萍萍;楊志波;楊紅玲;劉繼展;趙波
• 申請（專利權(quán)）人: 河南理工大學(xué)
• 主分類號: A01D46/30
• 分類號: A01D46/30
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及收獲機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種新型收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器及柔性控制方法。

背景技術(shù)

目前，小麥、玉米和水稻等農(nóng)作物的收獲都已基本實現(xiàn)機(jī)械化，大大降低了人類的勞動強(qiáng)度，然而果蔬的機(jī)械化收獲所面臨的主要難點為收獲后果蔬的過載機(jī)械損傷和跌落損傷較大，導(dǎo)致其貨架期明顯縮短。收獲機(jī)器人的末端執(zhí)行器是與果蔬直接接觸的部件，因而如何改進(jìn)末端執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方法有效防止和降低果蔬的機(jī)械損傷成為近年來國內(nèi)外的研究熱點。目前國內(nèi)外常見的收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器如：水果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器(中國，CN101669423B)、果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器(中國，CN101238775B和CN100512621，韓國，KR20020078311(A))、蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器(中國，CN101395989B)、草莓采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器(韓國，KR100784830(B1))和番茄收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器(日本，JP2001145412(A))等，大多數(shù)末端執(zhí)行器的防過載損傷和防滑動跌落損傷能力較弱，智能化程度不高；末端執(zhí)行器依據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)量確定使用電機(jī)的數(shù)目，自動化和集成度較低；手指抓取機(jī)構(gòu)的指面內(nèi)側(cè)主要黏貼橡膠材料，面向特定果蔬采摘時逐顯柔韌性不足，此外果梗分離機(jī)構(gòu)主要采用采用扭斷和折斷，對果蔬抓緊力需求較大，易造成果蔬過載損傷，從而導(dǎo)致末端執(zhí)行器的作業(yè)效果不佳。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器作業(yè)效果不佳以及集成化、自動化和智能化程度不高的缺陷，本發(fā)明提供了一種新型收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器及其柔性控制方法，通過選用微型電磁離合器和制動器自動化控制元件、改進(jìn)手指抓取機(jī)構(gòu)的傳動結(jié)構(gòu)和果梗分離機(jī)構(gòu)的刀片結(jié)構(gòu)、采用編碼器反饋檢測果梗分離效果和改變手指內(nèi)側(cè)壓力傳感器的布置方式以及手指面黏貼材料，提高收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器的集成化、自動化和智能化水平，進(jìn)而實現(xiàn)果實的柔性收獲。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：該末端執(zhí)行器通過使用微型電磁離合器和制動器克服單個電機(jī)不能拖動多個執(zhí)行元件實現(xiàn)自由運動的局限性，使末端執(zhí)行器僅用一個直流伺服電機(jī)便可按照作業(yè)順序分別拖動手指抓取機(jī)構(gòu)和果梗分離機(jī)構(gòu)完成果實抓取與果梗分離任務(wù)，此外還采用內(nèi)置的齒輪齒條式手指傳動機(jī)構(gòu)，減小末端執(zhí)行器的整體幾何尺寸；手指內(nèi)側(cè)的兩個壓力傳感器采用上下平行式布置方式，位于手指面上方的壓力傳感器實時監(jiān)測手指對果實抓取力，位于手指面下方的壓力傳感器實時檢測果實在手指面上的滑動狀況；手指內(nèi)側(cè)黏貼具有一定厚度的海綿墊，防止快速抓取時手指與果實高速碰撞；果梗分離機(jī)構(gòu)采用獨特的V型剪刀式刀片結(jié)構(gòu)，通過刀刃與果梗的高速碰撞剪斷果梗；果梗分離過程中依據(jù)編碼器所反饋的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律判斷果梗是否被剪斷，進(jìn)而決定果梗分離機(jī)構(gòu)的執(zhí)行動作。

本發(fā)明的有益效果是：微型電磁離合器和制動器的選用克服了末端執(zhí)行器依據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量確定電機(jī)數(shù)目的局限性，提高了末端執(zhí)行器的自動化水平。末端執(zhí)行器中伺服電機(jī)數(shù)目的減少和手指傳動機(jī)構(gòu)的改進(jìn)有利于末端執(zhí)行器的高度集成。果梗分離機(jī)構(gòu)中V型刀片結(jié)構(gòu)的獨特設(shè)計、使用編碼器檢測果梗分離效果、采用特殊的壓力傳感器布置方式防止果實滑落和選用海綿材料貼于手指內(nèi)側(cè)增強(qiáng)手指的抓取柔性和可靠性，提高了末端執(zhí)行器的作業(yè)效果以及智能化水平。該新型機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理，新穎獨特，能夠?qū)崿F(xiàn)果實的柔性收獲。

附圖說明

圖1為本發(fā)明新型收獲機(jī)器人末端執(zhí)行器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖2為圖1所示結(jié)構(gòu)中手指抓取機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，圖3為圖1所示結(jié)構(gòu)中果梗分離機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，圖4為圖3所示結(jié)構(gòu)中V型刀片的結(jié)構(gòu)圖。

圖1中：1.壓力傳感器，2.壓力傳感器，3.手指抓取機(jī)構(gòu)，4.下支撐體，5.壓力傳感器，6.壓力傳感器，7.鋰電池組，8.變壓與穩(wěn)壓模塊，9.運動控制器，10.驅(qū)動器，11.計算機(jī)，12.攝像頭，13.殼體，14.上支撐體，15.距離傳感器，16.果梗分離機(jī)構(gòu)。

圖2中：3-1.左手指海綿墊，3-2.左手指，3-3.連接板，3-4.齒條，3-5.電磁制動器，3-6.電磁離合器，3-7.微型直流伺服電機(jī)，3-8.齒輪，3-9.齒條，3-10.連接板，3-11.右手指，3-12.右手指海綿墊，3-13.支撐桿，3-14.支撐桿。

圖3中：16-1.V型刀片，16-2.導(dǎo)桿，16-3.支撐體，16-4.電磁離合器，16-5.齒輪，16-6.螺桿，16-7.軸承，16-8.傳動塊，16-9.齒輪，16-10.導(dǎo)桿，16-11.連接件。