[發明專利]草莓采摘機器人

有效

• 申請號: 201711008749.0
• 申請日: 2017-10-25
• 公開（公告）號: CN107756414B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 王洪建;劉玲
• 申請（專利權）人: 重慶工商大學
• 主分類號: B25J11/00
• 分類號: B25J11/00;B25J15/00;B25J15/02;B25J9/16;A01D46/00;B62D57/032
• 代理公司: 重慶蘊博君晟知識產權代理事務所(普通合伙) 50223
• 代理人: 王玉芝

1.一種草莓采摘機器人，包括機身、行走腿、機械臂、機械手，其特征在于：

所述行走腿的數量為多條，多條行走腿對稱設置在機身左右兩側，每條行走腿分別包括大腿、小腿，并設置三個自由度，分別為第一舵機控制行走腿在水平面內擺動的第一髖關節自由度，第二舵機控制大腿豎直平面內擺動的第二髖關節自由度，以及第三舵機控制小腿豎直平面內擺動的膝關節自由度，第二舵機、第三舵機聯合工作，使機器人可以作俯仰運動，第一舵機、第二舵機、第三舵機聯合工作，使機器人可以行走；

所述機械臂包括設于機身背部前端的大臂、小臂，所述機械臂具有三個自由度，分別為第四舵機帶動機械臂在水平面360°旋轉的第一肩關節自由度，第五舵機帶動上臂俯仰的第二肩關節自由度，第六舵機帶動小臂俯仰的肘關節自由度；第四舵機、第五舵機、第六舵機聯合工作，用于帶動機械手運動至所摘草莓的位置；

所述機械手設于小臂末端，所述機械手包括左夾鉗和右夾鉗，左夾鉗和右夾鉗后端鉸接定位，左夾鉗和右夾鉗的上端設置刀刃，刀刃突出左夾鉗和右夾鉗的相向面，用于剪切果柄，左夾鉗和右夾鉗之間設有一手抓舵機，所述手抓舵機的輸出端連接手抓底盤，所述手抓底盤分別鉸接左動桿和右動桿的一端，左動桿和右動桿的另一端分別鉸接于左夾鉗和右夾鉗的中部，所述手抓舵機通過左動桿和右動桿帶動左夾鉗和右夾鉗的前部合攏，進行夾持、剪切，形成雙支點回轉型剪夾一體化機構；

所述機身呈六邊形，該六邊形的六個角對稱位于機身的左右兩側，所述行走腿的數量為六條，六條行走腿的分布于六邊形機身的六個角的位置；

草莓采摘機器人左側三條腿從前往后記為1號腿、3號腿、5號腿，右側三條腿從前往后記為2號腿、4號腿、6號腿，六條腿分為兩組，第一組腿為1號腿、4號腿、5號腿，第二組腿為2號腿、3號腿、6號腿，草莓采摘機器人行走時具有直線步態、轉彎步態；

所述直線步態方法實現方法如下：

草莓采摘機器人的兩組腿均具有直線擺動相和直線支撐相，所述直線擺動相指腿抬起向前擺動，所述直線支撐相指支撐草莓采摘機器人的腿同時向后擺動，草莓采摘機器人的兩組腿交替變化直線擺動相和直線支撐相，使機器人實現重心不斷向前的直線步態；

所述轉彎步態實現方法如下：

草莓采摘機器人的兩組腿均具有轉彎擺動相和轉彎支撐相，所述轉彎擺動相指腿抬起沿草莓采摘機器人的中心點順時針或者逆時針擺動，所述轉彎支撐相指腿支撐草莓采摘機器人的同時沿草莓采摘機器人的中心點逆時針擺動或者順時針擺動，轉彎擺動相和轉彎支撐相中腿的擺動方向相反，草莓采摘機器人的兩組腿交替變化轉彎擺動相和轉彎支撐相，使機器人實現順時針或逆時針轉彎步態；

草莓采摘機器人的機身關于幾何中心點左右對稱且前后對稱的結構，而且質地均勻，使機身的重心點與機身的中心點在水面方向重合，以草莓采摘機器人的中心點為原點，沿橫向為X軸，沿縱向為Y軸，建立平面坐標系，所述草莓采摘機器人的1號腿、2號腿、5號腿、6號腿距離中心點的距離相同，3號腿、4號腿的固定端距離中心點的距離相同，且每條腿的長度相同，草莓采摘機器人1號腿、2號腿之間的距離以及5號腿、6號腿之間的距離均為d，1號腿、3號腿之間的距離以及3號腿、5號腿之間的距離均為e，3號腿、4號腿之間的距離為f；

草莓采摘機器人直線步態中，保持平衡的方法如下：

設草莓采摘機器人靜止站立狀態時，腿的固定端和自由端之間在X軸方向上的長度為a，機器人的半步長為b，A、B、C、D、E、F分別是2號腿、3號腿、6號腿、1號腿、4號腿、5號腿自由端的位置，A’、B’、C’、D’、E’、F’分別是2號腿、3號腿、6號腿、1號腿、4號腿、5號腿的重心位置，A’、B’、C’的坐標分別是,A′((a+d)/2，e-b/2),B′(-(f+a)/2，-b/2),C′((a+d)/2，-(e+b/2))，設每條腿的重量都是mg，草莓采摘機器人重心的計算過程如下：

X軸向的重心位置：

x＝(a+2d-f)/2

Y軸向的重心位置：

y＝1.5b

重心的坐標位置(m，n)＝((a+2d-f)/2，-1.5b)，重心距離原點的長度為：

為了避免重心跳出ΔABC區域，需要計算抬腿起始點和著地終止點的坐標，設D,E,F為著地點，各自的坐標分別為：D(-(a+d/2)，e+b)，E(a+f/2，b)，F(-(a+d/2)，b-e，此時重心點與EF線最為接近，設置此線為危險線，計算重心點和EF線之間的函數關系過程如下：

y-y_E＝K(x-x_E)

將(m，n)帶入上述方程有：

即腿的固定端和自由端之間在X軸方向上的長度a與機器人的半步長b之間的長度變量函數關系，為了尋找合適的步長和腿長度之間的關系，仿真出腿的固定端和自由端之間在X軸方向上的長度a與機器人的半步長b之間的關系，滿足關系就能保證草莓采摘機器人穩定前進；

草莓采摘機器人轉彎步態中，保持平衡的方法如下：

轉彎步態中，1號腿、4號腿、5號腿和2號腿、3號腿、6號腿分別做支撐相和擺動相交替運動，設1號腿、2號腿、5號腿、6號腿的固定端距離原點的距離為r1，3號腿、4號腿的固定端距離原點的距離為r2，其中，r2＝f/2，r1與r2由機身尺寸決定，是六條腿分布的外邊界和內邊界，機器人在轉彎的過程中擺動相的三條腿和支撐相的三條腿在x-y軸平面的投影始終保持著各自互相平行的關系，在這個過程中支撐相腿的支撐點為防止腳底打滑，始終和機身原點之間保持距離不變的關系，擺動相的腿在擺動過程中保持沿設定的軌跡線擺動，在這個過程中各擺動相腿的自由端始終和腿固定點之間的水平距離保持不變的關系，以保證草莓采摘機器人在整個轉彎步態過程中是圍繞著機身原點發生偏移的穩定轉彎；

求解草莓采摘機器人轉彎步態參數之間的函數關系：

當機器人運動時擺動相的重力會使重心發生移動，因此需要研究清楚重心位置和受力區域的關系，擺動相腿的重心點位置分別為A’(-(a+d)/2,e+b/2)，B’((f+a)/2,-b/2)，C’(-(a+d)/2,b/2-e)，支撐相腿的足端位置坐標分別為D(d/2+a,e+b)，E(-(f/2+a)，-b),F(d/2+a,b-e)，

重心在x軸向的位置為：

重心在y軸方向的位置：

故重心坐標為重心坐標與直線DE的距離最近，因此重心最有可能翻越直線DE發生傾覆，DE的函數表達式為：

將重心坐標帶入函數表達式計算,得出腿的固定端和自由端之間在X軸方向上的長度a與機器人的半步長b之間的關系式如下：

仿真出轉彎過程中腿的固定端和自由端之間在X軸方向上的長度a與機器人的半步長b之間的函數關系。