本發(fā)明涉及一種仿生類機器人末端執(zhí)行器，具體涉及仿鳥類爪部的欠驅動柔性末端執(zhí)行器的結構設計。本發(fā)明多用于農產品采摘機器人及智能分選、分裝領域，作為末端執(zhí)行器裝備在機械手臂上，具有獨立完成抓取異形瓜果的功能。

背景技術：

仿生學思想在生物學和技術之間架起了一座橋梁，并且對解決一些技術難題提供了創(chuàng)新性的方法。通過再現生物學的原理，人類不僅找到了技術上的解決方案，而且同時該方案也完全適應了自然的需要。

隨著近幾年人類對機器人研究的深入，關于機器人機械手的研究也取得了許多不錯的成果。機械手的主要形式分為全驅動機械手和欠驅動機械手。由于全驅動機械手驅動數與自由度數相等，一般全驅動機械手自由度數特別大，因此該類機械手的運動控制顯得尤其復雜。而欠驅動機械手驅動數少于自由度數，控制簡單、維修方便、造價廉價等優(yōu)勢。

綜上，仿生學與欠驅動機械手的交叉融合成為了研究末端執(zhí)行器的熱門方向，因此本發(fā)明設計了一種針對異形瓜果仿鳥類爪部的欠驅動柔性末端執(zhí)行器。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是針對現有技術存在的難點，提出一種針對異形瓜果仿鳥類爪部的欠驅動柔性末端執(zhí)行器。該發(fā)明具有對產品損傷小、自由度少、控制簡單、制造成本低、易維護保養(yǎng)的特點。

本發(fā)明所述的一種針對異形瓜果仿鳥類爪部的欠驅動柔性末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器主要由一個頂盤(1)、伸縮氣缸(2)、底盤(4)、真空硅膠吸盤(6)、吸盤桿(5)，兩個相同的舵機(3)(11)，兩個相同的底座(23)(30)，四個相同的柔性抓取單元(12)(13)(14)(15)，六個齒輪(16)(17)(18)(19)(21)(22)構成。本發(fā)明主要可以分為四個模塊介紹：一是抓取模塊，二是吸取模塊，三是動力模塊，四是固連模塊。

抓取模塊包括柔性抓取單元(12)(13)(14)(15)、兩個相同底座(23)(30)以及六個齒輪(16)(17)(18)(19)(21)(22)。其中柔性抓取單元(12)(13)(14)(15)有四個關節(jié)，分別是頂關節(jié)(24)、前關節(jié)(26)、中關節(jié)(27)和尾關節(jié)(28)；頂關節(jié)(24)和前關節(jié)(26)、前關節(jié)(26)和中關節(jié)(27)、中關節(jié)(27)和尾關節(jié)(28)之間通過圓柱銷釘(25)依次串聯鉸接。每一個柔性抓取單元(12)(13)(14)(15)都由一根鋼絲繩(9)串聯，在每個關節(jié)之間有彈簧(8)，彈簧(8)兩端分別頂在兩個關節(jié)上的通孔周邊，而且鋼絲繩(9)通過彈簧(8)中心。柔性抓取單元(13)和(15)分別與底座(23)和(30)固定，齒輪(16)和(22)分別固定在底座(30)和(23)，在齒輪(16)和(22)之間依次連接齒輪(17)(18)(19)和(21)。

吸取模塊包括真空硅膠吸盤(6)和吸盤桿(5)，吸盤桿(5)通過螺紋固定在支架(10)上，支架(10)通過螺絲固定在伸縮氣缸(2)上，真空硅膠吸盤(6)固定在吸盤桿(5)上。

動力模塊包括一個伸縮氣缸(2)和兩個相同的舵機(3)(11)。伸縮氣缸(2)通過支架(10)與吸盤桿(5)和真空硅膠吸盤(6)連接，舵機(3)與齒輪(19)連接，舵機(11)底端舵盤(29)末端的四個孔分別連接四個柔性抓取單元(12)(13)(14)(15)引出的鋼絲繩(9)。

固連模塊包括頂盤(1)，底盤(4)及一些連接件。底盤(1)與頂盤(4)之間通過六角銅柱和螺絲相連接，伸縮氣缸(2)通過螺絲固定在頂盤(1)上，兩個相同舵機(3)(11)通過螺絲與螺母固定在頂盤(1)上，關節(jié)之間通過圓柱銷釘(25)依次串聯鉸接。

在一些實施方式中，其中：末端執(zhí)行器是根據鳥類爪部進行力學仿生結構設計。其有益效果是：抓取過程中可以根據被抓取物外形適當調整抓取，以實現最佳抓取效果。當抓取球形類瓜果時柔性抓取單元(12)(13)(14)(15)之間的分布是鳥類在抓取物體時的所呈的分布即柔性抓取單元(13)和(15)之間呈一定角度分布；當抓取條形瓜果時，柔性抓取單元(13)(15)旋轉以適應條形瓜果，保證對瓜果自適應調整抓取。

在一些實施方式中，其中：該機械手的變形由舵機(3)控制。其有益效果是：驅動機構和執(zhí)行機構分離互不干擾，抓取動作響應敏捷，保證抓取過程的實時性。

在一些實施方式中，其中：柔性抓取單元(12)(13)(14)(15)的頂關節(jié)(24)前關節(jié)(26)和中關節(jié)(27)尾關節(jié)(28)上均貼有高摩擦彈性性能的橡膠墊(7)。其有益效果是：保證在抓取過程中瓜果不被損壞和防止瓜果由于運動慣性而滑落。

附圖說明

參見附圖

圖1為本發(fā)明的整體結構示意圖

圖2為柔性抓取單元分布示意圖

圖3為齒輪及暗槽孔分布示意圖

圖4為底座安裝示意圖

圖5為柔性抓取單元裝配結構示意圖

圖6為支架結構示意圖

圖7為抓取球形類瓜果柔性抓取單元分布示意圖

圖8為抓取條形類瓜果柔性抓取單元分布示意圖

圖1中，1、頂盤；2、伸縮氣缸；3、舵機；4、底盤；5、吸盤桿；6、真空硅膠吸盤；7、橡膠墊；8、彈簧；9、鋼絲繩；10、支架；11、舵機；29、舵盤；31、吸盤桿進氣管接頭；32、進氣管接頭1；33、進氣管接頭2。

圖2中，12、柔性抓取單元；13、柔性抓取單元；14、柔性抓取單元；15、柔性抓取單元。

圖3中，16、齒輪；17、齒輪；18、齒輪；19、齒輪；20、鋼絲繩出孔；21、齒輪；22、齒輪。

圖4中，23、底座；30、底座。

圖5中，24、頂關節(jié)；25、圓柱銷釘；26、前關節(jié)；27、中關節(jié)；28、尾關節(jié)。

圖6中，10、支架。

具體實施方式

為了使本發(fā)明實現的技術手段、創(chuàng)新點、達成的功效易于明白了解，下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明由一個頂盤(1)、伸縮氣缸(2)、底盤(4)、真空硅膠吸盤(6)、吸盤桿(5)，兩個相同舵機(3)(11)，兩個底座(23)(30)，四個相同的柔性抓取單元(12)(13)(14)(15)，六個齒輪(16)(17)(18)(19)(21)(22)構成；所述的該柔性抓取單元(16)(17)(18)(19)(21)(22)的頂關節(jié)(24)和前關節(jié)(26)、前關節(jié)(26)和中關節(jié)(27)、中關節(jié)(27)和尾關節(jié)(28)之間通過圓柱銷釘(25)依次串聯鉸接，其中柔性抓取單元(12)和(14)固定在底盤上，柔性抓取單元(13)和(15)分別固定在底座(23)和(30)上；兩個舵機(3)(11)和伸縮氣缸(2)分別固定在頂盤(1)上，頂盤(1)通過六角銅柱與底盤(4)固定，吸盤桿(5)通過支架(10)固定在伸縮氣缸(2)上，真空硅膠吸盤(6)固定在吸盤桿(5)上，兩個底座(23)(30)安裝在底盤(4)上的限位孔中，其中兩個相同的齒輪(16)和(22)分別固定在底座(30)和(23)上，在齒輪(16)和(22)之間依次連接齒輪(17)(18)(19)和(21)，舵機(3)與其中齒輪(19)相連。

本發(fā)明多用于農產品采摘機器人及智能分選、分裝領域，作為末端執(zhí)行器裝備在機械手臂上。配套有視覺識別系統(tǒng)、微電腦處理系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，以實現獨立完成抓取異形瓜果的功能。

當目標果實處于圖像采集區(qū)域(包括類球形和類條狀典型果實)，視覺識別系統(tǒng)通過攝像頭將果實的外部輪廓信息傳遞給微電腦處理系統(tǒng)進行分析處理；微電腦處理系統(tǒng)將分析后的結果傳遞給智能控制系統(tǒng)；智能控制系統(tǒng)按照預設的模式發(fā)送指令到機械執(zhí)行系統(tǒng)，實現對瓜果的抓取。

下面結合圖7說明本發(fā)明抓取球形類瓜果的具體工作方式及原理。

當微電腦處理系統(tǒng)判斷該視覺區(qū)域的瓜果屬于球形類時，輔助系統(tǒng)中的氣動電磁閥打開，真空發(fā)生器開始工作，吸盤桿進氣管接頭(31)與真空發(fā)生器連接，使真空硅膠吸盤(6)開始吸氣，伸縮氣缸(2)的進氣管接頭1(32)接通空氣，伸縮氣缸(2)推動真空硅膠吸盤(6)伸出接觸目標物體并吸住目標物體，舵機(11)旋轉，拉動鋼絲繩(9)，各關節(jié)處彈簧(8)受壓縮，使四個柔性抓取單元(12)(13)(14)(15)張開，伸縮氣缸(2)的進氣管接頭2(33)接通空氣，伸縮氣缸(2)帶動真空硅膠吸盤(6)回縮，舵機(11)反向旋轉，鋼絲繩(9)放松，彈簧(8)彈力使得柔性抓取單元柔性(12)(13)(14)(15)抓取目標物體。柔性抓取單元(12)(13)(14)(15)的頂關節(jié)(24)前關節(jié)(26)和中關節(jié)(27)尾關節(jié)(28)貼有的高摩擦彈性性能的橡膠墊(7)緊貼瓜果，可以防止瓜果掉落；四個柔性抓取單元(12)(13)(14)(15)的分布是鳥類在抓取物體時的所呈的分布即柔性抓取單元(13)和(15)之間呈一定角度分布，能達到良好包絡瓜果的目的。當到達指定區(qū)域時，輔助系統(tǒng)中的電磁閥關閉，真空發(fā)生器停止工作，真空硅膠吸盤(6)松開球類水果，舵機(11)旋轉，拉動鋼絲繩(9)，各關節(jié)處彈簧(8)受壓縮，使四個柔性抓取單元張開(12)(13)(14)(15)，瓜果被放下，完成球類水果抓取動作。

下面結合圖8說明本發(fā)明抓取條形類瓜果的具體工作方式及原理。

當微電腦處理系統(tǒng)判斷該視覺區(qū)域的瓜果屬于條形類時，智能控制系統(tǒng)控制輔助系統(tǒng)中的舵機(3)旋轉，使四個柔性抓取單元(12)(13)(14)(15)的分布為抓取條形瓜果時的分布模式，輔助系統(tǒng)中的氣動電磁閥打開，真空發(fā)生器開始工作，吸盤桿進氣管接頭(31)與真空發(fā)生器鏈接，使真空硅膠吸盤(6)開始吸氣，伸縮氣缸(2)的進氣管接頭1(32)接通空氣，伸縮氣缸(2)推動真空硅膠吸盤(6)伸出接觸目標物體并吸住目標物體，舵機(11)旋轉，拉動鋼絲繩(9)，各關節(jié)處彈簧(8)受壓縮，使四個柔性抓取單元(12)(13)(14)(15)張開，伸縮氣缸(2)的進氣管接頭2(32)接通空氣，伸縮氣缸(2)帶動真空硅膠吸盤(6)回縮，舵機(11)反向旋轉，鋼絲繩(9)放松，彈簧(8)彈力使得柔性抓取單元(12)(13)(14)(15)柔性抓取目標物體。柔性抓取單元(12)(13)(14)(15)的頂關節(jié)(24)前關節(jié)(26)和中關節(jié)(27)尾關節(jié)(28)貼有的高摩擦彈性性能的橡膠墊(7)緊貼瓜果，可以防止瓜果掉落；當到達指定區(qū)域時，輔助系統(tǒng)中的電磁閥關閉，真空發(fā)生器停止工作，真空硅膠吸盤(6)松開條形類水果，舵機(11)旋轉，拉動鋼絲繩(9)，各關節(jié)處彈簧(8)受壓縮，使四個柔性抓取單元(12)(13)(14)(15)張開，瓜果被放下，完成條形類水果抓取動作。

上述雖然附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明技術方案基礎上，本領域人員不需付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或者變形，仍在本發(fā)明的保護范圍之內。