阅读说明：本技术 一种基于线驱动调节倾角的机械臂及果品采摘装置 (Mechanical arm for adjusting inclination angle based on line driving and fruit picking device ) 是由 李安海 葛德俊 张承前 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于线驱动调节倾角的机械臂及果品采摘装置,包括第一臂、第二臂和连接板,所述连接板的一端与第一臂通过第一销轴铰接,另一端与第二臂通过第二销轴铰接,所述第一臂靠近连接板的一端设有第一圆弧面,第二臂靠近连接板的一端设有与第一圆弧面相切的第二圆弧面,所述第二圆弧面在连接板的约束下沿第一圆弧面周向滚动且不发生相对滑动,改变第一臂和第二臂轴线形成的夹角,通过机械臂之间的圆弧接触面配合滑轮组驱动,配合钢缆的定滑轮-动滑轮绕线方式实现了张力放大的作用,从而减小了电机的驱动力矩,减小了机械臂末端的转动惯量,达到更为精准的位置调整和快速响应的效果。(The invention discloses a mechanical arm for adjusting an inclination angle based on line driving and a fruit picking device, which comprise a first arm, a second arm and a connecting plate, wherein one end of the connecting plate is hinged with the first arm through a first pin shaft, the other end of the connecting plate is hinged with the second arm through a second pin shaft, one end of the first arm close to the connecting plate is provided with a first arc surface, one end of the second arm close to the connecting plate is provided with a second arc surface tangent to the first arc surface, the second arc surface rolls along the first arc surface in the circumferential direction under the constraint of the connecting plate and does not slide relatively, an included angle formed by the axes of the first arm and the second arm is changed, the arc contact surface between the mechanical arms is matched with a pulley block for driving, and the fixed pulley-movable pulley winding mode of a steel cable is matched to realize the tension amplification effect, so that the driving moment of a motor is reduced, and the rotational inertia of the tail end of the mechanical, the effects of more accurate position adjustment and quick response are achieved.)

一种基于线驱动调节倾角的机械臂及果品采摘装置

技术领域

本申请涉及农业设备领域，具体的说是一种基于线驱动调节倾角的机械臂及果品采摘装置。

背景技术

随着果园业的迅速发展，用于水果采摘的机械逐渐普及，其中，水果采摘机器人成为代替人工的重要劳动力，不仅能够降低工人的劳动强度，而且能够更好的控制产品质量、保证果实适时采收。

发明人发现，目前使用的果实采摘机器人中，具有多种不同的类型，对于以关节型机械臂作为主要作业元件的机器人来说，由于电机、减速器等均集中于机械臂各关节末端，较大重量的元件会造成机械臂末端转动惯量的增加，但是果树上果实的分布较为密集，需要对执行末端进行频繁的小范围的调整，在此低负荷与需要快速反应的应用时，机械臂难以做到快速的响应与准确的调整，因此，会导致机械臂末端部分难以精准到达指定位置，拉低了果实的采摘效率。

发明内容

本申请的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于线驱动调节倾角的机械臂及果品采摘装置，通过机械臂之间的圆弧接触面配合滑轮组驱动，配合钢缆的定滑轮-动滑轮绕线方式实现了张力放大的作用，从而减小了电机的驱动力矩，减小了机械臂末端的转动惯量，达到更为精准的位置调整和快速响应的效果。

本申请的第一目的是提供一种基于线驱动调节倾角的机械臂，采用以下技术方案：

包括第一臂、第二臂和连接板，所述连接板的一端与第一臂通过第一销轴铰接，另一端与第二臂通过第二销轴铰接，所述第一臂靠近连接板的一端设有第一圆弧面，第二臂靠近连接板的一端设有与第一圆弧面相切的第二圆弧面，所述第二圆弧面在连接板的约束下沿第一圆弧面周向滚动且不发生相对滑动，改变第一臂和第二臂轴线形成的夹角。

进一步的，所述的第一臂的两侧分别设于第一滑轮组和第二滑轮组，所述第二臂的两侧分别设有第三滑轮组和第四滑轮组，第一臂上还设有驱动轮，驱动轮上配合有传动绳，所述传动绳的一端固定在第一滑轮组上，另一端依次绕过第三滑轮组、驱动轮、第四滑轮组后固定在第二滑轮组上，所述驱动轮通过驱动传动绳改变第一滑轮组和第三滑轮组的轴间距、第二滑轮组和第四滑轮组的轴间距，用于驱动第二臂绕第一圆弧面轴线转动。

进一步的，所述第一圆弧面、第一滑轮组和第二滑轮组三者的轴线共面；所述第二圆弧面、第三滑轮组和第四滑轮组三者的轴线共面。

进一步的，所述第一臂和/或第二臂上设有张紧轮，所述张紧轮用于配合传动绳进行张紧。

本申请的第二目的是提供一种果品采摘装置，采用以下技术方案：

包括底座和如上所述的基于线驱动调节倾角的机械臂，所述底座上安装有驱动臂，所述驱动臂的末端铰接基于线驱动调节倾角的机械臂的第一臂，所述驱动臂能够绕其自身轴线转动并能够改变驱动臂末端与第一臂的夹角。

进一步的，所述第二臂远离第一臂的一端安装有机械手，所述机械手通过转动副安装在第二臂末端，用于改变机械手与第二臂的水平夹角，所述机械手用于抓取并采摘果实。

进一步的，所述机械手下方设有输送管，所述输送管的一端连通有收集箱，另一端开口朝向机械手，用于承接机械手采摘的果实并通过输送管输送到收集箱内。

进一步的，所述的输送管为软管，靠近机械手的一端能够跟随机械手的位置而变化，位于机械手下方并保持朝向机械手。

进一步的，所述的机械手包括抓取部和刀具，所述刀具固定，所述抓取部用于带动果实并使果实的柄部接触刀具，并将柄部切断。

与现有技术相比，本申请具有的优点和积极效果是：

(1)通过第一臂和第二臂接触部分的圆弧面设置，两个圆弧面保持相切接触的状态，配合上下两侧的滑轮组驱动，能够保证上下两侧的钢缆做对称的对抗线运动依次防止第一臂和第二臂圆弧面接触部分发生滑动，从而保证实现了纯滚动，达到精确调整第一臂和第二臂夹角的效果，采用纯滚动的传动，能够避免滑动引起的响应延迟，保证了对机械臂调整过程中的快速响应；

(2)采用传动绳缠绕在定滑轮和动滑轮形成的省力滑轮组上，实现了张力的放大，减小了所需的驱动力矩，与现有的关节机械手相比，能够减小驱动元件的体积，从而减小了机械臂的转动惯量，增大了机械臂刚度，适用于小幅度高频率的角度调整；

(3)通过底部的回转机构配合末端执行器的转动机构，在小范围动作时，仅对末端的转动机构进行调整即可，减少了底部回转机构的驱动频率，达到快速相应，小范围动作更加灵活的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本申请实施例1的机械臂与底座的整体结构示意图；

图2为本申请实施例1的末端机械手的结构示意图；

图3为本申请实施例1的钢缆的绕线示意图。

其中：1底座；2回转机构；3驱动臂；4第一电机；5第一臂；6第二电机；7传动绳；8第一张紧轮底座；9第一张紧轮；10第一滑轮底座；11第一滑轮组；12连接板；13第三滑轮组；14第三滑轮底座；15第二臂；16旋转气缸连接板；17旋转气缸；18伸缩气缸连接板；19伸缩气缸；20刀柄；21刀片；22开合气缸；23第一夹取手指；24开合气缸连接板；25输送管；26收集箱；27第二张紧轮底座；28第二张紧轮；29第二滑轮底座；30第二滑轮组；31第四滑轮组；32第四滑轮底座；33第二夹取手指。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术中所介绍的，现有技术由于电机、减速器等均集中于机械臂各关节末端，较大重量的元件会造成机械臂末端转动惯量的增加，但是果树上果实的分布较为密集，需要对执行末端进行频繁的小范围的调整，在此低负荷与需要快速反应的应用时，机械臂难以做到快速的响应与准确的调整，因此，会导致机械臂末端部分难以精准到达指定位置，拉低了果实的采摘效率，针对上述技术问题，本申请提出了一种基于线驱动调节倾角的机械臂及果品采摘装置。

实施例1

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图3所示，提出了一种安装有基于线驱动调节倾角的机械臂的果品采摘装置。

结合图1所示，包括底座1，所述底座的上部设有驱动臂3及收集箱，所述驱动臂通过回转机构2安装在底座上，所述回转机构能够带动驱动臂做水平面内的回转运动，从而调整驱动臂的朝向以调整作业范围；所述的回转机构选择转动副即可，通过电机配合齿轮进行驱动，带动其回转。

所述驱动臂远离底座的一端安装有基于线驱动调节倾角的机械臂，所述基于线驱动调节倾角的机械臂远离驱动臂的一端安装有机械手，所述机械手用于采摘果实。

所述基于线驱动调节倾角的机械臂包括第一臂5、第二臂15和连接板，所述连接板的一端与第一臂通过第一销轴铰接，另一端与第二臂通过第二销轴铰接，所述第一臂靠近连接板的一端设有第一圆弧面，第二臂靠近连接板的一端设有与第一圆弧面相切的第二圆弧面，所述第二圆弧面在连接板的约束下沿第一圆弧面周向滚动且不发生相对滑动，改变第一臂和第二臂轴线形成的夹角；基于线驱动调节倾角的机械臂的第一臂铰接在驱动臂上，在铰接点处配合有第一电机4，用于驱动第一臂绕铰接点转动，改变驱动臂和第一臂的夹角。

具体的，所述的第一电机通过减速器驱动第一臂，一方面能够提高第一电机对第一臂的出力，另一方面便于调整第一电机的位置，改善其末端的转动惯量；所述第一圆弧面和第二圆弧面均为半径大小相同的圆弧面，且两个圆弧面保持贴紧接触状态；为了提高第一臂和第二臂之间的连接稳定性，所述的连接板有两个，分别对应安装在销轴的两端，对两个销轴的两端都能够形成稳定的约束。

进一步的，对于驱动部分，所述的第一臂的两侧分别设于第一滑轮组和第二滑轮组，所述第二臂的两侧分别设有第三滑轮组和第四滑轮组，第一臂上还设有驱动轮，驱动轮上配合有传动绳7，所述传动绳的一端固定在第一滑轮组上，另一端依次绕过第三滑轮组、驱动轮、第四滑轮组后固定在第二滑轮组上，所述驱动轮通过驱动传动绳改变第一滑轮组和第三滑轮组的轴间距、第二滑轮组和第四滑轮组的轴间距，用于驱动第二臂绕第一圆弧面轴线转动；所述的驱动轮配合有第二电机6，在本实施例中，第二电机安装在第一臂的中段，输出轴通过减速器配合驱动轮；所述的传动绳选用钢缆；

所述第一圆弧面、第一滑轮组和第二滑轮组三者的轴线共面；所述第二圆弧面、第三滑轮组和第四滑轮组三者的轴线共面；所述第一臂和/或第二臂上设有张紧轮，所述张紧轮用于配合传动绳进行张紧。

具体的，在本实施例中，参照如1，第一臂5的上方靠近连接板12铰接处固定有第一滑轮底座10，第一滑轮底座10的上部安装有第一滑轮组11；第一臂5的下方靠近连接板12铰接处固定有第二滑轮底座29，第二滑轮底座29的下部安装有第二滑轮组30，第一滑轮组11的圆心和第二滑轮组30的圆心与第一臂5的第一圆弧面的圆心距离相等且三点共线。第一臂5的外侧远离连接板12铰接处固定有第一张紧轮底座8，第一张紧轮底座8的上部安装有第一张紧轮9；第一臂5的内侧远离连接板12铰接处固定有第二张紧轮底座27，第二张紧轮底座27的下部安装有第二张紧轮28。第二臂15的外侧固定有第三滑轮底座14，第三滑轮底座14的上部安装有第三滑轮组13；第二臂15的内侧固定有第四滑轮底座32，第四滑轮底座32的上部安装有第四滑轮组31，第三滑轮组13的圆心和第四滑轮组31圆心与第二臂15的第二圆弧面的圆心的距离相等且三点共线，并且第三滑轮组13的圆心与第二臂15的第二圆弧面的圆心之间的距离和第一滑轮组11的圆心与第一臂5的第一圆弧面的圆心之间的距离相同，这样可以保证钢缆做对抗线运动并且第一臂5和第二臂15的两圆弧面之间始终做滚动接触运动。

钢缆的绕线方式如图3所示，第一滑轮组、第二滑轮组、第三滑轮组和第四滑轮组均包括同轴设置的两个滑轮，钢缆的一端固定在第一滑轮组的一滑轮上，然后依次绕过第三滑轮组的一滑轮、第一滑轮组的另一滑轮、第三滑轮组的另一滑轮、第一张紧轮、驱动轮、第二张紧轮、第四滑轮组的一滑轮、第二滑轮组的一滑轮、第四滑轮组的另一滑轮后，固定在第二滑轮组的另一滑轮上，完成整个滑轮机构的闭环传动；所述钢缆的绕线方式可以实现张力放大的作用，从而减小电机驱动力矩，节约能源，同时增大机械臂刚度。

进一步的，所述第二臂远离第一臂的一端安装有机械手，所述机械手通过转动副安装在第二臂末端，用于改变机械手与第二臂的水平夹角，所述机械手用于抓取并采摘果实；所述的机械手包括抓取部和刀具，所述刀具固定，所述抓取部用于带动果实并使果实的柄部接触刀具，并将柄部切断；

优选的，为了承接摘取的果实，机械手下方设有输送管，所述输送管的一端连通有收集箱，另一端开口朝向机械手，用于承接机械手采摘的果实并通过输送管输送到收集箱内。

具体的，在本实施例中，第一臂15的末端固定有旋转气缸连接板16，旋转气缸17安装在旋转气缸连接板16的下部，伸缩气缸连接板18的圆柱部分固定在旋转气缸17的旋转部分，伸缩气缸连接板18的末端安装有伸缩气缸19，开合气缸连接板24的一侧固定在伸缩气缸19的伸缩部分，开合气缸连接板24的另一侧安装有开合气缸22，开合气缸22的两个对称的开合部分分别固定有夹取苹果的第一夹取手指23和第二夹取手指33，第一夹取手指23和第二夹取手指33的内侧贴有橡胶层以防夹持力过大损伤果实。所述伸缩气缸连接板18的上部还固定有刀柄20，刀柄20的末端安装有用于切断果梗的刀片21。所述第一臂15的内侧还安装有输送管25，输送管25的末端通入收集箱26。

另外，所述的输送管为软管，靠近机械手的一端能够跟随机械手的位置而变化，位于机械手下方并保持朝向机械手；在机械手改变与收集箱的相对位置的过程中，软管上端能够保持位于机械手下方，并与收集箱保持连通；收集箱内部贴有塑料泡沫板以防止果实从输送管进入收集箱后碰坏。

结合附图，对本申请的果品采摘装置工作过程进行描述：

底座1下方设有轮子，用于在果园中行走，回转机构可以带动驱动臂3转动从而使整个采摘机械手部分实现转动，第一电机4可以驱动第一臂5使其做一定角度的俯仰运动，然后第二电机6通过驱动钢缆做有张力放大效果的对抗线运动，带动第二臂15的第二圆弧面绕第一臂5末端第一圆弧面做滚动运动，从而使第二臂15实现一定角度的俯仰运动。接着旋转气缸17可以在相对于图2原始位置的-90°、0°、90°三个位置停留，从而增加末端执行器的自由度，然后伸缩气缸19向前伸出，开合气缸22带动第一夹取手指23和第二夹取手指33夹取苹果，夹取苹果后伸缩气缸19向后收回，收回过程中刀片21可以将苹果果梗切断，接着旋转气缸17回到0°的位置，接着开合气缸22带动第一夹取手指23和第二夹取手指33打开，使果实沿着输送管25落入收集箱22。

通过底部的回转机构配合末端执行器的转动机构，在小范围动作时，仅对末端的转动机构进行调整即可，减少了底部回转机构的驱动频率，达到快速相应，小范围动作更加灵活的效果。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。