阅读说明：本技术 一种多适应性柔性采摘机械手 (Multi-adaptability flexible picking manipulator ) 是由 刘�英 刘铮 朱银龙 张晓� 杨雨图 周海燕 缑斌丽 丁奉龙 唐敏 于 2019-10-17 设计创作，主要内容包括：本专利提供一种可以实现无限自由度,可适应多种形状类型果实的采摘的多适应性柔性采摘机械手,它包括位于同一个圆周方向上且相互连接的三个软管,三个软管的一端连接在下支撑板上,另一端设置气管接头；上支撑板与下支撑板固定相连；在上支撑板远离下支撑板的侧面上设置三个支座,每个支座上有一夹取单元；夹取单元包括数个指节,相邻指节之间、支座与各夹取单元一端的指节之间均铰接,且设置有压簧；压簧在常态时,使得夹取单元处于聚拢的状态；三根绕绳分别穿过上支撑板、各指节并与远离支座的夹取单元另一端的指节固定连接,三根绕绳的另一端固定在转动的绕绳机构输出轴上；当绕绳机构转动,绕绳卷绕在输出轴上,各夹取单元张开。(The flexible picking manipulator comprises three hoses which are positioned in the same circumferential direction and are mutually connected, wherein one end of each hose is connected to the lower supporting plate, and the other end of each hose is provided with an air pipe joint; the upper supporting plate is fixedly connected with the lower supporting plate; three supports are arranged on the side surface of the upper support plate far away from the lower support plate, and each support is provided with a clamping unit; the clamping units comprise a plurality of knuckles, the adjacent knuckles, the support and the knuckle at one end of each clamping unit are hinged, and a pressure spring is arranged; when the pressure spring is in a normal state, the clamping unit is in a gathered state; the three winding ropes respectively penetrate through the upper supporting plate and each knuckle and are fixedly connected with the knuckle at the other end of the clamping unit far away from the support, and the other ends of the three winding ropes are fixed on an output shaft of the rotating winding rope mechanism; when the rope winding mechanism rotates, the rope winding is wound on the output shaft, and the clamping units are opened.)

一种多适应性柔性采摘机械手

技术领域

本专利属于农林业工具领域，具体地说，是一种多适应性柔性果实采摘工具。

背景技术

机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来夹持目标的部件，根据被夹持对象的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

机械手又分为刚性机械手和柔性机械手，随着对机械手精度和负载能力的提高，机器人部件向着轻质化发展，这必然导致机械手的弹性变形增加，直接影响采摘机械手的稳定性和控制难度，传统刚性机械臂关节链接之间的机械振动也会影响端部的精度，而柔性机械臂和执行器便不会有这些问题。

果实采摘工具目前多为自由度较少的刚性机械手，难于适应不同形状水果的采摘，也容易造成果实损伤。

发明内容

本专利的目的是提供一种控制简单并可以实现无限自由度，能够适应多种形状类型果实的采摘，结构及控制简单，方便实用，成本较低的多适应性柔性采摘机械手。

本专利所述的多适应性柔性采摘机械手，包括位于同一个圆周方向上且相互连接的三个软管，三个软管的一端共同连接在下支撑板上，另一端均设置有用于向软管内充气的气管接头；上支撑板与下支撑板固定相连；在上支撑板远离下支撑板的侧面上设置三个支座即第一支座、第二支座、第三支座， 第一支座、第二支座、第三支座上分别有环绕同一中心轴线的三个夹取单元即第一夹取单元、第二夹取单元、第三夹取单元；各夹取单元包括数个指节，各夹取单元的相邻指节之间、各支座均与靠近支座的各夹取单元一端的指节之间均铰接，且设置有压簧；压簧在常态时，使得各夹取单元向着中心轴线弯曲而处于聚拢的状态；三根绕绳分别穿过上支撑板、各指节并与远离支座的夹取单元另一端的指节固定连接，三根绕绳的另一端固定在转动的绕绳机构输出轴上；当绕绳机构转动，绕绳卷绕在输出轴上，各夹取单元张开；绕绳机构的机座固定在下支撑板上。

上述的多适应性柔性采摘机械手，它还包括用于带动第二支座和第三支座同步但反向转动的齿轮传动机构，齿轮传动机构设置在上支撑板与下支撑板之间。

上述的多适应性柔性采摘机械手，齿轮传动机构包括依次啮合的第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮；第一齿轮与带动其转动的设置在下支撑板上第二舵机相连，第二支座与第一齿轮通过穿过上支撑板的枢轴相连，第三支座与第四齿轮通过穿过上支撑板的连接轴相连。

上述的多适应性柔性采摘机械手，它还包括设置在三个夹取单元中间的能够沿着中心轴线轴向移动的真空吸盘。

上述的多适应性柔性采摘机械手，在下支撑板上固定伸缩气缸，伸缩气缸的活塞杆穿过上支撑板与真空吸盘相连。

上述的多适应性柔性采摘机械手，绕绳机构包括第一舵机、与第一舵机输出轴相连的均布在第一舵机输出轴圆周方向的三个卷绕棒；三根绕绳的另一端固定在同一个卷绕棒上或不同卷绕棒上；当第一舵机转动，三根绕绳绕制在三个卷绕棒构成的三角形的周边。

上述的多适应性柔性采摘机械手，各指节朝向中心轴线的表面设有一层柔性材料。

本专利的有益效果：通过气管接头向三根软管中充入不同量的气体，充入气体多的轴向伸长量大，充入气体少的轴向伸长量小，各软管的伸长量不同，连成一体的三个软管（相当于机械臂）即向着伸长量小的方向弯曲，可实现机械臂的任意自由度变化，从而带动执行器（包括各夹取单元组成的抓取部分、伸缩气缸、真空吸盘等）可以处于一定范围内的任意位置。

伸缩气缸动作，带动真空吸盘向前伸出或缩回，真空吸盘工作，可以吸附果实，尤其是圆形果实。

夹取单元中的各指节在压簧的作用下相互分开，使得三个夹取单元处于相对聚拢的状态，能够夹住位于三个夹取单元之间的果实。当绕绳机构转动，绕绳卷绕在输出轴上，绕绳拉到各指节绕铰接处摆动，从而使各压簧尤其是相邻指节之间的压簧压缩，带动三个夹取单元分开（远离各支座的各夹取单元另一端向远离中心轴的径向方向移动）；同理，当绕绳机构反向转动，放出绕绳，由于压簧的作用，使得三个夹取单元又会聚拢夹住果实。

齿轮传动机构，带动第二支座和第三支座同步但反向转动，第二夹取单元和第三夹取单元即同步反向转动。等转动到一定角度时，使得第二夹取单元、第三夹取单元与第一夹取单元相对，三个夹取单元中的各指节所在的平面基本平行，以适应长形果实，如黄瓜、丝瓜等。此时长形果实的轴线与基本与中心轴线垂直，同时也与各夹取单元中的各指节所在的平面基本垂直，真空吸盘无需吸附果实，仅仅对长形果实起到支撑作用，使得果实在真空吸盘和三个夹取单元的共同作用下被可靠抓紧。

本专利特点：

（1） 纯气动控制机械臂的位置和姿态，结构及控制简单，方便实用，成本较低。

（2） 通过四个大小相同的齿轮，控制抓取单元的反向相同角度旋转，可适应球形或长形多种果实的采摘。

（3）通过绕绳和压簧的配合来控制夹取单元的开合，控制简单并减轻了执行器的重量。

附图说明

图1是多适应性柔性采摘机械手整体结构示意图图；

图2是多适应性柔性采摘机械手结构示意图；

图3是执行器结构示意图；

图4是适应球形果实抓取单元姿态图；

图5是适应长形果实抓取单元姿态图；

图6是三个支座分布示意图；

图7是齿轮传动结构示意图；

图8是指节部分细节图；

图9是绕绳与三爪绕盘相连接等的示意图；

图10是三爪绕盘等的示意图；

图11是齿轮传动机构等等的示意图；

图12是三爪绕盘等的示意图；

图13是真空吸盘、三爪绕盘等的示意图；

图14是第二或第三夹取单元示意图；

图15是绕绳、夹取单元示意图。

图中，

气管接头1、气管接头2、气管接头3、橡胶软管4、橡胶软管5、橡胶软管6；

下支撑板10、伸缩气缸11、活塞杆11-1、第一舵机12、第二舵机13、第一齿轮14、第二齿轮15、第三齿轮16、第四齿轮17、三爪绕盘18、卷绕棒18-1、上支撑板19、真空吸盘杆20、真空吸盘21、第一支座22、第二支座23、第三支座24、第一指节25、第二指节26、第三指节27、第四指节28、压簧29、销轴30、绕绳31、柔性尼龙材料32；

第一夹取单元100、第二夹取单元101、第三夹取单元102。

具体实施方式

本专利主要由柔性机械臂和柔性执行器组成。

柔性机械臂由橡胶软管3、橡胶软管4、橡胶软管5组成，其尾部分别设有气管接头1、气管接头2、气管接头3，三根橡胶软管每一节分别各自相连，节数可按需求而定。向三根橡胶软管中充入不同量的气体，可实现机械臂的无自由度化，从而带动执行器可以处于一定范围内的任意位置。

执行器由气动部分（伸缩气缸、真空吸盘等），抓取部分（绕绳机构及三个夹取单元等）和转换部分（第二舵机及齿轮传动机构等）组成。下支撑板10安装于柔性机械臂的前端，伸缩气缸11安装于下支撑板10的中部，第一舵机12、第二舵机13分别安装在下支撑板10上，上支撑板19与下支撑板10由三根六角螺柱连接。

伸缩气缸11的活塞杆11-1穿过上支撑板19上的中心孔与真空吸盘杆20相连，真空吸盘杆20又与位于三个夹取单元中心的真空吸盘21相连。伸缩气缸11的无杆腔进气，有杆腔出气，活塞杆11-1带动真空吸盘杆20从而带动真空吸盘21向前伸出，继而真空吸盘20工作，吸附果实尤其是圆形、椭圆形果实，或者对果实起到定位支撑作用。伸缩气缸11的有杆腔进气，无杆腔出气，活塞杆11-1带动真空吸盘杆20从而带动真空吸盘21向后缩回，完成气动部分工作。

具有三个卷绕棒18-1的三爪绕盘18与第一舵机12相连构成绕绳机构。第一支座22固定在上支撑板19上，第二支座23与第一齿轮14通过穿过上支撑板19的枢轴相连成一体，第三支座24与第四齿轮17通过穿过上支撑板19的连接轴相连成一体。第一指节25、第二指节26、第三指节27、第四指节28之间以及第一指节25与支座之间均通过各关节处销轴30采用铰链连接，各指节之间及第一指节与支座之间均有压簧29。各指节中心处均开有圆形通孔。压簧29中心与圆形通孔中心重合。三根绕绳31一端固定于三爪绕盘18的其中一个卷绕棒18-1上，另一端穿过上支撑板19上的孔19-1后再依次穿过第一指节25、第二指节26、第三指节27、第四指节28中心处通孔固定于第四指节28处。从上支撑板19上的孔19-1出来的绕绳可以径向穿过位于支座与第一指节之间的压簧进入到第一指节。各指节在压簧的作用下相互分开，使得三个夹取单元处于相对聚拢的状态。第一舵机12正转带动三爪绕盘18正转，绕绳31将绕于三爪绕盘18上，从而使各关节处压簧29压缩，带动三个夹取单元分开；同理，第一舵机12反转带动三爪绕盘18反转，使得三个夹取单元聚拢夹住果实。各指节表面设有一层柔性尼龙材料32，以保护果实。

第一齿轮14与第二舵机13相连，第一齿轮14、转动设置在上支撑板上的第二齿轮15、转动设置在上支撑板上的第三齿轮16、第四齿轮17按顺序啮合。第二舵机13输出轴顺时针旋转60°，带动第一齿轮顺时针旋转60°，由于第二支座23与第一齿轮14相连，所以带动第二夹取单元101顺时针旋转60°；通过齿轮传动，第四齿轮17逆时针旋转60°，由于第三支座24与第四齿轮17相连，所以带动第三夹取单元102逆时针旋转60°，使得第二夹取单元101、第三夹取单元102与第一夹取单元100相对，如图5所示，以适应长形果实，如黄瓜、丝瓜等。