一种绳驱采摘机器人末端执行器

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体是一种用于采摘机器人的末端执行器。

背景技术

目前的采摘机器人末端执行器主要分为两种：一种模仿人类手指的爪式末端执行器，该类末端执行器主要通过扭断果梗实现采摘，存在结构复杂、容易损坏果实、制造难度高、经济效益不明显的缺陷；另一种是带有切刀的末端执行器，该类末端执行器通过切刀割断果梗实现采摘，存在结构设计不合理、成本高、采摘效率低下、经济效益不明等问题。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种绳驱采摘机器人末端执行器，该末端执行器应具有结构紧凑、体积小巧、可靠性高的特点。

本发明的技术方案是：

一种绳驱采摘机器人末端执行器，其特征在于：该末端执行器包括设置在底座上的一对抓手、设置在其中一个抓手上的切刀、分别带动两个抓手运动以使抓手开合来抓取果实的两个第一绳驱机构、带动切刀转动以切断果梗的第二绳驱机构；所述抓手包括可摆动地定位底座上的支撑板以及设置在支撑板上的半球面形抓板，两个抓板的内侧相对布置；所述切刀通过转轴可转动地定位在其中一个抓板的外侧；所述第一绳驱机构包括第一驱动单元、传递第一驱动单元动力以使抓手闭合的第一驱动绳、带动抓手张开的弹性组件；所述第二绳驱机构包括第二驱动单元、传递第二驱动单元动力以使切刀转动切断果梗的第二驱动绳、带动切刀反向转动的拉簧。

所述第一驱动绳设置在两个抓手之间，第一驱动绳的一端通过连接板与支撑板固定，另一端延伸至底座下方并连接第一驱动单元。

所述弹性组件包括设置在连接板与底座之间并且由内而外穿套依次在第一驱动绳上的压簧与套筒。

所述抓板的顶端边沿设有卡口，抓手闭合时两个卡口合拢并包围住果梗；所述抓板的内侧设有柔性材料层。

所述切刀呈弧形弯曲；所述切刀的长度大于转轴与卡口的间距。

所述支撑板上设有托板；所述抓板与支撑板上设有引导第二驱动绳的若干立柱。

所述第二驱动绳布置在抓手的外侧，第二驱动绳的一端与切刀固定，另一端延伸至底座下方并连接第二驱动单元。

所述抓手上设有外壳，包括设置在抓板外侧的上盖板以及设置在支撑板外侧的下盖板；所述上盖板与抓板之间以及下盖板与支撑板之间均保持一定间隙。

所述底座上设有供第一驱动绳穿越的两个第一通孔以及供第二驱动绳穿越的第二通孔；所述第一通孔为阶梯孔，压簧的两端分别顶住连接板与第一通孔的台阶面；所述底座顶面还设有与第一通孔同轴布置的凸环，套筒的顶端与连接板固定，套筒的底端伸入凸环中。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出一种用绳驱动的采摘机器人的末端执行器，其中抓手上半部分为半球形，下半部分为平板，进行抓取作业时，末端执行器的两个抓手闭合并组成一个球形空腔，并且该空腔刚好能够包裹住果实，不仅整体结构紧凑，外轮廓圆整，在藤蔓枝叶中通过性好，不会挂拽藤蔓枝叶，而且能够增大与果实间的接触面积，还能够保证夹持效果，提高抓取成功率，并且对于不规则的果实能够有很好的包容性；抓手中设有柔性材料层，在执行采摘任务时可以避免果实受损，抓手中还设有托板，可以在抓取果实时防止果实掉落；

2、本发明通过绳驱来实现末端执行器的抓手开闭动作，实现过程更加容易并且大大减小了末端执行器的整体尺寸，使得结构更加紧凑，第二驱动绳穿过由抓手和外壳组成的封闭夹层结构，可以保证末端执行器的外表光整，避免了绳索在动作过程中缠挂藤蔓枝叶；

3、本发明通过绳驱来实现末端执行器的果梗切割动作，弧形切刀设置在封闭夹层结构中，结构巧妙且紧凑，让末端执行器的整体结构看起来圆整，大大减少了安装空间，切刀的弯曲形状和抓手上的卡口设计，可以确保切刀完全切断果梗，提高了切割的可靠性，切刀紧贴抓手表面运动，结构紧凑隐蔽，还有效避免了切割过程中损伤藤蔓枝叶；

4、本发明安装在采摘机器人机械臂的末端，不仅保证了抓取果实的成功率，而且降低了果实收获的损坏率，提高了末端执行器工作的安全性，同时还具有结构巧妙、整体尺寸紧凑、体积小巧、外轮廓圆整、可靠性高、制造成本低、运行平稳、工作效率高且经济效益好的特点，可以普遍应用于农业智能采摘机器人等领域。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图之一(抓手关闭)。

图2是本发明的立体结构示意图之二(抓手打开、省略外壳)。

图3是图2的主视结构示意图。

图4是图2的左视结构示意图。

图5是图2的俯视结构示意图。

图6是本发明的立体结构示意图之三(抓手关闭、省略外壳)。

图7是本发明的上盖板的主视结构示意图。

图8是本发明的上盖板的右视结构示意图。

图9是本发明的上盖板的仰视结构示意图。

图10是本发明的下盖板的立体结构示意图。

图11是本发明的底座的主视结构示意图。

图12是本发明的底座的俯视结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

一种绳驱采摘机器人末端执行器，包括底座1、一对抓手、切刀4、两个第一绳驱机构、第二绳驱机构。所述抓手设置在底座上，切刀可转动地定位在抓手上，第一绳驱机构用于带动抓手开合来抓取果实，第二绳驱机构用于带动切刀转动来切断果梗。

所述底座为圆盘形，底座上设有贯通厚度方向的两个第一通孔1.1以及一个第二通孔1.2，第一通孔为上大下小的阶梯孔，底座顶面还设有两个支撑台1.4，每个支撑台的两侧设有销轴1.5。所述两个支撑台对称于底盘中心布置，两个第一通孔也对称于底盘中心布置并且位于两个支撑台之间。所述底盘上还设有与第一通孔同轴布置的凸环1.3，凸环凸出底盘顶面一定高度，凸环的内径大于第一通孔的大孔内径。

所述抓手包括支撑板2与抓板3，支撑板可摆动地定位底座的支撑台上，支撑板的底端设有与销轴配合的销孔，抓板固定在支撑板的顶端，抓板呈半球面形，两个抓手的摆动轴线互相平行，两个抓板内侧(抓板的内弧面)相对布置，并且抓板的内侧还设有柔性材料层。

所述每个的抓板顶端边沿设有半椭圆形的卡口3.1，该卡口面向另一抓板上的卡口，抓手闭合时两个卡口可以合拢成一个椭圆形孔从而包围住果梗。所述支撑板上还设有托板10，抓手闭合时托板刚好位于抓板的下方，可以在抓取果实时防止果实掉落。

所述抓手上还设有外壳，外壳包括上盖板14与下盖板15，上盖板的形状也为半球面形，上盖板通过紧固件9安装在抓板的外侧，上盖板与抓板之间保持一定间隙，下盖板通过紧固件9安装在支撑板的外侧，下盖板与支撑板之间也保持一定间隙。所述紧固件包括若干焊接螺柱9.1以及配合焊接螺柱的隔套9.2与螺母9.3，上盖板与下盖板上均设有若干安装孔，焊接螺柱分别固定在支撑板与抓板的外侧并且穿过安装孔，隔套穿套在焊接螺柱上使得外壳与抓手之间保持一定间距，螺母与焊接螺柱啮合使得外壳与抓手固定。

所述切刀通过转轴9-1可转动地定位在其中一个抓板的外侧，切刀呈弧形弯曲，切刀的弯曲程度与抓板的外形相适合，切刀与抓板外侧之间保持1mm的间距，切刀的长度大于转轴与卡口的间距。当切刀转动时，不仅能够紧贴抓手表面运动，使得整体结构较为紧凑，避免切刀与抓手发生碰撞，而且切刀能够从卡口的上方滑过将果梗切断。所述抓手上的其中一个焊接螺柱作为切刀的转轴。

所述第一绳驱机构包括第一驱动单元、第一驱动绳11、弹性组件。每个抓手由一个第一绳驱机构带动，第一驱动单元通过第一驱动绳带动两个抓手关闭，弹性组件则带动两个抓手打开。所述第一驱动单元设置在底座下方，第一驱动绳设置在两个抓手之间，第一驱动绳的顶端通过连接板8与支撑板固定，第一驱动绳的底端向下穿过第一通孔后连接第一驱动单元。所述弹性组件设置在连接板与底座之间，包括压簧6与套筒7，压簧穿套在第一驱动绳外部，压簧的顶端顶住连接板，压簧的底端伸入第一通孔中并且顶住第一通孔的台阶面，套筒穿套在压簧外部，套筒的顶端与连接板固定，套筒的底端则伸入凸环中。当抓手在摆动过程中，套筒底端始终在凸环中运动，可以防止压簧伸缩时向外蹦出。

所述第二绳驱机构包括第二驱动单元、第二驱动绳12、拉簧5，第二驱动单元通过第二驱动绳带动切刀旋转切断果梗，拉簧带动切刀反向转动实现复位。所述第二驱动单元设置在底座下方。所述第二驱动绳布置在其中一个抓手的外侧，第二驱动绳的顶端与切刀固定，第二驱动绳的底端沿着抓手表面向下延伸并在穿过第二通孔后连接第二驱动单元。所述抓板与支撑板上均设有若干立柱13，其中一个立柱13-1用于固定拉簧，其余立柱则用于引导第二驱动绳的走向。所述切刀、拉簧、第二驱动绳均布置在外壳的内部，由于外壳起到保护作用，可以避免这些部件受到藤蔓枝叶影响。

所述第一驱动单元、第二驱动单元、柔性材料层均为现有技术。所述第一驱动单元与第二驱动单元可采用电机。所述柔性材料层可采用橡胶。图中省略第一驱动单元与第二驱动单元。

该末端执行器的两个抓手闭合时其内部刚好组成一个球形空腔，并且该球形空腔刚好能够包裹住果实，在执行采摘任务时，把橡胶等软材料通过粘贴的方式固定于抓板内侧表面，这样可以在抓牢果实时避免果实受损，同时该末端执行器对于不规则形状的果实有很好的包容性，特别适合抓取柔软的果实，对比目前的刚性抓手，该末端执行器具有可靠、结构紧凑、经济效益好的特点。

该末端执行器关键之一在于通过绳驱来实现抓手的开闭动作，其过程如下：由于第一驱动绳的一端与抓手的连接板固定连接，另一端穿过底座的阶梯孔，当第一驱动单元拉动第一驱动绳时会带动抓手闭合，而压簧套在第一驱动绳上同时被压缩，当松开第一驱动绳时，压簧伸长推动两个抓手打开，在压簧上的套筒可以防止压簧蹦出。

该末端执行器关键之二在于通过绳驱来实现末端执行器的果梗切割动作，其过程如下：首先声明，进行果梗切割动作前，切刀的初始位置如图2所示，进行果梗切割动作时，拉动第二驱动绳，切刀沿着抓板的球形表面扫掠一个角度(如图6所示)，从而将卡口中的果梗切断，同时拉簧发生拉伸形变，当松开第二驱动绳时，拉簧收缩并拉动切刀反向转动回到原位。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。