多自由度混联果蔬采摘机械臂

技术领域

本发明涉及果蔬采摘机器人技术领域，尤其涉及一种多自由度混联果蔬采摘机械臂。

背景技术

随着现代智慧农业的发展，在果蔬采摘领域，采用采摘机器人代替人类完成这些工作已成为机器人技术应用的发展趋势；采摘机械臂作为采摘机器人系统中非常重要的一个组成环节，是执行果蔬采摘、果蔬放置的关键执行机构。

现有的采摘机械臂的主要结构形式包括：直角坐标系型、关节坐标型及SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，缩写为SCARA）型；然而，这几种结构形式难以同时满足实际采摘作业中刚性大、运动速度快、控制容易、工作覆盖空间大及占用空间小等需求。

发明内容

本发明提供一种多自由度混联果蔬采摘机械臂，用以解决或改善现有采摘机械臂存在难以同时满足刚性大、运动速度快、控制容易、工作覆盖空间大及占用空间小等需求的问题。

本发明提供一种多自由度混联果蔬采摘机械臂，包括：移动平台、混联机构及回转机构；所述移动平台包括第一移动机构、第二移动机构及导轨，所述第一移动机构与所述第二移动机构可移动地设于所述导轨上；所述混联机构包括第一连杆、第二连杆及支架，所述第一连杆的第一端与所述第一移动机构铰接，所述第二连杆的第一端与所述第二移动机构铰接，所述第一连杆的第二端和所述第二连杆的第二端分别与所述支架转动连接，所述支架与所述回转机构转动连接。

根据本发明提供的一种多自由度混联果蔬采摘机械臂，所述混联机构还包括第一齿轮与第二齿轮；所述第一齿轮与所述第一连杆的第二端连接，所述第二齿轮与所述第二连杆的第二端连接；所述第一齿轮和所述第二齿轮分别与所述支架转动连接，所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合；其中，所述第一齿轮和所述第二齿轮之间的传动比等于1。

根据本发明提供的一种多自由度混联果蔬采摘机械臂，所述第一齿轮的轴线与所述第一连杆的轴线呈第一夹角，所述第二齿轮的轴线与所述第二连杆的轴线呈第二夹角；所述第一夹角等于所述第二夹角，且小于90度。

根据本发明提供的一种多自由度混联果蔬采摘机械臂，所述导轨沿Y轴所在的方向排布，所述第一连杆与所述第二连杆朝向X轴的负方向倾斜，所述回转机构朝向所述X轴的正方向延伸；其中，所述X轴与所述Y轴相垂直。

根据本发明提供的一种多自由度混联果蔬采摘机械臂，所述支架具有安装面，所述回转机构与所述安装面转动连接，所述X轴和所述Y轴形成的平面与所述安装面呈锐角设置，所述回转机构朝向Z轴的负方向倾斜；其中，所述X轴、所述Y轴及所述Z轴当中任意两者相垂直。

根据本发明提供的一种多自由度混联果蔬采摘机械臂，所述支架上设有防尘罩，所述第一连杆的第二端和所述第二连杆的第二端位于所述防尘罩内。

根据本发明提供的一种多自由度混联果蔬采摘机械臂，所述第一移动机构与所述第二移动机构结构相同，均包括滑块、底座及驱动件；所述滑块可移动地设于所述导轨上，所述底座与所述驱动件设于所述滑块上，所述第一连杆的第一端与对应的所述第一移动机构的底座铰接，所述第二连杆的第一端与对应的所述第二移动机构的底座铰接；所述驱动件用于驱动所述滑块沿所述导轨移动。

根据本发明提供的一种多自由度混联果蔬采摘机械臂，所述回转机构包括第一回转驱动件与第一回转臂；所述第一回转臂的一端通过所述第一回转驱动件与所述支架连接。

根据本发明提供的一种多自由度混联果蔬采摘机械臂，所述回转机构还包括第二回转驱动件与第二回转臂；所述第二回转臂的一端通过所述第二回转驱动件与所述第一回转臂的另一端连接。

根据本发明提供的一种多自由度混联果蔬采摘机械臂，所述第一回转臂的回转轴线与所述第二回转臂的回转轴线平行。

本发明提供的多自由度混联果蔬采摘机械臂，在实际采摘作业时，通过第一移动机构与第二移动机构的移动，从而可带动回转机构在导轨上朝向目标位置移动，通过第一移动机构与第二移动机构的相向或相背运动，从而可提升或降低回转机构的高度，以采摘该位置不同高度处的果蔬，同时，通过回转机构的回转，从而可将回转机构末端的执行器准确转动至待采摘的果蔬；相较于现有技术，第一连杆、第二连杆及导轨形成一个稳定的三角形结构，使其整体具有较大的刚性；同时，在移动平台的带动下，混联机构和回转机构能够具有较快的移动速度；再有，仅需控制第一移动机构和第二移动机构的相对距离，即可控制回转机构的高度，仅需控制回转机构的转动角度，即可将回转机构的末端转动至待采摘的果蔬，控制较为容易，能够使得回转机构在水平方向和竖直方向内大范围移动，工作覆盖空间较大；最后，在第一移动机构与第二移动机构之间的相对距离最远时，第一连杆和第二连杆几乎能够与导轨平行，即降低了整体的高度，占用空间较小，使得整体结构更容易在温室行架等空间较紧凑的环境下面穿行；综上，本发明的多自由度混联果蔬采摘机械臂能够同时满足刚性大、运动速度快、控制容易、工作覆盖空间大及占用空间小的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的多自由度混联果蔬采摘机械臂的整体结构示意图；

图2是本发明提供的混联机构的结构示意图；

图3是本发明提供的第一齿轮与第二齿轮的结构示意图；

图4是本发明提供的第一连杆与第一齿轮的结构示意图；

图5是本发明提供的支架与第一齿轮的剖视结构示意图；

图6是本发明提供的多自由度混联果蔬采摘机械臂的状态切换示意图；

图7是本发明提供的多自由度混联果蔬采摘机械臂呈折叠收缩状态的结构示意图；

图8是本发明提供的多自由度混联果蔬采摘机械臂呈张开状态的结构示意图；

图9是本发明提供的移动平台的结构示意图；

图10是本发明提供的回转机构的结构示意图。

附图标记：

1：移动平台；11：第一移动机构；111：滑块；112：底座；113：驱动件；12：第二移动机构；13：导轨；

2：混联机构；21：第一连杆；22：第二连杆；23：支架；231：安装面；24：第一齿轮；25：第二齿轮；26：防尘罩；

3：回转机构；31：第一回转驱动件；32：第一回转臂；33：第二回转驱动件；34：第二回转臂。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

首先对现有采摘机械臂的结构进行介绍。

直角坐标机械臂结构简单、刚性好、运动速度适中，但缺点是在机器人动作范围内必须有沿轴线前后方向的移动空间，导致整体结构占地空间较大，空间利用率较低，在果蔬采摘环境中可操作空间不大，尤其在垂直方向上有一定限制。

多关节机械臂肘关节和肩关节轴线是平行的，当大、小臂舒展成一直线时，虽能抵达很远的工作点，但机器人的结构刚度比较低，末端执行器的位置控制较复杂且在工作范围边界上工作时有运动学上的退化行为，使用逆解算法进行位姿控制非常复杂，末端对目标姿态的微小偏转不敏感，使其在工作时需要随机拟合目标姿态的场合无法使用，同时由于该系统的复杂性导致其稳定性降低，并且系统的复杂会导致系统的算法非常低效，从而降低了运动的快速性。

SCARA机械臂虽然工作速度快结构紧凑，但受限于升降机构占用较大空间，不适合在温室行架等空间较紧凑的环境下面穿行。

即直角坐标机械臂存在的主要问题是占用空间较大以及空间利用率较低，多关节机械臂存在的主要问题是刚性小、控制较复杂及运动速度较慢，SCARA机械臂存在的主要问题是工作覆盖空间较小。

下面结合图1至图10描述本发明的多自由度混联果蔬采摘机械臂。

如图1至图10所示，本实施例所示的多自由度混联果蔬采摘机械臂包括：移动平台1、混联机构2及回转机构3。

移动平台1包括第一移动机构11、第二移动机构12及导轨13，第一移动机构11与第二移动机构12可移动地设于导轨13上；混联机构2包括第一连杆21、第二连杆22及支架23，第一连杆21的第一端与第一移动机构11铰接，第二连杆22的第一端与第二移动机构12铰接，第一连杆21的第二端和第二连杆22的第二端分别与支架23转动连接，支架23与回转机构3转动连接，回转机构3的末端用于与采摘果蔬的执行器连接，执行器具体可以是机械手。

具体地，本实施例所示的多自由度混联果蔬采摘机械臂，在实际采摘作业时，通过第一移动机构11与第二移动机构12的移动，从而可带动回转机构3在导轨13上朝向目标位置移动，通过第一移动机构11与第二移动机构12的相向或相背运动，从而可提升或降低回转机构3的高度，以采摘该位置不同高度处的果蔬，同时，通过回转机构3的回转，从而可将回转机构3末端的执行器准确转动至待采摘的果蔬；相较于现有技术，第一连杆21、第二连杆22及导轨13形成一个稳定的三角形结构，使其整体具有较大的刚性；同时，在移动平台1的带动下，混联机构2和回转机构3能够具有较快的移动速度；再有，仅需控制第一移动机构11和第二移动机构12的相对距离，即可控制回转机构3的高度，仅需控制回转机构3的转动角度，即可将回转机构3的末端转动至待采摘的果蔬，控制较为容易，能够使得回转机构3在水平方向和竖直方向内大范围移动，工作覆盖空间较大；最后，在第一移动机构11与第二移动机构12之间的相对距离最远时，第一连杆21和第二连杆22几乎能够与导轨13平行，即降低了整体的高度，占用空间较小，使得整体结构更容易在温室行架等空间较紧凑的环境下面穿行；综上，本实施例所示的多自由度混联果蔬采摘机械臂能够同时满足刚性大、运动速度快、控制容易、工作覆盖空间大及占用空间小的需求。

在一些实施例中，如图2和图3所示，本实施例所示的混联机构2还包括第一齿轮24与第二齿轮25；第一齿轮24与第一连杆21的第二端连接，第二齿轮25与第二连杆22的第二端连接；第一齿轮24和第二齿轮25分别与支架23转动连接，第一齿轮24与第二齿轮25啮合；其中，第一连杆21和第二连杆22的长度相等，第一齿轮24和第二齿轮25之间的传动比等于1。

具体地，在第一移动机构11和第二移动机构12相远离时，第一连杆21和第二连杆22呈逐渐张开状，在第一移动机构11和第二移动机构12相靠近时，第一连杆21和第二连杆22呈逐渐收拢状，即第一连杆21和第二连杆22相对于支架23旋转，由于第一齿轮24与第二齿轮25之间的传动比等于1，则第一连杆21和第二连杆22旋转的速度相等，即第一连杆21和第二连杆22呈对称打开或收拢，相应地，支架23始终能够被第一连杆21和第二连杆22以呈对称的结构形式支撑，从而避免支架23出现倾斜，进而保证了回转机构3的稳定性；混联机构2的工作过程与圆规支腿的张开和合拢类似。

其中，第一连杆21可以与第一齿轮24一体式结构，第二连杆22可以与第二齿轮25一体式结构。

在一些实施例中，如图4和图5所示，本实施例所示的第一齿轮24的轴线与第一连杆21的轴线呈第一夹角，第二齿轮25的轴线与第二连杆22的轴线呈第二夹角；第一夹角等于第二夹角，且小于90度。

具体地，通过将第一齿轮24的轴线与第一连杆21的轴线呈锐角设置，将第二齿轮25的轴线与第二连杆22的轴线呈锐角设置，即第一齿轮24和第一连杆21整体呈折弯状，第二齿轮25和第二连杆22整体呈折弯状，从而能够调节整体的重心，以使得第一连杆21和第二连杆22能够稳定支撑支架23。

在一些实施例中，如图6所示，本实施例所示的导轨13沿Y轴所在的方向排布，第一连杆21与第二连杆22朝向X轴的负方向倾斜，回转机构3朝向X轴的正方向延伸；其中，X轴与Y轴相垂直。

具体地，通过将第一连杆21和第二连杆22朝向X轴的负方向倾斜设置，将回转机构3朝向X轴的正方向延伸设置，即第一连杆21和第二连杆22与回转机构3相当于分别位于导轨13的两侧，以利于整体的平衡性，有效防止了侧翻，且能够使得整体的重心位于导轨13的正上方，以利于整体的稳定性。

在一些实施例中，如图2、图5至图8所示，本实施例所示的支架23具有安装面231，回转机构3与安装面231转动连接，X轴和Y轴形成的平面与安装面呈锐角设置，回转机构3朝向Z轴的负方向倾斜，其中，X轴、Y轴及Z轴当中的任意两者相垂直。

具体地，通过将回转机构3朝向Z轴的负方向倾斜，一方面，可保证回转机构3末端的执行器能够得到果蔬，另一方面，使得整体的重心相当于更靠近导轨13，即降低了整体的重心高度，提升了整体的稳定性；同时，通过第一齿轮24与第二齿轮25的啮合，第一连杆21和第二连杆22呈对称式地打开或合拢，使得X轴和Y轴形成的平面与安装面231之间的夹角能够保持不变，以使得回转机构3能够沿着Z轴所在的方向稳定升降，进而保证了回转机构3在采摘果蔬时的稳定性。

在一些实施例中，如图2所示，本实施例所示的支架23上设有防尘罩26，第一连杆21的第二端和第二连杆22的第二端位于防尘罩26内，即第一齿轮24和第二齿轮25位于防尘罩26内，能够有效阻隔泥沙进入啮合的齿轮中，保证了第一齿轮24和第二齿轮25的可靠性。

其中，如图5所示，支架23具有竖直面，竖直面外伸两个阶梯轴，其中第一齿轮24转动设于一个阶梯轴上，第二齿轮25转动设于另一个阶梯轴上。

在一些实施例中，如图7至图9所示，本实施例所示的第一移动机构11与第二移动机构12结构相同，均包括滑块111、底座112及驱动件113；滑块111可移动地设于导轨13上，底座112与驱动件113设于滑块111上，第一连杆21的第一端与对应的第一移动机构11的底座112铰接，第二连杆22的第一端与对应的第二移动机构12的底座112铰接；驱动件113用于驱动滑块111沿导轨13移动。

具体地，当两个滑块111同速相向运动时，回转机构3末端的执行器能够沿Z轴的所在的方向提升；当两个滑块111同速相背运动时，回转机构3末端的执行器能够沿Z轴所在的方向降低；当两个滑块111同速同向运动时，回转机构3末端的执行器可保持在同一高度平面内执行采摘任务；移动平台1通过两个滑块111共同负载，运动速度快，两个滑块111的相向或相背运动，能实现混联机构2在空间上的折叠和展开，实现了整体在工作状态时覆盖空间较大以及非工作状态时占用空间较小的效果。

其中，第一连杆21的第一端通过轴承与对应的底座112连接，第二连杆22的第一端通过轴承与对应的底座112连接；驱动件113可以为步进伺服电机，步进伺服电机的输出轴连接有滚轮，滚轮与导轨13连接，通过带动滚轮转动，以带动滑块111在导轨13上移动。

在一些实施例中，如图10所示，本实施例所示的回转机构3包括第一回转驱动件31与第一回转臂32；第一回转臂32的一端通过第一回转驱动件31与支架23连接。

其中，第一回转驱动件31可以为电机，电机的输出轴与支架23连接，电机的外壳与第一回转臂32连接，在电机开启的情况下，第一回转臂32相对于支架23旋转，从而将执行器移动至待采摘的果蔬处。

在一些实施例中，如图10所示，本实施例所示的回转机构3还包括第二回转驱动件33与第二回转臂34；第二回转臂34的一端通过第二回转驱动件33与第一回转臂32的另一端连接，执行器与第二回转臂34的另一端连接。

其中，第二回转驱动件33可以为电机，电机的输出轴与第二回转臂34的一端连接，电机的外壳与第一回转臂32的另一端连接，在电机开启的情况下第二回转臂34相对于第一回转臂32旋转，即整个回转机构3为两段式结构，第一回转臂32相当于大臂，第二回转臂34相当于小臂，通过两段式的结构，增大了回转机构3的覆盖范围，同时结合滑块111的移动，从而改变执行器的角度，以利于执行器绕过一定的障碍物准确到达待采摘的果蔬。

图6示意了该机械臂针对同一采摘目标达到的三种角度状态，点划线示意了针对采摘目标的初始角度状态，实线示意了滑块111沿Y轴负方向移动并结合回转机构3的转动达到的采摘角度，虚线示意了滑块111沿Y轴正方向移动并结合回转机构3的转动达到的采摘角度。

本实施例的多自由度混联果蔬采摘机械臂，通过并联第一连杆21和第二连杆22，并串联第一回转臂32和第二回转臂34，这种组合方式实现了末端执行器在三维空间内运动位置和角度的控制，整个机械臂具有两个转动副与两个移动副，相当于四自由度的机械臂，两个转动副与两个移动副之间的运动相互独立，由此，在运动过程中不会发生耦合干涉，这种设计使得该机械臂能够较大的工作空间内自由运动，简化了机械臂的控制算法，增强了采摘过程的灵活性。

在一些实施例中，如图10所示，本实施例所示的第一回转臂32的回转轴线与第二回转臂34的回转轴线平行，即控制回转的两个电机的输出轴平行，同时结合滑块111的移动，能够控制末端执行器的旋转角度；当第一回转臂32与第二回转臂34转动展开呈直线状时，执行器可伸至最远端，当第一回转臂32与第二回转臂34转动至呈折叠状时，能够减小整个回转机构3的占用空间，以使得整体能够穿过较小的空间。

其中，图7示意了整体呈折叠收缩状态时的结构示意图，图8示意了整体呈张开状态时的结构示意图；在折叠收缩状态时，整体占用空间最小，结构紧凑，便于在温室行架下自由穿行。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。