一種果實采摘機器人末端執(zhí)行器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)果蔬采摘機器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種果實采摘機器人末端執(zhí)行器。
【背景技術(shù)】
[0002]采摘機器人的末端執(zhí)行器是安裝在機器人機械臂前端，直接與采摘生物目標(biāo)相接觸，以實現(xiàn)果蔬采摘所需運動和附加功能的裝置，是采摘機器人實現(xiàn)果蔬采摘的關(guān)鍵執(zhí)行部分。目前在水果收獲中，果實多為人工采摘，特別是處于較高樹枝上的果實采摘，一定要借助采摘工具，或爬上枝頭進行人工采摘，采摘的效率低，容易出現(xiàn)人生安全和果實損傷等問題。目前國內(nèi)用于采摘果實的機器人還處于樣機實驗研究階段，而用于采摘果實的采摘器品種較多，如用于采摘處于較高樹枝上的果實，如采摘蘋果、桃子等較大果實的采摘器。這些采摘器多由直桿和采摘器結(jié)合使用，人手握住直桿，按動手柄或拉動繩索使剪刀或切刀剪斷果實果柄或掛果果枝。這些采摘器都屬于人工采摘果實的工具，其直桿的長度有限，質(zhì)量較重，手持時間和采摘高度受到限制，而且它們不能作為末端執(zhí)行器安裝在采摘機器人的機械臂上，以便實現(xiàn)果實的機械化和自動化采摘。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了實現(xiàn)機械化和自動化采摘長在較高樹枝上的果實，本發(fā)明提供一種具有剪刀、滑軌組件、偏心輪滑塊組件、直流減速電機和低能耗無線控制模塊組成的末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器具有手機遙控剪切果實果柄或掛果果枝的功能，將其安裝在機器人的機械臂上，利用機器人平臺的移動、伸展自由度及機械臂位姿自由度，打開手機藍(lán)牙，操作手機，實現(xiàn)對楊梅、枇杷等處于較高樹枝上果實的機械化和自動化采摘。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種果實采摘機器人末端執(zhí)行器，由剪刀、滑軌組件、偏心輪滑塊組件、直流減速電機和低能耗無線控制模塊組成，其特征是:末端執(zhí)行器的前端是一個張開、合攏式剪刀，剪刀的定刀片與滑軌組件的定軌連接，定刀片上開有弧形滑槽，動刀片與定刀片用定點銷軸鉸接，動刀片可繞鉸接點擺動，動刀片上鉸接點的另一端與滑塊、滑軌用銷軸鉸接，滑塊在定刀片的弧形滑槽中移動，由滑槽控制動刀片的張開與合攏定位。剪刀的剪切運動采用的是偏心輪滑塊擺桿機構(gòu)，將偏心輪與連桿、連桿與滑軌、滑軌與動刀片及滑塊均用銷軸鉸接形成機構(gòu)中的轉(zhuǎn)動副，而滑軌和滑塊與定軌槽和定刀片弧形槽形成機構(gòu)中的高副接觸。直流減速電機安裝在定軌上，電機軸與偏心輪孔配合，用緊定螺釘定位和固定，由直流減速電機驅(qū)動機構(gòu)中的偏心輪轉(zhuǎn)動，由偏心輪、連桿、滑軌、滑塊和動刀片的運動傳遞，使剪刀作張開與合攏動作。
[0005]本末端執(zhí)行器的動刀片與定刀片、偏心輪與連桿、連桿與滑軌均用銷軸螺釘組件鉸接為動連接，滑軌與動刀片及放置在定刀片弧形槽中的滑塊一起用銷軸螺釘組件鉸接為動連接。
[0006]滑軌組件采用二節(jié)鋼珠抽屜軌道，該軌道由定軌、滑軌、鋼珠和保持架組成，其中定軌的前端與剪刀的定刀片用螺釘固定連接，后端與機器人機械臂轉(zhuǎn)軸用螺釘固定連接，直流減速電機與墊板用膠水粘貼固定在定軌的后端偏心輪中心下方處。
[0007]由于滑軌組件采用鋼珠抽屜軌道，其定軌軌道槽中兩側(cè)內(nèi)有鋼珠，所以滑軌移動靈活，此外，抽屜軌道結(jié)構(gòu)緊湊，剛性強，其定軌和滑軌上的安裝孔可用于連接定刀片、直流減速電機、機械臂轉(zhuǎn)軸、連桿、滑塊和動刀片。
[0008]在直流減速電機電氣輸入端接低能耗無線控制單片機模塊端口，打開手機藍(lán)牙，操作手機，可以無線控制直流減速電機的轉(zhuǎn)數(shù)，正反轉(zhuǎn)，停止和啟動等命令，實現(xiàn)遙控采摘處于較高樹枝上的果實。
[0009]本末端執(zhí)行器的工作原理和結(jié)構(gòu)為:末端執(zhí)行器是一個偏心輪滑塊擺桿機構(gòu)，其偏心輪為原動件，剪刀的動刀片是擺桿，為輸出件，在電機的驅(qū)動下，剪刀的動刀片繞定點擺動，實現(xiàn)剪刀的張開與閉合運動。具體來說，電機軸轉(zhuǎn)動使偏心輪轉(zhuǎn)動，通過連桿使滑軌向前或向后運動，驅(qū)動與滑軌鉸接的滑塊沿定刀片的弧形滑槽移動，從而使與滑塊鉸接的動刀片繞定刀片定點擺動。
[0010]機構(gòu)自由度的分析和計算如下:首先，滑軌與滑塊組成的轉(zhuǎn)動副是機構(gòu)中的局部自由度，計算機構(gòu)自由度時該局部自由度應(yīng)去除不計，并且滑軌和滑塊虛擬固聯(lián)成為一個構(gòu)件。第二，滑軌-滑塊和定刀片滑槽兩邊的兩點高副接觸，其中一點為虛約束，應(yīng)只算一個高副約束。此外，滑軌和滑塊視為一個構(gòu)件，滑軌和定軌的滑動也視為虛約束。第三，計算機構(gòu)自由度時，機構(gòu)的原動件為偏心輪構(gòu)件，機構(gòu)的活動構(gòu)件(η)有偏心輪、連桿、滑軌-滑塊和動刀片4個活動構(gòu)件，定軌和定刀片為機架構(gòu)件，機構(gòu)的低副數(shù)(PJ為5，其中有機架(定軌)和偏心輪、偏心輪和連桿、連桿和滑軌-滑塊、滑軌-滑塊和動刀片以及動刀片和機架(定刀片)所組成的5個轉(zhuǎn)動副，高副數(shù)(Ph)為滑軌-滑塊與機架的高副接觸，所以機構(gòu)自由度(F)的計算式為:F = 3n-2PL-PH= 3X4-2X5-1 = I。計算結(jié)果為機構(gòu)自由度等于1，且機構(gòu)的原動件數(shù)與自由度數(shù)相等，該機構(gòu)的運動確定。第四，由于末端執(zhí)行器固定在機械臂的轉(zhuǎn)軸上，末端執(zhí)行器依靠機械臂轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動自由度，使末端執(zhí)行器具有上下擺動的自由度，所以本末端執(zhí)行器，實際上具有擺動和剪切二個運動自由度，這更加適宜在不移動機器人的情況下，而快速采摘處于高度相差不多的果實，以提高采摘效率。
[0011]本發(fā)明的有益效果是，將本末端執(zhí)行器安裝在機器人機械臂上，通過低能耗無線控制單片機模塊，控制直流電機轉(zhuǎn)動，驅(qū)動末端執(zhí)行器機構(gòu)運動，實現(xiàn)剪切處于較高樹枝上的果實果柄與果枝，對高枝水果，如楊梅、枇杷等果實的機械化和自動化采摘具有實際意義。
【附圖說明】
[0012]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0013]圖1是本末端執(zhí)行器主視圖。
[0014]圖2是本末端執(zhí)行器后視圖。
[0015]圖3是本末端執(zhí)行器A-A位置剖視圖。
[0016]圖中1.定刀片，2.動刀片，3.滑塊，4.定點銷軸，5.滑軌，6.定軌，7.鋼珠及保持架，8.連桿，9.偏心輪，10.機械臂轉(zhuǎn)軸，11.低能耗無線控制單片機模塊，12.直流減速電機，13.墊板，14.定刀片固定螺釘，15.轉(zhuǎn)軸連接螺釘，16.緊定螺釘，17.偏心輪銷軸螺釘組件，18.連桿滑軌銷軸螺釘組件，19.滑塊銷軸螺釘組件，20.連桿墊圈，21.滑塊墊圈
【具體實施方式】
[0017]在圖1、圖2和圖3中，末端執(zhí)行器前端的剪刀副，其動刀片(2)與定刀片(I)用定點銷軸(4)鉸接，動刀片可繞該定點擺動。從滑軌組件中先取出滑軌(5)，將定刀片(I)用定刀片固定螺釘(14)與定軌(6)連接固定，然后再把滑軌裝入定軌軌道。用滑塊銷軸螺釘組件(19)將滑軌(5)、動刀片(2)和滑塊(3)鉸接在一起，在滑軌和動刀片之間放有滑塊墊圈(21)，以保證滑軌在同一平面上運動，而滑塊卡在定刀片弧形槽中，鉸接好后，來回推動滑軌能使滑塊在弧形槽中來回移動。在末端執(zhí)行器后端處，定軌(6)與機械臂轉(zhuǎn)軸(10)用轉(zhuǎn)軸連接螺釘(15)連接固定，末端執(zhí)行器依靠機械臂轉(zhuǎn)軸(10)的轉(zhuǎn)動，使末端執(zhí)行器可以繞機械臂轉(zhuǎn)軸上下擺動。定軌(6)上裝有直流減速電機(12)，因為定軌厚度薄，所以電機(12)與定軌之間加有墊板(13)，電機與墊板，墊板與定軌之間用金屬粘膠劑固定，電機
(12)的輸出軸與偏心輪(9)的孔配合，并用緊定螺釘(16)定位和固定。連桿(8) —端裝在偏心輪(9)的端面上，用銷軸螺釘組件(17)鉸接，另一端與滑軌(5)用連桿滑軌銷軸螺釘組件(18)鉸接，連桿與滑軌之間裝有墊圈(20)，以保證連桿在同一平面上運動。
[0018]滑軌組件采用二節(jié)鋼珠抽屜軌道，其結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好。該軌道由滑軌(5)、定軌
(6)、鋼珠及保持架(7)組成，鋼珠在定軌軌道兩邊，同時與定軌和滑軌接觸，使滑軌與定軌的平面摩擦變?yōu)闈L動摩擦，減少滑軌運動摩擦阻力，使滑軌前后運動靈活自如。
[0019]電機(12)的電氣輸入線與低能耗無線控制單片機模塊(11)的輸入端口相連，該模塊盒放置在機器人本體結(jié)構(gòu)平臺上，通過模塊的軟、硬件系統(tǒng)與藍(lán)牙無線傳輸功能，操作手機按鈕，遙控剪刀張開和合攏的剪切運動。
【主權(quán)項】
1.一種果實采摘機器人末端執(zhí)行器，由剪刀、滑軌組件、偏心輪滑塊組件、直流減速電機和低能耗無線控制模塊組成，其特征是:剪刀的動刀片與定刀片在定點鉸接，偏心輪與連桿鉸接，連桿與滑軌鉸接，滑軌與動刀片、滑塊鉸接，滑軌在定軌槽中、滑塊在定刀片弧形槽中形成點接觸滑動，直流減速電機輸出軸與偏心輪用緊定螺釘連接，直流減速電機驅(qū)動偏心輪轉(zhuǎn)動，通過偏心輪、連桿、滑軌、滑塊和動刀片的運動，使剪刀做張開與合攏動作，直流減速電機的電氣輸入端接低能耗無線控制單片機模塊端口。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的果實采摘機器人末端執(zhí)行器，其特征是:剪刀的剪切運動采用偏心輪滑塊擺桿機構(gòu)，動刀片與定刀片、偏心輪與連桿、連桿與滑軌均用銷軸螺釘組件鉸接為動連接，滑軌與動刀片及放置在定刀片弧形槽中的滑塊一起用銷軸螺釘組件鉸接為動連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的果實采摘機器人末端執(zhí)行器，其特征是:滑軌組件采用由定軌、滑軌、鋼珠和保持架組成的二節(jié)鋼珠抽屜軌道，定軌的前端與定刀片用螺釘固定連接，后端與機器人機械臂轉(zhuǎn)軸用螺釘固定連接，直流減速電機與墊板用膠水粘貼固定在定軌的后端偏心輪中心下方處。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的果實采摘機器人末端執(zhí)行器，其特征是:低能耗無線控制單片機模塊放置在機器人平臺上，打開手機藍(lán)牙，操作手機可以無線控制直流減速電機的轉(zhuǎn)數(shù)、正反轉(zhuǎn)、停止和啟動命令。
【專利摘要】一種果實采摘機器人末端執(zhí)行器，主要由剪刀、滑軌組件、偏心輪滑塊組件及低能耗無線控制模塊組成，剪刀的動刀片與定刀片在定點鉸接，定刀片與滑軌組件的定軌固定連接，偏心輪與連桿、連桿與滑軌、滑軌與動刀片及滑塊均用銷軸鉸接，滑軌在定軌槽中、滑塊在定刀片弧形槽中形成點接觸滑動，直流減速電機輸出軸與偏心輪用緊定螺釘連接，電機驅(qū)動偏心輪轉(zhuǎn)動，通過連桿、滑軌、滑塊和動刀片的運動，使剪刀做張開與合攏動作，定軌安裝在機器人機械臂的轉(zhuǎn)軸上，電機安裝在定軌上，電機電氣輸入端接低能耗無線控制單片機模塊端口，用本末端執(zhí)行器的剪切功能及機器人的移動、伸展和機械臂位姿變換功能，打開手機藍(lán)牙，操作手機，實現(xiàn)遙控采摘高枝果實。
【IPC分類】A01D46/30
【公開號】CN105144994
【申請?zhí)枴緾N201510573612
【發(fā)明人】馬曉麗, 江佳煒, 孔允, 應(yīng)振根
【申請人】衢州學(xué)院
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年9月8日