一種基于氣壓驅(qū)動(dòng)的果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于氣壓驅(qū)動(dòng)的果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，屬于農(nóng)業(yè)果蔬自動(dòng)化采摘末端執(zhí)行器開(kāi)發(fā)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]通常，末端執(zhí)行器安裝在機(jī)械臂末端腕部關(guān)節(jié)上一起共同完成對(duì)目標(biāo)的作業(yè)任務(wù)，其中機(jī)械臂動(dòng)作決定了作業(yè)的位置和姿態(tài)，末端執(zhí)行器在到達(dá)作業(yè)點(diǎn)后，按照自身的作業(yè)動(dòng)作進(jìn)行工作，無(wú)論在工業(yè)領(lǐng)域和還是農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人領(lǐng)域，末端執(zhí)行器的作業(yè)的成功率和效率都極大影響機(jī)器人整體功能的實(shí)現(xiàn)。
[0003]近年來(lái)，農(nóng)林業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化收獲技術(shù)已成為研發(fā)熱點(diǎn)，其中果實(shí)采摘機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已取得不少成果，但大部分多停留在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，距離實(shí)用化商品化還存在很大差距。其主要原因之一在于對(duì)末端執(zhí)行器的研制要求較高，要求包括:1)末端執(zhí)行器在進(jìn)行采摘的過(guò)程中不能損傷水果；2)采摘效率和采摘成功率高；3)末端執(zhí)行器的成本要低，能使廣大用戶接受；4)在保證智能化的同時(shí)降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，利于農(nóng)民操作和機(jī)器人整機(jī)的采摘過(guò)程控制；5)要求機(jī)構(gòu)在保證精巧(提高避障能力)的同時(shí)，其可靠性、強(qiáng)度要高；6)提高通用性，使一種末端執(zhí)行器能采摘多種水果。
[0004]直至目前，實(shí)現(xiàn)采摘的方式主要有兩種，第一種是設(shè)計(jì)相應(yīng)機(jī)構(gòu)先對(duì)果實(shí)進(jìn)行夾持抓牢，再利用腕關(guān)節(jié)的兩個(gè)垂直方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)模擬人掰擰果柄的動(dòng)作，其作業(yè)的對(duì)象要求果柄易于與果枝分離，同時(shí)需要嚴(yán)格控制好夾持果實(shí)的力的大小，否則極易損傷果實(shí)。第二種是利用吸盤將果實(shí)吸牢，并將其拖入夾持手指之間，再利用剪刀或其他方式將果柄打斷，這種方法需要檢測(cè)好果柄的位置，并要精確的調(diào)整好末端執(zhí)行器的姿態(tài)，從而增加了系統(tǒng)控制的難度和機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。PeterP.Ling等人設(shè)計(jì)了一種4個(gè)手指的末端執(zhí)行件(Peter P.Ling , Sensing and the end effector for a robotic tomato harvester[R].ASer，N0.043088.)，該末端執(zhí)行件主要由數(shù)字線性步進(jìn)電機(jī)、4個(gè)手指和吸引器組成。手指利用纜繩和筋腱使其彎曲，利用扭矩彈簧使其伸展；采用數(shù)字線性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)筋腱，增強(qiáng)了末端執(zhí)行件運(yùn)動(dòng)的可控性和精確性；在手指的選材上，選擇了輕便且硬度好的材料，但是，其耐疲勞性不是很理想。應(yīng)再考慮質(zhì)量和抗疲勞性，以達(dá)到更理想的效果，另外其由于采用了數(shù)字線性步進(jìn)電機(jī)使成本偏高，很大程度上影響了實(shí)用化和商品化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種無(wú)需控制夾持力和采摘姿態(tài)，又可靠耐用、控制簡(jiǎn)單、整體重量輕、成本低廉的果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種基于氣壓驅(qū)動(dòng)的果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種基于氣壓驅(qū)動(dòng)的果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，其特征在于，包括氣動(dòng)平移夾持組件和氣動(dòng)轉(zhuǎn)刀組件，所述氣動(dòng)平移夾持組件包括基板、雙作用氣缸1、氣缸頂片、后齒條連接板、后齒條、后導(dǎo)軌塊、后導(dǎo)軌條、前齒條、前導(dǎo)軌塊、前導(dǎo)軌條、前齒條連接板、前加強(qiáng)板、右手指架板、右手指、后加強(qiáng)板、左手指架板、左手指，所述氣動(dòng)轉(zhuǎn)刀組件包括雙作用氣缸I1、氣缸頂塊、同步帶連接板、直線滑塊、直線導(dǎo)軌、同步帶壓塊、圓弧齒同步帶、前圓弧齒同步輪、后圓弧齒同步輪、后同步輪軸、同步帶張緊軸、張緊輪、刀架連接板、刀架折彎板、刀片、壓刀片。
[0007]優(yōu)選地，雙作用氣缸I通過(guò)氣缸支架固定設(shè)置在基板上，雙作用氣缸I的活塞桿與氣缸頂片采用螺母旋緊固定聯(lián)接。
[0008]優(yōu)選地，后加強(qiáng)板、左手指架板、左手指、氣缸頂片、后齒條連接板、后齒條與后導(dǎo)軌條通過(guò)螺紋聯(lián)接為一整體構(gòu)件，前齒條、前導(dǎo)軌條、前齒條連接板、前加強(qiáng)板、右手指架板與右手指通過(guò)螺紋聯(lián)接為另一整體構(gòu)件。
[0009]優(yōu)選地，左手指與右手指的形狀為球凹形，左手指內(nèi)側(cè)的球凹面上膠接固定有左手指橡膠層，右手指內(nèi)側(cè)的球凹面上膠接固定有右手指橡膠層。
[0010]優(yōu)選地，前齒條與后齒條通過(guò)齒輪聯(lián)接，齒輪內(nèi)部設(shè)置有相嚙合的齒輪軸，齒輪與齒輪軸之間設(shè)置有平鍵進(jìn)行聯(lián)接。
[0011]優(yōu)選地，基板上還設(shè)置有軸承座，軸承座內(nèi)部設(shè)置有兩個(gè)深溝球軸承，用來(lái)平穩(wěn)支撐齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0012]優(yōu)選地，基板上還固定設(shè)置有機(jī)械臂連接板，機(jī)械臂連接板上開(kāi)有與機(jī)械臂腕部聯(lián)接的螺紋孔及螺紋間隙孔，用來(lái)方便后期末端執(zhí)行器與機(jī)械臂的對(duì)接組裝。
[0013]優(yōu)選地，雙作用氣缸II固定設(shè)置于后齒條連接板上，雙作用氣缸II的活塞桿通過(guò)旋緊螺母與氣缸頂塊固定聯(lián)接，氣缸頂塊、同步帶連接板與直線滑塊通過(guò)螺紋固定連接在一起，后同步輪軸與同步帶張緊軸分別固定設(shè)置在左手指架板上。
[0014]優(yōu)選地，同步帶壓塊與同步帶連接板通過(guò)連接螺釘進(jìn)行連接；通過(guò)旋緊同步帶壓塊與同步帶連接板的連接螺釘將圓弧齒同步帶壓牢，防止圓弧齒同步帶相對(duì)同步帶連接板打滑。
[0015]優(yōu)選地，前圓弧齒同步輪通過(guò)十字槽螺釘與刀架連接板固定聯(lián)接，刀架折彎板上開(kāi)有長(zhǎng)條孔，使得其與刀架連接板的相互重疊連接長(zhǎng)度可調(diào)，即刀片的旋轉(zhuǎn)半徑可調(diào)，這樣在一定程度上擴(kuò)大了采摘果實(shí)大小的范圍。
[0016]優(yōu)選地，壓刀片采用十字槽螺釘固定設(shè)置在刀架折彎板上，壓刀片通過(guò)兩排緊定螺釘將刀片壓緊在刀架折彎板上，刀片包括一前一后兩片刀片。
[0017]本發(fā)明所達(dá)到的有益效果:(1)全部動(dòng)力來(lái)自氣壓驅(qū)動(dòng)，元器件重量輕，無(wú)污染，動(dòng)作迅速，動(dòng)作幅度與作用力均方便選型與設(shè)定，與手指內(nèi)側(cè)橡膠彈性層配合，可省掉多種成本較高的力傳感器和控制刀片旋轉(zhuǎn)角度的行程位置開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)，降低了成本和控制難度；(2)兩手指直線的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)方式與兩手指轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)合方式相比，結(jié)構(gòu)上更加可靠，保證了刀片在此開(kāi)合的過(guò)程中不與手指相碰；(3)無(wú)需判斷檢測(cè)果柄與末端執(zhí)行器的相對(duì)位置，只要果實(shí)進(jìn)入兩指之中，待兩手指抱緊后，通過(guò)旋轉(zhuǎn)刀片本發(fā)明即可將果柄割斷；(4)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，整體成本低廉，控制方便；(5)通用性強(qiáng)，不僅可以采摘柑橘，也可采摘多種類球狀的果實(shí)。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明的一種基于氣壓驅(qū)動(dòng)的果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明的一種基于氣壓驅(qū)動(dòng)的果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的齒輪軸與齒條直線導(dǎo)向結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3是本發(fā)明的一種基于氣壓驅(qū)動(dòng)的果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的氣動(dòng)轉(zhuǎn)刀組件直線導(dǎo)向架體部分結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖中標(biāo)記的含義:1_基板，2-機(jī)械臂連接板，3-氣缸支架，4-雙作用氣缸I，5-后齒條，6-氣缸頂片，7-齒輪，8-后齒條連接板，9-平鍵，10-齒輪軸，11-雙作用氣缸II，12-前齒條，13-前齒條連接板，14-前加強(qiáng)板，15-右手指架板，16-右手指，17-右手指橡膠層，18-壓刀片，19-刀片，20-緊定螺釘，21-左手指，22-刀架折彎板，23-刀架連接板，24-內(nèi)六角螺釘，25-十字槽螺釘，26-前圓弧齒同步輪，27-圓弧齒同步帶，28-同步帶張緊軸，29-張緊輪，30-直線導(dǎo)軌，31-左手指架板，32-同步帶連接板，33-同步帶壓塊，34-后圓弧齒同步輪，35-后同步輪軸，36-直線滑塊，37-氣缸頂塊，38-后導(dǎo)軌塊，39-后導(dǎo)軌條，40-株溝球軸承，41-軸承座，42-后加強(qiáng)板，43-左手指橡I父層，44-前導(dǎo)軌塊，45-前導(dǎo)軌條。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0023]如圖1所示的是本發(fā)明的一種基于氣壓驅(qū)動(dòng)的果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的整體結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明包括氣動(dòng)平移夾持組件和氣動(dòng)轉(zhuǎn)刀組件，所述氣動(dòng)平移夾持組件包括基板1、雙作用氣缸14、氣缸頂片6、后齒條連接板8、后齒條5、后導(dǎo)軌塊38、后導(dǎo)軌條39、前齒條12、前導(dǎo)軌塊44、前導(dǎo)軌條45、前齒條連接板13、前加強(qiáng)板14、右手指架板15、右手指16、后加強(qiáng)板42、左手指架板31、左手指21，所述氣動(dòng)轉(zhuǎn)刀組件包括雙作用氣缸1111、氣缸頂塊37、同步帶連接板32、直線滑塊36、直線導(dǎo)軌30、同步帶壓塊33、圓弧齒同步帶27、前圓弧齒同步輪26、后圓弧齒同步輪34、后同步輪軸35、同步帶張緊軸28、張緊輪29、刀架連接板23、刀架折彎板22、刀片19、壓刀片18。
[0024]雙作用氣缸14通過(guò)氣缸支架3固定設(shè)置在所述基板I上，雙作用氣缸14的活塞桿與氣缸頂片6采用螺母旋緊固定聯(lián)接；后加強(qiáng)板42、左手指架板31、左手指21、氣缸頂片6、后齒條連接板8、后齒條5與后導(dǎo)軌條39通過(guò)螺紋聯(lián)接為一整體構(gòu)件，前齒條12、前導(dǎo)軌條45、前齒條連接板13、前加強(qiáng)板14、右手指架板15與右手指16通過(guò)螺紋聯(lián)接為另一整體構(gòu)件；左手指21與右手指16的形狀為球凹形，左手指21內(nèi)側(cè)的球凹面上膠接固定有左手指橡膠層43，右手指16內(nèi)側(cè)的球凹面上膠接固定有右手指橡膠層17 ;基板I上還固定設(shè)置有機(jī)械臂連接板2，機(jī)械臂連接板2上開(kāi)有與機(jī)械臂腕部聯(lián)接的螺紋孔及螺紋間隙孔，用來(lái)方便后期末端執(zhí)行器與機(jī)械臂的對(duì)接組裝。
[0025]如圖2所示的是本發(fā)明的一種基于氣壓驅(qū)動(dòng)的果實(shí)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的氣動(dòng)轉(zhuǎn)刀組件直線導(dǎo)向架體部分結(jié)構(gòu)示意圖，前齒條12與后齒條5通過(guò)齒輪7聯(lián)接，齒輪7內(nèi)部設(shè)置有相嚙合的齒輪軸10，齒輪7與齒輪軸10之間設(shè)置有平鍵9進(jìn)行聯(lián)接；基板I上還設(shè)置有軸承座41，軸承座41內(nèi)部設(shè)置有兩個(gè)深溝球軸承40，用來(lái)平穩(wěn)支撐齒輪軸10的轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0026]下面針對(duì)具體實(shí)施中氣動(dòng)平移夾持組件相應(yīng)的結(jié)構(gòu)選材與選型做具體說(shuō)明:基板I選擇8mm厚鋁合金板材(型號(hào)2A12)為毛坯料進(jìn)行加工，按照?qǐng)D紙?jiān)诨錓上加工出相應(yīng)前導(dǎo)軌塊44、后導(dǎo)軌塊39、氣缸支架3、機(jī)械臂連接板2及深溝球軸承40的連接孔；機(jī)械臂連接板2與基板I連接的實(shí)際實(shí)施中可選者添置一三角形加強(qiáng)板(機(jī)械臂連接板2上已留有相應(yīng)的連接孔);氣缸支架3、氣缸頂片6選用2_厚冷軋板經(jīng)激光切割下料后折彎制成；雙作用氣缸14選用型號(hào)為:MI_16x50_U_0_(缸徑16mm，行程50mm，附磁石);后齒條5與前齒條12選用標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線齒形，主要參數(shù)為:模數(shù)m=l.5，長(zhǎng)度L=90mm，厚度X=15mm ;同配合的標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線齒輪7主要參數(shù)為:模數(shù)m=l.5，齒厚X=15mm，齒數(shù)Z=24 ;深溝球軸承40型號(hào)為:63800ζζ ;前導(dǎo)軌塊44與前導(dǎo)軌條45選用微型直線滑塊線軌組件(型號(hào)MNG C7)，后導(dǎo)軌塊38與后導(dǎo)軌條39選用相同型號(hào)，其中相應(yīng)滑塊部分固定在基板I上，滑軌部分分別固定在前齒條