本發(fā)明涉及機器人末端執(zhí)行器領域，特別涉及一種欠驅(qū)動果蔬采摘末端執(zhí)行器裝置及采摘方法。

背景技術：

在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，蔬菜和水果分別是第二、三大種植作物，是很多地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)。果蔬采摘作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最耗時耗力的一個環(huán)節(jié)，約占整個生產(chǎn)過程作業(yè)量的40％。勞動強度高，人工采摘成本高且果蔬的季節(jié)性強，因此農(nóng)業(yè)采摘機器人的應用是解決存在問題與現(xiàn)狀矛盾的根本出路。

現(xiàn)在的末端執(zhí)行器中，兩指末端執(zhí)行器存在手指尺寸大，抓取不穩(wěn)定的問題；多指末端執(zhí)行器采用多個動力源，使得末端執(zhí)行器機構體積、重量較大，難以保證產(chǎn)品的可靠性。對于剪切果梗機構，大多需要首先進行果梗的識別定位，使得果實采摘抓取時間變長，采摘效率低。欠驅(qū)動末端執(zhí)行器作為未來的發(fā)展方向，目前許多國內(nèi)外科研機構均對其進行了研究，它通過減少驅(qū)動器的數(shù)量，減輕了機構重量，減小了機構體積，從而降低了成本。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種欠驅(qū)動果蔬采摘末端執(zhí)行器裝置及采摘方法，該裝置通過手指基座上不同的安裝孔，實現(xiàn)手掌和手指基座兩種不同位姿的連接：三指對心、兩指和另外一個手指平行的位姿。在三指對心的狀態(tài)下，通過電機對驅(qū)動桿進行驅(qū)動，帶動手指相向運動閉攏，實現(xiàn)包絡抓取，并配合機械臂的旋擰實現(xiàn)果實的采摘；在兩手指和另一個手指處于平行的狀態(tài)，通過電機對驅(qū)動桿進行驅(qū)動，帶動手指相向運動，然后通過機械臂折斷果?；蛘咄ㄟ^果梗剪切裝置剪切果梗，實現(xiàn)不同位姿的抓取，方便不同種類的果蔬采摘，具有一定的通用性和實用性。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現(xiàn)。

一種欠驅(qū)動果蔬采摘末端執(zhí)行器裝置，包括手掌5、均勻分布并固定在手掌5上的2‐4個手指基座4、手指基座4上安裝的具有結構相同的手指，所述手指有三個關節(jié)，分別為近指節(jié)3、中指節(jié)2和遠指節(jié)1，每個關節(jié)與果蔬接觸的一側粘有力傳感器18和防止關節(jié)損壞的橡膠17，其中，近指節(jié)3一端和手指基座4鉸接，近指節(jié)3另一端和中指節(jié)2一端通過連桿機構連接，中指節(jié)2另一端和遠指節(jié)1一端通過連桿機構連接；所述手掌5下方，均勻分布并固定有多根長度相同的支撐桿15，支撐桿15另一端和底板12固定連接，底板12下表面和第一步進電機11接觸并固定連接，且底板12下表面的幾何中心和第一步進電機11與之相接觸的表面幾何中心重合，底板12中心開有直徑大于第一步進電機11軸徑的孔，便于電機軸通過，第一步進電機11通過聯(lián)軸器13和絲桿螺母14連接，絲桿螺母14的移動部分和升降平臺16固定連接且兩者的中心重合，升降平臺16上方均勻鉸接有與手指數(shù)量相同的驅(qū)動桿6，驅(qū)動桿6的另一端和近指節(jié)1鉸接；所述手掌5側面和側安裝板9上端垂直并固定連接，側安裝板9的長度大致等于手掌5和底板12之間的距離，側安裝板9下端和底板12側面固定連接，側安裝板9上固定有同步帶裝置8，同步帶裝置包括主動輪、皮帶和從動輪，主動輪和從動輪的軸線均和側安裝板9的面垂直，且主從動輪中心的連線和側安裝板9的長度方向平行，保證皮帶傳動過程中的良好受力，同步帶裝置8的主動輪和第二步進電機10連接，從動輪和刀具7鉸接。

所述手掌5上均布三個手指基座4，手指基座4與手掌5固定連接的部分開有兩組在圓周上呈60度分布的安裝孔，基座4的兩組安裝孔分別和手掌5對應的安裝孔通過螺栓連接，實現(xiàn)手指的對心抓取和平行抓取。

所述遠指節(jié)1和中指節(jié)2、中指節(jié)2和近指節(jié)3之間安裝有限制相對轉動的扭簧19，且扭簧19安裝時，有初始轉矩。

所述底板12在同步帶裝置8的主從動輪中心的連線之間設計有限制刀具轉動的突出小塊I。

欠驅(qū)動果實采摘末端執(zhí)行器裝置的采摘的方法，所述第一步進電機11通電，電機11正轉，通過聯(lián)軸器13帶動絲桿螺母14轉動，絲桿螺母14將第一步進電機11的轉動轉化為絲桿螺母14的移動，帶動與螺母連接的升降平臺16向上移動，升降平臺16推動與之相鉸接的驅(qū)動桿6順時針運動，驅(qū)動桿6帶動與之鉸接的近指節(jié)3彎曲接觸果實II，繼續(xù)增大的驅(qū)動力使得近指節(jié)3和中指節(jié)2之間的扭簧19開始扭轉，中指節(jié)2開始運動，直到中指節(jié)2接觸果實II，驅(qū)動力繼續(xù)增加，使得中指節(jié)2和遠指節(jié)1之間的扭簧19也開始扭轉，然后遠指節(jié)1接觸果實II，完成抓??；然后，第二步進電機10通過同步帶裝置8帶動刀具7旋轉剪切果梗，完成果實II采摘；刀具7繼續(xù)旋轉，直到接觸到突出小塊I后，第二步進電機10停止轉動，刀具7停止轉動；然后，第一步進電機11反轉，通過聯(lián)軸器13帶動與螺母連接的升降平臺16向下移動，升降平臺16推動與之相鉸接的驅(qū)動桿6逆時針運動，驅(qū)動桿6帶動與之鉸接的近指節(jié)3松開果實II，便于后續(xù)的果實處理。

第一步進電機11、第二步進電機10的轉速是根據(jù)電機的脈沖頻率進行控制的；為了避免手指接觸力過大，損傷果實II，采用力傳感器18獲取各個手指的接觸力，當手指表面的力傳感器18到達設定的抓取力，將信號反饋給第一步進電機11，控制電機11停止運動，實現(xiàn)果實II抓取。

本發(fā)明具有的有益效果是：

與現(xiàn)有采摘末端執(zhí)行器裝置相比，本發(fā)明的欠驅(qū)動果蔬采摘末端執(zhí)行器裝置結構設計合理，不但可以完成果實的包絡抓取，還可以完成果實的平行抓取，具有一定的通用性；運用帶輪傳動帶動刀具旋轉切割果梗，無需進行果梗的識別和定位。本發(fā)明裝置結構簡單，操作方便，控制靈活且成本低廉。將此末端執(zhí)行器安裝在機械臂上可實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的采摘。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的欠驅(qū)動果蔬采摘末端執(zhí)行器裝置手指對心裝配示意圖。

圖2是本發(fā)明的欠驅(qū)動果蔬采摘末端執(zhí)行器裝置手指平行裝配示意圖。

圖3是本發(fā)明的手指內(nèi)部結構圖。

其中：1、遠指節(jié)；2、中指節(jié)；3、近指節(jié)；4、手指基座；5、手掌；6、驅(qū)動桿；7、刀具；8、同步帶裝置；9、側安裝板；10、第二步進電機；11、第一步進電機；12、底板；13、聯(lián)軸器；14、絲桿螺母；15、支撐桿；16、升降平臺；17、橡膠；18、力傳感器；19、扭簧；I：突出小塊；II：果實。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：

如圖1、圖2和圖3所示，一種欠驅(qū)動果蔬采摘末端執(zhí)行器裝置，包括手掌5、均勻分布并固定在手掌5上的2‐4個手指基座4(本實施例為三個手指基座4)、手指基座4上安裝的具有結構相同的手指，所述手指有三個關節(jié)，分別為近指節(jié)3、中指節(jié)2、遠指節(jié)1，每個指節(jié)與果蔬接觸的一側粘有橡膠17和力傳感器18，其中，近指節(jié)3一端和手指基座4鉸接，近指節(jié)3另一端和中指節(jié)2通過連桿機構連接，中指節(jié)2另一端和遠指節(jié)1通過連桿機構連接；所述手掌5下方，均勻分布并固定有三根長度相同的支撐桿15，支撐桿15另一端和底板12固定連接，底板12下表面和第一步進電機11接觸并固定連接，且底板12下表面的幾何中心和第一步進電機11與之相接觸的表面幾何中心重合，底板12中心開有直徑大于第一步進電機11軸徑的孔，便于電機軸通過，第一步進電機11通過聯(lián)軸器13和絲桿螺母14連接，絲桿螺母14的移動部分和升降平臺16固定連接且兩者的中心重合，升降平臺16上方均勻鉸接有與手指數(shù)量相同的驅(qū)動桿6，驅(qū)動桿6的另一端和近指節(jié)1鉸接；所述手掌5側面和側安裝板9上端垂直并固定連接，側安裝板9的長度大致等于手掌5和底板12之間的距離，側安裝板9下端和底板12側面固定連接，側安裝板9上固定有同步帶裝置8，同步帶裝置包括主動輪、皮帶、從動輪，主動輪和從動輪的軸線均和側安裝板9的面垂直，且主從動輪中心的連線和側安裝板9的長度方向平行，保證皮帶傳動過程中的良好受力，同步帶裝置8的主動輪和第二步進電機10連接，從動輪和刀具7鉸接。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述手掌5上均布三個手指基座4，手指基座4與手掌5固定連接的部分開有兩組在圓周上呈60度分布的安裝孔，基座4的兩組安裝孔分別和手掌5對應的安裝孔通過螺栓連接，實現(xiàn)手指的對心抓取(如圖1所示)和平行抓取(如圖2所示)。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述遠指節(jié)1和中指節(jié)2、中指節(jié)2和近指節(jié)3之間安裝有限制相對轉動的扭簧19，且扭簧19安裝時，有初始轉矩。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述底板12在同步帶裝置8的主從動輪中心的連線之間設計有限制刀具轉動位置的突出小塊I。

欠驅(qū)動果實采摘末端執(zhí)行器裝置的采摘方法，所述第一步進電機11通電，電機11正轉，通過聯(lián)軸器13帶動絲桿螺母14轉動，絲桿螺母14將第一步進電機11的轉動轉化為螺母的移動，帶動與螺母連接的升降平臺16向上移動，升降平臺16推動與之相鉸接的驅(qū)動桿6順時針運動，驅(qū)動桿6帶動與之鉸接的近指節(jié)3彎曲接觸果實II，繼續(xù)增大的驅(qū)動力使得近指節(jié)3和中指節(jié)2之間的扭簧19開始扭轉，中指節(jié)2開始運動，直到中指節(jié)2接觸果實II，驅(qū)動力繼續(xù)增加，使得中指節(jié)2和遠指節(jié)1之間的扭簧19也開始扭轉，然后遠指節(jié)1接觸果實II，完成抓取。然后，第二步進電機10通過同步帶裝置8帶動刀具7旋轉剪切果梗，完成果實II采摘；刀具7繼續(xù)旋轉，直到接觸到突出小塊I后，第二步進電機10停止轉動，刀具7停止轉動，然后，第一步進電機11反轉，通過聯(lián)軸器13帶動與螺母連接的升降平臺16向下移動，升降平臺16推動與之相鉸接的驅(qū)動桿6逆時針運動，驅(qū)動桿6帶動與之鉸接的近指節(jié)3松開果實II，便于后續(xù)的果實處理。

第一步進電機11、第二步進電機10的轉速是根據(jù)電機的脈沖頻率進行控制的；為了避免手指接觸力過大，損傷果實II，采用力傳感器18獲取各個手指的接觸力，當手指表面的力傳感器18到達設定的抓取力，將信號反饋給第一步進電機11，控制電機11停止運動，實現(xiàn)果實II抓取。