本發(fā)明涉及水果采摘機器人領域，具體是一種具有力感知功能的水果采摘機器人及操作方法。

背景技術：

水果采摘是農業(yè)生產鏈中最費時費力的一個環(huán)節(jié)，伴隨著機器人技術的發(fā)展，工業(yè)機器人已經有了相當可喜的成績，但在農業(yè)方面應用的機器人還少之又少。水果采摘環(huán)節(jié)需要消耗大量的人力物力，單靠人工勞動已經不能滿足現(xiàn)在水果采摘的需要。隨著機器人技術的發(fā)展、農業(yè)化肥和農藥對人體的危害加大以及水果采摘方面遇到的勞動力短缺等問題的出現(xiàn)，使得發(fā)明可應用于水果采摘方面的農業(yè)機器人越來越成為必要。

水果采摘機器人主要在解決勞動力不足、降低工人勞動強度、提高工人勞動舒適性、減輕農業(yè)化肥和農藥對人體的危害、保證采摘工人的安全以及保護采摘水果的完整性等方面具有很大的應用潛力。

目前研究的水果采摘機器人主要分為兩種：一種是自主型采摘機器人，另一種是人機協(xié)作型采摘機器人。自主型采摘機器人由于目前的傳感器技術，控制技術等方面技術難以達到完全智能的程度以及控制成本和控制精度的要求都比較高，難以完全實現(xiàn)。所以人機協(xié)作型采摘機器人是當前條件下比較理想的選擇。而目前的人機協(xié)作型采摘機器人普遍不具備力反饋的功能，那么在末端執(zhí)行器采摘水果的時候就會出現(xiàn)破壞水果表面、擠壓過度等問題。因此，可以開發(fā)出一種把采摘者的決策、感覺加入到采摘過程中的半自主的采摘機器人，而采摘過程由采摘機器人來完成。這樣對于提高采摘效率、增強采摘的安全性以及保護采摘水果的完整性等方面都有極其重大的意義。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種具有力感知功能的水果采摘機器人及操作方法，以解決現(xiàn)有技術人機協(xié)作型采摘機器人不具備力反饋功能的問題。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案為：

一種具有力感知功能的水果采摘機器人，其特征在于：包括可移動的車身，車身前方設置有xy平移傳動機構，xy平移傳動機構的y向頂端安裝有攝像頭，xy平移傳動機構中的平移件垂直向前安裝有液壓伸縮桿，液壓伸縮桿桿端固定有伺服電機，伺服電機的轉軸上連接有欠驅動水果采摘靈巧手，車身內還有穿戴在操作者手上的繩牽引式磁流變力反饋數(shù)據手套，繩牽引式磁流變力反饋數(shù)據手套與欠驅動水果采摘靈巧手通過車載計算機實現(xiàn)相互感應，其中：

欠驅動水果采摘靈巧手包括手掌，手掌后端連接在伺服電機的轉軸上，伺服電機固定在液壓伸縮桿前端，手掌前端連接有四指，手掌一側連接有拇指，四指分別由四指近指節(jié)關節(jié)、四指中指節(jié)關節(jié)、四指遠指節(jié)關節(jié)組成，四指近指節(jié)關節(jié)后端分別轉動連接在手掌前端，四指近指節(jié)關機前端分別通過鉸鏈與對應的四指中指節(jié)關節(jié)后端連接，四指中指節(jié)關節(jié)前端分別通過鉸鏈與四指遠指節(jié)關節(jié)后端連接，拇指由拇指近指節(jié)關節(jié)和拇指遠指節(jié)關節(jié)構成，拇指近指節(jié)關節(jié)后端轉動連接在手掌一側，拇指近指節(jié)關節(jié)前端通過鉸鏈與拇指遠指節(jié)關節(jié)后端連接，且每個鉸鏈上分別配裝有扭簧，四指中，每個四指近指節(jié)關節(jié)、四指遠指節(jié)關節(jié)中分別轉動安裝有小滑輪，四指中指節(jié)關節(jié)中轉動安裝有大滑輪，拇指的拇指近指節(jié)關節(jié)、拇指遠指節(jié)關節(jié)中分別轉動安裝有小滑輪，所述手掌對應四指后方位置、拇指后方位置分別設有伺服電機，伺服電機的輸出軸上分別固定有卷筒，卷筒上分別纏繞有繩索，其中四指對應的伺服電機卷筒上的繩索依次繞過四指近指節(jié)關節(jié)中小滑輪、四指中指節(jié)關節(jié)中大滑輪、四指遠指節(jié)關節(jié)中小滑輪后，再固定在四指遠指節(jié)關節(jié)內前端，拇指對應的伺服電機卷筒上的繩索依次繞過拇指近指節(jié)關節(jié)中小滑輪、拇指遠指節(jié)關節(jié)中小滑輪后，再固定在拇指遠指節(jié)關節(jié)內前端；

繩牽引式磁流變力反饋數(shù)據手套包括手掌機架，手掌機架頂部后側設有從左向右依次排列的五組磁流變阻尼器，五組磁流變阻尼器分別對應操作者五個手指，手掌機架底面前側通過立向的支架支撐有五個手掌滑輪，五個手掌滑輪位置與五組磁流變阻尼器位置一一對應，手掌機架前方還對應五指分別設有指套、指環(huán)，其中指套分別套在操作者手指中間部分，指環(huán)分別套在操作者手指指端，每個指套頂部分別通過立向的支架支撐有指套滑輪，每個磁流變阻尼器活塞桿桿端分別連接有繩索，繩索依次繞過對應的手掌滑輪、指套滑輪后固定在對應的指環(huán)上；

所述欠驅動水果采摘靈巧手中的伺服電機，以及繩牽引式磁流變力反饋數(shù)據手套中的磁流變阻尼器分別與車載計算機連接，通過車載計算機實現(xiàn)驅動水果采摘靈巧手和繩牽引式磁流變力反饋數(shù)據手套的相互感應。

所述的一種具有力感知功能的水果采摘機器人，其特征在于：xy平移傳動機構包括沿x向水平設置的x滾珠絲杠平移平臺、沿y向豎直設置的y滾珠絲杠平移平臺，其中x滾珠絲杠平移平臺通過支架安裝在車身前方，y滾珠絲杠平移平臺固定在x滾珠絲杠平移平臺的滑動臺上，y滾珠絲杠平移平臺的y向頂端安裝有攝像頭，所述液壓伸縮桿后端垂直連接在y滾珠絲杠平移平臺的滑動臺上，液壓伸縮桿前端水平向前延伸，所述欠驅動水果采摘靈巧手連接在伺服電機的轉軸上，伺服電機固定在液壓伸縮桿前端。

一種具有力感知功能的水果采摘機器人的操作方法，其特征在于：包括以下步驟：

（1）進行系統(tǒng)初始化，調整傳感器、伺服電機的初始狀態(tài)，磁流變阻尼器處于失電狀態(tài)；

（2）由操作者發(fā)出指令，調整采摘機器人到一個最佳的采摘位置；操作者通過攝像頭采集到水果的位置信息，通過控制xy移動機構的上下以及左右位置、液壓伸縮桿的伸縮以及采摘手后方的伺服電機的角度轉動將欠驅動水果采摘靈巧手調整到一個合適的采摘位置，準備采摘；

（3）開始采摘，操作者的右手進行抓握動作，戴于右手手臂上的磁流變力反饋數(shù)據手套將操作者右手抓握的角度、力覺信息經過計算機的處理傳遞給欠驅動水果采摘靈巧手，使采摘手開始進行采摘；

（4）欠驅動水果采摘靈巧手開始抓握動作，將欠驅動水果采摘靈巧手進行抓握的過程中所受到的力覺信號、轉動角度信號經過計算機的處理通過操作者所穿戴的磁流變力反饋數(shù)據手套、磁流變力反饋數(shù)據手套通過控制電流的大小來控制操作者感受到的力覺大小，也就是通過控制磁流變阻尼器產生一定的阻尼力，進而使操作者感受到力覺，以實現(xiàn)臨場感；

（5）當操作者感覺所受的反饋力不足以握住水果，操作者再逐漸的加大抓握的角度與力度，重復（3）、（4）過程，直到操作者感受到合適的反饋力為止；

（6）當操作者感受到欠驅動水果采摘靈巧手可以抓好水果的時候，通過控制欠驅動水果采摘靈巧手所連接的伺服電機的轉動來實現(xiàn)欠驅動水果采摘靈巧手的扭斷動作，這樣就可以把水果與果梗相分離，實現(xiàn)水果的采摘。

本發(fā)明提供一種具有力感知功能的水果采摘機器人及操作方法，適用于水果智能化采摘領域，具有如下的有益效果：

（1）可以解決水果采摘中的勞動力不足問題，降低工人勞動強度，提高工人勞動舒適性，減輕農業(yè)化肥和農藥對人體的危害，保證采摘工人的安全以及保護采摘水果的完整性。

（2）磁流變阻尼器是一種能量耗散型智能器件，具備有安全、穩(wěn)定和體積小等優(yōu)點。通過被動的力反饋，由其為操作者提供一定的反饋力，同時結合角度傳感器檢測手指關節(jié)的活動范圍，有利于提高操作的舒適感，更好的實現(xiàn)臨場感。

（3）當操作者進行抓握時，本發(fā)明的外骨骼式力反饋數(shù)據手套則避免了機構在手掌內對臨場感的破壞，使操作者更加真實的感受到身臨其境。

（4）欠驅動水果采摘靈巧手能夠很好的包絡水果，結構簡單，不需要過多的自由度，扭簧的加入能夠有效的實現(xiàn)靈巧手的握緊和伸展。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結構圖。

圖2是本發(fā)明的繩牽引式磁流變力反饋數(shù)據手套結構圖。

圖3是本發(fā)明的欠驅動水果采摘靈巧手結構圖。

圖4是本發(fā)明的xy平移傳動機構結構圖。

圖5是本發(fā)明的扭簧安裝示意圖。

圖6是本發(fā)明的操作方法流程圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種具有力感知功能的水果采摘機器人，包括可移動的車身5，車身5前方設置有xy平移傳動機構2，xy平移傳動機構2的y向頂端安裝有攝像頭7，xy平移傳動機構2中的平移件垂直向前安裝有液壓伸縮桿8，液壓伸縮桿8桿端固定有伺服電機，欠驅動水果采摘靈巧手1安裝在伺服電機的轉軸上，車身5內還有穿戴在操作者4手上的繩牽引式磁流變力反饋數(shù)據手套3，繩牽引式磁流變力反饋數(shù)據手套3、欠驅動水果采摘靈巧手1以及伺服電機通過車載計算機6實現(xiàn)相互感應，其中：

如圖2所示，欠驅動水果采摘靈巧手1包括手掌1.7，手掌1.7后端連接在伺服電機的轉軸上，伺服電機固定在液壓伸縮桿8前端，手掌1.7前端連接有四指，手掌1.7一側連接有拇指，四指分別由四指近指節(jié)關節(jié)1.5、四指中指節(jié)關節(jié)1.4、四指遠指節(jié)關節(jié)1.2組成，四指近指節(jié)關節(jié)1.5后端分別轉動連接在手掌1.7前端，四指近指節(jié)關機1.5前端分別通過鉸鏈與對應的四指中指節(jié)關節(jié)1.4后端連接，四指中指節(jié)關節(jié)1.4前端分別通過鉸鏈與四指遠指節(jié)關節(jié)1.2后端連接，拇指由拇指近指節(jié)關節(jié)1.9和拇指遠指節(jié)關節(jié)1.10構成，拇指近指節(jié)關節(jié)1.9后端轉動連接在手掌1.7一側，拇指近指節(jié)關節(jié)1.9前端通過鉸鏈與拇指遠指節(jié)關節(jié)1.10后端連接，且每個鉸鏈上分別配裝有扭簧1.11，四指中，每個四指近指節(jié)關節(jié)1.5、四指遠指節(jié)關節(jié)1.2中分別轉動安裝有小滑輪1.1，四指中指節(jié)關節(jié)1.4中轉動安裝有大滑輪1.3，拇指的拇指近指節(jié)關節(jié)1.9、拇指遠指節(jié)關節(jié)1.10中分別轉動安裝有小滑輪，手掌1.7對應四指后方位置、拇指后方位置分別設有伺服電機1.6，伺服電機1.6的輸出軸上分別固定有卷筒1.8，卷筒1.8上分別纏繞有繩索1.12，其中四指對應的伺服電機卷筒上的繩索依次繞過四指近指節(jié)關節(jié)1.5中小滑輪、四指中指節(jié)關節(jié)1.4中大滑輪、四指遠指節(jié)關節(jié)1.2中小滑輪后，再固定在四指遠指節(jié)關節(jié)1.2內前端，拇指對應的伺服電機卷筒上的繩索依次繞過拇指近指節(jié)關節(jié)1.9中小滑輪、拇指遠指節(jié)關節(jié)1.10中小滑輪后，再固定在拇指遠指節(jié)關節(jié)1.10內前端；

本發(fā)明中，欠驅動水果采摘靈巧手1是由手指和手掌1.7組成，拇指是由拇指近指節(jié)關節(jié)1.9和拇指遠指節(jié)關節(jié)1.10組成。其他四個手指的結構是相同的，都是由四指近指節(jié)關節(jié)1.5、四指中指節(jié)關節(jié)1.4和四指遠指節(jié)關節(jié)1.2組成。在拇指近指節(jié)關節(jié)1.9和拇指遠指節(jié)關節(jié)1.10的中間部分分別安裝一個小滑輪，繩索首先連接在拇指遠指節(jié)關節(jié)1.10前端的安裝孔上，然后分別纏繞兩個小滑輪然后連接到對應的伺服電機上面的卷筒上；在四指近指節(jié)關節(jié)1.5和四指遠指節(jié)關節(jié)1.2中間部分安裝小滑輪1.1，四指中指節(jié)關節(jié)1.4的中間部分安裝一個大滑輪1.3，繩索連接在四指遠指節(jié)關節(jié)1.2前端的安裝孔上，然后纏繞在三個滑輪上，最后連接到對應的伺服電機1.6的卷筒1.8上。在關節(jié)與關節(jié)的連接處以及關節(jié)與手掌的連接處分別用扭簧1.11連接，保證關節(jié)與關節(jié)、關節(jié)與手掌之間的自回復能力。在手掌上分布五個伺服電機1.6，電機軸上分別安裝有卷筒1.8。五根繩索1.12分別纏繞在伺服電機1.6上的卷筒1.8上，通過繩索1.12的纏繞來帶動關節(jié)的轉動，通過扭簧1.11的設置來保證手指的自動回復。當采摘手需要進行抓握的時候控制伺服電機1.6轉動帶動繩索1.12的拉動，然后帶動各關節(jié)開始進行抓握運動，當需要回復的時候伺服電機1.6反轉，通過扭簧1.11保證關節(jié)的自回復。以此來實現(xiàn)采摘手自如的進行抓握和舒展運動。

如圖3所示，繩牽引式磁流變力反饋數(shù)據手套包括手掌機架3.3，手掌機架3.3頂部后側設有從左向右依次排列的五組磁流變阻尼器3.2，五組磁流變阻尼器3.2分別對應操作者五個手指，手掌機架3.3底面前側通過立向的支架支撐有五個手掌滑輪3.4，五個手掌滑輪3.4位置與五組磁流變阻尼器3.2位置一一對應，手掌機架3.3前方還對應五指分別設有指套3.7、指環(huán)3.8，其中指套3.7分別套在操作者4手指中間部分，指環(huán)3.8分別套在操作者4手指指端，每個指套3.7頂部分別通過立向的支架支撐有指套滑輪3.5，每個磁流變阻尼器3.2活塞桿桿端分別連接有繩索3.1，繩索3.1依次繞過對應的手掌滑輪3.4、指套滑輪3.5后固定在對應的指環(huán)3.8上；

本發(fā)明中，繩索式磁流變力反饋數(shù)據手套3是由手掌機架3.3、指環(huán)3.8、指套滑輪3.5、手掌滑輪3.4、磁流變阻尼器3.2以及繩索3.1構成。在每根手指的指尖部分套上一個指環(huán)3.8，在手指的中間部分套上指套滑輪3.5，在掌骨上對應分別安裝五個掌骨滑輪3.4和五個磁流變阻尼器3.2，通過繩索3.1將指環(huán)3.8、指套滑輪3.5、掌骨滑輪3.4以及磁流變阻尼器3.2連接起來。還設置有導線環(huán)3.6，通過導線環(huán)3.6將拇指繩索的方向轉變。當采摘手選擇好位置之后，操作者的手開始進行模擬抓握運動，在操作者的抓握過程中通過繩索3.1帶動磁流變阻尼器3.2的活塞進行運動，通過控制磁流變阻尼器3.2的電流大小來控制磁場的大小，以此來保證操作者的手在抓握的過程中能夠感受到不同的反饋力。

欠驅動水果采摘靈巧手1中的伺服電機1.6，以及繩牽引式磁流變力反饋數(shù)據手套3中的磁流變阻尼器3.2分別與車載計算機6連接，通過車載計算機6實現(xiàn)驅動水果采摘靈巧手1和繩牽引式磁流變力反饋數(shù)據手套3的相互感應，

如圖4所示，xy平移傳動機構2包括沿x向水平設置的x滾珠絲杠平移平臺2.2、沿y向豎直設置的y滾珠絲杠平移平臺2.1，其中x滾珠絲杠平移平臺2.2通過支架安裝在車身5前方，y滾珠絲杠平移平臺2.1固定在x滾珠絲杠平移平臺2.2的滑動臺上，y滾珠絲杠平移平臺2.1的y向頂端安裝有攝像頭7，液壓伸縮桿8后端垂直連接在y滾珠絲杠平移平臺2.1的滑動臺上，液壓伸縮桿8前端水平向前延伸，欠驅動水果采摘靈巧手1轉動連接在液壓伸縮桿8前端。

本發(fā)明中，xy平移傳動機構由x滾珠絲杠平移平臺2.2、y滾珠絲杠平移平臺2.1、液壓伸縮桿8以及伺服電機2.3組成。x滾珠絲杠平移平臺2.2的滑動臺和y滾珠絲杠平移平臺2.1固定連接，y滾珠絲杠平移平臺2.1的滑動臺和液壓伸縮桿8固定連接、伺服電機2.3的底部固定在液壓伸縮桿8的頂部。

如圖2和圖4所示，通過xy平移傳動機構2的上層的滑動臺設置的液壓伸縮桿8、伺服電機2.3將欠驅動水果采摘靈巧手1的手掌部分和伺服電機的轉軸連接起來，這樣就形成了一個可以保證欠驅動水果采摘靈巧手進行上下移動，左右移動以及旋轉的機構。也就保證了欠驅動水果采摘靈巧手的定位、扭斷以及抓握的運動的實現(xiàn)。

如圖5所示，通過扭簧將拇指近指節(jié)關節(jié)1.9和拇指遠指節(jié)關節(jié)1.10連接起來，當兩個關節(jié)有相對運動時，會使扭簧進行一定的轉動，保證當繩索放松時連桿可以自動回復到原來的位置。四指使用相同的結構來保證自回復。

如圖6所示，一種具有力感知功能的水果采摘機器人的操作方法，具體實施步驟如下：

（1）進行系統(tǒng)初始化，調整傳感器、伺服電機的初始狀態(tài)，磁流變阻尼器處于失電狀態(tài)。

（2）由操作者發(fā)出指令，調整采摘機器人到一個最佳的采摘位置。操作者通過攝像頭采集到水果的位置信息，通過控制xy移動機構的上下以及左右位置、液壓伸縮桿的伸縮以及采摘手后方的伺服電機的角度轉動將欠驅動水果采摘靈巧手調整到一個合適的采摘位置，準備采摘。

（3）開始采摘，操作者的右手進行抓握動作，戴于右手手臂上的磁流變力反饋數(shù)據手套將操作者右手抓握的角度、力覺等信息經過計算機的處理傳遞給欠驅動水果采摘靈巧手，使采摘手開始進行采摘。

（4）欠驅動水果采摘靈巧手開始抓握動作，將欠驅動水果采摘靈巧手進行抓握的過程中所受到的力覺信號、轉動角度信號等經過計算機的處理通過操作者所穿戴的磁流變力反饋數(shù)據手套、磁流變力反饋數(shù)據手套通過控制電流的大小來控制操作者感受到的力覺大小，也就是通過控制磁流變阻尼器產生一定的阻尼力，進而使操作者感受到力覺，以實現(xiàn)臨場感。

（5）當操作者感覺所受的反饋力不足以握住水果，操作者再逐漸的加大抓握的角度與力度，重復（3）、（4）過程，直到操作者感受到合適的反饋力為止。

（6）當操作者感受到欠驅動水果采摘靈巧手可以抓好水果的時候，通過控制欠驅動水果采摘靈巧手所連接的伺服電機的轉動來實現(xiàn)欠驅動水果采摘靈巧手的扭斷動作，這樣就可以把水果與果梗相分離，實現(xiàn)水果的采摘。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技術領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內。