一種五指末端執(zhí)行器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種五指末端執(zhí)行器，包括拇指（1）、手掌（2）、食指（3）、中指（4）、無名指（5）和小指（6），其特征在于：食指（3）、中指（4）、無名指（5）和小指（6）的結構相同，且分別具有基關節(jié)第一電機（30）、基關節(jié)第二電機（32）和差動機構（34），基關節(jié)第一電機（30）和基關節(jié)第二電機（32）固定在手掌（2）上，手指的近指節(jié)通過差動機構（34）與手掌（2）連接，基關節(jié)第一電機（30）和基關節(jié)第二電機（32）驅動差動機構（34）從而實現(xiàn)手指的側擺運動和俯仰運動。本實用新型五指末端執(zhí)行器可以實現(xiàn)對多種果實的采摘，降低采摘成本。且本實用新型運動空間大，操作靈活，維修簡單。
【專利說明】
一種五指末端執(zhí)行器
技術領域
[0001 ]本實用新型屬于農業(yè)機器人裝備技術領域，具體涉及一種五指末端執(zhí)行器。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)有的圓形水果、蔬菜采摘自動化作業(yè)中，大部分采用兩指或三指末端執(zhí)行器，但是對于多個果實聚集的情況下，兩指或三指的末端執(zhí)行器，很可能就夾不住果實，實現(xiàn)不了后續(xù)的采摘。另外，如果圓形果實長在枝杈附近的時候，兩指或三指的末端執(zhí)行器對果實進行夾持的角度比較苛刻，作業(yè)效率不高，而且后續(xù)的采摘作業(yè)也不好操作，因此，需要一種能在復雜環(huán)境中進行采摘夾持的類人手五指末端執(zhí)行器。
[0003]目前的圓形果蔬分級，大部分是把農產品放到一個容器中，然后左右晃動，再通過重力作用，讓水果通過一個預設的圓形漏斗，掉到對應直徑的水果筐內，這種分級方法，導致水果表皮破壞，不利于長久保存，可以模仿人手分類的方法，對圓形果蔬分類。在分類過程中，圓形果蔬的擺放不是很規(guī)整，如果繼續(xù)采用兩指或三指末端執(zhí)行器加持分類，對識另O、分類果蔬的傳感器，要求就比較高，因此，也需要一種能完成分揀的類人手五指末端執(zhí)行器。
【實用新型內容】
[0004]為了解決上述存在的技術問題，本實用新型設計了一種五指末端執(zhí)行器。
[0005]為了解決上述存在的技術問題，本實用新型采用了以下方案:
[0006]—種五指末端執(zhí)行器，包括拇指(1)、手掌(2)、食指(3)、中指(4)、無名指(5)和小指(6)，其特征在于:食指(3)、中指(4)、無名指(5)和小指(6)的結構相同，且分別具有基關節(jié)第一電機(30)、基關節(jié)第二電機(32)和差動機構(34)，基關節(jié)第一電機(30)和基關節(jié)第二電機(32)固定在手掌(2)上，手指的近指節(jié)通過差動機構(34)與手掌(2)連接，基關節(jié)第一電機(30)和基關節(jié)第二電機(32)驅動差動機構(34)從而實現(xiàn)手指的側擺運動和俯仰運動。
[0007]進一步，差動機構(34)包括第一錐齒輪(340)、左軸(341)、第二錐齒輪(342)、上軸(343)、第三錐齒輪(344)、第四錐齒輪(346)、右軸(347)和下軸(348);左軸(341)和右軸
(347)相對設置在手掌(2)上組成基關節(jié)俯仰轉動軸，第一錐齒輪(340)和第三錐齒輪(344)相對且分別設置在左軸(341)和右軸(347)的內端，左軸(341)和右軸(347)的外端分別由基關節(jié)第一電機(30)和基關節(jié)第二電機(32)驅動;上軸(343)和下軸(348)的外端分別和相對應手指的近指節(jié)連接組成基關節(jié)側擺轉動軸，第二錐齒輪(342)和第四錐齒輪(346)相對且分別設置在上軸(343)和下軸(348)的內端，第二錐齒輪(342)與第一錐齒輪(340)和第三錐齒輪(344)的上部嚙合，第四錐齒輪(346)與第一錐齒輪(340)和第三錐齒輪(344)的下部嚙入口 ο
[0008]進一步，基關節(jié)第一電機(30)和基關節(jié)第二電機(32)與差動機構(34)之間分別通過皮帶(33)傳動，差動機構(34)左軸(341)和右軸(347)的外端分別設置有帶輪(345)。
[0009]進一步，基關節(jié)第一電機(30)和基關節(jié)第二電機(32)安裝于電機槽(31)中的一端并通過電機槽(31)固定在手掌(2)，差動機構(34)設置在電機槽(31)的另一端。
[0010]進一步，左軸(341)和右軸(347)相對且分別設置在電機槽(31)兩壁上。
[0011]進一步，拇指(I)包括基關節(jié)大齒輪(10)、基關節(jié)電機(11)、基關節(jié)小齒輪(12)和基關節(jié)連接軸(13);基關節(jié)電機(11)固定在手掌(2)上，基關節(jié)大齒輪(10)設置在基關節(jié)電機(11)的輸出端，拇指的近指節(jié)通過基關節(jié)連接軸(13)和手掌(2)連接，基關節(jié)大齒輪(10)和設置在基關節(jié)連接軸(13)上的基關節(jié)小齒輪(12)配合工作從而實現(xiàn)拇指(I)基關節(jié)的轉動。
[0012]進一步，拇指(I)、食指(3)、中指(4)、無名指(5)和小指(6)均包括近指節(jié)、中指節(jié)、遠指節(jié)和連接軸，近指節(jié)通過近指節(jié)電機和相對應的連接軸與中指節(jié)連接，中指節(jié)通過中指節(jié)電機和相對應的連接軸與遠指節(jié)連接。
[0013]進一步，近指節(jié)電機嵌于近指節(jié)內部并直接驅動中指節(jié)轉動；中指節(jié)電機嵌于中指節(jié)內部并直接驅動遠指節(jié)轉動。
[00? 4] 進一步，近指節(jié)、中指節(jié)和遠指節(jié)的長度比例為4:3:2。
[0015]本實用新型中的食指、中指、無名指、小指四個手指，中指節(jié)電機固定在遠指節(jié)關節(jié)處，置于手指內部，帶動遠指節(jié)做俯仰運動。近指節(jié)電機固定在中指節(jié)關節(jié)處，置于手指內部，帶動中指節(jié)做俯仰運動?；P節(jié)電機固定在電機座中，置于手掌底部，帶動近指節(jié)做俯仰和側擺運動。拇指，中指節(jié)電機固定在遠指節(jié)關節(jié)處，置于手指內部，帶動遠指節(jié)做俯仰運動。近指節(jié)電機固定在中指節(jié)關節(jié)處，置于手指內部，帶動中指節(jié)做俯仰運動?；P節(jié)電機固定在手掌上，置于手掌底部，帶動近指節(jié)做俯仰運動。
[0016]按照本實用新型提供的設計方案，本裝置共有19個自由度，拇指各指節(jié)分別由電機直接驅動，實現(xiàn)拇指的彎曲。其余四指遠指節(jié)和中指節(jié)由電機直接驅動，實現(xiàn)相應指節(jié)的彎曲，近指節(jié)由基關節(jié)電機通過帶傳動驅動差動機構進而驅動近指節(jié)，實現(xiàn)相應近指節(jié)的彎曲和側擺。各個關節(jié)電機的協(xié)調運動實現(xiàn)采摘末端執(zhí)行器的張合，可以實現(xiàn)對大多數(shù)果實進行米摘。
[0017]該五指末端執(zhí)行器具有以下有益效果:
[0018](I)本實用新型五指末端執(zhí)行器可以實現(xiàn)對多種類圓形果實的采摘，降低采摘成本。且本發(fā)明運動空間大，操作靈活，維修簡單。
[0019](2)本實用新型采用差動機構實現(xiàn)手指基關節(jié)的俯仰轉動和側擺轉動，結構輕巧緊湊且對稱，工作安全穩(wěn)定。
[0020](3)本實用新型基關節(jié)電機和差動機構采用帶傳動，抗震、抗沖擊能力強，工作過程中能適應各種直徑大小不同差異大的被采摘果實，且不對果實造成傷害。
[0021](4)本實用新型中近指節(jié)、中指節(jié)和遠指節(jié)的長度比例為4:3:2，優(yōu)化了手指的結構，既靈活又有力。
[0022](5)本實用新型針對不同水果，利用差動機構實現(xiàn)其側擺方向的微調，避免了對水果表皮的損傷。
[0023](6)本實用新型利用差動機構和帶傳動結合的方式，實現(xiàn)了力的較遠距離的傳輸，減小了基關節(jié)的體積，同時也對電機和機械手起到了一定的保護作用。
[0024](7)本實用新型五指末端執(zhí)行器自由度多，可以一種末端執(zhí)行器實現(xiàn)對不同種類、不同品種的類圓形水果、蔬菜的采摘、分揀，減小了設備的投入。
[0025](8)本實用新型對于一些蘑菇、草莓等形狀復雜以及體積較小的果實，通過各個關節(jié)的配合，也可以實現(xiàn)初步采摘。
【附圖說明】
[0026]圖1:本實用新型五指末端執(zhí)行器的立體結構示意圖；
[0027]圖2:本實用新型中食指結構的主視圖；
[0028]圖3:本實用新型中差動機構的結構不意圖；
[0029]圖4:圖2中近指節(jié)關節(jié)的局部剖放大圖；
[0030]圖5:本實用新型中拇指結構的剖視圖。
[0031]附圖標記說明:
[0032]I一拇指；10—基關節(jié)大齒輪;11一基關節(jié)電機;12一基關節(jié)小齒輪;13—基關節(jié)連接軸;2—手掌;3—食指；30—基關節(jié)第一電機;31—電機槽;32—基關節(jié)第二電機;33—皮帶；34—差動機構；340—第一錐齒輪;341—左軸;342—第二錐齒輪;343—上軸；344—第三維齒輪；345一帶輪;346一第四維齒輪；347一右軸；348一下軸；35一近指節(jié)；36一近指節(jié)電機;37—中指節(jié);38—中指節(jié)電機;39—遠指節(jié);40—連接軸;4 一中指;5—無名指;6—小指。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖，對本實用新型做進一步說明:
[0034]圖1至圖5示出了一種五指末端執(zhí)行器，包括拇指1、手掌2、食指3、中指4、無名指5和小指6。拇指1、食指3、中指4、無名指5、小指6和手掌2固連。其中，食指3、中指4、無名指5和小指6結構相同，本實施例中如圖2所示，以食指3為例來說明它們的結構特點。食指3包括基關節(jié)第一電機30、電機槽31、基關節(jié)第二電機32、皮帶33、差動機構34、近指節(jié)35、近指節(jié)電機36、中指節(jié)37、中指節(jié)電機38、遠指節(jié)39和兩個連接軸40?；P節(jié)第一電機30和基關節(jié)第二電機32安裝于電機槽31中且位于電機槽31的一端，電機槽31固定在手掌2的背面，差動機構34設置在電機槽31的另一端。差動機構34與近指節(jié)35固連，近指節(jié)35通過近指節(jié)電機36和連接軸40與中指節(jié)37連接，中指節(jié)37通過中指節(jié)電機38和另一個連接軸40與遠指節(jié)39連接?；P節(jié)第一電機30和基關節(jié)第二電機32的輸出端分別通過皮帶33和差動機構34的輸入端帶輪345連接從而驅動差動機構34帶動近指節(jié)35的轉動和側擺運動。近指節(jié)35、中指節(jié)37和遠指節(jié)39的長度比例為4:3:2。
[0035]食指3近指節(jié)關節(jié)和中指節(jié)關節(jié)的結構相同，如圖4所示為近指節(jié)關節(jié)的局部剖結構圖，近指節(jié)電機36嵌于近指節(jié)35內部并直接驅動中指節(jié)37轉動。同理，中指節(jié)電機38嵌于中指節(jié)37內部并直接驅動遠指節(jié)39轉動。
[0036]差動機構34如圖3所示，包括第一錐齒輪340、左軸341、第二錐齒輪342、上軸343、第三錐齒輪344、兩個帶輪345、第四錐齒輪346、右軸347和下軸348。左軸341和右軸347分別設置在電機槽31兩壁上。其中一個帶輪345設置在左軸341外端，左軸341內端還設置有第一錐齒輪340，其中另一個帶輪345設置在右軸347外端，右軸347內端還設置有第三錐齒輪344。第一錐齒輪340和第三錐齒輪344相對設置，第二錐齒輪342和第四錐齒輪346分別設置在第一錐齒輪340和第三錐齒輪344之間的上部和下部。第二錐齒輪342與第一錐齒輪340和第三錐齒輪344的上部嚙合，第四錐齒輪346與第一錐齒輪340和第三錐齒輪344的下部嚙合，第二錐齒輪342設置在上軸343上，第四錐齒輪346設置在下軸348上。上軸343和下軸348分別和近指節(jié)35連接。近指節(jié)35與上軸343固連，近指節(jié)35與下軸348轉動連接只起配合作用。
[0037]差動機構34中，第一錐齒輪340和第三錐齒輪344為主動輪，第二錐齒輪342和第四錐齒輪346是被動輪?；P節(jié)第一電機30和基關節(jié)第二電機32分別帶動相對應的皮帶33和帶動帶輪345，將運動傳送到左軸341和右軸347，進而傳遞給第一錐齒輪340和第三錐齒輪344，第一錐齒輪340和第三錐齒輪344通過和第二錐齒輪342和第四錐齒輪346嚙合，將運動傳遞給第二錐齒輪342和第四錐齒輪346，進而傳遞給上軸343和下軸348。本實施例中，差動機構34中的第四錐齒輪346和下軸348主要起到平衡整個機構的作用。
[0038]當基關節(jié)第一電機30和基關節(jié)第二電機32同時正轉或同時反轉時，左軸341和右軸347也同時正轉或同時反轉從而帶動第一錐齒輪340和第三錐齒輪344同時正轉或同時反轉;第二錐齒輪342和第四錐齒輪346受到大小相等、方向相反的力矩作用，保持動態(tài)平衡不產生自轉，而第一錐齒輪340和第三錐齒輪344的轉動帶動整個手指進行俯仰運動。當基關節(jié)第一電機30和基關節(jié)第二電機32—個正傳、一個反轉時，從而帶動第一錐齒輪340和第三錐齒輪344—個正轉、一個反轉，第二錐齒輪342和第四錐齒輪346分別被作用了兩倍的反轉、正轉扭轉轉矩，分別繞上軸343、下軸348反轉、正轉，由于近指節(jié)與上軸343固連，近指節(jié)與下軸348轉動連接只起配合作用，從而帶動手指進行側擺運動。
[0039]拇指I的結構示意圖如圖5所示，包括基關節(jié)大齒輪10、基關節(jié)電機11、基關節(jié)小齒輪12、基關節(jié)連接軸13、近指節(jié)35、近指節(jié)電機36、中指節(jié)37、中指節(jié)電機38、遠指節(jié)39和兩個連接軸40。基關節(jié)電機11固定在手掌2背面，基關節(jié)電機11的輸出端設置有基關節(jié)大齒輪10;近指節(jié)35通過基關節(jié)連接軸13和手掌2連接;基關節(jié)大齒輪10和設置在基關節(jié)連接軸13上的基關節(jié)小齒輪12配合工作從而實現(xiàn)拇指I基關節(jié)的轉動。近指節(jié)35通過近指節(jié)電機36和連接軸40與中指節(jié)37連接，中指節(jié)37通過中指節(jié)電機38和另一個連接軸40與遠指節(jié)39連接。近指節(jié)電機36嵌于近指節(jié)35內部并直接驅動中指節(jié)37轉動。中指節(jié)電機38嵌于中指節(jié)37內部并直接驅動遠指節(jié)39轉動?；P節(jié)電機11驅動基關節(jié)大齒輪10帶動基關節(jié)小齒輪12轉動，近指節(jié)電機36直接驅動中指節(jié)37轉動，中指節(jié)電機38直接驅動遠指節(jié)39轉動，從而實現(xiàn)拇指I的轉動。
[0040]本實用新型末端執(zhí)行器具有19個自由度，食指3，中指4，無名指5，小指6各四個自由度，拇指I有三個自由度。食指，中指，無名指，小指的基關節(jié)第一電機30，基關節(jié)第二電機32通過皮帶33傳動將動力傳動到差動機構34的左軸341和右軸347，從而驅動第二錐齒輪342和第四錐齒輪346的同向或反向轉動，實現(xiàn)其基關節(jié)的轉動或側擺運動。近指節(jié)電機36直接驅動中指節(jié)37轉動，中指節(jié)電機38直接驅動遠指節(jié)39轉動。
[0041 ]本實施例中，末端執(zhí)行器的食指、中指、無名指、小指，結構一致，各有4個自由度，分別為遠指關節(jié)、中關節(jié)、基關節(jié)的俯仰，以及基關節(jié)的側擺運動，各個手指間隔18mm。其中，遠指節(jié)長度20mm、寬18mm，中指節(jié)長30mm、寬24mm，近指節(jié)長40mm，寬18mm。拇指不需要側擺運動，故拇指有3個俯仰自由度，各指節(jié)的長度、寬度，和其余四指相同。
[0042]本實用新型通過各個電機的轉動和相互配合實現(xiàn)末端執(zhí)行器的張開和閉合，使末端執(zhí)行器能夠完成復雜的動作，從而完成多種果實的采摘。
[0043]本實用新型五指末端執(zhí)行器，結構簡單，使用方便，成本低廉，動作靈活，能完成多種果實的采摘。
[0044]上面結合附圖對本實用新型進行了示例性的描述，顯然本實用新型的實現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本實用新型的方法構思和技術方案進行的各種改進，或未經(jīng)改進將本實用新型的構思和技術方案直接應用于其它場合的，均在本實用新型的保護范圍內。
【主權項】
1.一種五指末端執(zhí)行器，包括拇指(1)、手掌(2)、食指(3)、中指(4)、無名指(5)和小指(6)，其特征在于:食指(3)、中指(4)、無名指(5)和小指(6)的結構相同，且分別具有基關節(jié)第一電機(30)、基關節(jié)第二電機(32)和差動機構(34)，基關節(jié)第一電機(30)和基關節(jié)第二電機(32)固定在手掌(2)上，手指的近指節(jié)通過差動機構(34)與手掌(2)連接，基關節(jié)第一電機(30)和基關節(jié)第二電機(32)驅動差動機構(34)從而實現(xiàn)手指的側擺運動和俯仰運動。2.根據(jù)權利要求1所述的五指末端執(zhí)行器，其特征在于:差動機構(34)包括第一錐齒輪(340)、左軸(341)、第二錐齒輪(342)、上軸(343)、第三錐齒輪(344)、第四錐齒輪(346)、右軸(347)和下軸(348);左軸(341)和右軸(347)相對設置在手掌(2)上組成基關節(jié)俯仰轉動軸，第一錐齒輪(340)和第三錐齒輪(344)相對且分別設置在左軸(341)和右軸(347)的內端，左軸(341)和右軸(347)的外端分別由基關節(jié)第一電機(30)和基關節(jié)第二電機(32)驅動；上軸(343)和下軸(348)的外端分別和相對應手指的近指節(jié)連接組成基關節(jié)側擺轉動軸，第二錐齒輪(342)和第四錐齒輪(346)相對且分別設置在上軸(343)和下軸(348)的內端，第二錐齒輪(342)與第一錐齒輪(340)和第三錐齒輪(344)的上部嚙合，第四錐齒輪(346)與第一錐齒輪(340)和第三錐齒輪(344)的下部嚙合。3.根據(jù)權利要求2所述的五指末端執(zhí)行器，其特征在于:基關節(jié)第一電機(30)和基關節(jié)第二電機(32)與差動機構(34)之間分別通過皮帶(33)傳動，差動機構(34)左軸(341)和右軸(347)的外端分別設置有帶輪(345)。4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的五指末端執(zhí)行器，其特征在于:基關節(jié)第一電機(30)和基關節(jié)第二電機(32)安裝于電機槽(31)中的一端并通過電機槽(31)固定在手掌(2)，差動機構(34 )設置在電機槽(31)的另一端。5.根據(jù)權利要求4所述的五指末端執(zhí)行器，其特征在于:左軸(341)和右軸(347)相對且分別設置在電機槽(31)兩壁上。6.根據(jù)權利要求1、2、3或5所述的五指末端執(zhí)行器，其特征在于:拇指(I)包括基關節(jié)大齒輪(10)、基關節(jié)電機(11)、基關節(jié)小齒輪(12)和基關節(jié)連接軸(13);基關節(jié)電機(11)固定在手掌(2)上，基關節(jié)大齒輪(10)設置在基關節(jié)電機(11)的輸出端，拇指的近指節(jié)通過基關節(jié)連接軸(13)和手掌(2)連接，基關節(jié)大齒輪(10)和設置在基關節(jié)連接軸(13)上的基關節(jié)小齒輪(12)配合工作從而實現(xiàn)拇指(I)基關節(jié)的轉動。7.根據(jù)權利要求1、2、3或5所述的五指末端執(zhí)行器，其特征在于:拇指(1)、食指(3)、中指(4 )、無名指(5 )和小指(6 )均包括近指節(jié)、中指節(jié)、遠指節(jié)和連接軸，近指節(jié)通過近指節(jié)電機和相對應的連接軸與中指節(jié)連接，中指節(jié)通過中指節(jié)電機和相對應的連接軸與遠指節(jié)連接。8.根據(jù)權利要求6所述的五指末端執(zhí)行器，其特征在于:拇指(1)、食指(3)、中指(4)、無名指(5)和小指(6)均包括近指節(jié)、中指節(jié)、遠指節(jié)和連接軸，近指節(jié)通過近指節(jié)電機和相對應的連接軸與中指節(jié)連接，中指節(jié)通過中指節(jié)電機和相對應的連接軸與遠指節(jié)連接。9.根據(jù)權利要求7所述的五指末端執(zhí)行器，其特征在于:近指節(jié)電機嵌于近指節(jié)內部并直接驅動中指節(jié)轉動；中指節(jié)電機嵌于中指節(jié)內部并直接驅動遠指節(jié)轉動。10.根據(jù)權利要求7所述的五指末端執(zhí)行器，其特征在于:近指節(jié)、中指節(jié)和遠指節(jié)的長度比例為4:3:2。
【文檔編號】B25J15/02GK205521458SQ201620265750
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月2日
【發(fā)明人】劉利, 史穎剛, 郭陽, 陳軍, 崔永杰, 趙繼政, 傅龍生, 姜豪, 李汝春, 周俊童, 郭嬌嬌, 龍燕, 靳紅玲, 盧文華
【申請人】西北農林科技大學