果蔬采收机器人用可控力的末端执行器的制作方法

1.本实用新型涉及果蔬自动化采摘技术领域，具体而言涉及果蔬采收机器人用可控力的末端执行器。


背景技术：

2.在果蔬的规模化农业生产中，采摘收获工作量巨大。为了提高采摘收获的效率、保证果蔬的采摘质量，以及在收获期内及时的采摘，现有技术通常使用采摘机器人或者机械手实现自动化或者半自动化的采摘，例如对于苹果、橙、番茄等蔬果的采摘，通过计算机视觉定位果实位置，然后通过机械手剪断或者切断梗部，并将采摘的果实放入到接纳筐，实现对具有一致形貌特征的果蔬的快速采摘与归类摆放。
3.采摘过程中保证果蔬质量并且不破坏果蔬表面是规模农业的关键技术，一方面可提升果蔬整体的观感卖相、一致性和质量，另一方面，果蔬采摘质量的好坏，还将直接影响到水果的保鲜储藏、运输配送等后续工作。
4.采集机器人或者机械手的末端执行器，设计成与被采的果蔬仿形的方式，在通过视觉定位感知到果蔬的位置后，通过仿形的“夹持手”夹住或者抱住果蔬，然后进行剪断。在此过程中，对于夹持力的控制是个难题，夹持力过大容易造成果蔬破裂，破坏果蔬，夹持力过小存在不易将果蔬摘下的问题。
5.目前，现有技术中通常通过柔性夹爪等方式并通过对夹爪的夹紧驱动控制来实现夹紧和采摘。例如，专利文献1所提出的方案，采用柔性夹爪采摘果蔬，对果蔬有一定的保护效果，但是无法准确的控制力的大小。又如专利文献2所提出的方案，在夹持端设置传感器，控制夹持端的进给位移，而单一的传感器测量存在误差，导致可靠性低，因此，如何实现稳定、可靠的夹持是需要解决的难题。
6.现有技术文献：
7.专利文献1：cn101238775a果蔬收获机器人柔顺采摘末端执行器
8.专利文献2：cn206743906u一种猕猴桃果实采摘末端执行器


技术实现要素：

9.本实用新型目的在于提供果蔬采收机器人机械用可控力的末端执行器，保持对果蔬夹持力控制的稳定。
10.本实用新型提出一种果蔬采收机器人用可控力的末端执行器，包括：
11.两个相对设置的夹持部，所述夹持部可被驱动相对运动以形成与果蔬仿形的夹持空间；所述夹持部相对运动的方向被定义成第一方向；
12.弹性力传递构件，与夹持部一一对应的设置，所述弹性力传递构件的第一端被连接到夹持部；
13.驱动构件，连接到所述弹性力传递构件的相对的第二端，所述驱动构件被设置成沿着第二方向驱动所述弹性力传递构件发生弹性变形；所述第一方向与第二方向相同；
14.其中，所述弹性力传递构件在被所述驱动构件驱动时，发生弹性变形并且向所述夹持部施力，以将驱动构件的驱动力传递至夹持部，驱动两个夹持部相互靠近运动，以对果蔬进行夹持。
15.优选地，所述弹性力传递构件包括弹性变形与驱动构件施加的驱动力成线性变化的线性弹性部件，并且在发生弹性形变时，产生沿第二方向并呈线性变化的弹力。
16.优选地，所述夹持部设有第一压力传感器，用于获取夹持部受到的压力，记为第一压力；所述弹性力传递构件的其中一端设有第二压力传感器，用于获取弹性力传递构件受到的压力，记为第二压力；所述驱动构件被设置成根据所述第一压力和第二压力控制夹持部对果蔬的夹持。
17.由此，通过夹持部以及弹性驱动部分的压力监测，由于电机驱动构件与夹持部之间通过解耦的方式进行力矩的传递，避免采用刚性的直接传递带来的对果蔬的损伤，当其中任意一个达到预设的阈值时，则停止电机的驱动力。
18.优选地，所述驱动构件包括电机以及由电机驱动的传动组件，所述传动组件被驱动实现直线往复运动，运动方向与所述第一方向保持一致。
19.优选地，所述传动组件的电机被设置在两个夹持部之间，传动组件与所述夹持部一一对应的设置；每个传动部件与夹持部之间连接所述的弹性力传递构件。如此，在夹持部与电机驱动构件组件实现解耦，并且结构紧凑设计。
20.优选地，所述传动部件包括一端连接到弹性力传递构件、另一端连接至电机的l型板，具有水平的连接板和竖直的驱动板，弹性力传递构件水平地横置于连接板上部并与其不接触，弹性力传递构件的一端连接至一侧的夹持部，另一端连接至驱动板，在其被电机驱动产生弹性变形时，使两个夹持部相互靠近运动。
21.优选地，所述弹性力传递构件具有恢复到初始状态的趋势。
22.优选地，所述弹性力传递构件包括线性弹簧。
23.优选地，所述驱动板上设有至少一个导向杆，所述夹持部和线性弹簧均套设在导向杆上，并且所述夹持部被设置成沿着导向杆滑动。
24.优选地，所述l型板的驱动板与夹持部之间还设置有限位组件，用以限制所述弹性力传递构件的最大形变。
25.优选地，所述限位组件包括与所述至少一个导向杆平行设置的限位杆，所述限位杆的一端连接到所述夹持部，另一端穿过驱动板并在端部设置接近开关，响应于接近开关感应所述驱动板达到最大位移，所述驱动构件停止驱动。
26.本实用新型的果蔬采收机器人机械用可控力的末端执行器，在驱动构件与夹持部之间设有弹性力传递构件，通过弹性力传递构件在电机驱动构件与夹持部之间实现力的解耦设计，提供柔性保护，利用驱动力的迟滞和缓冲，提高夹持的可靠性和稳定性。
27.应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的实用新型主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的实用新型主题的一部分。
28.结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本实用新型教导的前述和其他方面、实施例和特征。本实用新型的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本实用新型教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
29.附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例，其中：
30.图1、2是本实用新型第一实施例的果蔬采摘机器人机械手的结构示意图；
31.图3是本实用新型果蔬采摘机器人机械手的力矩控制方法的原理简图；
32.图4是本实用新型果蔬采摘机器人机械手的控制原理框图。
具体实施方式
33.为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
34.在本公开中参照附图来描述本实用新型的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本实用新型的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意果蔬采收机器人用可控力的末端执行器及力矩控制方法来实施，这是因为本实用新型所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本实用新型公开的一些方面可以单独使用，或者与本实用新型公开的其他方面的任何适当组合来使用。
35.现有技术中的用于果蔬的末端执行器(即果蔬采收机器人用可控力的末端执行器)一般是设置1-3个活动的夹持部，但是夹持部对于夹持力的可控性以及可靠性较低，尤其是，传动系统和控制系统存在精度偏差，当传感器感知到压力值时，驱动仍在进行，即发生对果蔬夹持力过大而导致果蔬破裂或破损的情况，本实用新型旨在实现，能准确的控制夹持到果蔬表面的力，提高果蔬夹持力度的精准可控和夹持可靠性。
36.如图1所示实施例的果蔬采摘机器人的机械手，主要包括夹持部1、弹性力传递构件4和驱动构件6。驱动构件6采用电机驱动构件，以驱动夹持部1的运动。
37.如图1，两个夹持部1相对地设置，尤其是采用相同的结构并对称地设计，夹持部1可被驱动相对运动以形成与待采收的果蔬仿形的夹持空间。果蔬在夹持过程中被夹在两个夹持部1之间。
38.其中，夹持部1相对运动的方向被定义成第一方向。
39.如图1所示的示例，夹持部1具有用于夹持果蔬的夹持端11(如图示的具有与类球形果蔬仿形的弧形部分)和连接驱动构件的驱动部12(如图所示的块状结构)。
40.弹性力传递组件4，与夹持部1一一对应地设置，即弹性力传递组件4与夹持部1成组地设计。如图1所示的示例中，左右两侧分别设置一组弹性力传递组件4与夹持部1。对于每一组弹性力传递组件4与夹持部1设计来说，弹性力传递组件4的第一端被连接到对应的夹持部1，尤其是连接到夹持部1的驱动部12。
41.驱动构件，例如电机驱动构件，连接到弹性力传递组件4的相对的第二端。结合图1，驱动部件被设置成沿着第二方向驱动所述弹性力传递组件发生弹性变形；所述第一方向与第二方向相同。
42.如此，如图1所示的示例中，弹性力传递组件4在被所述驱动部件驱动时，发生弹性变形并且向夹持部1施力，以将驱动部件的驱动力传递至夹持部1，驱动两个夹持部相互靠近运动，以对果蔬进行夹持。
43.其中，优选的例子中，弹性力传递组件4采用括弹性变形与驱动部件施加的驱动力成线性变化的线性弹性部件，尤其是优选为线性弹簧，其在发生弹性形变时，产生沿第二方向并呈线性变化的弹力，以保证对夹持器的施加的力矩的线性变化，实现高可靠性的驱动。
44.在可选的实施例中，驱动构件6包括电机(例如旋转电机)以及由电机驱动的传动组件，传动组件被驱动实现直线往复运动，运动方向与第一方向保持一致。如图1，传动组件的电机被设置在两个夹持部1之间，传动组件与夹持部一一对应的设置；每个传动构件与夹持部之间连接所述的弹性力传递组件。优选地，电机以及传动部件的部分结构尤其可被设计成容纳在一个保护箱体内。
45.在可选的实施例中，电机的输出端集成或者配合设计有减速器，传动部件与减速器的输出齿轮啮合。
46.如此，可压缩机械手的整体体积或空间，使结构变得紧凑，
47.如图1所示，传动构件包括一端连接到弹性力传递组件4、另一端连接至电机的输出端的l型板5，实现电机的旋转运动到l型板5的直线运动的转换。在可选的例子中，l型板优选具有齿条结构设计，与电机输出端的齿轮啮合，实现电机的旋转运动与l型板5的直线直线运动的转换，在电机转动驱动时，驱动l型板5的直线往复运动。
48.如图1所示的示例中，以右侧部分的驱动结构设计为例，l型板5具有水平的连接板51和竖直的驱动板52，弹性力传递组件4水平地横置于连接板51上部并与其不接触。弹性力传递组件4的一端连接至一侧(右侧)的夹持部1，另一端连接至驱动板52，在其被电机驱动产生弹性变形时，使两个夹持部相互靠近运动。
49.图1示例中，弹性力传递组件4具有恢复到初始状态的趋势。
50.在优选的实施例中，电机采用高精度的步进电机，在被驱动时，产生均匀可控的驱动力输出，施加到线性弹簧上，使得线性弹簧产生相应地弹性形变并对夹持部施加对应的力，驱使夹持部相互靠近地运动。
51.如此，弹性力传递构件4可以在驱动构件6和夹持部1之间起到柔性连接的作用，对夹持部1夹持的果蔬起到保护作用，尤其是，在驱动构件6持续驱动夹持部1向果蔬夹持时，当驱动构件6被控制停止驱动时，由于机械精度或电控系统迟滞的原因，可以通过弹性力传递构件4的形变来对误差进行补偿，以保持夹持力稳定在可控的范围内。
52.在可选的实施例中，在夹持部1和驱动构件6之间设有线性弹簧，第二压力传感器3设置在线性弹簧的其中一端(图示为设置在线性弹簧靠近夹持部1的一端)。
53.如此，当驱动构件6驱动夹持部1相互靠近时，采用刚性解耦的柔性驱动方式连接，若传感器出现误差或信号传递的延迟，所产生的误差位移可以被弹簧所弥补，实现柔性保护。
54.在优选的实施例中，结合图1所示，驱动板52上设有至少一个导向杆53，在一侧的驱动结构设计上，夹持部1和线性弹簧均套设在导向杆53上，并且夹持部1被设置成沿着导向杆滑动，实现对夹持部运动的导向。
55.图1的示例性方案中，夹持部1的驱动部12和对应的l型板5之间设有两个平行布置的导向杆53。
56.如图1，l型板5的运动驱动线性弹簧产生弹性形变时，即驱动板52在第二方向产生压缩线性弹簧的位移时，通过导向杆53的限位作用，使弹簧的弹力与驱动构件6驱动方向相
同，并且，弹簧的形变力和形变量线性相关，有利于通过弹簧的形变量控制弹簧对夹持部1的驱动构件12施加的压力。
57.优选地，l型板的驱动板52与对应的夹持部1之间还设置有限位组件，用以限制所述弹性力传递组件的最大形变。
58.如图1示例的方案中，对应于每一侧的一组驱动结构设计来说，以图示中的右侧为例，限位组件包括与导向杆53平行设置的限位杆71，限位杆71的一端连接到夹持部1的驱动部12，另一端穿过驱动板52并在端部设置接近开关，响应于接近开关感应所述驱动板达到最大位移，所述驱动构件停止驱动。
59.如此，当电机驱动传动组件，使得驱动板52在第二方向产生压缩线性弹簧的位移时，通过接近开关感应驱动板52的位移(通过感应与驱动板52的位置实现)，并且在其位移达到允许的最大位移量时，控制电机停止驱动。如此，通过控制驱动板52在第二方向的位移而限制线性弹簧的最大允许弹性变形，即限制其输出的力矩。
60.如图1所示，限位杆的端部还可以设计调节螺母72，可通过调节螺母调节初始状态下线性弹簧的形变量。
61.如图1，驱动构件6的保护箱体上固定有连接到采摘机器人的安装法兰61，采摘机器人能根据视觉系统控制机械收移动到果蔬的外围，控制驱动构件6产生夹持指令，使两个夹持部1夹持果蔬。
62.结合图1所示的结构设计示例以及图3所示原理示意图，夹持部1设有第一压力传感器2，用于获取夹持部受到的压力，记为第一压力f1；弹性力传递组件的其中一端设有第二压力传感器3，用于获取弹性力传递组件受到的压力，记为第二压力f2。
63.驱动构件被设置成根据所述第一压力f1和第二压力f2控制夹持部对果蔬的夹持。
64.在本实用新型的实施例中，对于某一种果蔬来说，采摘时的驱动力以及夹持端的受力应当是保持恒定，并且二者之间应当保持一致的。
65.由此，通过本实用新型提供的解耦型设计的夹持系统，通过夹持过程中持续的压力监控实现对果蔬采摘的保护。
66.尤其是，当第一压力f1和第二压力f2中的任意一个达到预设的采摘压力阈值时，控制驱动构件停止驱动。
67.如此，结合导向杆53的设置，实现对夹持部1的移动方向进行导向控制，当l型板5向内挤压线性弹簧时，夹持部1的在两个导向杆53上向内滑动，滑动过程中保持姿态稳定，有利于实现力矩传递的稳定可靠传输，并且使得传感器获得准确的压力数据以实现精确的夹持驱动控制。
68.如图1，驱动构件6能驱动夹持部1沿夹持方向移动，以产生夹持动作，并通过压力f1与f2的持续监控实现精确的夹持控制。
69.驱动构件6具有夹持状态和停止状态，在夹持状态时，用于驱动夹持部1沿夹持方向持续移动，以夹持果蔬，在停止状态时，驱动构件停止驱动。
70.结合图4所示，控制器根据第一压力传感、第二压力传感器的输入压力值以及得到压力数值的比较结果，控制驱动构件不同的工作状态。
71.具体的，在夹持部夹持过程中，当夹持部1接触到果蔬表面后，第一压力传感器获取夹持端11受到的压力f1和第二压力传感器获取弹性力传递组件受到的压力f；驱动构件
被设置成根据所述第一压力f1、第二压力f2及其与预设的压力值f0的比较结果，控制夹持部对果蔬的夹持；其中，响应于第一压力f1与第二压力f2中的任意一个达到预设的压力值f0，控制驱动构件停止驱动夹持部继续夹持。
72.在一些实施例中，根据果蔬类型设定夹持预设压力值f0。可选的，不同的果蔬所设定的预设压力值f0不同，其中预设压力值f0的数值确定是通过对果蔬表面进行夹持的试验得出。
73.如此，为了保持施加的压力不会超出预设压力值f0，当接触部分和驱动部分任意一个超出了预设压力值f0，都会停止继续夹持的过程，可以降低因机械装配误差、精度而对夹持力过大的影响。
74.进一步的，在正常工作状态下，由于第一压力f1表明夹持器端所受到的压力(同时也是施加到果蔬表面的力)，第二压力f2表明弹性力传递组件受到来自驱动构件的压力，对于同一个采摘的果蔬来说，二者应当保持一致，但由于系统误差、装配误差或者传感器的影响，二者现实实现时通过会在一个相差不大的预设范围内浮动。我们通过持续监测第一压力f1与第二压力f2的差值变化，当|f1-f2|》f
警
，控制器输出报警信号；其中f
警
为第一压力f1和第二压力f2之间的误差允许值。
75.即，当f1和f2之间的差值大于允许的预设值时，则表面采摘机械手系统出现故障，需要进行重新调试，例如由于夹持速度过快，造成两个部分的压力差过大，需要调整夹持参数；又或者由于机械故障，造成传感器数值错误，需要停机维修。
76.如此，通过两个压力差值，可以反馈到整个系统的运行状态，有利于提高系统稳定性。
77.因此，在可选的实施例中，在夹持部夹持过程中，持续监测所述驱动构件的驱动行程是否达到预设阈值，并且在达到预设阈值时，控制驱动构件停止驱动夹持部继续夹持。
78.在夹持部夹持过程中，监测第一压力f1与第二压力f2的差值变化，并且响应于|f1-f2|》f
警
，输出报警信号；其中f
警
为第一压力f1和第二压力f2之间的误差允许值。
79.结合图3、4所示，本实用新型提出的种果蔬采摘机器人末端执行器，在处理果蔬采摘过程中，对于夹持力的控制过程包括：
80.获取夹持部受到的压力，记为第一压力f1；
81.获取弹性力传递构件受到的压力，记为第二压力f2；
82.所述驱动构件被设置成根据所述第一压力f1、第二压力f2及其与预设的压力值f0的比较结果，控制夹持部对果蔬的夹持；
83.其中，响应于第一压力f1与第二压力f2中的任意一个达到预设的压力值f0，控制驱动构件停止驱动夹持部继续夹持。
84.优选地，在夹持部夹持过程中，持续监测所述驱动构件的驱动行程是否达到预设阈值，并且在达到预设阈值时，控制驱动构件停止驱动夹持部继续夹持。如此，在第一压力f1和第二压力f2起到双重保护的同时，采用限位组件的设计，对线性弹簧的弹性形变进行限制保护，进一步的提高了夹持的可靠性。
85.优选地，在夹持部夹持过程中，监测第一压力f1与第二压力f2的差值变化，并且响应于|f1-f2|》f
警
，输出报警信号；其中f
警
为第一压力f1和第二压力f2之间的误差允许值
86.如此，通过两个传感器的压力差值监控，可以反馈到整个系统的运行状态，有利于
提高系统稳定性。
87.虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。