[发明专利]草莓采摘机器人

权利要求书

1.一种草莓采摘机器人，包括机身、行走腿、机械臂、机械手，其特征在于：

所述行走腿的数量为多条，多条行走腿对称设置在机身左右两侧，每条行走腿分别包括大腿、小腿，并设置三个自由度，分别为第一舵机控制行走腿在水平面内摆动的第一髋关节自由度，第二舵机控制大腿竖直平面内摆动的第二髋关节自由度，以及第三舵机控制小腿竖直平面内摆动的膝关节自由度，第二舵机、第三舵机联合工作，使机器人可以作俯仰运动，第一舵机、第二舵机、第三舵机联合工作，使机器人可以行走；

所述机械臂包括设于机身背部前端的大臂、小臂，所述机械臂具有三个自由度，分别为第四舵机带动机械臂在水平面360°旋转的第一肩关节自由度，第五舵机带动上臂俯仰的第二肩关节自由度，第六舵机带动小臂俯仰的肘关节自由度；第四舵机、第五舵机、第六舵机联合工作，用于带动机械手运动至所摘草莓的位置；

所述机械手设于小臂末端，所述机械手包括左夹钳和右夹钳，左夹钳和右夹钳后端铰接定位，左夹钳和右夹钳的上端设置刀刃，刀刃突出左夹钳和右夹钳的相向面，用于剪切果柄，左夹钳和右夹钳之间设有一手抓舵机，所述手抓舵机的输出端连接手抓底盘，所述手抓底盘分别铰接左动杆和右动杆的一端，左动杆和右动杆的另一端分别铰接于左夹钳和右夹钳的中部，所述手抓舵机通过左动杆和右动杆带动左夹钳和右夹钳的前部合拢，进行夹持、剪切，形成双支点回转型剪夹一体化机构；

所述机身呈六边形，该六边形的六个角对称位于机身的左右两侧，所述行走腿的数量为六条，六条行走腿的分布于六边形机身的六个角的位置；

草莓采摘机器人左侧三条腿从前往后记为1号腿、3号腿、5号腿，右侧三条腿从前往后记为2号腿、4号腿、6号腿，六条腿分为两组，第一组腿为1号腿、4号腿、5号腿，第二组腿为2号腿、3号腿、6号腿，草莓采摘机器人行走时具有直线步态、转弯步态；

所述直线步态方法实现方法如下：

草莓采摘机器人的两组腿均具有直线摆动相和直线支撑相，所述直线摆动相指腿抬起向前摆动，所述直线支撑相指支撑草莓采摘机器人的腿同时向后摆动，草莓采摘机器人的两组腿交替变化直线摆动相和直线支撑相，使机器人实现重心不断向前的直线步态；

所述转弯步态实现方法如下：

草莓采摘机器人的两组腿均具有转弯摆动相和转弯支撑相，所述转弯摆动相指腿抬起沿草莓采摘机器人的中心点顺时针或者逆时针摆动，所述转弯支撑相指腿支撑草莓采摘机器人的同时沿草莓采摘机器人的中心点逆时针摆动或者顺时针摆动，转弯摆动相和转弯支撑相中腿的摆动方向相反，草莓采摘机器人的两组腿交替变化转弯摆动相和转弯支撑相，使机器人实现顺时针或逆时针转弯步态；

草莓采摘机器人的机身关于几何中心点左右对称且前后对称的结构，而且质地均匀，使机身的重心点与机身的中心点在水面方向重合，以草莓采摘机器人的中心点为原点，沿横向为X轴，沿纵向为Y轴，建立平面坐标系，所述草莓采摘机器人的1号腿、2号腿、5号腿、6号腿距离中心点的距离相同，3号腿、4号腿的固定端距离中心点的距离相同，且每条腿的长度相同，草莓采摘机器人1号腿、2号腿之间的距离以及5号腿、6号腿之间的距离均为d，1号腿、3号腿之间的距离以及3号腿、5号腿之间的距离均为e，3号腿、4号腿之间的距离为f；

草莓采摘机器人直线步态中，保持平衡的方法如下：

设草莓采摘机器人静止站立状态时，腿的固定端和自由端之间在X轴方向上的长度为a，机器人的半步长为b，A、B、C、D、E、F分别是2号腿、3号腿、6号腿、1号腿、4号腿、5号腿自由端的位置，A’、B’、C’、D’、E’、F’分别是2号腿、3号腿、6号腿、1号腿、4号腿、5号腿的重心位置，A’、B’、C’的坐标分别是,A′((a+d)/2，e-b/2),B′(-(f+a)/2，-b/2),C′((a+d)/2，-(e+b/2))，设每条腿的重量都是mg，草莓采摘机器人重心的计算过程如下：

X轴向的重心位置：

x＝(a+2d-f)/2

Y轴向的重心位置：

y＝1.5b

重心的坐标位置(m，n)＝((a+2d-f)/2，-1.5b)，重心距离原点的长度为：

为了避免重心跳出ΔABC区域，需要计算抬腿起始点和着地终止点的坐标，设D,E,F为着地点，各自的坐标分别为：D(-(a+d/2)，e+b)，E(a+f/2，b)，F(-(a+d/2)，b-e，此时重心点与EF线最为接近，设置此线为危险线，计算重心点和EF线之间的函数关系过程如下：

y-y_E＝K(x-x_E)

将(m，n)带入上述方程有：

即腿的固定端和自由端之间在X轴方向上的长度a与机器人的半步长b之间的长度变量函数关系，为了寻找合适的步长和腿长度之间的关系，仿真出腿的固定端和自由端之间在X轴方向上的长度a与机器人的半步长b之间的关系，满足关系就能保证草莓采摘机器人稳定前进；

草莓采摘机器人转弯步态中，保持平衡的方法如下：

转弯步态中，1号腿、4号腿、5号腿和2号腿、3号腿、6号腿分别做支撑相和摆动相交替运动，设1号腿、2号腿、5号腿、6号腿的固定端距离原点的距离为r1，3号腿、4号腿的固定端距离原点的距离为r2，其中，r2＝f/2，r1与r2由机身尺寸决定，是六条腿分布的外边界和内边界，机器人在转弯的过程中摆动相的三条腿和支撑相的三条腿在x-y轴平面的投影始终保持着各自互相平行的关系，在这个过程中支撑相腿的支撑点为防止脚底打滑，始终和机身原点之间保持距离不变的关系，摆动相的腿在摆动过程中保持沿设定的轨迹线摆动，在这个过程中各摆动相腿的自由端始终和腿固定点之间的水平距离保持不变的关系，以保证草莓采摘机器人在整个转弯步态过程中是围绕着机身原点发生偏移的稳定转弯；

求解草莓采摘机器人转弯步态参数之间的函数关系：

当机器人运动时摆动相的重力会使重心发生移动，因此需要研究清楚重心位置和受力区域的关系，摆动相腿的重心点位置分别为A’(-(a+d)/2,e+b/2)，B’((f+a)/2,-b/2)，C’(-(a+d)/2,b/2-e)，支撑相腿的足端位置坐标分别为D(d/2+a,e+b)，E(-(f/2+a)，-b),F(d/2+a,b-e)，

重心在x轴向的位置为：

重心在y轴方向的位置：

故重心坐标为重心坐标与直线DE的距离最近，因此重心最有可能翻越直线DE发生倾覆，DE的函数表达式为：

将重心坐标带入函数表达式计算,得出腿的固定端和自由端之间在X轴方向上的长度a与机器人的半步长b之间的关系式如下：

仿真出转弯过程中腿的固定端和自由端之间在X轴方向上的长度a与机器人的半步长b之间的函数关系。