[发明专利]小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器及其采摘方法

说明书

本发明公开了一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，包括柔性手指、手指关节、基座和仿生喉管。柔性手指的底部通过T形槽与连接块固定后通过螺钉螺母固定在手指关节上连杆上；手指关节下连杆与滑台气缸固定后通过螺钉固定在基座上。手指关节上安装有本发明设计的柔性波纹管，基座下方安装有本发明设计的仿生喉管，通过波纹管的充气放气，滑台气缸的直线运动和仿生喉管的充气放气实现了柔性手指对的自适应包络式抓取采摘和吞咽式运输。本发明结构简单、质量轻便、价格低廉，解决了小型球形水果采摘效率低，采摘接触力过大对果实造成损伤和采摘时小型球形水果坠落跌损，采摘后小型球形水果间两两碰撞损伤导致采摘失败的技术难题。

技术领域

本发明涉及一种采摘末端执行器，尤其涉及一种柔性抓吸式机械手，属于机械手设计技术领域。

背景技术

我国苹果产量高居世界第一，其采摘作业是生产过程中最为耗时费力的环节，具有季节性强、劳动强度大等特点，目前以人工为主要采摘方式，成本高，限制了苹果产业的进一步发展。为了可靠而又柔顺地采摘下成熟果实，保证苹果能及时收获，降低生产成本以提高产品竞争力，使苹果产业进一步发展，研究苹果采摘末端执行器具有重要意义。

传统的末端执行器通常以工业生产线为应用领域，工作对象一致，工作环境简单，因此往往采用刚性结构，抓取易损对象时容易造成对象损伤。采摘末端执行器以农业果园为应用领域，工作对象为水果，不仅质地柔嫩且个体之间大小、尺寸均存在差异，且工作环境非结构化程度高，将传统工业末端执行器用于采摘，极易对脆弱的果实造成损伤，降低产量，造成经济损失。

普通柔性末端执行器多由传统末端执行器改造而来，在接触位置安装柔性材料、或采用欠驱动的结构来提高适应性。但这种机械手依然存在局限性，依赖精准的信号驱动才能实现对不同果实的稳定、柔顺采摘，结构复杂、成本较高、控制难度大，因此限制了其在农业领域的推广。

发明内容

本发明针对背景技术中存在的问题，提出了一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器及其采摘方法。

技术方案：

本发明首先公开了一种小型球形水果柔性抓吸式采摘末端执行器，它包括柔性手指(1)、手指关节(2)、基座(3)和仿生喉管(4)，手指关节(2)包括连接块(5)、上连杆(2.1)、上紧固环(6)、柔性波纹管(7)、下紧固环(8)、下连杆(2.2)和滑台气缸(9)；柔性手指(1)为V形结构，柔性手指(1)的表面设置薄膜压力传感器；柔性手指(1)的底部通过T形槽与连接块(5)连接；多个手指关节(2)均匀分布于基座(3)的周向，手指关节(2)通过螺钉安装在基座(3)上；连接块(5)与上连杆(2.1)通过螺钉螺母固定，上连杆(2.1)与下连杆(2.2)通过销钉连接，下连杆(2.2)通过螺钉固定安装在滑台气缸(9)上；上连杆(2.1)下部和下连杆(2.2)上部均有凸台结构，柔性波纹管(7)上端通过上紧固环(6)固定在上连杆凸台上，下端通过下紧固环(8)固定在下连杆凸台上；下连杆内部开有气道，一端经下连杆凸台与柔性波纹管相连，另一端接气管与气源相连；常压状态下柔性波纹管(7)呈压缩状，正压状态下柔性波纹管(7)呈直立状，柔性波纹管(7)在缩伸过程中带动上连杆(2.1)向内旋转，进而带动柔性手指(1)向内抓拢形成果实包络；滑台气缸(9)包括收缩和伸出状态，伸出过程中带动柔性手指(1)下拉实现摘取动作；

基座(3)的中间设有孔洞，基座(3)与仿生喉管(4)组成吞咽管道；所述仿生喉管(4)为圆筒腔体结构，其侧壁设有气嘴，连接气管由气源供气，仿生喉管的水平剖面在常压状态下为椭圆形，负压状态下为圆形。

优选的，所述柔性手指(1)为V形鳍条结构。

优选的，所述柔性手指(1)、柔性波纹管(7)、仿生喉管(4)的材质为硅胶材料，通过手板复模技术制作。

优选的，所述手指关节(2)、基座(3)为光敏树脂材料，通过3D打印技术制作。

优选的，所述柔性手指(1)与上连杆(2.1)之间夹角为15°。