[发明专利]一种可根据果实大小调整作业尺寸的末端执行器手指

说明书

技术领域

本专利涉及果实的采摘领域，具体涉及针对不同果实的一种可根据果实大小调整作业尺寸的末端执行器手指。

背景技术

在果园生产全过程中，果园收获作业是最重要的环节，具有季节性强和劳动密集的特点，劳动力成本占整个生产过程的35%~45%。中国是世界上果实种植面积最大的国家，但目前靠人工采摘，是各种果实种植中最费时费力的环节。因此，研究果实采摘机器人具有重要意义。相比于工业机器人，果实采摘机器人在工作上存在一定难度。首先，果实采摘机器人的作业对象复杂程度高。不同于工业生产，果实具有一定柔软性，在采摘过程中要避免伤到果树及果实有一定难度。采摘时为保证不损伤果实需要进行毗邻果实分离，降低夹持力，同时去除果柄，果实无损采摘是采摘机器人的关键技术之一，主要靠采摘机器人末端执行器机构及手指原理来保证。

在Josef F. Christ等人发表的“3D printing of highly elastic strain sensors using polyurethane/multiwall carbon nanotube composites”文章中证明了低成本制造嵌入式和多向柔性应变传感器的可能性，及其在软机器人、柔性电子和健康监测方面的潜在应用。在CameronHohimer等人发表的“3D printed thermoplastic polyurethane with isotropic material properties”的论文中通过实验证明：空气间隙对塑模样品的UTS有显著影响，与刚性热塑性塑料不同，可以在打印的TPU样品中产生各向同性的机械性能。这种材料可用于3D打印机中，从而构造任意形状的物体。通过特殊设计，能使该物体的形状在充气后发生变化，例如未充气时为直的，充气后弯曲。

基于以上分析，本专利提出一种基于柔性材料的可根据果实大小调整作业尺寸的末端执行器手指，设置特殊气体通道，充气后使柔性材料弯曲，利用多根手指包围果实，模拟人手实现果实的采摘。

发明内容

针对不同果实的无损采摘，本专利提出了一种可根据果实大小调整作业尺寸的末端执行器手指。该末端执行器手指包括连接口11、分流道12、关节层13、气流道14和多向柔性应变传感器15。当有气流通过分流道12进入气流道14时，可根据气流的流速及体积控制手指关节层的弯曲程度，实现对不同果实的抓取及释放。多向柔性应变传感器15置于手指内部，多向柔性应变传感器1的安放可及时反馈抓紧力的大小，判断是否抓紧可靠。手指通过固定夹204固定于末端执行器的固定板205上，末端执行器包括食指200、中指201、无名指202、螺钉203、固定夹204、固定板205、分流口206、进气口207、气流通道环208、主流口209和弹性绳210。通过手指底部的连接口11及软管将各手指的分流道12连接成气流通道环208；固定板205及弹性绳可有效防止果实掉落或者损伤；手指的关节层13的设置是为了让手指在有气流通过时，更好的实现手指的弯曲收缩及伸长。通过调节螺钉203的松紧实现固定夹204位于关节层13不同的高度，构成不同长度的手指，从而实现一个末端执行器对多种不同尺寸果实的采摘。

本专利的优点：该末端执行器手指结构简单；多向柔性应变传感器的使用让整个过程灵活、快速，增加了采摘效率；通过末端执行器三手指的配合可有效解决毗邻果实分离问题，实现单个果实稳定抓取和无损采摘。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本专利进一步详细的说明。

图1是手指结构的三视图；

图2是手指在末端执行器上的装配图的三视图及其仰视图。

具体实施方式

如图1、2所示，本专利的一种可根据果实大小调整作业尺寸的末端执行器手指，该末端执行器手指包括连接口11、分流道12、关节层13、气流道14和多向柔性应变传感器15。

具体工作过程：

工作时，根据不同果实的尺寸预先通过调节螺钉203的松紧将固定夹204位于关节层13的不同高度，构成不同长度的手指，以更好的实现对不同果实的采摘。基于机器人的识别定位系统将末端执行器移至果实下方，继而将末端执行器升高，当手指上的多向柔性应变传感器15接触到果实时，开始对手指充气。气流通过末端执行器上进气口207经过主流口209进入气流通道环208，气流逐渐填充气流通道环208，同时经由各分流口206进入手指的气流道14，进而控制各手指弯曲抓紧果实，该动作同时能有效撑开毗邻果实，底部的弹性绳210及固定板205可防止果实的掉落或者损伤，中指201比其它两手指更长不但是为了仿生人手结构，更是采摘过程的实际需要：若各手指高度一致，在弯曲抓紧过程中手指之间会接触挤压，影响对果实的抓紧。当抓紧力达到预设力时，停止充气，基于傅隆生等人发表的《猕猴桃采摘机器人末端执行器设计与试验》中的旋转采摘原理：果实与树枝分离时能承受较大的拉应力，但受剪切力作用时易被分离。然后将末端执行器在竖直平面内旋转一定角度实现果实与树枝的分离，完成采摘。