[发明专利]一种可根据果实大小调整作业范围的柔性末端执行器手指及使用方法

说明书

本专利是针对不同果实的一种可根据果实大小调整作业范围的柔性末端执行器手指及使用方法，利用手指关节层的弯曲收缩和伸展以及调节固定夹位于关节层上不同的高度，实现根据果实大小调整作业范围的柔性末端执行器手指。该手指包括：连接口、分流道、关节层和气流道。通过气流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。手指通过固定夹固定于末端执行器的固定板上，通过调节螺钉的松紧实现固定夹位于关节层不同的高度，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。末端执行器手指结构简单，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。

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范围的柔性末端执行器手指及使用方法。

背景技术

在果园生产过程中，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，果实采摘机器人在作业上存在一定难度。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 strainsensors 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Cameron Hohimer等人发表的“3D printed thermoplasticpolyurethane with isotropic material properties”的论文中通过实验证明：空气间隙对塑模样品的极限抗拉强度（Utimate Tensile Strength ，UTS）有显著影响，与刚性热塑性塑料不同，可以在打印的热塑性聚氨酯弹性体橡胶（thermoplastic polyurethanes，TPU）样品中产生各向同性的机械性能, TPU材料具有高张力、高拉力、强韧和耐老化的特性。这种材料可用于3D打印机中，从而构造任意形状的物体。通过本专利的特殊设计，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范围的柔性末端执行器手指及使用方法，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