一种具有力感知功能的水果采摘机器人及操作方法与流程

本发明涉及水果采摘机器人领域，具体是一种具有力感知功能的水果采摘机器人及操作方法。

背景技术：

水果采摘是农业生产链中最费时费力的一个环节，伴随着机器人技术的发展，工业机器人已经有了相当可喜的成绩，但在农业方面应用的机器人还少之又少。水果采摘环节需要消耗大量的人力物力，单靠人工劳动已经不能满足现在水果采摘的需要。随着机器人技术的发展、农业化肥和农药对人体的危害加大以及水果采摘方面遇到的劳动力短缺等问题的出现，使得发明可应用于水果采摘方面的农业机器人越来越成为必要。

水果采摘机器人主要在解决劳动力不足、降低工人劳动强度、提高工人劳动舒适性、减轻农业化肥和农药对人体的危害、保证采摘工人的安全以及保护采摘水果的完整性等方面具有很大的应用潜力。

目前研究的水果采摘机器人主要分为两种：一种是自主型采摘机器人，另一种是人机协作型采摘机器人。自主型采摘机器人由于目前的传感器技术，控制技术等方面技术难以达到完全智能的程度以及控制成本和控制精度的要求都比较高，难以完全实现。所以人机协作型采摘机器人是当前条件下比较理想的选择。而目前的人机协作型采摘机器人普遍不具备力反馈的功能，那么在末端执行器采摘水果的时候就会出现破坏水果表面、挤压过度等问题。因此，可以开发出一种把采摘者的决策、感觉加入到采摘过程中的半自主的采摘机器人，而采摘过程由采摘机器人来完成。这样对于提高采摘效率、增强采摘的安全性以及保护采摘水果的完整性等方面都有极其重大的意义。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种具有力感知功能的水果采摘机器人及操作方法，以解决现有技术人机协作型采摘机器人不具备力反馈功能的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种具有力感知功能的水果采摘机器人，其特征在于：包括可移动的车身，车身前方设置有xy平移传动机构，xy平移传动机构的y向顶端安装有摄像头，xy平移传动机构中的平移件垂直向前安装有液压伸缩杆，液压伸缩杆杆端固定有伺服电机，伺服电机的转轴上连接有欠驱动水果采摘灵巧手，车身内还有穿戴在操作者手上的绳牵引式磁流变力反馈数据手套，绳牵引式磁流变力反馈数据手套与欠驱动水果采摘灵巧手通过车载计算机实现相互感应，其中：

欠驱动水果采摘灵巧手包括手掌，手掌后端连接在伺服电机的转轴上，伺服电机固定在液压伸缩杆前端，手掌前端连接有四指，手掌一侧连接有拇指，四指分别由四指近指节关节、四指中指节关节、四指远指节关节组成，四指近指节关节后端分别转动连接在手掌前端，四指近指节关机前端分别通过铰链与对应的四指中指节关节后端连接，四指中指节关节前端分别通过铰链与四指远指节关节后端连接，拇指由拇指近指节关节和拇指远指节关节构成，拇指近指节关节后端转动连接在手掌一侧，拇指近指节关节前端通过铰链与拇指远指节关节后端连接，且每个铰链上分别配装有扭簧，四指中，每个四指近指节关节、四指远指节关节中分别转动安装有小滑轮，四指中指节关节中转动安装有大滑轮，拇指的拇指近指节关节、拇指远指节关节中分别转动安装有小滑轮，所述手掌对应四指后方位置、拇指后方位置分别设有伺服电机，伺服电机的输出轴上分别固定有卷筒，卷筒上分别缠绕有绳索，其中四指对应的伺服电机卷筒上的绳索依次绕过四指近指节关节中小滑轮、四指中指节关节中大滑轮、四指远指节关节中小滑轮后，再固定在四指远指节关节内前端，拇指对应的伺服电机卷筒上的绳索依次绕过拇指近指节关节中小滑轮、拇指远指节关节中小滑轮后，再固定在拇指远指节关节内前端；

绳牵引式磁流变力反馈数据手套包括手掌机架，手掌机架顶部后侧设有从左向右依次排列的五组磁流变阻尼器，五组磁流变阻尼器分别对应操作者五个手指，手掌机架底面前侧通过立向的支架支撑有五个手掌滑轮，五个手掌滑轮位置与五组磁流变阻尼器位置一一对应，手掌机架前方还对应五指分别设有指套、指环，其中指套分别套在操作者手指中间部分，指环分别套在操作者手指指端，每个指套顶部分别通过立向的支架支撑有指套滑轮，每个磁流变阻尼器活塞杆杆端分别连接有绳索，绳索依次绕过对应的手掌滑轮、指套滑轮后固定在对应的指环上；

所述欠驱动水果采摘灵巧手中的伺服电机，以及绳牵引式磁流变力反馈数据手套中的磁流变阻尼器分别与车载计算机连接，通过车载计算机实现驱动水果采摘灵巧手和绳牵引式磁流变力反馈数据手套的相互感应。

所述的一种具有力感知功能的水果采摘机器人，其特征在于：xy平移传动机构包括沿x向水平设置的x滚珠丝杠平移平台、沿y向竖直设置的y滚珠丝杠平移平台，其中x滚珠丝杠平移平台通过支架安装在车身前方，y滚珠丝杠平移平台固定在x滚珠丝杠平移平台的滑动台上，y滚珠丝杠平移平台的y向顶端安装有摄像头，所述液压伸缩杆后端垂直连接在y滚珠丝杠平移平台的滑动台上，液压伸缩杆前端水平向前延伸，所述欠驱动水果采摘灵巧手连接在伺服电机的转轴上，伺服电机固定在液压伸缩杆前端。

一种具有力感知功能的水果采摘机器人的操作方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）进行系统初始化，调整传感器、伺服电机的初始状态，磁流变阻尼器处于失电状态；

（2）由操作者发出指令，调整采摘机器人到一个最佳的采摘位置；操作者通过摄像头采集到水果的位置信息，通过控制xy移动机构的上下以及左右位置、液压伸缩杆的伸缩以及采摘手后方的伺服电机的角度转动将欠驱动水果采摘灵巧手调整到一个合适的采摘位置，准备采摘；

（3）开始采摘，操作者的右手进行抓握动作，戴于右手手臂上的磁流变力反馈数据手套将操作者右手抓握的角度、力觉信息经过计算机的处理传递给欠驱动水果采摘灵巧手，使采摘手开始进行采摘；

（4）欠驱动水果采摘灵巧手开始抓握动作，将欠驱动水果采摘灵巧手进行抓握的过程中所受到的力觉信号、转动角度信号经过计算机的处理通过操作者所穿戴的磁流变力反馈数据手套、磁流变力反馈数据手套通过控制电流的大小来控制操作者感受到的力觉大小，也就是通过控制磁流变阻尼器产生一定的阻尼力，进而使操作者感受到力觉，以实现临场感；

（5）当操作者感觉所受的反馈力不足以握住水果，操作者再逐渐的加大抓握的角度与力度，重复（3）、（4）过程，直到操作者感受到合适的反馈力为止；

（6）当操作者感受到欠驱动水果采摘灵巧手可以抓好水果的时候，通过控制欠驱动水果采摘灵巧手所连接的伺服电机的转动来实现欠驱动水果采摘灵巧手的扭断动作，这样就可以把水果与果梗相分离，实现水果的采摘。

本发明提供一种具有力感知功能的水果采摘机器人及操作方法，适用于水果智能化采摘领域，具有如下的有益效果：

（1）可以解决水果采摘中的劳动力不足问题，降低工人劳动强度，提高工人劳动舒适性，减轻农业化肥和农药对人体的危害，保证采摘工人的安全以及保护采摘水果的完整性。

（2）磁流变阻尼器是一种能量耗散型智能器件，具备有安全、稳定和体积小等优点。通过被动的力反馈，由其为操作者提供一定的反馈力，同时结合角度传感器检测手指关节的活动范围，有利于提高操作的舒适感，更好的实现临场感。

（3）当操作者进行抓握时，本发明的外骨骼式力反馈数据手套则避免了机构在手掌内对临场感的破坏，使操作者更加真实的感受到身临其境。

（4）欠驱动水果采摘灵巧手能够很好的包络水果，结构简单，不需要过多的自由度，扭簧的加入能够有效的实现灵巧手的握紧和伸展。

附图说明

图1是本发明的整体结构图。

图2是本发明的绳牵引式磁流变力反馈数据手套结构图。

图3是本发明的欠驱动水果采摘灵巧手结构图。

图4是本发明的xy平移传动机构结构图。

图5是本发明的扭簧安装示意图。

图6是本发明的操作方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种具有力感知功能的水果采摘机器人，包括可移动的车身5，车身5前方设置有xy平移传动机构2，xy平移传动机构2的y向顶端安装有摄像头7，xy平移传动机构2中的平移件垂直向前安装有液压伸缩杆8，液压伸缩杆8杆端固定有伺服电机，欠驱动水果采摘灵巧手1安装在伺服电机的转轴上，车身5内还有穿戴在操作者4手上的绳牵引式磁流变力反馈数据手套3，绳牵引式磁流变力反馈数据手套3、欠驱动水果采摘灵巧手1以及伺服电机通过车载计算机6实现相互感应，其中：

如图2所示，欠驱动水果采摘灵巧手1包括手掌1.7，手掌1.7后端连接在伺服电机的转轴上，伺服电机固定在液压伸缩杆8前端，手掌1.7前端连接有四指，手掌1.7一侧连接有拇指，四指分别由四指近指节关节1.5、四指中指节关节1.4、四指远指节关节1.2组成，四指近指节关节1.5后端分别转动连接在手掌1.7前端，四指近指节关机1.5前端分别通过铰链与对应的四指中指节关节1.4后端连接，四指中指节关节1.4前端分别通过铰链与四指远指节关节1.2后端连接，拇指由拇指近指节关节1.9和拇指远指节关节1.10构成，拇指近指节关节1.9后端转动连接在手掌1.7一侧，拇指近指节关节1.9前端通过铰链与拇指远指节关节1.10后端连接，且每个铰链上分别配装有扭簧1.11，四指中，每个四指近指节关节1.5、四指远指节关节1.2中分别转动安装有小滑轮1.1，四指中指节关节1.4中转动安装有大滑轮1.3，拇指的拇指近指节关节1.9、拇指远指节关节1.10中分别转动安装有小滑轮，手掌1.7对应四指后方位置、拇指后方位置分别设有伺服电机1.6，伺服电机1.6的输出轴上分别固定有卷筒1.8，卷筒1.8上分别缠绕有绳索1.12，其中四指对应的伺服电机卷筒上的绳索依次绕过四指近指节关节1.5中小滑轮、四指中指节关节1.4中大滑轮、四指远指节关节1.2中小滑轮后，再固定在四指远指节关节1.2内前端，拇指对应的伺服电机卷筒上的绳索依次绕过拇指近指节关节1.9中小滑轮、拇指远指节关节1.10中小滑轮后，再固定在拇指远指节关节1.10内前端；

本发明中，欠驱动水果采摘灵巧手1是由手指和手掌1.7组成，拇指是由拇指近指节关节1.9和拇指远指节关节1.10组成。其他四个手指的结构是相同的，都是由四指近指节关节1.5、四指中指节关节1.4和四指远指节关节1.2组成。在拇指近指节关节1.9和拇指远指节关节1.10的中间部分分别安装一个小滑轮，绳索首先连接在拇指远指节关节1.10前端的安装孔上，然后分别缠绕两个小滑轮然后连接到对应的伺服电机上面的卷筒上；在四指近指节关节1.5和四指远指节关节1.2中间部分安装小滑轮1.1，四指中指节关节1.4的中间部分安装一个大滑轮1.3，绳索连接在四指远指节关节1.2前端的安装孔上，然后缠绕在三个滑轮上，最后连接到对应的伺服电机1.6的卷筒1.8上。在关节与关节的连接处以及关节与手掌的连接处分别用扭簧1.11连接，保证关节与关节、关节与手掌之间的自回复能力。在手掌上分布五个伺服电机1.6，电机轴上分别安装有卷筒1.8。五根绳索1.12分别缠绕在伺服电机1.6上的卷筒1.8上，通过绳索1.12的缠绕来带动关节的转动，通过扭簧1.11的设置来保证手指的自动回复。当采摘手需要进行抓握的时候控制伺服电机1.6转动带动绳索1.12的拉动，然后带动各关节开始进行抓握运动，当需要回复的时候伺服电机1.6反转，通过扭簧1.11保证关节的自回复。以此来实现采摘手自如的进行抓握和舒展运动。

如图3所示，绳牵引式磁流变力反馈数据手套包括手掌机架3.3，手掌机架3.3顶部后侧设有从左向右依次排列的五组磁流变阻尼器3.2，五组磁流变阻尼器3.2分别对应操作者五个手指，手掌机架3.3底面前侧通过立向的支架支撑有五个手掌滑轮3.4，五个手掌滑轮3.4位置与五组磁流变阻尼器3.2位置一一对应，手掌机架3.3前方还对应五指分别设有指套3.7、指环3.8，其中指套3.7分别套在操作者4手指中间部分，指环3.8分别套在操作者4手指指端，每个指套3.7顶部分别通过立向的支架支撑有指套滑轮3.5，每个磁流变阻尼器3.2活塞杆杆端分别连接有绳索3.1，绳索3.1依次绕过对应的手掌滑轮3.4、指套滑轮3.5后固定在对应的指环3.8上；

本发明中，绳索式磁流变力反馈数据手套3是由手掌机架3.3、指环3.8、指套滑轮3.5、手掌滑轮3.4、磁流变阻尼器3.2以及绳索3.1构成。在每根手指的指尖部分套上一个指环3.8，在手指的中间部分套上指套滑轮3.5，在掌骨上对应分别安装五个掌骨滑轮3.4和五个磁流变阻尼器3.2，通过绳索3.1将指环3.8、指套滑轮3.5、掌骨滑轮3.4以及磁流变阻尼器3.2连接起来。还设置有导线环3.6，通过导线环3.6将拇指绳索的方向转变。当采摘手选择好位置之后，操作者的手开始进行模拟抓握运动，在操作者的抓握过程中通过绳索3.1带动磁流变阻尼器3.2的活塞进行运动，通过控制磁流变阻尼器3.2的电流大小来控制磁场的大小，以此来保证操作者的手在抓握的过程中能够感受到不同的反馈力。

欠驱动水果采摘灵巧手1中的伺服电机1.6，以及绳牵引式磁流变力反馈数据手套3中的磁流变阻尼器3.2分别与车载计算机6连接，通过车载计算机6实现驱动水果采摘灵巧手1和绳牵引式磁流变力反馈数据手套3的相互感应，

如图4所示，xy平移传动机构2包括沿x向水平设置的x滚珠丝杠平移平台2.2、沿y向竖直设置的y滚珠丝杠平移平台2.1，其中x滚珠丝杠平移平台2.2通过支架安装在车身5前方，y滚珠丝杠平移平台2.1固定在x滚珠丝杠平移平台2.2的滑动台上，y滚珠丝杠平移平台2.1的y向顶端安装有摄像头7，液压伸缩杆8后端垂直连接在y滚珠丝杠平移平台2.1的滑动台上，液压伸缩杆8前端水平向前延伸，欠驱动水果采摘灵巧手1转动连接在液压伸缩杆8前端。

本发明中，xy平移传动机构由x滚珠丝杠平移平台2.2、y滚珠丝杠平移平台2.1、液压伸缩杆8以及伺服电机2.3组成。x滚珠丝杠平移平台2.2的滑动台和y滚珠丝杠平移平台2.1固定连接，y滚珠丝杠平移平台2.1的滑动台和液压伸缩杆8固定连接、伺服电机2.3的底部固定在液压伸缩杆8的顶部。

如图2和图4所示，通过xy平移传动机构2的上层的滑动台设置的液压伸缩杆8、伺服电机2.3将欠驱动水果采摘灵巧手1的手掌部分和伺服电机的转轴连接起来，这样就形成了一个可以保证欠驱动水果采摘灵巧手进行上下移动，左右移动以及旋转的机构。也就保证了欠驱动水果采摘灵巧手的定位、扭断以及抓握的运动的实现。

如图5所示，通过扭簧将拇指近指节关节1.9和拇指远指节关节1.10连接起来，当两个关节有相对运动时，会使扭簧进行一定的转动，保证当绳索放松时连杆可以自动回复到原来的位置。四指使用相同的结构来保证自回复。

如图6所示，一种具有力感知功能的水果采摘机器人的操作方法，具体实施步骤如下：

（1）进行系统初始化，调整传感器、伺服电机的初始状态，磁流变阻尼器处于失电状态。

（2）由操作者发出指令，调整采摘机器人到一个最佳的采摘位置。操作者通过摄像头采集到水果的位置信息，通过控制xy移动机构的上下以及左右位置、液压伸缩杆的伸缩以及采摘手后方的伺服电机的角度转动将欠驱动水果采摘灵巧手调整到一个合适的采摘位置，准备采摘。

（3）开始采摘，操作者的右手进行抓握动作，戴于右手手臂上的磁流变力反馈数据手套将操作者右手抓握的角度、力觉等信息经过计算机的处理传递给欠驱动水果采摘灵巧手，使采摘手开始进行采摘。

（4）欠驱动水果采摘灵巧手开始抓握动作，将欠驱动水果采摘灵巧手进行抓握的过程中所受到的力觉信号、转动角度信号等经过计算机的处理通过操作者所穿戴的磁流变力反馈数据手套、磁流变力反馈数据手套通过控制电流的大小来控制操作者感受到的力觉大小，也就是通过控制磁流变阻尼器产生一定的阻尼力，进而使操作者感受到力觉，以实现临场感。

（5）当操作者感觉所受的反馈力不足以握住水果，操作者再逐渐的加大抓握的角度与力度，重复（3）、（4）过程，直到操作者感受到合适的反馈力为止。

（6）当操作者感受到欠驱动水果采摘灵巧手可以抓好水果的时候，通过控制欠驱动水果采摘灵巧手所连接的伺服电机的转动来实现欠驱动水果采摘灵巧手的扭断动作，这样就可以把水果与果梗相分离，实现水果的采摘。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。