一种捡蛋机器人执行机构及其控制方法与流程

本发明涉及农业机械领域，尤其涉及一种捡蛋机器人执行机构及其控制方法。

背景技术：

现阶段，我国中小型的养鸡场的鸡蛋收集方式大都是人工捡拾。数据显示，近年来各行各业的人工成本都有着大幅提升，近十年里，2011年就尤为明显。2011年比2010年的规模蛋鸡饲养人工成本费用有10％-20％的涨幅。随着越来越多的农村年轻劳动力进城打工，在从事类似在鸡舍工作的人员已经是越来越少。而且，对于在鸡舍这样恶劣的工作环境，有钱也不一定能招到工人。显然，人工捡拾鸡蛋这种方式存在着人工劳动成本较高、人在鸡舍里行动不便以及鸡舍的气味会对人体造成危害等种种弊端。因此，在基于精准定位目标的自走机器人上，完成捡蛋机器人执行机构设计，来代替人工捡蛋是必要的。

鸡蛋捡拾机构大多采用效率较高的吸盘系统，但是目前该系统投入的生产成本较高，不适合中小型企业的发展需求。因此，基于精准定位目标自走机器人的捡蛋机器人执行机构设计的研制，可以代替人工捡蛋并提高效率。

所以，如何提供一种捡蛋机器人来规避现有技术中的种种弊端，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种捡蛋机器人执行机构及其控制方法，解决现有技术中存在的缺陷，具体方案如下：

本发明请求保护一种捡蛋机器人执行机构，包括底座10、禽蛋收集器20、机械臂30以及末端执行器40，所述机械臂30的腰部301运动通过第一舵机31的转动；

第二舵机32以及所述第三舵机33分别为所述机械臂的大臂和小臂；

所述机械臂30的腕部302的运动通过第四舵机34以及第五舵机35配合使用，使所述末端执行器40对准作业对象；

完成捡拾动作后，由第二舵机32完成末端执行器40的提升动作。

具体的，所述末端执行器40内安装的弹簧绳41材质为橡皮筋。

具体的，所述第二舵机32的型号为s135，输出力矩为1.9kg·cm，响应速度0.14s/60°

本发明还请求保护第二舵机32的受力分析方法：

s1：受力分析式t＝m1·g·lab+m2·g·lac

式中，

m1为在b处舵机质量，单位kg；

iab为第三舵机33到第二舵机32的摆臂长度，单位mm；

m2为在c处第二舵机32、末端执行器40及禽蛋的总质量，单位kg；

与lac为末端执行器40到第二舵机32的长度，单位mm；

g为重力加速度。

本发明请求保护一种包含有捡蛋机器人执行机构的散养禽蛋捡拾器，还包括行走系统、视觉识别系统、控制系统以及捡拾收集系统，所述捡蛋机器人执行机构放置在自行走机器人上，所述自行走机器人按照设定的路线通过禽舍，收集目标禽蛋的精准位置，并将所述目标禽蛋的位置发送至控制中心，所述控制中心控制所述捡蛋机器人的执行机构的工作。

具体的，所述控制中心采用keilc51软件。

具体的，所述自行走机器人的左侧安装有左避障传感器，所述自行走机器人右侧安装有右避障传感器，所述控制中心判断所述左避障传感器以及所述右避障传感器是否检测到有禽蛋，再指挥所述执行机构的运动。

本发明还请求保护本散养禽蛋捡拾器的控制方法，包括如下步骤：

s1：避障传感器检测是否有禽蛋；

s2：如果左避障检测到禽蛋，则所述自行走机器人停车，进行左侧禽蛋的抓取动作；

s3：抓取动作各部分动作位置次序为：

所述第四舵机34转到138°位置，

所述第五舵机35转到0°位置，

所述第三舵机33转到50°位置，

所述第一舵机31转到146°位置，

所述第二舵机32首先转到95°位置，再转到135°位置，最后转回95°位置，完成抓取动作；

s4：左侧放置动作各部分动作位置次序为：

所述第一舵机31转到101°位置；

所述第二舵机32转到65°位置；

所述第三舵机33转到25°位置；

所述第五舵机35转到90°位置，放置动作完成。

所述左侧避障传感器再次检测到禽蛋后重复s2-s4步骤；

s5：如果右避障检测到禽蛋，则所述自行走机器人停车，进行右侧禽蛋的抓取动作；

s6：抓取动作各部分动作位置次序为：

所述第四舵机34转到1°位置，

所述第五舵机35转到95°位置，

所述第三舵机33转到50°位置，

所述第一舵机31转到30°位置，

所述第二舵机32首先转到95°位置，再转到135°位置，最后转回95°位置，完成抓取动作；

s7：右侧放置动作各部分动作位置次序为：

所述第一舵机31转到75°位置；

所述第二舵机32转到65°位置；

所述第三舵机33转到25°位置；

所述第五舵机35转到0°位置，放置动作完成。

所述右侧避障传感器再次检测到禽蛋后重复s5-s7步骤。

本发明与现有技术相比，具有的优点是：本设计基于精准定位目标的自走机器人，完成捡蛋机器人执行机构设计，来代替人工捡蛋。采用5自由度机械臂及带有橡皮筋的网面末端执行器的设计，其中“网面”末端执行器的构思为与鸡蛋类似的娇嫩性作业对象提供了新的方向。实现了在一定范围的鸡蛋自动捡拾功能，在解放劳动力，提高收入方面有着很大的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是执行机构立体示意图；

图2是第二舵机提升动作时的受力分析图；

图3为捡拾器的控制流程图；

图4为左侧初始位置示意图；

图5为左侧捡拾位置示意图；

图6为左侧放置位置示意图；

图7为右侧初始位置示意图；

图8为右侧捡拾位置示意图；

图9为右侧放置位置示意图；

图中：10、底座20、禽蛋收集器30、机械臂31、第一舵机32、第二舵机33、第三舵机34第四舵机35、第五舵机301、腰部302、腕部40、末端执行器41、弹簧绳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是执行机构立体示意图，参照图1所示，本发明请求保护一种捡蛋机器人执行机构，包括底座10、禽蛋收集器20、机械臂30以及末端执行器40，所述机械臂30的腰部301运动通过第一舵机31的转动；

第二舵机32以及所述第三舵机33分别为所述机械臂的大臂和小臂；

所述机械臂30的腕部302的运动通过第四舵机34以及第五舵机35配合使用，使所述末端执行器40对准作业对象；

完成捡拾动作后，由第二舵机32完成末端执行器40的提升动作。

具体的，所述末端执行器40内安装的弹簧绳41材质为橡皮筋。

本发明采用的是带有内部缓冲面的矩形容器与弹性“网面”组合的末端执行器40，根据弹力绳或者橡皮绳等的弹性变形性质知，当弹性绳受到一定的力时，弹性绳会发生形变，弹性绳会沿着某一方向被拉长(在弹性变形范围内)。因此根据这个原理，将两根平行的弹性绳(弹性绳被一定的力拉拽，且两绳之间的距离小于鸡蛋的中心直径)向下运动直至与鸡蛋全部接触，缓缓向下移动弹力绳，弹性绳会沿着蛋壳表面被拉伸，当两弹性绳的之间的最大距离大于鸡蛋中心直径时，鸡蛋会移动到两根弹力绳的上面。只要选定的弹力大小合适的弹力绳并以较小浮动的上下运动，鸡蛋就会稳定在两根弹力绳上面。因此，可根据以上论述可设计末端执行器--捕蛋器。弹性网面是在100mm×100mm的矩形端面，沿某一矩形边上等距安装4根弹性一定的弹力绳。根据一般鸡蛋的尺寸(高5.0cm、中心直径3.5cm)、鸡蛋质量50g和多次试验现象，可以确定安装弹力绳的弹力为：2n为宜，弹簧绳的直径在2-5mm即可。

具体的，所述第二舵机32的型号为s135，输出力矩为1.9kg·cm，响应速度0.14s/60°

捡拾机械臂是捡蛋机器人执行机构的关键部件，机械臂的输出功率关系着捡蛋机器人执行捡蛋任务的成功率和工作效率，而提升舵机输出力矩是捡拾机械臂的重要参数。当捡蛋执行机构完成捡蛋动作后，需要通过提升第二舵机32将“捕蛋器”及鸡蛋向上提升，由此可以看出，提升第二舵机32的输出力矩的大小是舵机选型的重要依据。

由于提升舵机各连接部件的质量较小，对计算结果影响不大，因此忽略了提升舵机连接部件惯性力的影响。当鸡蛋被捡拾到末端执行器后，第二舵机32开始提升，此时舵机承受力矩为最大值，因此在此瞬时下，对机械臂进行受力分析。

根据力矩平衡，列力矩平衡方程，在a点的合力矩为零。

图2是第二舵机提升动作时的受力分析图，参照图2所示，本发明还请求保护第二舵机32的受力分析方法：

s1：受力分析式t＝m1·g·lab+m2·g·lac

式中，

m1为在b处舵机质量，单位kg；

iab为第三舵机33到第二舵机32的摆臂长度，单位mm；

m2为在c处第二舵机32、末端执行器40及禽蛋的总质量，单位kg；

与lac为末端执行器40到第二舵机32的长度，单位mm；

g为重力加速度。

本发明请求保护一种包含有捡蛋机器人执行机构的散养禽蛋捡拾器，还包括行走系统、视觉识别系统、控制系统以及捡拾收集系统，所述捡蛋机器人执行机构放置在自行走机器人上，所述自行走机器人按照设定的路线通过禽舍，收集目标禽蛋的精准位置，并将所述目标禽蛋的位置发送至控制中心，所述控制中心控制所述捡蛋机器人的执行机构的工作。

具体的，所述控制中心采用keilc51软件。

具体的，所述自行走机器人的左侧安装有左避障传感器，所述自行走机器人右侧安装有右避障传感器，所述控制中心判断所述左避障传感器以及所述右避障传感器是否检测到有禽蛋，再指挥所述执行机构的运动。

图3为捡拾器的控制流程图，参照图3所示，本发明还请求保护本散养禽蛋捡拾器的控制方法，包括如下步骤：

s1：避障传感器检测是否有禽蛋；

s2：如果左避障检测到禽蛋，则所述自行走机器人停车，进行左侧禽蛋的抓取动作，参照图4-6所示。

s3：抓取动作各部分动作位置次序为：

所述第四舵机34转到138°位置，

所述第五舵机35转到0°位置，

所述第三舵机33转到50°位置，

所述第一舵机31转到146°位置，

所述第二舵机32首先转到95°位置，再转到135°位置，最后转回95°位置，完成抓取动作；

s4：左侧放置动作各部分动作位置次序为：

所述第一舵机31转到101°位置；

所述第二舵机32转到65°位置；

所述第三舵机33转到25°位置；

所述第五舵机35转到90°位置，放置动作完成。

所述左侧避障传感器再次检测到禽蛋后重复s2-s4步骤；

s5：如果右避障检测到禽蛋，则所述自行走机器人停车，进行右侧禽蛋的抓取动作，参照图7-9所示：

s6：抓取动作各部分动作位置次序为：

所述第四舵机34转到1°位置，

所述第五舵机35转到95°位置，

所述第三舵机33转到50°位置，

所述第一舵机31转到30°位置，

所述第二舵机32首先转到95°位置，再转到135°位置，最后转回95°位置，完成抓取动作；

s7：右侧放置动作各部分动作位置次序为：

所述第一舵机31转到75°位置；

所述第二舵机32转到65°位置；

所述第三舵机33转到25°位置；

所述第五舵机35转到0°位置，放置动作完成。

所述右侧避障传感器再次检测到禽蛋后重复s5-s7步骤。

采用本设备进行了10组实验

实验材料列举如下：

(1)捡蛋机器人执行机构模型样机，如图5-1实验现场中的模型所示。

(2)电子天平，精确测量每枚鸡蛋的质量。

(3)秒表，测量捡蛋机器人执行机构捡拾鸡蛋的时间。

(4)15枚生鸡蛋，作为捡拾对象。

(5)游标卡尺，精确测量每枚鸡蛋的尺寸。

实验方法：为检验捡蛋机器人执行机构的可靠性，于是从捡蛋成功率和捡蛋效率两个角度对此执行机构进行检验。将捡蛋机器人的自动巡航系统关闭，只进行捡蛋执行机构的测试。每组10枚完好无损的鸡蛋，计数每组未成功捡拾的鸡蛋个数和捡拾这10枚鸡蛋所需要的时间。共进行10次重复试验。

实验过程：随机选择10枚完好鸡蛋，分别用天平和游标卡尺对鸡蛋的质量和尺寸进行测试，并记录测试结果。然后，在左右两侧的避障传感器检测范围区间各放置1枚鸡蛋，开启捡拾执行机构开关，在捡拾执行机构完成捡拾后，迅速将下1枚放置在检测区间，左右两侧都重复这样的过程，计数在这一组试验未成功捡拾鸡蛋的个数和捡拾这10枚鸡蛋所需要的时间。重复10次试验，在实验过程中，若上一组鸡蛋出现破损，则在下一组测试的时候更新鸡蛋破损的鸡蛋，将实验数据如下：

捡蛋成功率公式：

n表示，每组10枚鸡蛋捡拾过程中未成功捡拾的鸡蛋个数。

根据上表的测试结果可以得到这10次的捡拾成功率分别为：100％、90％、100％、100％、90％、90％、100％、100％、80％、100％，所有捡拾10组，未成功捡拾鸡蛋个数为5枚，则总捡拾成功率为95％。

每组捡拾10枚鸡蛋所用时间的平均值为：211.1秒。

以上10次捡蛋机器人执行机构捡蛋测试结果得出结论：执行机构捡蛋成功率极高，破损率低，性能可靠。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。