一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器，属于农业果蔬自动化采摘末端执行器开发技术领域。
【背景技术】
[0002]通常，末端执行器安装在机械臂末端腕部关节上一起共同完成对目标的作业任务，其中机械臂动作决定了作业的位置和姿态，末端执行器在到达作业点后，按照自身的作业动作进行工作，无论在工业领域和还是农业采摘机器人领域，末端执行器的作业的成功率和效率都极大影响机器人整体功能的实现。
[0003]近年来，农林业领域的自动化收获技术已成为研发热点，其中果实采摘机器人的相关技术在国内外已取得不少成果，但大部分多停留在实验室研发阶段，距离实用化商品化还存在很大差距。其主要原因之一在于对末端执行器的研制要求较高，要求包括:1)末端执行器在进行采摘的过程中不能损伤水果；2)采摘效率和采摘成功率高；3)末端执行器的成本要低，能使广大用户接受；4)在保证智能化的同时降低控制系统的复杂性，利于农民操作和机器人整机的采摘过程控制；5)要求机构在保证精巧(提高避障能力)的同时，其可靠性、强度要高；6)提高通用性，使一种末端执行器能采摘多种水果。
[0004]直至目前，实现采摘的方式主要有两种，第一种是设计相应机构先对果实进行夹持抓牢，再利用腕关节的两个垂直方向上的转动来模拟人掰拧果柄的动作，其作业的对象要求果柄易于与果枝分离，同时需要严格控制好夹持果实的力的大小，否则极易损伤果实。第二种是利用吸盘将果实吸牢，并将其拖入夹持手指之间，再利用剪刀或其他方式将果柄打断，这种方法需要检测好果柄的位置，并要精确的调整好末端执行器的姿态，从而增加了系统控制的难度和机构的复杂性。PeterP.Ling等人设计了一种4个手指的末端执行件(Peter P.Ling , Sensing and the end effector for a robotic tomato harvester[R].ASer，N0.043088.)，该末端执行件主要由数字线性步进电机、4个手指和吸引器组成。手指利用缆绳和筋腱使其弯曲，利用扭矩弹簧使其伸展；采用数字线性步进电机驱动筋腱，增强了末端执行件运动的可控性和精确性；在手指的选材上，选择了轻便且硬度好的材料，但是，其耐疲劳性不是很理想。应再考虑质量和抗疲劳性，以达到更理想的效果，另外其由于采用了数字线性步进电机使成本偏高，很大程度上影响了实用化和商品化。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种无需控制夹持力和采摘姿态，又可靠耐用、控制简单、整体重量轻、成本低廉的果实采摘机器人末端执行器。
[0006]为解决上述技术问题，克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器。本发明采用如下技术方案:一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器，其特征在于，包括气动平移夹持组件和气动转刀组件，所述气动平移夹持组件包括基板、双作用气缸1、气缸顶片、后齿条连接板、后齿条、后导轨块、后导轨条、前齿条、前导轨块、前导轨条、前齿条连接板、前加强板、右手指架板、右手指、后加强板、左手指架板、左手指，所述气动转刀组件包括双作用气缸I1、气缸顶块、同步带连接板、直线滑块、直线导轨、同步带压块、圆弧齿同步带、前圆弧齿同步轮、后圆弧齿同步轮、后同步轮轴、同步带张紧轴、张紧轮、刀架连接板、刀架折弯板、刀片、压刀片。
[0007]优选地，双作用气缸I通过气缸支架固定设置在基板上，双作用气缸I的活塞杆与气缸顶片采用螺母旋紧固定联接。
[0008]优选地，后加强板、左手指架板、左手指、气缸顶片、后齿条连接板、后齿条与后导轨条通过螺纹联接为一整体构件，前齿条、前导轨条、前齿条连接板、前加强板、右手指架板与右手指通过螺纹联接为另一整体构件。
[0009]优选地，左手指与右手指的形状为球凹形，左手指内侧的球凹面上胶接固定有左手指橡胶层，右手指内侧的球凹面上胶接固定有右手指橡胶层。
[0010]优选地，前齿条与后齿条通过齿轮联接，齿轮内部设置有相啮合的齿轮轴，齿轮与齿轮轴之间设置有平键进行联接。
[0011]优选地，基板上还设置有轴承座，轴承座内部设置有两个深沟球轴承，用来平稳支撑齿轮轴的转动。
[0012]优选地，基板上还固定设置有机械臂连接板，机械臂连接板上开有与机械臂腕部联接的螺纹孔及螺纹间隙孔，用来方便后期末端执行器与机械臂的对接组装。
[0013]优选地，双作用气缸II固定设置于后齿条连接板上，双作用气缸II的活塞杆通过旋紧螺母与气缸顶块固定联接，气缸顶块、同步带连接板与直线滑块通过螺纹固定连接在一起，后同步轮轴与同步带张紧轴分别固定设置在左手指架板上。
[0014]优选地，同步带压块与同步带连接板通过连接螺钉进行连接；通过旋紧同步带压块与同步带连接板的连接螺钉将圆弧齿同步带压牢，防止圆弧齿同步带相对同步带连接板打滑。
[0015]优选地，前圆弧齿同步轮通过十字槽螺钉与刀架连接板固定联接，刀架折弯板上开有长条孔，使得其与刀架连接板的相互重叠连接长度可调，即刀片的旋转半径可调，这样在一定程度上扩大了采摘果实大小的范围。
[0016]优选地，压刀片采用十字槽螺钉固定设置在刀架折弯板上，压刀片通过两排紧定螺钉将刀片压紧在刀架折弯板上，刀片包括一前一后两片刀片。
[0017]本发明所达到的有益效果:(1)全部动力来自气压驱动，元器件重量轻，无污染，动作迅速，动作幅度与作用力均方便选型与设定，与手指内侧橡胶弹性层配合，可省掉多种成本较高的力传感器和控制刀片旋转角度的行程位置开关，简化了控制结构，降低了成本和控制难度；(2)两手指直线的开合运动方式与两手指转动开合方式相比，结构上更加可靠，保证了刀片在此开合的过程中不与手指相碰；(3)无需判断检测果柄与末端执行器的相对位置，只要果实进入两指之中，待两手指抱紧后，通过旋转刀片本发明即可将果柄割断；(4)结构强度高，整体成本低廉，控制方便；(5)通用性强，不仅可以采摘柑橘，也可采摘多种类球状的果实。
【附图说明】
[0018]图1是本发明的一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器的整体结构示意图。
[0019]图2是本发明的一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器的齿轮轴与齿条直线导向结构示意图。
[0020]图3是本发明的一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器的气动转刀组件直线导向架体部分结构示意图。
[0021]图中标记的含义:1_基板，2-机械臂连接板，3-气缸支架，4-双作用气缸I，5-后齿条，6-气缸顶片，7-齿轮，8-后齿条连接板，9-平键，10-齿轮轴，11-双作用气缸II，12-前齿条，13-前齿条连接板，14-前加强板，15-右手指架板，16-右手指，17-右手指橡胶层，18-压刀片，19-刀片，20-紧定螺钉，21-左手指，22-刀架折弯板，23-刀架连接板，24-内六角螺钉，25-十字槽螺钉，26-前圆弧齿同步轮，27-圆弧齿同步带，28-同步带张紧轴，29-张紧轮，30-直线导轨，31-左手指架板，32-同步带连接板，33-同步带压块，34-后圆弧齿同步轮，35-后同步轮轴，36-直线滑块，37-气缸顶块，38-后导轨块，39-后导轨条，40-株沟球轴承，41-轴承座，42-后加强板，43-左手指橡I父层，44-前导轨块，45-前导轨条。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0023]如图1所示的是本发明的一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器的整体结构示意图，本发明包括气动平移夹持组件和气动转刀组件，所述气动平移夹持组件包括基板1、双作用气缸14、气缸顶片6、后齿条连接板8、后齿条5、后导轨块38、后导轨条39、前齿条12、前导轨块44、前导轨条45、前齿条连接板13、前加强板14、右手指架板15、右手指16、后加强板42、左手指架板31、左手指21，所述气动转刀组件包括双作用气缸1111、气缸顶块37、同步带连接板32、直线滑块36、直线导轨30、同步带压块33、圆弧齿同步带27、前圆弧齿同步轮26、后圆弧齿同步轮34、后同步轮轴35、同步带张紧轴28、张紧轮29、刀架连接板23、刀架折弯板22、刀片19、压刀片18。
[0024]双作用气缸14通过气缸支架3固定设置在所述基板I上，双作用气缸14的活塞杆与气缸顶片6采用螺母旋紧固定联接；后加强板42、左手指架板31、左手指21、气缸顶片6、后齿条连接板8、后齿条5与后导轨条39通过螺纹联接为一整体构件，前齿条12、前导轨条45、前齿条连接板13、前加强板14、右手指架板15与右手指16通过螺纹联接为另一整体构件；左手指21与右手指16的形状为球凹形，左手指21内侧的球凹面上胶接固定有左手指橡胶层43，右手指16内侧的球凹面上胶接固定有右手指橡胶层17 ;基板I上还固定设置有机械臂连接板2，机械臂连接板2上开有与机械臂腕部联接的螺纹孔及螺纹间隙孔，用来方便后期末端执行器与机械臂的对接组装。
[0025]如图2所示的是本发明的一种基于气压驱动的果实采摘机器人末端执行器的气动转刀组件直线导向架体部分结构示意图，前齿条12与后齿条5通过齿轮7联接，齿轮7内部设置有相啮合的齿轮轴10，齿轮7与齿轮轴10之间设置有平键9进行联接；基板I上还设置有轴承座41，轴承座41内部设置有两个深沟球轴承40，用来平稳支撑齿轮轴10的转动。
[0026]下面针对具体实施中气动平移夹持组件相应的结构选材与选型做具体说明:基板I选择8mm厚铝合金板材(型号2A12)为毛坯料进行加工，按照图纸在基板I上加工出相应前导轨块44、后导轨块39、气缸支架3、机械臂连接板2及深沟球轴承40的连接孔；机械臂连接板2与基板I连接的实际实施中可选者添置一三角形加强板(机械臂连接板2上已留有相应的连接孔);气缸支架3、气缸顶片6选用2_厚冷轧板经激光切割下料后折弯制成；双作用气缸14选用型号为:MI_16x50_U_0_(缸径16mm，行程50mm，附磁石);后齿条5与前齿条12选用标准渐开线齿形，主要参数为:模数m=l.5，长度L=90mm，厚度X=15mm ;同配合的标准渐开线齿轮7主要参数为:模数m=l.5，齿厚X=15mm，齿数Z=24 ;深沟球轴承40型号为:63800ζζ ;前导轨块44与前导轨条45选用微型直线滑块线轨组件(型号MNG C7)，后导轨块38与后导轨条39选用相同型号，其中相应滑块部分固定在基板I上，滑轨部分分别固定在前齿条