专利名称：一种四自由度果实采摘机械手系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机械手，具体地，涉及一种四自由度果实采摘机械手系统。
背景技术：
目前，机械手是能够模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人 身安全，因而广泛应用于农业、机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等领域中，并发挥着重要的作用。机械手主要由手部和运动机构组成，其中手部，是用来抓持工件(或工具)的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等；运动机构，是用来使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。机械手的种类，按驱动方式，可分为液压式、气动式、电动式及机械式机械手；按适用范围，可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式，可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。在工业方面，机械手通常用作机床或其它机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等。其中，有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手。在农业方面，机械手在生物生产自动化领域发挥着重要的作用，是各种农业采摘、 收获机器人重要的执行部件，得到了较为广泛的研究和关注。在现有技术中，四自由度机械手作为机械手的一种主要形式，具有重要的研究意义和工程价值；目前，四自由度机械手大多为气动形式，主要元件是各种形式的气缸。但是，在实现本实用新型的过程中，发明人发现，在现有技术中，气动形式的四自由度机械手至少存在成本高、气缸气管安装影响机械手自由度、以及气缸的中间行程难以精确控制等缺陷。
发明内容本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种四自由度果实采摘机械手系统， 以实现成本低、气缸气管安装不影响机械手自由度、以及气缸的中间行程易精确控制的优
点ο为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是一种四自由度果实采摘机械手系统，包括相互配合设置的机械手本体结构、伺服驱动单元、计算机控制单元、传感单元与通信单元，其中所述机械手本体结构包括底座，自下向上依次配合安装在底座上的齿轮组件、转动组件、支撑及驱动组件、第一臂及驱动组件、第二臂及驱动组件、以及夹持器。进一步地，所述齿轮组件包括一号电机齿轮，与所述一号电机齿轮配合设置的中心直齿轮，以及用于配合安装所述中心直齿轮的中心轴承。[0012]进一步地，所述转动组件包括转动底座，安装在转动底座上的转动架与一号电机， 以及用于配合安装转动架的转动架中心轴。进一步地，所述支撑及驱动组件包括竖直设置在转动底座上的支梁，以及与所述支梁配合连接的二号电机；其中，所述支梁包括平行设置在转动底座上的左支梁与右支梁， 所述二号电机安装在右支梁上。进一步地，所述第一臂及驱动组件包括活动连接在支梁上的第一臂，与第一臂配合安装的第一臂齿轮，以及安装在第一臂上的三号电机；其中所述第一臂包括活动连接 在左支梁上的第一臂左板，以及活动连接在右支梁上的第一臂右板；所述第一臂齿轮靠近支梁、安装在第一臂左板与第一臂右板之间，三号电机远离支梁、安装在第一臂左板上。进一步地，所述第二臂及驱动组件包括安装在第一臂端部的第二臂，以及与所述第二臂配合安装的四号电机。进一步地，所述夹持器包括安装在第二臂端部的夹持器固定节，以及与所述夹持器固定节配合安装的夹持器活动节。进一步地，所述中心轴承的型号为BZ20。本实用新型各实施例的四自由度果实采摘机械手系统，由于包括相互配合设置的机械手本体结构、伺服驱动单元、计算机控制单元、传感单元与通信单元，其中机械手本体结构包括底座，自下向上依次配合安装在底座上的齿轮组件、转动组件、支撑及驱动组件、 第一臂及驱动组件、第二臂及驱动组件、以及夹持器；可以通过电机驱动与齿轮传动相结合的方式，在一定的操作空间内，实现果实的采摘；从而可以克服现有技术中成本高、气缸气管安装影响机械手自由度、以及气缸的中间行程难以精确控制的缺陷，以实现成本低、气缸气管安装不影响机械手自由度、以及气缸的中间行程易精确控制的优点。本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中图1为根据本实用新型四自由度果实采摘机械手系统的立体结构示意图；图2为根据本实用新型四自由度果实采摘机械手系统的主视图的结构示意图；图3为图2中A-A向的剖视图的结构示意图；图4为根据本实用新型四自由度果实采摘机械手系统中底座的立体结构示意图；图5为根据本实用新型四自由度果实采摘机械手系统中第一臂的立体结构示意图；图6a_图6c为根据本实用新型四自由度果实采摘机械手系统中第二臂的结构示意图；图7为根据本实用新型四自由度果实采摘机械手系统中垫块的立体结构示意图；图8为根据本实用新型四自由度果实采摘机械手系统中夹持器的立体结构示意图； 图9为根据本实用新型四自由度果实采摘机械手系统中一臂齿轮的立体结构示意图；图10为根据本实用新型四自由度果实采摘机械手系统中转动架座的立体结构示意图；图11为根据本实用新型四自由度果实采摘机械手系统中支梁的立体结构示意图；图12a和图12b为根据本实用新型四自由度果实采摘机械手系统中中心轴承的结构示意图；图13a-图13c为根据本实用新型四自由度果实采摘机械手系统中转动架中心轴承的结构示意图。结合附图，本实用新型实施例中附图标记如下1-底座；2-—号电机齿轮；3-中心直齿轮；4-支梁；41-右支梁；5_第一臂；51-第一臂右板；52-第一臂齿轮；6-第二臂；7-夹持器；71-夹持器活动节；72-夹持器固定节； 8-四号电机；9-三号电机；10-二号电机；11-一号电机；12-转动底座；13-转动架；14-转动架中心轴；15-垫块；16-中心轴承。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。根据本实用新型实施例，提供了一种四自由度果实采摘机械手系统。如图1-图 13c所示，本实施例包括相互配合设置的机械手本体结构、伺服驱动单元、计算机控制单元、 传感单元与通信单元，其中机械手本体结构包括底座1，自下向上依次配合安装在底座1 上的齿轮组件、转动组件、支撑及驱动组件、第一臂及驱动组件、第二臂及驱动组件、以及夹持器7。这里，机械手本体结构可以看作由一系列连杆通过旋转关节(或移动关节)连接起来的开式运动链，机械手本体机械结构的动作靠的是关节驱动。常用的伺服驱动单元是各种伺服电机，由于一般伺服电机的输出转速很高 (1000r/min lOOOOr/min)，输出转矩小，而关节需带动的负载的转速不高，负载力矩却不小，在电机与负载之间用一套传动装置来进行转速和转矩的匹配。各关节的伺服驱动单元的指令值由计算机控制单元计算后在每个采样周期给出， 计算机通过轨迹规划，得到空间轨迹在各采样时刻的数据，通过逆运动学计算把空间数据转变为各关节的指令值。四自由度果实采摘机械手系统，要正常地进行工作，必须与周围环境保持密切的联系，除了伺服驱动单元中供反馈用的位置、速度、加速度的传感器(称为四自由度果实采摘机械手系统的内部传感器)，四自由度果实采摘机械手系统还可配备视觉、力觉、触觉等多种类型的传感器(称为四自由度果实采摘机械手系统的外部传感器)，以及传感信号的采集处理单元，即传感单元与通信单元。进一步地，在上述实施例中，齿轮组件包括一号电机齿轮2，与一号电机齿轮2配合设置的中心直齿轮3，以及用于配合安装中心直齿轮3的中心轴承16 ；转动组件包括转动底座12，安装在转动底座12上的转动架13与一号电机11，以及用于配合安装转动架13的转动架中心轴14。这里，中心轴承16的型号为BZ20。在上述实施例中，支撑及驱动组件包括竖直设置在转动底座12上的支梁4，以及与支梁4配合连接的二号电机10 ；其中，支梁4包括平行设置在转动底座12上的左支梁与右支梁41，二号电机10安装在右支梁41上。在上述实施例中，第一臂及驱动组件包括活动连接在支梁4上的第一臂5，与第一臂5配合安装的第一臂齿轮52，以及安装在第一臂5上的三号电机9 ；其中第一臂5包括活动连接在左支梁上的第一臂左板，以及活动连接在右支梁41上的第一臂右板51 ；第一臂齿轮52靠近支梁4、安装在第一臂左板与第一臂右板52之间，三号电机9远离支梁4、安装在第一臂左板上。在上述实施例中，第二臂及驱动组件包括安装在第一臂5端部的第二臂6，以及与第二臂6配合安装的四号电机8 ；在上述实施例中，夹持器7包括安装在第二臂6端部的夹持器固定节72，以及与夹持器固定节72配合安装的夹持器活动节71。上述各实施例的四自由度果实采摘机械手系统，自由度为4个，末端执行器(即夹持器7)的位置相对于机械手本体结构不断的变化，末端执行器可以自由开合，能够完成物体的抓、移、放动作。在上述各实施例中，各电机均可以为伺服电机，伺服电机是一种微容量的电动机， 应用于自动测控装置的电路中，其作用是将电信号转换成轴上的角位移或角速度，控制信号强和弱时相应的旋转速度就快和慢，且其转向取决于控制信号的极性；伺服电机可分为交流和直流两大类，小功率的自动控制系统中多采用交流伺服电机，其功率一般在100W以下，且多制成两极；稍大功率的自动控制系统中多采用直流伺服电机，其功率一般为1 600W，也可达数千瓦。这里，各关节的伺服驱动单元选用交流伺服电机，选择电机的一个重要参数就是驱动功率。综上所述，本实用新型各实施例的四自由度果实采摘机械手系统，由于包括相互配合设置的机械手本体结构、伺服驱动单元、计算机控制单元、传感单元与通信单元，其中 机械手本体结构包括底座，自下向上依次配合安装在底座上的 齿轮组件、转动组件、支撑及驱动组件、第一臂及驱动组件、第二臂及驱动组件、以及夹持器；可以通过电机驱动与齿轮传动相结合的方式，在一定的操作空间内，实现果实的采摘；从而可以克服现有技术中成本高、气缸气管安装影响机械手自由度、以及气缸的中间行程难以精确控制的缺陷，以实现成本低、气缸气管安装不影响机械手自由度、以及气缸的中间行程易精确控制的优点。最后应说明的是以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种四自由度果实采摘机械手系统，其特征在于，包括相互配合设置的机械手本体结构、伺服驱动单元、计算机控制单元、传感单元与通信单元，其中所述机械手本体结构包括底座，自下向上依次配合安装在底座上的齿轮组件、转动组件、支撑及驱动组件、第一臂及驱动组件、第二臂及驱动组件、以及夹持器。
2.根据权利要求1所述的四自由度果实采摘机械手系统，其特征在于，所述齿轮组件包括一号电机齿轮，与所述一号电机齿轮配合设置的中心直齿轮，以及用于配合安装所述中心直齿轮的中心轴承。
3.根据权利要求1或2所述的四自由度果实采摘机械手系统，其特征在于，所述转动组件包括转动底座，安装在转动底座上的转动架与一号电机，以及用于配合安装转动架的转动架中心轴。
4.根据权利要求3所述的四自由度果实采摘机械手系统，其特征在于，所述支撑及驱动组件包括竖直设置在转动底座上的支梁，以及与所述支梁配合连接的二号电机；其中，所述支梁包括平行设置在转动底座上的左支梁与右支梁，所述二号电机安装在右支梁上。
5.根据权利要求4所述的四自由度果实采摘机械手系统，其特征在于，所述第一臂及驱动组件包括活动连接在支梁上的第一臂，与第一臂配合安装的第一臂齿轮，以及安装在第一臂上的三号电机；其中所述第一臂包括活动连接在左支梁上的第一臂左板，以及活动连接在右支梁上的第一臂右板；所述第一臂齿轮靠近支梁、安装在第一臂左板与第一臂右板之间，三号电机远离支梁、 安装在第一臂左板上。
6.根据权利要求5所述的四自由度果实采摘机械手系统，其特征在于，所述第二臂及驱动组件包括安装在第一臂端部的第二臂，以及与所述第二臂配合安装的四号电机。
7.根据权利要求6所述的四自由度果实采摘机械手系统，其特征在于，所述夹持器包括安装在第二臂端部的夹持器固定节，以及与所述夹持器固定节配合安装的夹持器活动节。
8.根据权利要求2所述的四自由度果实采摘机械手系统，其特征在于，所述中心轴承的型号为BZ20。
专利摘要本实用新型公开了一种四自由度果实采摘机械手系统，包括相互配合设置的机械手本体结构、伺服驱动单元、计算机控制单元、传感单元与通信单元，其中所述机械手本体结构包括底座，自下向上依次配合安装在底座上的齿轮组件、转动组件、支撑及驱动组件、第一臂及驱动组件、第二臂及驱动组件、以及夹持器。本实用新型所述四自由度果实采摘机械手系统，可以克服现有技术中成本高、气缸气管安装影响机械手自由度、以及气缸的中间行程难以精确控制等缺陷，以实现成本低、气缸气管安装不影响机械手自由度、以及气缸的中间行程易精确控制的优点。
文档编号A01D46/30GK201938094SQ2010206065
公开日2011年8月24日 申请日期2010年11月15日 优先权日2010年11月15日
发明者孙群, 赵颖, 魏衍侠 申请人:聊城大学