一种变刚度仿人手软体自适应性抓取装置的制作方法

本发明涉及采摘机械手领域，特别涉及一种变刚度仿人手软体自适应性抓取装置。

背景技术：

在果农采摘作业中，由于水果的多样性以及水果树高低的不同，果农常会遇到不少困难。为此除了大型机械的采摘，已有专门针对果农个体采摘的许多设计，但设计的抓取原理大多为用刀破坏水果根再以载物台承接或者直接用刚性抓手接触水果表面强制抓取。其缺点在于破坏果树结构以及对于易破损的水果，作业失败率极高，因此有很大的局限性。而随着柔性机械手概念的引进，全柔性仿人手抓取装置因其全柔性的抓手，可避免作业过程中破坏被抓取对象，因而可以很好的解决这一问题。

在设计全柔性仿人手抓取装置的过程中，考虑可能的应用环境，应使结构紧凑、合理，同时应具有较大的刚度调节范围、灵活控制抓取装置的伸缩长度、能实现在抓取过程中人手灵活的特点。目前，国内外在柔性仿人手抓取装置这一领域已有一些不错的成果，但是还是存在一些问题：机械结构运动方式单一、刚度不可调。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号cn201820034227.1，该技术公开一种水果采摘装置。该装置主要包含长杆以及手抓组件，手抓部分套有橡胶套。手抓部分抓取水果后将水果转拧下，实现水果采摘。但手抓部分仍属于刚性结构，尺寸和刚度不可改变，因此装置适用的水果采摘种类有限，并且仍存在对水果产生损伤的风险。该装置为纯手动辅助工具，采摘效率低。

中国发明专利申请号cn201810184773.8，该技术公开了一种欠驱动包络式水果采摘装置。该装置主要包括了欠驱动连杆机构、滑块、控制手柄。控制手柄通过控制滑块滑动从而控制欠驱动机构运转，使得欠驱动机构中的近指关节接触果实，实现自适应果径大小包络抓取。虽然该装置在指关节处安装了硅胶片，以减轻采摘过程中的挤压力，但是欠驱动连杆机构仍属于刚性结构，对水果仍然存在损伤，且该装置主要是通过改变欠驱动机构上近指关节之间的包络角来适应果径大小，虽然可以适应不同大小的水果外形，但是调节范围小，适用范围窄。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种变刚度仿人手软体自适应性抓取装置，该装置的软体抓手在抓取过程中能够实现从柔性结构到刚性结构的转变，保证稳定抓取的同时不会损伤水果，且该装置具有调节软体抓手张角的张角调整机构和调节软体抓手距离的间距调整机构，使得该装置能采摘尺寸大小不一的水果，适用范围广。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种变刚度仿人手软体自适应性抓取装置，包括:

多个软体抓手,所述软体抓手为中空结构；

驱动机构,其用于向所述软体抓手内施加负压以使得所述多个软体抓手弯曲形成抓握动作；

机架,其为空间对称结构,所述机架与所述多个软体抓手相连,所述机架包括张角调整机构以及间距调整机构,所述张角调整机构用于控制所述多个软体抓手的张角,所述间距调整机构用于控制所述多个软体抓手之间的距离。

优选地，所述软体抓手为硅胶材质。

优选地，所述软体抓手的抓取面为锯齿型,与所述抓取面相对的一面为平直型。

优选地，所述软体抓手内沿长度方向上开设有一空腔,所述空腔与所述软体抓手具有相同的外形结构,且所述空腔与设置在所述软体抓手侧面的气嘴相连通。

优选地，所述空腔内斜向设置有多个硬纸板,所述硬纸板的一端固定在所述空腔的内壁上，另一端为自由端。

优选地，所述驱动机构包括动力模块和控制模块；

所述动力模块包括输气管和微型隔膜泵，所述输气管一端与所述微型隔膜泵连接，另一端与所述软体抓手的气嘴连接；

所述控制模块包括电磁阀、压力传感器、控制板和继电器，所述控制板分别与压力传感器、控制板和继电器具有信号连接；

其中，所述电磁阀设置在所述输气管的气路上，用于控制输气管气路的通断，所述压力传感器设置在所述软体抓手的空腔内，所述控制板根据所述压力传感器输入的信号控制继电器的通断以实现所述电磁阀的开闭，使得所述微型隔膜泵选择性地将气体输入或排出所述空腔。

优选地，所述张角调整机构包括：

载物板；

下支撑板，其与所述载物板平行间隔设置；

多个第一外连板，所述多个第一外连板分别与所述下支撑板的一个端角铰接；

多个第二外连板，每一所述第二外连板的一端与所述第一外连板铰接，另一端与所述载物板的一个端角铰接；

其中，所述软体抓手与所述第二外连板联动，当改变所述载物板和下支撑板之间的间距时，所述软体抓手的张角相应改变。

优选地，所述第二外连板上开设有滑槽。

优选地，所述间距调整机构包括：

可伸缩杆，其一端与所述载物板固定，另一端贯穿所述下支撑板伸出；

中心滑块，其与所述可伸缩杆的可移动部位的外表面固定连接；

多个滑块，其分别活动设置在对应的所述第二外接板的滑槽内，且所述多个软体抓手分别固定在一所述滑块上；

其中，每一所述滑块与所述中心滑块之间铰接一内连杆，多个所述内连杆与中心滑块的连接端均匀分布在所述中心滑块的外周；当所述可伸缩杆选择性伸长或缩短时，所述滑块带动对应的所述软体抓手沿着所述滑槽移动，以改变所述多个软体抓手之间的距离。

优选地，所述下支撑板的中心开设有一通口，所述可伸缩杆穿过所述通口伸出，且所述通口与所述可伸缩杆之间具有一定的间隙。

本发明的有益效果是：

1)本发明的抓取装置具有由硅胶浇筑而成的软体抓手，且软体抓手的一面为锯齿型，另一面为平直型，在软体抓手内开设有空腔，在向空腔内施加负压时，软体抓手会向锯齿型一面弯曲，从而实现抓取动作，在此过程中软体抓手为柔性结构，不会损伤水果；在空腔内还设置有多个只有一个自由度的硬纸板，在抓取过程中，硬纸板相互接触形成连续平面，使得软体抓手从柔性结构转变为刚性结构，保证了抓取过程的稳定。

2)本发明的抓取装置的软体抓手的控制方式为气压驱动,可以减轻装置整体重量并且传送速度灵敏度高环境适应性好；在软体抓手内加入了压力传感器来实现自动化闭环控制,使得水果采摘过程中软体抓手的抓取过程更加准确稳定。

3)本发明的抓取装置具有张角调整机构，通过控制载物板和下支撑板之间的距离即可调节软体抓手之间的张角，以此来适应不同外形的水果，并且该抓取装置还具有间距调整机构，通过伸缩杆的伸长或缩短来控制软体抓手之间的间距，张角调整机构和间距调整机构的配合使用，使得抓取该装置能够针对水果外形大小来进行适应性变化，适用范围广。

附图说明

图1为一个实施例提供的一种变刚度仿人手软体自适应性抓取装置的结构示意图；

图2为其中一个实施例提供的软体抓手的结构示意图；

图3为其中一个实施例提供的软体抓手的工作原理示意图；

图4为其中一个实施例提供的抓取装置的工作原理示意图；

图5为其中一个实施例提供的抓取装置的动力模块和控制模块的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。

如图1所示，为其中一个实施例提供的一种变刚度仿人手软体自适应性抓取装置的结构示意图，该抓取装置包括有：多个软体抓手10、驱动机构(图中未示出)和机架，软体抓手10为中空结构，且软体抓手10用于抓取果蔬的抓取面与抓取面相对的一面具有不同的外形结构，驱动机构用于向所述软体抓手10内施加负压以使得所述多个软体抓手向所述抓取面一侧弯曲形成抓握动作，多个软体抓手10之间形成了可以容纳果蔬的容腔，且软体抓手10与机架相连，所述机架进一步包括了张角调整机构和间距调整机构，张角调整机构用于控制所述多个软体抓手10的张角，间距调整机构用于控制多个软体抓手10之间的间距，使得该装置能够适用于采摘外形大小不一的果蔬。

参照图2，为其中一个实施例提供的软体抓手的结构示意图；所述软体抓手10由硅胶浇筑而成，在接触果蔬时不易损伤果蔬，软体抓手用于抓取果蔬的抓取面为锯齿型，与抓取面相对的一面为平直面103，且在软体抓手内沿长度方向上开设有一个空腔102，空腔102与软体抓手10具有相同的外形结构,且空腔102与设置在软体抓手的侧面的气嘴104相连通。在抓取果蔬时，通过气嘴104将空腔102内的气体抽出，空腔102内呈现负压，空腔102在压力作用下收缩，由于锯齿型的抓取面有折纹101，有折纹101一侧的收缩空间小于平直面103一侧，故有折纹101一侧较之于平直面103一侧收缩完成速度更快，因此硅胶的软体抓手10向有折纹101一侧弯曲，从而实现了仿人手的抓取动作，在此过程中软体抓手10整体结构为柔性，从而不会损伤果蔬。进一步参考图3，图3为其中一个实施例提供的软体抓手的工作原理示意图,如图所示,在软体抓手10的空腔102内设置有多个硬纸板105，硬纸板105倾斜设置在空腔102内，硬质板105的一端固定在空腔102平直端的内壁上，另一端为自由端，故硬纸板105只有一个自由度，空腔102内为负压时，在外压力作用下空腔102收缩，各硬纸板105自由端之间相互接触形成了连续平面构成了稳定结构，使得软体抓手10整体结构为刚性，保证了抓取动作的稳定。

在抓取过程中，软体抓手10采用的为气压驱动，软体抓手的驱动包括了动力模块和控制模块，参照图5，为其中一个实施例提供的抓取装置的动力模块和控制模块的流程图，其中，动力模块包括了输气管560和微型隔离泵510，控制模块包括电磁阀520、压力传感器550、控制板540和继电器530。微型隔膜泵510通过一输气管560与软体抓手10的气嘴104相连，该气嘴104与软体抓手10内的空腔102相连通，从而微型隔膜泵510可以通过输气管560将气体从软体抓手10的空腔102内抽出。在输气管560的气路上设置有一电磁阀，在本实施例中，所述电磁阀为三位五通电磁阀520，该三位五通电磁阀520用于控制气路的通断。三位五通电磁阀520的开启或关闭由继电器530控制，继电器530与控制板540具有信号连接，所述控制板540可以为单片机控制板或arm控制板。该控制板540同时与压力传感器具有信号连接，该压力传感器设置在软体抓手10的空腔102内，在软体抓手10工作过程中，压力传感器不断监测空腔102内的气压，在本实施例中，采用压力独显控制开关550来检测气压，压力独显控制开关550将压力信号传送至控制板540，控制板540读取压力信号，并根据该压力信号向继电器530发送控制信号以控制继电器530的通断，由继电器530的通断再来控制三位五通电磁阀520的通断，使得微型隔膜泵510能够选择性地将气体排出或输入软体抓手10的空腔102内，以此调节空腔102内的气压，从而使空腔102内的气压维持在一稳定值，整个控制方式为闭环控制，能够保证在采摘作业中软体抓手抓取动作稳定准确，并且气压驱动可以减轻整体抓取装置的重量，而且传送反应灵敏度高，对工作环境适应性好，能够适用在多尘的果园工作中。

为了使得本发明中的抓取装置能够适用于抓取不同外形大小的果蔬，本发明利用张角调整机构控制所述多个软体抓手的张角，间距调整机构控制多个软体抓手之间的间距。转至参考图2，张角调整机构包括了载物板20，该载物板20用于承载抓取的果蔬，与所述承载板20平行间隔设置有一下支撑板30，在下支撑板30的每一个端角上铰接一个第一外连板50，在第一外连板50和载物板20之间又铰接一个第二外连板60。在每一个第二外连板60上均开设有一滑槽601，在滑槽601内活动设置有一滑块80，滑块80与软体抓手10固定连接，使得软体抓手10能够实现与第二外连板60联动。当改变所述载物板20和下支撑板30之间的间距时，软体抓手10的张角相应改变，本发明所述的张角是指软体抓手10与机架的中心轴线之间形成的夹角。在载物板20的底端固定有一可伸缩杆40，可伸缩杆40的一端固定在载物板20的下端，另一端贯穿下支撑板30伸出，下支撑板30上开设有通口301，可伸缩杆40从该通口301通过，通口301可以为任意形状，在本实施例中，所述通口呈十字型，该通口301与可伸缩杆40之间具有一定的间隙，从而使得可伸缩杆和下支撑板之间的运动互不干涉。在该伸缩杆40的可移动部位的外表面固定连接有一中心滑块90，该中心滑块与每一滑块80之间铰接有一内连杆70，内连杆70的连接端均匀分布在中心滑块90的外周，当可伸缩杆40伸长或缩短时，可移动部分带动中心滑块90移动，从而通过内连杆70牵引滑块80沿着滑槽601移动，使得多个软体抓手10之间向背运动或相向运动，软体抓手10之间的间距发生相应改变，可以适用于采摘不同外形大小的果蔬。

本发明的抓取装置的工作原理可以参照图4所示，机架为空间对称结构，故可以通过如图所示的一对软体抓手10的工作方式来进行说明。如图4所示，当改变下支撑板30和载物板10之间的距离时，第二外连板60会绕着其与载物板20之间的铰点201进行转动，相应地，第二外连板60上的滑块80也会转动相同的角度，由于软体抓手10固定在滑块80上，故软体抓手10与机架中心轴线之间形成的角度会随着滑块80的转动而发生变化，即软体抓手10的张角改变。当需要调节软体抓手10之间的距离时，伸长或缩短可伸缩杆40，可伸缩杆40的活动部分会带动中心滑动90移动，中心滑块90会通过内连杆70牵引滑块80沿着滑槽601滑动，从而使得两软体抓手10之间的间距发生改变。在利用本发明的抓取装置进行采摘作业时，可以先行改变载物板20和下支撑板30之间的距离来改变软体抓手10的张角，再根据需要摘取的果蔬的外形大小调节可伸缩杆40，使得软体抓手10之间的间距变化适应果蔬的外形，最后开启软体抓手10的气压驱动，使得软体抓手10弯曲进行仿人手动作来进行抓取操作。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。