专利名称：果蔬采摘机器人末端执行器的制作方法
技术领域：
本发明涉及采摘机器人领域，特别涉及一种果蔬采摘机器人末端执行器。
背景技术：
传统的果蔬人工采摘工作繁杂、劳动量极大，利用采摘机器人实现水果蔬菜的智能化采摘，成为智能农业发展的方向。末端执行器是果蔬采摘机器人中直接与果实接触，执行采摘任务的关键部分。由于果蔬及其环境的复杂多变性、不规则性和柔嫩性特征，采摘机器人末端执行器必须充分感知作业对象及环境信息，并根据感知信息进行合理动作，从而实现果蔬的智能化采摘。日本冈山大学开发的番茄采摘机器人末端执行器(M.MONTA，N.KONDO andK.C.TING. End-Effectors for Tomato Harvesting Robot.Artificial Intelligence Review 1998，1211-25)，可以抓住果实并扭断果梗，从而实现果实的采摘，同时安装了压力传感器和限位开关，用以反馈末端执行器的压力和位置信息，但无法感知果实和植株信息，扭断果梗时要求手指对果实有较大的夹持力，往往造成果实的损伤甚至破裂；日本国家蔬菜茶叶科学会开发的茄子采摘机器人末端执行器(Shigehiko HAYASHI，Katsunobu GANNO，Yukitsugu ISHII et a1.，Robotic Harvesting System for Eggplants.JARQ，2002，36(3)，163-168)，具有四个手指进行抓持，同时安装了光电传感器等辅助其进行目标果实的准确定位，但该末端执行器只能用于茄子采摘，其剪刀剪断粗硬果梗需要较大的功率，且无法充分感知力、距离、接近等信息。
发明内容
为了克服现有采摘方法和装置无法智能化的不足，本发明提供一种果蔬采摘机器人末端执行器，该末端执行器应用多传感器进行信息感知，并通过信息融合，获取果蔬及其环境的充分可靠信息。末端执行器根据感知信息完成果蔬的吸附拉动、抓取和分离动作，实现果蔬的采摘。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是末端执行器由执行装置、感知系统和供电系统组成。
其中执行装置由真空吸盘机构、手指夹持机构、激光切断机构组成。由真空发生器产生真空压力，使波纹吸盘产生吸力，直流伺服电机通过齿轮的传动，使齿条带动真空波纹吸盘完成果实的吸附并拉动其从果束中移开，由双向螺旋机构完成两夹持手指的开合，由激光器和聚焦透镜完成果梗的切断。
感知系统由安装在执行装置不同部位的伺服电机编码器、近距传感器、远距接近传感器、指力传感器、腕力传感器和压力传感器组成，其中编码器、压力传感器用于末端执行器内部信息的感知，而近距传感器、远距接近传感器、指力传感器、腕力传感器则用于感知外部环境与目标信息。由高能锂电池组并通过电压转换对末端执行器各元器件进行供电。
本发明的有益效果是，可以根据多传感器的信息感知，控制末端执行器执行按照吸附、抓取和分离动作，实现果实的智能化采摘，并保证果实品质。高能锂电池组供电使采摘机器人末端执行器脱离交流电源运行，可以满足田间作业的实际条件。
图1为果蔬采摘机器人末端执行器的系统结构图，图2为果蔬采摘机器人末端执行器的供电方案示意图。
图中1.手指，2.真空波纹吸盘，3.双向螺杆，4.直流伺服电机，5.激光聚焦透镜，6.齿条，7.六维腕力/力矩传感器，8.远距传感器，9.直流伺服电机，10.锥齿轮，11.锥齿轮，12.直流伺服电机，13.齿轮，14.接近传感器，15.三维指力传感器，16.近距传感器，17.激光器，18.压力传感器，19.真空管，20.真空发生器，21.小型气源。
具体实施例方式
本发明末端执行器由执行装置、感知系统和供电系统组成。执行装置包括真空吸盘机构、手指夹持机构和激光切断机构，分别完成果实吸附拉动、夹持和切断动作。其中真空吸盘机构包括小型气源(21)、真空发生器(18)、真空管(18)、真空波纹吸盘(2)、直流伺服电机(12)、齿轮(13)和齿条(6)，真空发生器(18)分别通过软管和真空管(18)与小型气源(21)和真空波纹吸盘(2)相连，真空波纹吸盘(2)固定于齿条(6)上，直流伺服电机(12)与末端执行器机架固定，齿轮(13)安装于直流伺服电机(12)的伸出轴上。真空发生器(18)由小型气源(21)提供压缩空气，真空发生器(18)产生真空，使真空波纹吸盘(2)产生吸力；由直流伺服电机(12)带动齿轮(13)转动，驱使齿条(6)和固定于齿条(6)上的真空吸盘(2)前进；当真空吸盘吸住果实后退回，使目标果实从果实束中脱离出来，以增加手指夹持的成功率并避免在夹持过程中手指(1)对其它果实的损害。
手指夹持机构包括两手指(1)、双向螺杆(3)、锥齿轮(10)、锥齿轮(11)和直流伺服电机(9)，直流伺服电机(9)与末端执行器的机架固定，锥齿轮(10)安装于直流伺服电机(9)的伸出轴上，锥齿轮(11)安装于双向螺杆(3)的伸出端，双向螺杆(3)上具有左旋和右旋两段螺纹，分别与两手指(1)组成螺旋传动。由直流伺服电机(9)通过锥齿轮(10)、(11)的传动，驱动双向螺杆(3)转动，双向螺杆(3)的转动带动两手指(1)产生平行相对运动，合拢抓住果实。
激光切断机构包括直流伺服电机(4)、激光聚焦透镜(5)和激光器(17)，激光器(17)通过光纤与聚焦透镜(5)相连，直流伺服电机(4)固定于末端执行器机架上，聚焦透镜(5)通过中间连接件安装于直流伺服电机(4)的轴上，由直流伺服电机(4)带动激光聚焦透镜(5)转动，使光斑对准果梗，激光器(17)发射激光束，将果梗切断，实现果实的成功采摘。末端执行器感知系统由分布于末端执行器各部分的外部感觉系统与内部感觉系统组成，包括伺服电机编码器、近距传感器、远距接近传感器、指力传感器、腕力传感器和压力传感器，以充分感知末端执行器的内部和外部信息，其中内部感觉包括1.在直流伺服电机(4)、(9)、(12)中，与直流电机和微型减速器集成为一体的直流伺服电机编码器，用于检测电机的转速和位置，构成半闭环伺服控制系统，以精确控制真空吸盘(2)、手指(1)和激光聚焦透镜(5)的运动位置和速度；2.在真空系统中，安装有压力传感器(18)，以测量并反馈真空负压，判断真空波纹吸盘(2)对果实的吸附和拉动状态，并决定末端执行器的下一步动作提供信息；与工业机器人相比，果蔬采摘机器人及其末端执行器的作业对象及环境具有明显的娇嫩性、不规则性和变化性，因此借助传感器来充分感知作业目标及环境的距离觉、接近觉、力觉等外部信息是非常重要的，外部感知部分包括1.在末端执行器中部安装有远距传感器(8)，可以检测20cm～150cm范围内物体的距离，在两手指(1)前端分别安装一个近距传感器(16)，可以检测10cm～60cm范围内物体的距离，在两手指(1)前端分别安装一个接近传感器(14)，用来在10cm距离范围内感知物体的接近情况。以上1个远距传感器(8)、2个近距传感器(16)和2个接近传感器(14)所获取的信息相融合，以辅助采摘机器人及其末端执行器发现目标、空间定位、测定果实的表面形状、决定抓取的姿态和动作并避免手指对果实的碰撞；2.在末端执行器两手指(1)内侧面分别安装了三维指力传感器(15)，能同时检测三维力信息(Fx，Fy，Fz)，在末端执行器与机械手腕部连接处安装有六维腕力/力矩传感器(7)，可以同时检测三维空间内的全部力和力矩信息(Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz)。以上2个三维指力传感器(15)和1个六维腕力/力矩传感器(7)感知的力觉信息相融合，以检测控制手指对果实的夹持力，即能可靠抓紧果实，又避免果实的夹坏；同时检测夹持过程中果实有无滑动，并感测末端执行器抓取的姿态和对果实进行称重，根据果实重量进行分级。
该果蔬采摘机器人末端执行器采用高能锂电池组进行供电。果蔬采摘机器人在田间或温室环境下进行大范围内移动作业，无法利用交流电源进行供电。高能锂电池的重量轻、容量大、寿命长，体积重量仅为普通蓄电池的1/4～1/3，非常适合于作为采摘机器人及其末端执行器的电源。图2为果蔬采摘末端执行器的供电方案，电源开关用于采摘机器人末端执行器的启动和关闭。电机驱动器、激光器、电磁阀及各传感器的额定电压不同，应用DC/DC电压转换芯片进行直流的变压。
权利要求
1.一种果蔬采摘机器人末端执行器，其特征在于由执行装置、感知系统和供电系统组成，其中执行装置由真空吸盘机构、手指夹持机构、激光切断机构组成，真空吸盘机构包括小型气源(21)、真空发生器(20)、真空管(19)、真空波纹吸盘(2)、直流伺服电机(12)、齿轮(13)、齿条(6)，真空发生器(20)相连分别通过软管和真空管(19)与小型气源(21)和真空波纹吸盘(2)相连，真空波纹吸盘(2)固定于齿条(6)上，齿轮(13)安装于直流伺服电机(12)的伸出轴上；手指夹持机构包括手指(1)、双向螺杆(3)、直流伺服电机(9)、锥齿轮(10)、锥齿轮(11)，其中锥齿轮(10)安装于直流伺服电机(9)的伸出轴上，锥齿轮(11)安装于双向螺杆(3)的伸出端，双向螺杆(3)上具有左旋和右旋两段螺纹，分别与两手指(1)组成螺旋传动；激光切断机构包括激光器(17)、激光聚焦透镜(5)、直流伺服电机(4)，其中激光器(17)通过光纤与聚焦透镜(5)相连，聚焦透镜(5)通过中间连接件安装于直流伺服电机(4)的轴上，；感知系统包括内部感知和外部感知部分，内部感知部分由3个电机编码器、位于真空管(19)的压力传感器(18)组成，外部感知部分由末端执行器中部的1个远距传感器(8)、两手指前端的2个近距传感器(16)、两手指前端的2个接近传感器(14)、两手指内侧面的三维指力传感器(15)和末端执行器与机械手腕部相连部位的六维腕力/力矩传感器(7)组成。
2.根据权利要求1所述的果蔬采摘机器人末端执行器，其特征在于用高能锂电池组进行供电。
全文摘要
一种果蔬采摘机器人末端执行器，由执行装置、感知系统和供电系统组成。其中执行装置由真空吸盘机构、手指夹持机构、激光切断机构组成。由真空发生器产生真空压力，使波纹吸盘产生吸力，直流伺服电机通过齿轮的传动，使齿条带动真空波纹吸盘完成果实的吸附并拉动其从果束中移开，由双向螺旋机构完成两夹持手指的开合，由激光器和聚焦透镜完成果梗的切断。感知系统由安装在执行装置不同部位的伺服电机编码器、近距传感器、远距接近传感器、指力传感器、腕力传感器和压力传感器组成，由高能锂电池组并通过电压转换对末端执行器各元器件进行供电。本发明可根据多传感器的信息感知，执行吸附、抓取和分离动作，实现果实的智能化采摘，并保证果实品质。
文档编号B25J9/00GK101019484SQ200710020500
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月6日 优先权日2007年3月6日
发明者刘继展, 李萍萍, 李智国, 王新忠, 向忠平 申请人:江苏大学