专利名称：可感知碰撞的采摘机器人伸缩臂的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机器人机械臂，尤其涉及的是一种可感知碰撞的采摘机器人
伸缩臂。
背景技术：
自1883年第一台西红柿采摘机器人在美国诞生以来，采摘机器人的研究和开发历经了近30年的时间。在国外，日本和欧美等国家相继立项研究采摘苹果、柑桔、西红柿、 西瓜和葡萄等智能机器人。日本Kondo-N等人研制的西红柿采摘机器手具有七个自由度， 具有一定的避障能力。Johan Baeten和Sven Boedri j等人研制的苹果采摘机器人，将工业机器人的六自由度手臂安装于可水平和竖直移动的架子上，再由一台拖拉机牵引在果园里移动。法国一家公司开发了一台苹果采摘机器人，其利用液压作为动力，机器人工作空间有限。东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人，上海交通大学正在进行黄瓜采摘机器人的研究，浙江大学对七自由度番茄收获机械手进行了机构分析与优化设计研究等。目前国内外对于采摘机器人机械臂结构主要采用二种类型，第一种类型就是直接借用工业机械臂形式。第二种是基于避障而采用的冗余自由度机械臂。无论哪种类型，其机器人的关节类型多采用转动形式，而在实际的机器人采摘作业中，转动关节臂动作时，在果树内扫过的面积是一个扇面，而移动关节臂的伸缩只是一条直线，相比而言，转动关节臂增大了采摘机器人机械臂与果树枝叶的碰撞几率，降低了机器人的避障能力，增加了采摘机器人路径规划和运动控制的难度，所以在保证采摘功能的前提下，机械臂的后关节采用移动关节具有更优的性能，另外，目前用来感知外部环境信息的传感器大都装在机器人的末端执行器上，在机械臂上安装的很少，而机器人在采摘果树内部的果实时，机械臂的后关节不可避免的要深入果树的内部进行作业，会与枝叶发生碰撞，如果机械臂没有感知碰撞力大小程度的功能，当其撞上较粗的树枝时就没有能力做出判断，那么这种碰撞即可对果树和机器人都带来损害。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种可感知碰撞的采摘机器人伸缩臂，在伸缩臂上设置碰撞感知部分实现了对外界的碰撞感知。技术方案本发明包括驱动伸缩部分和至少一组碰撞感知部分，所述碰撞感知部分包括至少一个碰撞片、至少一个弹簧组件和至少一个开关组件；其中碰撞片设置于驱动伸缩部分沿轴向的外部，开关组件设置于驱动伸缩部分的端部，弹簧组件的一端固定在碰撞片上，另一端固定在驱动伸缩部分的端部，弹簧组件的高度大于开关组件的高度。所述驱动伸缩部分包括交流伺服电机、架体、导杆、丝杠、螺母件和伸缩杆；其中 交流伺服电机驱动丝杠运动，丝杠的两端设有架体，丝杠的两端固定在架体内，螺母件套接在丝杠上构成了丝杠螺母机构，导杆套接在螺母件上，伸缩杆固定在螺母件上，碰撞片设置于丝杠的轴向方向。丝杠的自转使得螺母件在导杆的定向作用下进行前后移动，伸缩杆和螺母件一同动作，实现伸缩功能。所述丝杠的两端分别通过向心推力轴承轴向固定在架体内，向心推力轴承用于承受丝杆在运动过程中产生的轴向力和径向力。所述架体上设有支撑架，伸缩杆套接在支撑架内，使得伸缩杆的伸缩动作定向进行。所述弹簧组件包括圆柱卡片、弹簧支撑架、导柱和压缩弹簧；其中弹簧支撑架上设有光孔，导柱依次套接在压缩弹簧和弹簧支撑架的光孔内，导柱的顶端和碰撞片固定相连，底端和圆柱卡片通过螺钉固定相连，压缩弹簧固定在弹簧支撑架上，圆柱卡片设置于弹簧支撑架的底部。所述弹簧支撑架上的光孔直径小于圆柱卡片的圆柱直径，导柱依靠弹簧支撑架上的光孔进行对压缩弹簧的压缩定向，导柱和圆柱卡片固定相连，圆柱卡片的直径大于光孔直径是为了限制导柱连接的碰撞片不会因为压缩弹簧的预紧力使其从架体上飞出去，从而限定了碰撞片的活动空间。所述开关组件包括微动开关和微动开关支架，微动开关固定在微动开关支架上， 微动开关支架固定在架体上，微动开关的的高度小于相应的碰撞片的高度。所述碰撞感知部分有三组，每组碰撞感知部分包括一个碰撞片、四个弹簧组件和两个开关组件，一个碰撞片设置于架体沿轴向的外部，一个碰撞片的两端分别设有两个弹簧组件，一个开关组件设置于两个弹簧组件之间。本发明工作时，压缩弹簧的一端由于预紧力将相应的碰撞片顶起，压缩弹簧的另一端压在弹簧支撑架上，当碰撞片受到较大压力碰撞后，压缩弹簧随着导柱的移动向下收缩，直至碰撞片压到其下的微动开关动作为止，这时，微动开关发信号给机器人控制系统， 提示该方向上碰到危险障碍，机械臂应该停止在这个方向上的运动，重新规划采摘路径，选择其他方向进行采摘。有益效果本发明相比现有技术，具有以下优点本发明结构简单，实现方便，能够提高机器人整体的采摘效率和成功率，避免机器人进行采摘作业时的危险碰撞，保护机器人及果树的安全。
图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明的内部结构示意图；图3是本发明的驱动伸缩部分的结构示意图；图4是本发明的弹簧组件的结构示意图；图5是本发明的开关组件的结构示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 如图1、图2和图3所示，本实施例整体安装在采摘机器人机械臂最后的关节处，用
4连接法兰1和最后的关节的驱动输出端固联，本实施例包括驱动伸缩部分和三组碰撞感知部分，三组碰撞感知部分分别设置于驱动伸缩部分的沿轴向的顶端、左端和右端，每组碰撞感知部分包括一个碰撞片11、四个弹簧组件9和两个开关组件10，一个碰撞片11设置于驱动伸缩部分的架体沿轴向的外部，一个碰撞片11的两端分别设有两个弹簧组件9，一个开关组件10设置于两个弹簧组件9之间，即每个碰撞片11的两端在架体上各安装一个开关组件10，每个开关组件10配合两个弹簧组件9使用。驱动伸缩部分的下方有收集果实的装置，没有空间来安装碰撞感知部分。以驱动伸缩部分的左端为例，驱动伸缩部分包括交流伺服电机2、架体3、两根导杆4、丝杠5、螺母件6、支撑架8和伸缩杆7 ；其中交流伺服电机2固定在架体3上并驱动丝杠5动作，丝杠5的两端设有架体3，丝杠5的两端分别通过向心推力轴承轴向固定在架体3内，螺母件6套接在丝杠5上构成了丝杠螺母机构，导杆4分别套接在螺母件6的两端， 伸缩杆7固定在螺母件6上，螺母件6在导杆4的定向作用下进行前后移动，架体3上设有支撑架8，支撑架8上设有直线轴承，伸缩杆7套接在支撑架8的直线轴承内，对伸缩杆7的伸缩动作起到定向支撑和减少摩擦的作用，碰撞片11设置于沿丝杠5轴向的架体3右端的外部，丝杠5的自转使得螺母件6在导杆4的定向作用下进行前后移动，伸缩杆7和螺母件 6 —同动作，实现了伸缩功能。如图4所示，弹簧组件9包括压缩弹簧16、圆柱卡片13、螺钉12、导柱15和弹簧支撑架14 ；其中弹簧支撑架14上设有光孔，导柱15依次套接在压缩弹簧16和弹簧支撑架14的光孔内，导柱15的顶端和碰撞片11固定相连，底端和圆柱卡片13通过螺钉12固定相连，压缩弹簧16固定在弹簧支撑架14上，圆柱卡片13设置于弹簧支撑架14的底部； 弹簧支撑架14上的光孔直径小于圆柱卡片13的圆柱直径。以驱动伸缩部分的左端为例，弹簧组件9共有四个，丝杠5两端的架体3上各有两个。驱动伸缩部分的右端和左端相同设置，由于安装空间的限制，驱动伸缩部分的上端减少一个弹簧组件9，即在丝杠5前端的架体3的上方只装有一个弹簧组件9，相对应的后端的架体3的上方装有两个弹簧组件9。本实施例中碰撞片11采用厚度为lmm-2mm的冷轧Q235钢板制成，导杆4和导柱 15分别选用直径为6mm和16mm的光滑圆钢。如图5所示，开关组件10包括微动开关17和微动开关支架18，微动开关17固定在微动开关支架18上，微动开关支架18固定在架体3上，微动开关17的的高度小于相应的碰撞片11的高度。本实施例微动开关17的型号为MSW-11。微动开关17和机器人的控制系统相连，压缩弹簧16的一端由于受到预紧力作用将相应的碰撞片11顶起，另一端压在弹簧支撑架14上。当碰撞片11受到大于相应压缩弹簧16的预紧力之和的压力碰撞后，压缩弹簧16将沿着导柱15向下收缩，直至碰撞片11压到其下的微动开关17动作为止，微动开关17发信号给机器人控制系统，提示该方向上碰到障碍物，机械臂应该停止在这个方向上的运动，重新规划采摘路径或选择其他方向进行采摘。弹簧组件9的个数和其本身的刚度系数和预紧力决定了机械臂对何种大小程度的碰撞力作出反应。在实际的机器人采摘果实过程中，特别是枝叶较茂密的果树，机械臂经常碰到很多柔韧性好的细枝条，这时，机械臂不必对此做出反应，即此时的机械臂的碰撞反应力应大于碰撞力，这样即避免了机器人做无谓的判断和规划，有利于提高机器人整体的采摘效率和成功率。所以，可以根据具体采摘对象和环境的不同，通过实验获得相应的对果树或机器人有损害的临界碰撞力，再以临界碰撞力作为设计依据，确定相应弹簧组件9的个数、刚度系数和预紧力。
权利要求
1.一种可感知碰撞的采摘机器人伸缩臂，其特征在于，包括驱动伸缩部分和至少一组碰撞感知部分，所述碰撞感知部分包括至少一个碰撞片(11)、至少一个弹簧组件(9)和至少一个开关组件(10)；其中碰撞片(11)设置于驱动伸缩部分沿轴向的外部，开关组件(10) 设置于驱动伸缩部分的端部，弹簧组件(9)的一端固定在碰撞片(11)上，另一端固定在驱动伸缩部分的端部，弹簧组件(9)的高度大于开关组件(10)的高度。
2.根据权利要求1所述的可感知碰撞的采摘机器人伸缩臂，其特征在于所述驱动伸缩部分包括交流伺服电机(2)、架体(3)、导杆(4)、丝杠(5)、螺母件(6)和伸缩杆(7)；其中交流伺服电机⑵驱动丝杠(5)运动，丝杠(5)的两端设有架体(3)，丝杠(5)的两端固定在架体(3)内，螺母件(6)套接在丝杠(5)上构成了丝杠螺母机构，导杆(4)套接在螺母件(6)上，伸缩杆(7)固定在螺母件(6)上，碰撞片(11)设置于丝杠(5)的轴向方向。
3.根据权利要求2所述的可感知碰撞的采摘机器人伸缩臂，其特征在于所述丝杠(5) 的两端分别通过向心推力轴承轴向固定在架体(3)内。
4.根据权利要求2所述的可感知碰撞的采摘机器人伸缩臂，其特征在于所述架体(3) 上设有支撑架(8)，伸缩杆(7)套接在支撑架(8)内。
5.根据权利要求2所述的可感知碰撞的采摘机器人伸缩臂，其特征在于所述弹簧组件(9)包括圆柱卡片(13)、弹簧支撑架(14)、导柱(15)和压缩弹簧(16)；其中弹簧支撑架(14)上设有光孔，导柱(15)依次套接在压缩弹簧(16)和弹簧支撑架(14)的光孔内，导柱(15)的顶端和碰撞片(11)固定相连，底端和圆柱卡片(13)通过螺钉(12)固定相连，压缩弹簧(16)固定在弹簧支撑架(14)上，圆柱卡片(13)设置于弹簧支撑架(14)的底部。
6.根据权利要求5所述的可感知碰撞的采摘机器人伸缩臂，其特征在于所述弹簧支撑架(14)上的光孔直径小于圆柱卡片(13)的圆柱直径。
7.根据权利要求5所述的可感知碰撞的采摘机器人伸缩臂，其特征在于所述开关组件(10)包括微动开关(17)和微动开关支架(18)，微动开关(17)固定在微动开关支架(18) 上，微动开关支架(18)固定在架体(3)上，微动开关(17)的的高度小于相应的碰撞片(11) 的高度。
全文摘要
本发明公开了一种可感知碰撞的采摘机器人伸缩臂，包括驱动伸缩部分和至少一组碰撞感知部分，所述碰撞感知部分包括至少一个碰撞片、至少一个弹簧组件和至少一个开关组件；碰撞片设置于驱动伸缩部分沿轴向的外部，开关组件设置于驱动伸缩部分的端部，弹簧组件的一端固定在碰撞片上，另一端固定在驱动伸缩部分的端部，弹簧组件的高度大于开关组件的高度。本发明结构简单，实现方便，能够提高机器人整体的采摘效率和成功率。
文档编号B25J19/00GK102150510SQ20111007056
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者冯虎, 刘桂芝, 李小笠, 杨文亮, 王刚, 童桂, 郁汉琪 申请人:南京工程学院