一种可旋转式采摘用机械爪及控制方法

1.本发明涉及一种可旋转式采摘用机械爪及控制方法，属于采摘设备技术领域。


背景技术：

2.中国专利(公开号：cn 108271532)公开了一种仿人采摘动作的多爪气动无损果蔬采摘机械手，包括多爪采摘机械手机构和无损采摘气动系统；多爪采摘机械手机构包括夹持机构和采摘机构；夹持机构包括三爪气缸、移动底座、真空发生器、下拉杆、移动滑块、上拉杆、真空吸盘、采摘爪和压力传感器；采摘机构的主要动力装置为旋转气缸，旋转气缸通过螺钉与连接盘固连，连接盘与三爪气缸采用螺钉固连，真空发生器与连接盘固连；无损采摘气动系统包括空气压缩机、气源三联件、采摘气动子系统、夹持气动子系统和吸附气动子系统。通过多连杆采摘机械手的设计，在一个动力装置下实现吸附果实、拉直果梗和夹持果实等多个动作，从而同时达到对果梗的姿态调整和果实的夹持。
3.但上述方案以及目前市面上的高智能化的果树采摘设备，结构复杂，不易维护，并且设备造价高，不适合大多数普通农民采购使用。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的一在于提供一种装配爪状组件、旋转盘、升降台、杆件组件、锁定结构，当采摘果实时，外杆保持不动，内杆拉动升降台下降，入字形的弯曲爪向固定爪收拢，实现果实的抓取；当需转动时，按动按压片，凸起结构能够抵触内杆，使得内杆和外杆固接，从而使得机械爪一体转动，实现果实和树枝的脱离，方案简单、实用，切实可行，制造成本低，便于生产制造的可旋转式采摘用机械爪及控制方法。
5.本发明的目的二在于提供一种利用内、外杆结构以及旋转盘，使得爪状结构旋转；利用升降台以及锁定结构可保持爪体形状不变，操作简单，且造价低廉，适合大多数果树种植户使用的可旋转式采摘用机械爪及控制方法。
6.本发明的目的三在于提供一种可旋转，带有传送件，杆身可加长的可旋转式采摘用机械爪及控制方法。
7.为实现上述目的之一，本发明的第一种技术方案为：
8.一种可旋转式采摘用机械爪，
9.包括爪状组件、旋转盘、升降台、杆件组件、锁定结构；
10.所述爪状组件，设有固定爪、弯曲爪，用于抓取待采摘的果实；
11.所述弯曲爪为入字形结构，其一端角与固定爪铰接，另一端角与升降台固接；
12.所述旋转盘，用于装配固定爪；
13.所述杆件组件，设有相互套接的内杆、外杆；
14.所述内杆与升降台固接，用于带动升降台往复升降；
15.所述外杆与旋转盘固接；
16.所述锁定结构，设有带有凸起结构的按压片；
17.所述按压片的两端与外杆相连接，其凸起结构能够抵触内杆，使得内杆和外杆保持固定；
18.当采摘果实时，外杆保持不动，内杆拉动升降台下降，弯曲爪向固定爪收拢；
19.当需转动时，按动按压片，凸起结构能够抵触内杆，使得内杆和外杆固接，从而使得机械爪一体转动。
20.本发明经过不断探索以及试验，装配爪状组件、旋转盘、升降台、杆件组件、锁定结构，当采摘果实时，外杆保持不动，内杆拉动升降台下降，入字形的弯曲爪向固定爪收拢，实现果实的抓取；当需转动时，按动按压片，凸起结构能够抵触内杆，使得内杆和外杆固接，从而使得机械爪一体转动，实现果实和树枝的脱离，方案简单、实用，切实可行，制造成本低，便于生产制造。
21.同时，本发明利用内、外杆结构以及旋转盘，可使得爪状结构旋转；利用升降台以及锁定结构可保持爪体形状不变，操作简单，便于维护，且造价低廉，适合大多数果树种植户使用。
22.进一步，本发明特别适用于苹果、梨等果树种植地区，可实现使用低成本辅助设备协助人工进行果树快速采摘的目的。
23.作为优选技术措施：
24.相邻抓状结构，设置传送件；
25.所述传送件为网状结构或者袋状结构或弧形滑动结构，其目的在于引导通道方向，使通道走向更加可控，且有一定缓冲功能，减少被抓取物体因下落造成的机械损伤。
26.本发明的机械爪带有传送件，在被抓取物体处于传送通道的下落过程中，传送件可起到缓冲作用，减少被抓取物体的碰撞损伤。
27.进一步，本发明的机械爪结构精简，质量轻，内、外杆的设置，便于对机械爪的长度进行延伸，可广泛运用于人工水果采摘。
28.作为优选技术措施：
29.所述袋状结构在其内壁或外壁上装配弹簧；所述弹簧凸出于袋状结构的表面，以增加果实下落时的摩擦力。
30.作为优选技术措施：
31.所述旋转盘下方设有托盘，用于支撑和固定旋转盘，以避免旋转盘产生形变。
32.作为优选技术措施：
33.所述托盘设有缺口一，其角度为α；
34.所述旋转盘设有缺口二，其角度为α；
35.所述缺口一与缺口二竖向投影相重合。
36.作为优选技术措施：
37.所述缺口一和缺口二开口朝向传送件的开口，使得抓状结构松开后，被抓取物体可以直接落入传送通道中，从而提高收集物体的效率。
38.作为优选技术措施：
39.所述按压片通过长弹簧或4根扭簧装配在外杆上。
40.按压片的装配使用长弹簧，其优点在于安装、更换方便。
41.按压片的装配使用4根扭簧，其优点在于能更好得对按压片进行固定。
42.作为优选技术措施：
43.所述内杆的尾端固接一握把，所述握把为环形结构，便于操作人员使用。
44.作为优选技术措施：
45.在握把和外杆之间设有一直流电机，在握把上设置一电机启动用的按键；
46.按下按键，直流电机带动旋转盘以恒定速度转动，从而带动抓状结构旋转。
47.设置直流电机，避免连续作业时，操作人员容易因重复多次转动握把而造成的手腕疲劳；
48.所述直流电机采用带霍尔码盘传感器的12v直流电机，通过调节pwm脉冲宽度从而改变供给直流电机的电压，达到调整电机转速的目的。
49.为实现上述目的之一，本发明的第二种技术方案为：
50.一种可旋转式采摘用机械爪控制方法，
51.包括以下内容：
52.电路接通后，单片机stm32f103c6t6产生脉冲信号pwm，驱动电机驱动模块l298n带动电机旋转；
53.电机上的霍尔码盘传感器反馈转速至单片机stm32f103c6t6，单片机stm32f103c6t6通过pid调节模型实时改变输出脉冲占空比，使爪状结构在空转和抓取物体后都以一恒定速度进行旋转；
54.所述pid调节模型的计算公式如下：
[0055][0056]
其中，u(k)为输出变化量，k
p
为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数,t为采样时间,e(k)为本次计算偏差值，e(k-1)为上次计算偏差值；
[0057]
β为积分项的开关系数,其计算公式如下：
[0058][0059]
ε为根据实际情况设定的阈值。
[0060]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0061]
本发明经过不断探索以及试验，装配爪状组件、旋转盘、升降台、杆件组件、锁定结构，当采摘果实时，外杆保持不动，内杆拉动升降台下降，入字形的弯曲爪向固定爪收拢，实现果实的抓取；当需转动时，按动按压片，凸起结构能够抵触内杆，使得内杆和外杆固接，从而使得机械爪一体转动，实现果实和树枝的脱离，方案简单、实用，切实可行，制造成本低，便于生产制造。
[0062]
进一步，本发明特别适用于苹果、梨等果树种植地区，实现使用低成本辅助设备协助人工进行果树快速采摘的目的；本发明的机械爪可旋转，操作简单，且造价低廉，适合大多数果树种植户使用。
附图说明
[0063]
图1为本发明一种整体结构示图(爪体展开)；
[0064]
图2为本发明握把和杆件的一种装配示图；
[0065]
图3为本发明一种整体结构示图(爪体收拢)；
[0066]
图4为本发明爪体第一种爆炸图；
[0067]
图5为本发明爪体第二种爆炸图；
[0068]
图6为本发明传送件第一种结构示图；
[0069]
图7为本发明传送件第二种结构示图；
[0070]
图8为本发明托盘结构一种结构示图；
[0071]
图9为本发明旋转盘结构的一种结构示图；
[0072]
图10为本发明传送通道口固定方式示图；
[0073]
图11为本发明锁定结构的第一种结构示图；
[0074]
图12为图11所示结构转换一定角度示图；
[0075]
图13为本发明锁定结构的第二种结构示图；
[0076]
图14为图13所示结构转换一定角度示图；
[0077]
图15为本发明旋转盘角度设置示图；
[0078]
图16为本发明增设电机结构的一种示图；
[0079]
图17为本发明硬件结构逻辑图；
[0080]
图18为本发明控制方法的一种流程图。
[0081]
附图标记说明：
[0082]
1、外杆；2、内杆；3、托盘；4、旋转盘；5、固定爪；6、弯曲爪；7、插销；8、升降台；9、传送通道口；10、橡胶传送带；11、弹簧通道；12、按压片；13、长弹簧；14、内条纹；15、外条纹；16、握把；17、通道圆弹簧；18、通道固定片；19、螺钉；20、扭簧；21、按键；22、直流电机；23、电机支架底座；24、电机支架上盖；25、电机固定螺丝；26、电机连接件。
具体实施方式
[0083]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0084]
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0085]
需要说明的是，当两个元件“转动连接”时，两个元件可以直接连接或者也可以存在居中的元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。
[0086]
如图1-图16所示，本发明可旋转式采摘用机械爪的一种具体实施例：
[0087]
一种可旋转式采摘用机械爪，
[0088]
包括爪状组件、旋转盘4、升降台8、杆件组件、锁定结构；
[0089]
所述爪状组件，设有固定爪5、弯曲爪6，用于抓取待采摘的果实；
[0090]
所述弯曲爪6为入字形结构，其一端角与固定爪5铰接，另一端角与升降台8固接；
[0091]
所述旋转盘4，用于装配固定爪5；
[0092]
所述杆件组件，设有相互套接的内杆2、外杆1；
[0093]
所述内杆2与升降台8固接，用于带动升降台8往复升降；
[0094]
所述外杆1与旋转盘4固接；
[0095]
所述锁定结构，设有带有凸起结构的按压片12；
[0096]
所述按压片12的两端与外杆1相连接，其凸起结构能够抵触内杆2，使得内杆2和外杆1保持固定；
[0097]
当采摘果实时，外杆1相对内杆2保持不动，内杆2拉动升降台8下降，弯曲爪6向固定爪5收拢；
[0098]
当需转动时，按动按压片12，凸起结构能够抵触内杆2，使得内杆2和外杆1固接，从而使得机械爪一体转动。
[0099]
如图6所示，本发明传送件的第一种具体实施例：
[0100]
所述传送件为橡胶传送通道，其外装通道圆弹簧17，其设置目的在于撑开橡胶传送通道，使物体在下落过程中不易堵塞通道，且物体在经过弹簧时速度减慢，具有一定缓冲功能，减少被抓取物体因下落造成的机械损伤。
[0101]
如图7所示，本发明传送件的第二种具体实施例：
[0102]
所述传送件为橡胶传送通道，其外有弹簧通道11，其设置目的在于引导通道方向，使通道走向更加可控，且有一定缓冲功能，减少被抓取物体因下落造成的机械损伤。
[0103]
本发明托盘3以及旋转盘4的第一种具体实施例：
[0104]
所述托盘3的底部完整，其作用仅为支撑和固定旋转盘4，强度更高，不易形变。
[0105]
如图8、图9所示，本发明托盘3以及旋转盘4的第二种具体实施例：
[0106]
所述托盘3底部有一缺口，其角度等同于α，配套的旋转盘4也有一缺口，其角度等同于α。该结构可使爪体松开后，被抓取物体可以直接落入传送件的通道中，从而提高收集物体的效率。
[0107]
如图10所示，本发明传送通道口9的具体实施例：
[0108]
为配合托盘3的两种方案，传送通道口9也设计了对应的方案。
[0109]
传送通道口9通过螺钉19、通道固定片18固定在托盘3边缘或固定在托盘3下端。
[0110]
如图11、图12所示，本发明锁定结构的第一种具体实施例：
[0111]
在按压片12的固定上使用长弹簧13，其优点在于安装、更换方便。
[0112]
如图13、图14所示，本发明锁定结构的第二种具体实施例：
[0113]
在按压片12的固定上使用4根扭簧20，其优点在于能更好得对按压片12进行固定。
[0114]
如图15所示，本发明旋转盘4和托盘3角度设置的实施例：
[0115]
缺口一和缺口二的角度为α；α的角度取值范围为100
°
～120
°
，β的角度取值范围为60
°
～80
°
，且α+β恒等于180
°
。
[0116]
4条爪腿间的分布也是以α、β角度隔开。
[0117]
托盘3底部缺口角度等于α。
[0118]
如图16所示，本发明增设电机的一种具体实施例：
[0119]
考虑到连续作业时，操作人员容易因重复多次转动握把16而造成手腕疲劳，在此补充一种电动转动模式进行。
[0120]
在握把16和外杆1之间增加一个直流电机22，在握把16上添加一个电机启动用的按键21。按下按键21，直流电机22带动旋转盘4以恒定速度转动，从而带动爪体旋转。
[0121]
所述直流电机22通过电机支架底座23、电机支架上盖24、电机固定螺丝25、电机连
接件26装配在握把16和外杆1之间。
[0122]
本发明操作方法的一种具体实施例：
[0123]
操作1：抓取。
[0124]
操作人员左手握住外杆，将爪伸至果实处。右手拉动握把，由握把带动内杆向下移动，从而带动固定在内杆顶端的升降台向下移动。固定爪与旋转盘刚性连接。固定爪和弯曲爪铰接。弯曲爪的下半部分有一弧形槽，升降台在向下移动时，插销在弧形槽中移动，爪体合拢。
[0125]
操作2：旋转。
[0126]
基于操作1的前提下，操作人员左手调整握杆位置并紧握，将按压片按向内杆，使外条纹和内条纹咬合，从而使升降台与托盘的相对位置保持不变，进而使爪体保持抓紧状态。此时，操作人员可以转动握把带动旋转盘，使整个爪体旋转。在带电机的模式下，按下握把上的电机按键使爪体旋转。
[0127]
操作3：投放物品
[0128]
基于操作1、2，爪状结构已将待抓取物品取下，四条爪腿之间不是均匀隔开，两爪腿间按α、β角度隔开。在间隔α角度的两条爪腿间有一宽度较大的空缺，可以将爪子内的物品投入传送通道口,再进入橡胶传送带。橡胶传送带具有一定弹性，可使物品再下落过程中减速滚动或滑动。弹簧通道可以引导橡胶传送带的方向。橡胶传送带和弹簧通道可以有效减少或避免物品在下落过程中的磕碰和损伤。
[0129]
另外，升降台、内杆、握把之间均以螺纹连接，外杆与托盘也以螺纹连接，可在其间增加外杆和内杆的数量，延长总体长度。
[0130]
如图17、图18所示，本发明可旋转式采摘用机械爪控制方法的一种具体实施例：
[0131]
电机采用带霍尔码盘传感器的12v直流电机，通过调节pwm脉冲宽度从而改变供给直流电机的电压，达到调整电机转速的目的。
[0132]
在硬件方面，选用stm32f103c6t6最小系统板作为控制单元，用l298n和外围电路组成电机驱动模块。
[0133]
电路接通后，stm32单片机产生pwm脉冲信号，驱动l298n模块带动电机旋转。电机上的霍尔码盘传感器反馈转速至单片机，单片机通过pid调节实时改变输出脉冲占空比，使爪体在空转和抓取物体后都以一恒定速度进行旋转。为防止空转时爪体转动过快造成危险，同时要保证爪体在抓取物体后转动效率，旋转速度定为360rad/s。
[0134]
其中，霍尔码盘以方波脉冲反馈给stm32控制板，控制板接收信号后，可计算转速值。
[0135]
在实际应用场景中，电机启动时、抓取物体时、松开物体时，电机转速都会有很大变化，为防止积分作用产生积累，出现较大的超调量，导致系统不稳定，本发明采用积分分离pid控制算法，其公式如下：
[0136][0137]
其中，u(k)为输出变化量，k
p
为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数,t为采样时间,e(k)为本次计算偏差值，e(k-1)为上次计算偏差值。
[0138]
β为积分项的开关系数,其表达式为：
[0139][0140]
ε为根据实际情况设定的阈值，此处取0.5。
[0141]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。