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申请/专利权人：郑州轻工业学院

摘要：本发明提出一种苹果采摘机器人手部结构，包括支撑法兰和支撑杆，支撑法兰与支撑杆连接，所述的支撑杆与固定环连接，固定环上设有活动的抓取手指和剪切手指，抓取手指与伸缩机构I活动连接，剪切手指与伸缩机构II活动连接。本发明的有益效果：同时包括抓取机构和剪切机构，在完成抓取的同时能够实现对水果的剪切；抓取机构和剪切机构相互独立，分别采用独立的气缸驱动，避免两者之间相互影响，同时有利于对水果的拖拽作业；包括自适应组件，提高机械手对水果大小的适应程度。

主权项：1.一种苹果采摘机器人手部结构，包括支撑法兰（10）和支撑杆（15），支撑法兰（10）与支撑杆（15）连接，其特征在于：所述的支撑杆（15）与固定环（17）连接，固定环（17）上设有活动的抓取手指（1）和剪切手指（2），抓取手指（1）与伸缩机构I活动连接，剪切手指（2）与伸缩机构II活动连接；所述的伸缩机构II套设在支撑杆（15）上，伸缩机构II与支撑法兰（10）连接；伸缩机构I包括活动环I（6），抓取手指（1）与活动环I（6）活动连接，伸缩机构II包括活动环II（20），剪切手指（2）与活动环II（20）活动连接，活动环I（6）和活动环II（20）与支撑杆（15）滑动连接；所述的伸缩机构II包括连接杆II（19）、活动环II（20）、连接件II（21）和气缸II（22），剪切手指（2）与连接杆II（19）活动连接，连接杆II（19）与活动环II（20）活动连接，活动环II（20）套设在支撑杆（15）上，活动环II（20）与连接件II（21）活动连接，连接件II（21）与气缸II（22）连接，气缸II（22）与支撑法兰（10）连接；所述的支撑杆（15）与自适应组件（3）连接；所述的自适应组件（3）包括托盘（3-1）、弹簧（3-2）、移动轴（3-3）和固定套筒（3-4），固定套筒（3-4）与支撑杆（15）连接，移动轴（3-3）活动卡设在固定套筒（3-4）内，移动轴（3-3）与托盘（3-1）连接，托盘（3-1）与固定套筒（3-4）之间设有弹簧（3-2）。

全文数据：一种苹果采摘机器人手部结构技术领域本发明涉及机械装置，特别是指具有自适应功能的一种气压驱机器人手部结构。背景技术近些年来，由于机器人技术的迅速发展，机器人在工业、农业、医疗、军事等领域获得广泛应用。农业机器人的应用可以提高劳动生产率、改善劳动条件、解决劳动力不足等问题。采摘机器人作为农业机器人的一种类型，主要用于采摘番茄、苹果、柑桔等，具有很大的发展潜力。国外对果园采摘机械研究始于上世纪40年代，以美国、英国为首的国家较早开展此方面的研究。至60年代，采摘机械由单一的定冲程推摇机发展到惯性式振摇机、撞击式机械等多种类型的采摘机械。美国佛罗里达大学的甜橙采摘机器人采用两个相对独立的机器人，第一个机器人负责寻找和发现甜橙的位置，并计算最有效率的采摘路径，将信息和数据传至第二个机器人，第二个机器人负责摘取果实。我国从20世纪70年代开始研究果园采摘机械，先后研制出机械振动式山楂采果机、气囊式采果器和手持电动采果器。80年代后，开始研究和制造切割型采摘器。2007年新疆机械研究院研制了我国第一台多功能果园作业机，即LG-1型多功能果园作业机，这是一种集采摘、修剪、运输等功能的自走式作业机。此后有更多的采摘机器人研制，推动农业发展。目前的采摘机械手对水果的抓取和果梗的剪切存在较多问题，如公布号为CN107926281A，名称为一种气动式苹果采摘装置的专利申请文件，和公告号为CN203840780U，名称为一种水果采摘工具的专利文件，其只包括水果的抓取机构，在抓取完成后，不能将果梗剪切，而公布号为CN108174690A，名称为一种水果采摘器的专利文件，其虽然在抓取爪上设有刀刃，在抓取完成后能对果梗剪切，但是如果水果过大，抓取爪无法合拢，无法完成刀刃的合并剪切，同时现有的采摘机械手大都没有对水果的自适应功能，在抓取较小的水果时，其容易从机械手的空隙之间掉落。总而言之，苹果采摘机器手存在果实的识别率和采摘率不高、损伤率和制造成本较高等问题。而气压驱动的苹果夹持机械手具有体积小，可靠性高，成本低，绿色环保等优点，被广泛应用于水果抓取作业。因此针对上述情况设计一种提高机械手的柔性、灵巧性和通用性，提高采摘成功率，降低果实损伤率，具有自适应功能的机械手，具有十分重要的学术与实践意义。发明内容本发明提出一种苹果采摘机器人手部结构，解决了现有水果采摘机械手采摘效果不佳的问题。本发明的技术方案是这样实现的：一种苹果采摘机器人手部结构，包括支撑法兰和支撑杆，支撑法兰与支撑杆连接，所述的支撑杆与固定环连接，固定环上设有活动的抓取手指和剪切手指，抓取手指与伸缩机构I活动连接，剪切手指与伸缩机构II活动连接。所述的伸缩机构II套设在支撑杆上，伸缩机构II与支撑法兰连接。所述的伸缩机构II包括连接杆II、活动环II、连接件II和气缸II，剪切手指与连接杆II活动连接，连接杆II与活动环II活动连接，活动环II套设在支撑杆上，活动环II与连接件II活动连接，连接件II与气缸II连接，气缸II与支撑法兰连接。所述的活动环II与导向杆II连接，导向杆II与支撑法兰滑动配合。所述的支撑杆与自适应组件连接。所述的自适应组件包括托盘、弹簧、移动轴和固定套筒，固定套筒与支撑杆连接，移动轴活动卡设在固定套筒内，移动轴与托盘连接，托盘与固定套筒之间设有弹簧。所述的抓取手指上设有橡胶垫。所述的剪切手指的端部设有刀刃。所述的支撑法兰与腕部法兰连接，腕部法兰与伸缩旋转手臂机构连接。本发明的有益效果：同时包括抓取机构和剪切机构，在完成抓取的同时能够实现对水果的剪切；抓取机构和剪切机构相互独立，分别采用独立的气缸驱动，避免两者之间相互影响，造成抓取机构影响剪切机构的状况，同时有利于对水果的拖拽作业；包括自适应组件，提高机械手对水果大小的适应程度。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明整体结构示意图。图2为图1的俯视图。图3为本发明自适应组件结构示意图。图4为图2的A-A向视图。图中：1.抓取手指，2.剪切手指，3.自适应组件，4.转轴组件，5.连接杆I，6.活动环I，7.连接件I，8.气缸I，9.支撑架I，10.支撑法兰，11.螺栓连接件I，12.螺栓连接件II，13.腕部法兰，14.导向杆I，15.支撑杆，16.轴套I，17.固定环，18.橡胶垫，19.连接杆II，20.活动环II，21.连接件II，22.气缸II，23.支撑架II，24.导向杆II，25.轴套II，3-1.托盘，3-2.弹簧，3-3.移动轴，3-4.固定套筒，4-1.轴套III，4-2.转轴，4-3.挡圈。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1-2所示，本发明为具有自适应功能的气压驱动机器人手部结构，包括抓取手指1、剪切手指2、自适应组件3、转轴组件4、连接杆Ⅰ5、活动环Ⅰ6、连接件I7、气缸Ⅰ8、支撑架Ⅰ9、支撑法兰10、螺栓连接件I11、螺栓连接件II12、腕部法兰13、导向杆I14、支撑杆15、轴套I16、固定环17、橡胶垫18、连接杆II19、活动环Ⅱ20、连接件II21、气缸Ⅱ22、支撑架Ⅱ23、导向杆II24和轴套II25。抓取手指1通过转轴组件4与固定环17铰接，抓取手指1通过转轴组件4与连接杆Ⅰ5铰接，连接杆Ⅰ5通过转轴组件4与活动环Ⅰ6铰接，从而形成平面四杆机构，抓取手指1上安装有橡胶垫18，用于保护苹果；同理，剪切手指2通过转轴组件4与固定环17铰接，剪切手指2通过转轴组件4与连接杆II19铰接，连接杆II19通过转轴组件4与活动环II20铰接，形成平面四杆机构。固定环17通过螺纹连接固定在支撑杆15上，活动环Ⅰ6与活动环Ⅱ20分别通过轴套Ⅰ16配合在支撑杆15上形成移动副，连接件Ⅰ7与气压缸Ⅰ8通过螺纹连接固定，连接件Ⅰ7通过转轴组件4与活动环Ⅰ6铰接，使气缸提供驱动力使活动环Ⅰ6在支撑杆15上滑动；同理，连接件Ⅱ21与气缸Ⅱ22通过螺纹连接固定，连接件Ⅱ21通过转轴组件4与活动环Ⅱ20铰接，采用相同的安装方法和驱动方式。支撑架Ⅰ9通过螺栓连接件II12固定在支撑法兰10上，气缸Ⅰ8通过螺纹连接固定在支撑架Ⅰ9上；同理，支撑架Ⅱ23通过螺栓连接件II12固定在支撑法兰10上，气缸Ⅱ22通过螺纹连接固定在支撑架II23上。在活动环Ⅰ6滑动过程中，为了减小摩擦，增设导向杆Ⅰ14和轴套Ⅱ25，导向杆Ⅰ14一端与连接件Ⅰ7连接，另一端穿过支撑法兰10，与固定在支撑法兰10孔内的轴套II25滑动配合，使导向杆Ⅰ14引导活动环Ⅰ6做直线运动，减小倾覆力矩，从而减小摩擦力；同理，导向杆Ⅱ24一端与连接件II21连接，另一端与轴套II25滑动配合，导向杆Ⅱ24引导活动环Ⅱ20做直线运动，减小倾覆力矩，从而减小摩擦力。支撑杆15通过螺母连接固定在支撑法兰10上，腕部法兰13通过螺栓连接件I11与支撑法兰10连接固定，腕部法兰13预设有连接孔，通过连接孔将机器人手部结构安装在机器人的伸缩旋转手臂机构上。如图1-2所示，抓取手指1与剪切手指2均加工成弧形，区别在于，剪切手指2需要保证精确的闭合，从而可以保证良好的剪切效果，因此剪切手指2的在沿圆弧的切线方向延长，并在端部加工成刀刃，使两手指触碰之后利用该刀刃对果梗进行剪切。如图3所示，自适应组件3包括托盘3-1、弹簧3-2、移动轴3-3和固定套筒3-4。固定套筒3-4套紧在支撑杆15上，移动轴3-3活动卡设在固定套筒3-4内，托盘3-1套紧在移动轴3-3上，弹簧3-2位于托盘3-1与固定套筒3-4之间，并且弹簧3-2套在移动轴3-3上。当机械手抓取苹果时，苹果挤压托盘3-1，弹簧3-2收缩，移动轴3-3移动，从而可以适应大小不同的苹果。苹果的外径依靠抓取手指定位，苹果高度依靠抓取手指顶端和自适应组件定位。最终，苹果被可靠夹紧和定位。自适应组件可以提高机械手的对苹果的适应能力，可以抓紧不同外径和轴向高度的苹果。同时，通过该组件和抓取手指可以保证摘取苹果梗的长度一致，避免剪切手指对苹果的二次损伤。如图4所示，转轴组件4包括轴套Ⅲ4-1、转轴4-2和挡圈4-3。以剪切手指2和连接杆II19为例，轴套III4-1的外圆与剪切手指2孔的连接采用过盈配合，内圆与转轴4-2采用间隙配合，转轴4-2穿过剪切手指2和连接杆II9，挡圈4-3卡住转轴4-2，从而形成转动副。气压驱动手指的四连杆机构转动副皆采用转轴组件4构成。本发明的工作过程与原理为：本发明的第一工作阶段主要完成苹果的抓取与剪切工作，实现果实的机械采摘。气缸Ⅰ8工作，活塞杆伸出带动由活动环Ⅰ6、连接杆Ⅰ5、抓取手指1和固定环17的所组成的四杆机构的转动，即活动环Ⅰ6的移动带动抓取手指1的转动，抓取手指1闭合，包络苹果，自适应组件3通过苹果压缩弹簧3-2进行自适应抓取调整；同理，气缸Ⅱ22的活塞杆伸出，剪切手指闭合2，果梗被剪断。抓取手指和剪切手指同时存在，抓取手指完成苹果的抓取，剪切手指实现对苹果的进一步抓取和果梗的剪切；抓取机构和剪切机构又相互独立，分别采用独立的气缸驱动，不会由于苹果太大，而造成剪切手指无法合拢的情况；根据实际需要，手部结构与手臂结构相互配合，首先通过手部抓取苹果，然后手臂回缩拉扯苹果，将苹果的果梗给暴露出来，再通过手部的剪切手指剪切苹果的果梗，便于作业；自适应组件能够提高手部结构对不同苹果的适用。本发明的第二阶段主要完成苹果移动到运输位置，进行释放。气压缸Ⅱ22工作，气缸Ⅱ22的活塞杆退回带动活动环Ⅱ20退回，剪切手指2张开；同理，气缸Ⅰ8的活塞杆退回，抓取手指1张开，苹果被释放，同时自适应组件3恢复原状。接下来，进入机器人采摘苹果的循环工作状态。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种苹果采摘机器人手部结构，包括支撑法兰（10）和支撑杆（15），支撑法兰（10）与支撑杆（15）连接，其特征在于：所述的支撑杆（15）与固定环（17）连接，固定环（17）上设有活动的抓取手指（1）和剪切手指（2），抓取手指（1）与伸缩机构I活动连接，剪切手指（2）与伸缩机构II活动连接。2.根据权利要求1所述的苹果采摘机器人手部结构，其特征在于：所述的伸缩机构II套设在支撑杆（15）上，伸缩机构II与支撑法兰（10）连接。3.根据权利要求2所述的苹果采摘机器人手部结构，其特征在于：所述的伸缩机构II包括连接杆II（19）、活动环II（20）、连接件II（21）和气缸II（22），剪切手指（2）与连接杆II（19）活动连接，连接杆II（19）与活动环II（20）活动连接，活动环II（20）套设在支撑杆（15）上，活动环II（20）与连接件II（21）活动连接，连接件II（21）与气缸II（22）连接，气缸II（22）与支撑法兰（10）连接。4.根据权利要求3所述的苹果采摘机器人手部结构，其特征在于：所述的活动环II（20）与导向杆II（24）连接，导向杆II（24）与支撑法兰（10）滑动配合。5.根据权利要求1所述的苹果采摘机器人手部结构，其特征在于：所述的支撑杆（15）与自适应组件（3）连接。6.根据权利要求5所述的苹果采摘机器人手部结构，其特征在于：所述的自适应组件（3）包括托盘（3-1）、弹簧（3-2）、移动轴（3-3）和固定套筒（3-4），固定套筒（3-4）与支撑杆（15）连接，移动轴（3-3）活动卡设在固定套筒（3-4）内，移动轴（3-3）与托盘（3-1）连接，托盘（3-1）与固定套筒（3-4）之间设有弹簧（3-2）。7.根据权利要求1所述的苹果采摘机器人手部结构，其特征在于：所述的抓取手指（1）上设有橡胶垫（18）。8.根据权利要求1所述的苹果采摘机器人手部结构，其特征在于：所述的剪切手指（2）的端部设有刀刃。9.根据权利要求1所述的苹果采摘机器人手部结构，其特征在于：所述的支撑法兰（10）与腕部法兰（13）连接，腕部法兰（13）与伸缩旋转手臂机构连接。

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