CN101663972B - 一种穴盘苗自动移栽机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种穴盘苗移栽的自动移栽机，包括移栽机械手机构、龙门式机械臂机构、穴苗盘和花盆输送机构和机架，其特征是龙门式机械臂机构是在机架上部安装机械臂水平运动导轨和同步带，水平运动导轨上滑动连接机械臂连接板，连接板连接同步带；机械臂连接板上设置机械臂竖直运动导轨和传动链条，机械臂两端分别滑动组装在机械臂竖直运动导轨上，机械臂两端分别连接传动链条，在机械手分合运动导轨上滑动组装多个机械手，气缸活塞杆的端部连接前端的机械手，各机械手之间设置非弹性连接带；移栽机械手机构是在气缸的下端固接机械手指安装定位块，气缸活塞杆上固接机械手安装定位块，机械手安装定位块上固接手指套筒，穿过手指套筒和机械手安装定位块的机械手指固接在机械手指安装定位块上。其特点在于以机器代替手工操作自动完成蔬菜和花卉穴盘苗移栽，结构简单、方便、实用，性能可靠。

Description

一种穴盘苗自动移栽机

技术领域

本发明属于一种自动移栽机，特别是一种能完成不同规格蔬菜和花卉穴盘苗从高密度穴盘向低密度穴盘或容器自动移栽的机器。

背景技术

随着科学技术的发展，蔬菜和花卉生产自动化及智能化水平不断提高，智能农业机器人应用越来越多，它对于提高资源利用率和农业产出率，提高经济效益，实现设施农业的规模化、机械化和自动化具有重要意义，是今后发展的主要趋势。当今的蔬菜和花卉现代化育苗体系以轻基质穴盘育苗为代表，其中移栽是生产过程中的重要环节，具有对气候的补偿作用和使作物生育提早的综合效益，可以充分利用光热资源，其经济效益和社会效益均非常可观，但在国内移栽作业主要靠手工完成，平均移栽速度为800～1000株/h，并且连续工作劳动强度大，会使人疲劳，生产效率低，难以实现大面积作业，制约了穴盘育苗技术的发展。

穴盘苗移栽机的研究开发始于上世纪80年代。早期穴盘苗自动移栽机的实现方式以工业机器人为本体。1987年，美国奥本大学Kutz等人设计的苗圃植物移栽机器人，以Puma 560机器人为本体，末端执行器为自主设计的平行夹持指夹苗机构。可以实现将种苗从392孔穴盘移栽至36孔的生长盘中。利用电脑辅助设计系统模拟实际作业情况，以穴盘与生长盘并排放置时，移栽效率最高。1992年，K.C.Ting和Y.Yang等人研制的移栽机器人以四自由度工业机器人ADEPT-SCARA为本体，末端执行器为带传感器的滑移指针夹持器。位于顶部的视觉传感器用于检测穴苗的位置，力觉传感器可避免SNS夹持器夹苗时用力过大而损伤穴苗。在苗盘相邻的情况下，移栽单个苗的时间在2.6～3.3s之间。这些以工业机器人为本体的移栽机具有特定的功能，封闭式结构限制了移栽的作业对象和作业空间，适用于特定的环境，通用型差，利用率较低，与温室自动化流水线作业设施不易实现配套，并且造价高昂，因而未能实现推广。

近年来，出现了独立设计专用机电系统完成移栽作业控制过程。比较典型的机型有：1995年日本研制的PT6000型移栽机器人，其主要部件有机械手、插入式拔苗器、盆状容器传送带、穴盘传送带、漏播分选器。工作时，穴盘输送系统将穴盘苗移动至拔苗器下方，经光电传感器检测保证穴孔内无缺苗后，拔苗器将穴苗抓起，在机械手的带动下，移至空的盆状容器所在位置，最后拔苗器放下秧苗。控制部分采用单触式控制面板和自诊断装置，智能化程度很高。2001年韩国K.H.Ryu等人借助笛卡尔坐标系开发了一种育苗 移栽机器人，其机械手由步进电机、气缸、气动卡盘和夹取指组成。电机的作用是使指针在夹取前旋转至适当的位置，避免夹苗时损伤叶片。气缸的作用是推动指针插入苗坨。通过气动卡盘的开合来实现对穴苗的抓取、保持和释放。2002年，韩国W.C.Choi研制了一种蔬菜移栽机，其移栽机械手由五杆形成的路径发生器、夹取指针和指针驱动器三部分构成。澳大利亚Transplant Systems公司生产的XT616型移栽机，是茶叶穴盘苗专用移栽机系列之一。该移栽机体积相对较小，可靠性和灵活性较高，对大型育苗生产线和中小育苗户均适用。机械手有4根手指，独特的设计使其适应于不同的根系结构。

这些机型虽然能实现穴盘苗的移栽，但移栽机成套设备结构庞大，适于工厂化生产的大面积作业，并且机械手结构复杂，控制也复杂，价格昂贵，难于适应我国工厂化农业的中小规模生产。并且由于我国现在所使用的农业生产制度与国外的大农场制度之间存在差异，农民的购买能力有限。目前，我国农业设施内的穴盘苗移栽生产机械化和自动化研究工作尚处于实验室试验研究阶段。吉林工业大学研制的空气整根穴盘苗移栽机(范云翔等，1996)采用吸力较大的真空自动化投苗机构，该机型只适于水稻秧苗，若用于移栽蔬菜或花卉穴苗，则易使茎叶折断。台湾研制的气压式可调整穴盘苗移栽机(吕英石，2003)和南京农业大学研制的移栽机(周婷，2009)由移栽手、控制部件(PLC)以及气压动力源三部分组成，移栽机械手具备夹苗、放苗、插植与镇土等多种功能，自动化程度较低，需要人工进给苗盘，移栽效率不高，并且移栽手开合结构复杂，用电机作机械手抓放苗的动力控制也复杂。中国农业大学设计的生菜自动移栽机(强丽慧，2005)，适用品种单一，通用性差，智能化程度较低，未能得到推广。因此，在设施农业生产自动化，尤其在温室主要作物穴盘苗移栽自动化方面的研究工作进展缓慢，还未见成熟机型。所以，应当充分汲取发达国家的成功经验，从我国育苗移栽技术的实际情况出发，适应我国农业生产的自动化和智能化需求，研制开发适合我国国情、结构简单、价格低廉、性能稳定可靠的中小型穴盘苗自动移栽机迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是提供一种穴盘苗自动移栽机，结构简单，成本较低，使用性能可靠，能方便进行穴盘苗的移栽。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：包括移栽机械手机构、龙门式机械臂机构、穴苗盘和花盆输送机构和机架，其特征是：

龙门式机械臂机构是在机架上部两侧内臂安装机械臂水平运动导轨，并组装由电机驱动的同步带，机械臂水平运动导轨上通过水平滑块滑动连接机械臂连接板，机械臂连 接板连接同步带；机械臂连接板上设置机械臂竖直运动导轨和由电机驱动的传动链条，机械臂两端分别通过竖直导轨滑块滑动组装在机械臂竖直运动导轨上，机械臂两端分别连接传动链条，与机械臂平行的旁侧设置机械手分合运动导轨，导轨上滑动组装多个机械手，在机械臂上固接气缸，气缸活塞杆的端部固接连接块，连接块与前端的机械手连接，各机械手之间设置连接带；

移栽机械手机构是在气缸的下端固接机械手指安装定位块，气缸活塞杆上固接机械手安装定位块，机械手安装定位块上固接四个手指套筒，穿过手指套筒和机械手安装定位块的机械手指固接在机械手指安装定位块上，机械手安装定位块上设置带连接螺孔的侧板；

本发明的优点是：以机器代替手工操作自动完成蔬菜和花卉穴盘苗移栽，结构简单、性能可靠、实用方便，能很好地实现穴盘苗移栽作业。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是龙门式机械臂机构示意图。

图3是龙门式机械臂机构局部结构放大示意图。

图4是移栽机械手结构示意图。

图5是机械手指安装定位块示意图。

图6是机械手安装定位块示意图。

图7是手指套筒示意图。

图8是机械手指示意图。

图9a、b是四移栽机械手合、分状态示意图。

图10是穴盘苗自动移栽机工作过程示意图。

附图中的零部件序号如下：机架下部1、花盆输送从动滚筒2、机架上部3、主动带轮4、步进电机5、同步带6、机械臂水平运动导轨7、步进电机8、从动带轮9、同步带轮支撑板10、机械臂连接板11、主动链轮12、传动链条13、机械臂竖直运动导轨14、气缸15、气缸定位块16、导向杆17、气缸活塞杆18、机械臂19、移栽机械手20、气缸20-1、机械手指安装定位块20-2、机械手安装定位块20-3、手指套筒20-4、机械手指20-5、气缸活塞杆20-6、机械手分合运动导轨21、花盆22、穴苗盘23、花盆输送带24、穴苗盘输送带25、步进电机26、直流电机27、花盆输送主动滚筒28、穴苗盘输送主动滚筒29、地轮30、花盆输送从动滚筒31、水平滑块32、行程开关33、竖直导轨滑块34、连 接件35、连接块36、滑块37、连接带38、从动链轮39、连接件40。

具体实施方案

见图1，本发明主要包括移栽机械手机构、龙门式机械臂机构、穴苗盘和花盆输送机构和机架。

见图1-3，龙门式机械臂机构：在机架上部3两侧臂内壁上安装机械臂水平运动导轨7，在机架上部3固接同步带轮支撑板10，同步带轮支撑板10的上部组装主、从动带轮4、9，并在其上组装同步带6，步进电机5传动连接主动带轮4。在两侧机械臂水平运动导轨7上安装水平滑块32，同时水平滑块32固接机械臂连接板11，连接板11通过连接件40固接在同步带6上。机械臂连接板11上设置机械臂竖直运动导轨14，并在导轨的旁侧组装传动链条13，传动链条13组装在主、从动传动链轮12、39上，步进电机8传动连接主动链轮12。机械臂竖直运动导轨14上安装竖直导轨滑块34，竖直导轨滑块34固接在机械臂19的两端。机械臂19的两端分别通过连接件35连接传动链条13，与机械臂平行的旁侧设置机械手分合运动导轨21，导轨上组装机械手分合运动导轨滑块37，在机械臂19上固接气缸定位块16，气缸定位块16上组装气缸15，在气缸活塞杆18的顶端固接连接块36，气缸定位块16上活动穿装导向杆17，导向杆17前端固接连接块36，连接块36与前端的机械手20连接，各机械手20之间设置帆布带等材料的非弹性连接带38。

在机械臂水平运动导轨7和机械臂竖直运动导轨14上分别设置行程开关33。

见图4-8，移栽机械手机构：在各气缸20-1的下端固接机械手指安装定位块20-2，各气缸活塞杆20-6上固接机械手安装定位块20-3，机械手安装定位块20-3上固接四个手指套筒20-4，手指套筒20-4设计成具有一定的弯度，以利于更好地抓取穴盘苗，穿过手指套筒20-4和机械手安装定位块20-3的机械手指20-5固接在机械手指安装定位块20-2上，机械手指20-5设计成细指形状，指端呈铲状，利于手指入土抓苗，并保证对土壤的扰动较小。手指套筒20-4和机械手手指20-5与铅垂方向夹角设计成具有5-18°的角度，上半部分为直线，下半部分为圆弧，两者角度相吻合。机械手安装定位块20-3上设置带连接螺孔的侧板，通过侧板连接在机械手分合运动导轨滑块37上。本实施例采用四个机械手，在各机械手之间联接有非弹性连接带38，用来限制各机械手之间打开的距离。移栽机械手工作时，通过气压驱动气缸工作，气缸活塞杆20-6固定不动，气缸筒上下运动带动机械手指20-5上下移动，并通过手指套筒20-4的导向实现移栽机械手开合，进而达到抓放穴盘苗的目的，实现穴盘苗的移栽。

见图1，穴苗盘和花盆输送机构：机架下部1组装两套主、从动滚筒，电机27、26分 别传动连接花盆输送主动滚筒28、穴苗盘输送主动滚筒29，在两套主、被动滚筒29和2、28和31上分别组装穴苗盘输送带25和花盆输送带24。机架下端设置可移动地轮30。

工作原理：

本发明的气缸和各电机外接控制系统，控制系统采用现有技术。穴苗盘和花盆输送系统的穴苗盘输送带25和花盆输送带24并行布置。穴苗盘输送装置工作时，穴苗盘输送电机26控制穴苗盘滚筒29，带动穴苗盘输送带25，从而带动穴苗盘进给，花盆输送装置工作时，直流电机27控制花盆输送主动滚筒28，带动花盘输送带24，从而带动花盆进给。

本实施例将移栽机设计成四个机械手，一次移栽四个穴盘苗，机械手实现穴盘苗由高密度穴盘向低密度穴盘的自动移栽，将机械手准确定位在穴苗盘的任意位置抓苗，然后机械手20移动到与穴苗盘并行的花盆的上方放苗，能将四个移栽机械手20并拢，也能将四机械手20分开成一定距离。工作时，当气缸活塞杆18左右伸缩时，即完成四个机械手20并拢和分开，实现从穴苗盘抓苗和到花盆放苗移栽作业。当步进电机8驱动竖直运动传动链条13运动时，滑块34带动机械臂19在机械臂竖直运动导轨14上做上下运动。机械臂水平运动步进电机5驱动水平运动传动同步带6运动时，则机械臂19带动四机械手20作水平运动。控制步进电机使机械手实现水平和竖直方向位移到达要移栽穴苗的位置。

以移栽标准72孔穴盘中的西红柿苗为例，将其移栽到直径130mm的盆中继续生长。一次移栽过程是利用并拢在一起的四个移栽手将四个西红柿穴苗从穴苗盘抓起，然后水平分开到四个对应的已移动到位的花盆中把苗栽入。见图9、10，穴盘苗自动移栽机工作过程是：首先将穴苗盘23由穴苗盘输送带25输送到适合于移栽手抓取的位置，排成一列的移栽手20在“合”状态抓起穴盘苗然后“分”开移栽到由花盆输送带24输送到位的花盆22中。四个移栽手是平行于穴苗盘输送带输送方向排列的，能沿着与穴苗盘输送带垂直的水平导轨移动，即从穴盘的长边一侧开始移栽，一次抓取位于长边的一列四个穴苗栽入花盆，完成一次移栽动作，然后花盆输送带向前移动四个花盆位置停下，同时移栽手沿着水平导轨移动到第二列四个穴盘苗上方，再抓取要移栽的四个穴苗栽入四个花盆中，依次重复，直到六列穴盘苗全部移栽完成，则完成一个移栽小循环，接着穴苗盘输送带向前移动四个穴孔位置停下，再开始第二个移栽小循环，完成四行穴苗的移栽，接着穴苗盘输送带向前再移动四个穴孔位置停下，开始第三个移栽小循环，三个小循环移栽完毕则完成一个标准盘72个穴苗的全部移栽。之后，穴苗盘输送带继续前进，将下一穴苗盘输送到起始位置继续开始另一盘苗的移栽。

Claims (2)

1.一种穴盘苗自动移栽机，包括移栽机械手机构、龙门式机械臂机构、穴苗盘和花盆输送机构和机架，其特征是：

龙门式机械臂机构是在机架上部两侧安装机械臂水平运动导轨，并组装由电机驱动的同步带，机械臂水平运动导轨上通过水平滑块滑动连接机械臂连接板，机械臂连接板通过连接件连接同步带；机械臂连接板上设置机械臂竖直运动导轨和由电机驱动的传动链条，机械臂两端分别通过竖直导轨滑块滑动组装在机械臂竖直运动导轨上，机械臂两端分别连接传动链条，与机械臂平行的旁侧设置机械手分合运动导轨，导轨上滑动组装多个机械手，在机械臂上固接气缸，气缸活塞杆的端部与前端的机械手连接，各机械手之间设置非弹性连接带；

移栽机械手机构是在气缸的下端固接机械手指安装定位块，气缸活塞杆上固接机械手安装定位块，机械手安装定位块上固接四个手指套筒，穿过手指套筒和机械手安装定位块的机械手指固接在机械手指安装定位块上，机械手安装定位块上设置带连接螺孔的侧板。

手指套筒和机械手手指与铅垂方向具有5-18°的夹角，上半部分为直线，下半部分为圆弧，两者角度相吻合。

2.根据权利要求1所述的穴盘苗自动移栽机，其特征是：在机械臂上固接气缸定位块，气缸定位块上组装气缸，气缸定位块上活动穿装导向杆，导向杆前端连接前端的机械手。

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