CN102652473B - 自动夹持末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动夹持末端执行器，其包括用于夹持和释放被夹持物的夹持单元，以及分别与所述夹持单元相连的伸缩驱动单元和夹持驱动单元；所述伸缩驱动单元用于驱动所述夹持单元伸缩，以使手指插入和脱离被夹持物；所述夹持驱动单元用于驱动所述夹持单元开合，以夹持或释放被夹持物。本发明可以应用于花卉蔬菜幼苗等自动移栽设备，其可以插入幼苗根部基质，对根部进行可靠夹持，并且可以与幼苗进行快速分离释放，从而有助于实现幼苗的高效自动化作业；结构紧凑，制造成本低，运行可靠，具有良好的通用性，容易实现自动控制，具有良好的推广应用前景；对于保证幼苗无损高效夹持、提高自动化幼苗移栽机作业效率和可靠性具有重要意义。

Description

自动夹持末端执行器

技术领域

本发明涉及农业装备技术领域，特别是涉及一种自动夹持末端执行器。

背景技术

随着生活水平的提升，居民花卉消费稳步增长，2006年我国花卉种植面积已达1083万亩，约占世界花卉总种植面积的1/3，全国花卉销售额达556.6亿元，出口额约6.1亿美元，花卉产业具有广阔的市场前景和深远的发展潜力。然而由于我国现有花卉生产设备配套不完善，劳动投入以人工为主，作业效率低，劳动强度大，不利于发展规模化花卉生产模式，因此目前与花卉产业发达国家相比仍有较大差距，其中在盆栽花卉种苗生产过程中移栽环节表现尤为突出。目前盆栽花卉中主要以一年生草本科花坛花卉需求最大，其广泛应用于城市绿化和节日庆典装饰。由于多数盆栽花卉使用周期短、需求数量大的特点，其种苗由播种穴盘向花盆移栽所需劳动成本高，亟待研发自动化种苗移栽机械，实现花卉种苗移栽自动化。

由于花卉幼苗形状特征各异，子叶方向随机分布，夹持手爪操作幼苗过程中需防止对子叶和茎杆造成损伤。同时还需保证移栽释放幼苗时，手爪与幼苗能有效快速分离。因此幼苗夹持手爪在移栽过程中可靠无损夹持是智能移栽机关键技术之一。1986年Hwang等人研制的辣椒苗幼苗栽植机，通过具有柔性垫片的夹持手爪直接夹持幼苗茎杆进行移栽(Hwang，H.and RE.Sistler.A robotic pepper transplanter[J].Applied Engineering in Agriculture，1986.2(1)：2-5)。1994年美国Kutz等人研制的张合式幼苗移栽夹持手爪，由气动手爪、光电传感器以及注水喷嘴构成，通过夹持幼苗根部基质移动幼苗，手指上方安装压力水流喷嘴向幼苗根部喷水，有利于幼苗从手爪脱落，同时可以清洗夹持手指(L.J.Kutz，J.B.Craven.Evaluation of photoelectric sensors forrobotic transplanting[J].Applied Engineering in Agriculture，1994，10(1)：115-122)。1996年美国K.C.Ting等人研制了伸缩式幼苗移栽夹持手爪，套筒内可伸缩的针形手指插入至幼苗根部基质进行夹持，手指缩回则完成幼苗释放，克服了张合式手指不容易与幼苗脱落的缺点(Y.Yang，K.C.Ting，G.A.Giacomelli.Factors affecting performanceof sliding-needles gripper during robotic transplanting of seedlings[J].American Society of Agricultural Engineers，1991，7(4)：493-499)。国内沈阳农业大学邱立春等人发明的幼苗移栽机械手也采用伸缩式针形手指夹持幼苗根部，垂直伸缩气缸通过仿形套筒约束手指向内夹持轨迹，从而向幼苗根部施加夹持力。

目前对于移栽机末端手爪研究多集中应用于高度较小的穴盘钵苗，对于花卉幼苗移栽使用仍有不足之处。首先采用对幼苗茎部夹持的方式，容易夹伤茎杆，损坏幼苗；第二，张合摆动式手指夹持幼苗后，由于根部基质与手指容易粘连，二者不能快速分离，影响移栽可靠性；第三，采用仿形套筒式伸缩手指夹持幼苗，夹持操作缺乏驱动源，存在夹持力度不够，幼苗容易脱落，同时仿形套筒加工一次成型，手爪张开幅度不可调节，对于不同根部大小的钵苗适应性较差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种针对花卉幼苗自动进行盆栽作业设备所需的操作手爪，通过优化设计夹持手指驱动结构和运动方式，可对不同个体大小的幼苗进行操作，采用有源动力主动夹持钵苗根部，保证可靠有效夹持力度，同时需要防止手指与幼苗根部粘连，实现有效分离。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种自动夹持末端执行器，其包括用于夹持和释放被夹持物的夹持单元，以及分别与所述夹持单元相连的伸缩驱动单元和夹持驱动单元；所述伸缩驱动单元用于驱动所述夹持单元伸缩，以靠近或远离被夹持物；所述夹持驱动单元用于驱动所述夹持单元开合，以夹持或释放被夹持物。

其中，所述夹持单元包括多个均匀分布的夹持手指，每个夹持手指对应连接一个伸缩驱动单元。

其中，每个所述伸缩驱动单元包括与所述夹持手指刚性相连的伸缩驱动气缸，所述伸缩驱动气缸带动所述夹持手指伸缩。

其中，所述夹持驱动单元包括夹持驱动气缸、与所述夹持驱动气缸相连的伸缩驱动块、以及与所述伸缩驱动块相连的手指摆动牵引模块；所述手指摆动牵引模块的数量与所述夹持手指的数量相同，每个手指摆动牵引模块的一端连接所述伸缩驱动块，另一端对应连接一个所述夹持手指。

其中，所述夹持驱动气缸安装在气缸固定块上，所述夹持驱动气缸的活塞轴穿过所述气缸固定块与所述伸缩驱动块相连。

其中，所述气缸固定块上设置有与所述夹持手指数量相同的铰链支撑座，所述伸缩驱动气缸与所述铰链支撑座相铰接。

其中，所述夹持手指一端安装在手指固定端头上，所述手指固定端头与所述伸缩驱动气缸的活塞轴相连。

其中，所述伸缩驱动单元还包括回缩挡杆，所述回缩挡杆固定安装在所述伸缩驱动气缸一端，随所述伸缩驱动气缸摆动。

其中，每个所述手指摆动牵引模块包括垂直固定在所述伸缩驱动块上的连杆固定块，与所述连杆固定块相铰接的第二连杆，以及固定在所述伸缩驱动气缸一端且与所述第二连杆相铰接的手指连接件。

其中，所述手指连接件为弧形，其一端固定在所述第一横杆上，其另一端与所述第二连杆的一端相铰接，所述第二连杆的另一端与所述连杆固定块相铰接。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的自动夹持末端执行器，可以应用于花卉蔬菜幼苗等自动移栽设备，其可以插入幼苗根部基质，对根部进行可靠夹持，并且可以与幼苗进行快速分离释放，从而有助于实现幼苗的高效自动化作业；其结构紧凑，制造成本低，运行可靠，具有良好的通用性，容易实现自动控制，具有良好的推广应用前景；对于保证幼苗无损高效夹持、提高自动化幼苗移栽机作业效率和可靠性具有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例的自动夹持末端执行器的整体结构示意图；

图2是图1中自动夹持末端执行器处于幼苗夹持状态的结构示意图；

图3是图1中自动夹持末端执行器处于幼苗释放状态的结构示意图。

其中，1：铰链支撑座；2：第一销轴；3：伸缩驱动气缸；4：伸缩驱动块；5：手指固定端头；6：回缩挡杆；7：夹持手指；8：幼苗；9：手指连接件；10：第二销轴；11：连杆固定块；12：第三销轴；13：第二连杆；14：气缸固定块；15：夹持驱动气缸。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1示出了本实施例的自动夹持末端执行器的整体结构示意图，图2是本实施例自动夹持末端执行器处于幼苗夹持状态的结构示意图，图3是本实施例自动夹持末端执行器处于幼苗释放状态的结构示意图。参照图示，本实施例的自动夹持末端执行器包括用于夹持和释放被夹持物的夹持单元，以及分别与所述夹持单元相连的伸缩驱动单元和夹持驱动单元；所述伸缩驱动单元用于驱动所述夹持单元伸缩，以靠近或远离被夹持物；所述夹持驱动单元用于驱动所述夹持单元开合，以夹持或释放被夹持物。

具体地，所述夹持单元包括多个均匀分布的夹持手指7，每个夹持手指7对应连接一个伸缩驱动单元，图1中的自动夹持末端执行器示出了四个均匀分布的夹持手指7以及与其相匹配的伸缩驱动单元；图2和图3中为了更清晰地示出自动夹持末端执行器的结构，隐去其中对称的两个夹持手指7及其对应的驱动单元机构。

每个所述伸缩驱动单元与夹持驱动单元相关联设置，具体参照图2和图3所示，每个伸缩驱动单元包括与与所述夹持手指7刚性相连的伸缩驱动气缸3，由所述伸缩驱动气缸3带动所述夹持手指7伸缩，从而实现夹持手指7插入被夹持物内部或从中拔出。本实施例中，为方便描述，定义靠近被夹持物的方位为“前”，相反的方位为“后”。由此，夹持手指7的后端安装在手指固定端头5上，通过手指固定端头5与伸缩驱动气缸3的活塞轴相连，通过伸缩驱动气缸3活塞轴的伸缩驱动夹持手指7朝向被夹持物伸长和缩短。

本实施例中夹持驱动单元包括夹持驱动气缸15、与所述夹持驱动气缸15相连的伸缩驱动块4、以及与所述伸缩驱动块4相连的手指摆动牵引模块；所述手指摆动牵引模块的数量与所述夹持手指7的数量相同，每个手指摆动牵引模块的一端连接所述伸缩驱动块4，另一端对应连接一个所述夹持手指7，通过夹持驱动单元的驱动实现夹持手指7对被夹持物的夹持和释放，即夹持驱动单元驱动夹持手指7摆动夹持，实现多个夹持手指7收拢以夹紧被夹持物，或者多个夹持手指7散开以释放被夹持物。

为了将伸缩驱动单元和夹持驱动单元的结构简化设置，本实施例设置了气缸固定块14，所述夹持驱动气缸15安装在气缸固定块上，所述夹持驱动气缸15的活塞轴穿过所述气缸固定块14与所述伸缩驱动块4相连；同时，在所述气缸固定块14上设置有与所述夹持手指7数量相同的铰链支撑座1，所述伸缩驱动气缸3与所述铰链支撑座1相铰接，具体可采用如图所示第一销轴2实现伸缩驱动气缸3与铰链支撑座1之间的铰接。

为了实现对夹持手指7的伸缩限位，本实施例的伸缩驱动单元还设置有回缩挡杆6，所述回缩挡杆6固定安装在所述伸缩驱动气缸3一端，随所述伸缩驱动气缸3摆动，其具体包括垂直于所述伸缩驱动气缸3活塞轴且固定在所述伸缩驱动气缸3前端的第一横杆(图中未标示)，垂直于所述夹持手指7且开设有通孔供所述夹持手指7穿过的第二横杆(图中未标示)，以及连接所述第一横杆和第二横杆且与所述夹持手指7并行的第一连杆(图中未标示)。第一横杆固定在所述伸缩驱动气缸3前端，所述伸缩驱动气缸3活塞轴从其中心穿过，第一横杆不随伸缩驱动气缸3活塞轴的伸长或收缩而变化；第二横杆能够对夹持手指7进行约束，实现对夹持手指7的导向支撑。同时回缩档杆6能够在夹持手指7回缩过程中，将幼苗从夹持手指7刮离，防止幼苗根部基质同夹持手指7粘连，不易脱落；同时在刮磨夹持手指7过程中清洁夹持手指7上粘着的泥土，即实现自身清洁。

进一步地，本实施例的手指摆动牵引模块包括垂直固定在所述伸缩驱动块4上的连杆固定块11，与所述连杆固定块11相铰接的第二连杆13，以及固定在所述伸缩驱动气缸一端且与所述第二连杆13相铰接的手指连接件9。所述手指连接件9设置为弧形，其一端固定在所述第一横杆上，其另一端与所述第二连杆13的一端通过第三销轴12相铰接，所述第二连杆13的另一端与所述连杆固定块11通过第二销轴10相铰接。夹持手指7在伸缩驱动单元的驱动下插入或回缩合适的长度之后，由夹持驱动气缸15的活塞轴伸长或收缩，由伸缩驱动块4带动手指摆动牵引模块伸展或回缩，从而通过手指连接件9带动伸缩驱动气缸3和夹持手指7向中心收缩靠拢或者向外部伸展散开，实现对被夹持物的夹持或释放。

参照图2，使用本实施例的自动夹持末端执行器进行幼苗夹持的工作流程为：将末端执行器安装于移栽设备定位运动机构上，移栽时将其定位至花卉幼苗正上方，伸缩驱动气缸3的活塞轴伸出将夹持手指7插入幼苗8的根部周围基质(或土壤)中；此时，夹持驱动气缸15的活塞轴缩回，通过手指摆动牵引模块运动，由手指连接件9带动夹持手指7收缩靠拢，夹紧幼苗8根部；移栽设备定位机构将执行器提升后，则可将幼苗8取出移栽别处。参照图3，使用本实施例的自动夹持末端执行器释放幼苗时，进行与上述相反的操作过程即可，夹持驱动气缸15的活塞轴伸出，使得夹持手指7松开释放幼苗8，并进一步由伸缩驱动气缸3驱动夹持手指7缩回。

本实施例的自动夹持末端执行器，可以通过调整夹持驱动单元中夹持驱动气缸15的行程或第二连杆13的长度，改变夹持手指7指端的张合范围，从而适应不同大小幼苗夹持，提高本实施例自动夹持末端执行器的适用范围。

本实施例自动夹持末端执行器工作状态控制可由两组电磁阀即可实现，可由PLC单片机等上位机控制，容易应用于自动化作业。夹持驱动气缸15可选用法兰固定型，方便与气缸固定块14连接，其活塞轴伸缩行程15mm左右；伸缩驱动气缸3选用双耳环固定型，有利于与铰链支撑座1形成铰链结构，其活塞轴伸缩行程30mm左右；夹持手指7材料选用不锈钢材质钎状设计，防止生锈腐蚀，同时指端一定的塑性变形有利于保护幼苗根系不被夹伤。

除了应用于花卉幼苗盆栽作业设备外，本实施例还可应用于其他蔬菜幼苗在穴盘基质育苗过程中缺苗补充、劣苗剔除和移栽等作业环节。同时由于本实施例采用有源动力夹持方式，夹持可靠，结构紧凑，对于非穴盘内规则生长的人工点播种植的花卉幼苗也具有良好的实用性。

综上可知，本实施例的自动夹持末端执行器具有以下优点：

1.采用曲柄连杆结构原理设计，通过改变第二连杆13上销孔的距离、手指连接件9上销孔的位置以及夹持驱动气缸15的行程，则可以改变夹持手指7张合角度范围，从而适应不同根系大小的幼苗移栽；同时本实施例四个夹持手指7闭合后前端上方具有较大的容纳空间，不易挤伤幼苗茎叶，可以适应较高大种苗移栽，使得本实施例具有良好的通用性；

2.本实施例采用有源动力夹持驱动气缸15驱动夹持手指7摆动夹持，有利于保证可靠夹持力度，防止幼苗与基质提取分离时幼苗从手爪脱落；

3.本实施例伸缩驱动气缸3带动夹持手指7与回缩档杆6刮磨，其回缩过程有益于促进幼苗根部基质与夹持手指7分离，同时实现了夹持手指7前端的自身清洁；

4.本实施例采用气动驱动方式，无油污染，同时与电源隔离，使用安全；

5.本实施例结构设计紧凑，有利于多末端执行器集成高效作业，从而促进花卉自动移栽效率提高。

由以上实施例可以看出，本发明通过设置实现机构伸缩和夹持的两大模块，实现夹持手指在驱动下对被夹持物的摆动夹持，以及同时在驱动下伸缩插入被夹持物根部；可以应用于花卉蔬菜幼苗等自动移栽设备，其可以插入幼苗根部基质，对根部进行可靠夹持，并且可以与幼苗进行快速分离释放，从而有助于实现幼苗的高效自动化作业；其结构紧凑，制造成本低，运行可靠，具有良好的通用性，容易实现自动控制，具有良好的推广应用前景；对于保证幼苗无损高效夹持、提高自动化幼苗移栽机作业效率和可靠性具有重要意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种自动夹持末端执行器，其特征在于，包括用于夹持和释放被夹持物的夹持单元，以及分别与所述夹持单元相连的伸缩驱动单元和夹持驱动单元；所述伸缩驱动单元用于驱动所述夹持单元伸缩，以靠近或远离被夹持物；所述夹持驱动单元用于驱动所述夹持单元开合，以夹持或释放被夹持物；其中

所述夹持驱动单元具有可调节的手指摆动牵引模块，用以对所述夹持单元的开合角度进行调整；

所述夹持单元包括多个均匀分布的夹持手指，每个所述夹持手指对应连接一个伸缩驱动单元；

每个所述伸缩驱动单元包括与所述夹持手指刚性相连的伸缩驱动气缸，所述伸缩驱动气缸带动所述夹持手指伸缩；

所述夹持驱动单元还具有夹持驱动气缸、与所述夹持驱动气缸相连的伸缩驱动块；所述手指摆动牵引模块与所述伸缩驱动块相连；所述手指摆动牵引模块的数量与所述夹持手指的数量相同，每个手指摆动牵引模块的一端连接所述伸缩驱动块，另一端对应连接一个所述夹持手指；

每个所述手指摆动牵引模块包括垂直固定在所述伸缩驱动块上的连杆固定块，与所述连杆固定块相铰接的第二连杆，以及固定在所述伸缩驱动气缸一端且与所述第二连杆相铰接的手指连接件。

2.如权利要求1所述的自动夹持末端执行器，其特征在于，所述夹持驱动气缸安装在气缸固定块上，所述夹持驱动气缸的活塞轴穿过所述气缸固定块与所述伸缩驱动块相连。

3.如权利要求2所述的自动夹持末端执行器，其特征在于，所述气缸固定块上设置有与所述夹持手指数量相同的铰链支撑座，所述伸缩驱动气缸与所述铰链支撑座相铰接。

4.如权利要求1所述的自动夹持末端执行器，其特征在于，所述夹持手指一端安装在手指固定端头上，所述手指固定端头与所述伸缩驱动气缸的活塞轴相连。

5.如权利要求4所述的自动夹持末端执行器，其特征在于，所述伸缩驱动单元还包括回缩挡杆，所述回缩挡杆固定安装在所述伸缩驱动气缸一端，随所述伸缩驱动气缸摆动。

6.如权利要求5所述的自动夹持末端执行器，其特征在于，所述手指连接件为弧形，其一端固定在所述回缩挡杆的第一横杆上，其另一端与所述第二连杆的一端相铰接，所述第二连杆的另一端与所述连杆固定块相铰接。