CN103416161A

CN103416161A - 一种用于油茶果采摘机器人的执行机构

Info

Publication number: CN103416161A
Application number: CN2013102928496A
Authority: CN
Inventors: 李立君; 高自成; 易春峰; 万斌; 闵淑辉; 张翔; 彭少波
Original assignee: Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2033-07-12
Also published as: CN103416161B

Abstract

本发明公开了一种用于油茶果采摘机器人的执行机构，属于油茶果采摘机械领域，为了解决现有油茶果大多采用人工采摘，劳动强度大，效率低的问题，该油茶果采摘机器人的执行机构包括第一轴减速器；臂架支座；旋转臂；滑台；主拉杆座板；第三轴主臂底座；主拉杆；第三轴主臂；第二轴主臂；拉杆三角块；副拉杆；第四轴副臂；第四轴支座；振动采摘头；夹头；水平摆动座；多个伺服电机；本发明操作方便，可实现满足要求的范围内的采摘运动，工作效率高，机构间协调性能良好，特别是采用机电一体化控制，集成度高，控制方便，实用性强很强，可为油茶果种植的推广提供技术支持，代替人工采摘。

Description

一种用于油茶果采摘机器人的执行机构

技术领域

本发明涉及一种用于油茶果采摘机器人的执行机构，属于林业收获机械技术领域。

背景技术

油茶是植物油重要的优质原料，其收获具有极强的季节性，长期以来，各油茶种植地绝大部分依靠人工采摘油，消耗的人力、时间比较大，采摘效率低，并且某些油茶难以采摘或采摘不到，对人体安全具有一定的威胁。在现有技术中，我国一直未能解决这个问题，油茶采摘机的研制才刚刚起步，在国外有油茶采摘机问世，虽然机构自动化程度和工作效率较高，然而机构太复杂，而且成本太高，不适合中国的现状。我国油茶采摘机仍需加大力度研制。

通过对现在已成规模的油茶种植基地的油茶树进行研究，发现油茶树具有枝条韧性较大，油茶树的主干上基本没有果实，果实主要分布在油茶树枝条的前端，也就是说油茶果基本是沿树的表面分布的。

经过检索我们发现专利号为CN202617725，名称为《一种用于油茶果采摘机的臂架结构》的实用新型专利，其主权为“一种用于油茶果采摘机的臂架结构，其特征是，包括固定在底盘车架上的支座，装在支座上可绕自身轴线旋转的旋转臂，该旋转臂有设在其一侧的马达驱动；所述旋转臂的上端与主臂的一端铰接，该主臂内装有可相对主臂滑动的主臂从动滑块，所述主臂从动滑块与一水平摆动座铰接，该水平摆动座上装有连接采摘头的振动头滑座；所述旋转臂与主臂之间、主臂与主臂从动快之间、主臂从动块与水平摆动座之间、水平摆动座与振动头滑座之间均设有液压缸。”

专利号为CN201928661，名称为《一种用于油茶果采摘机的多自由度采摘臂》的实用新型专利，其主权为“一种用于油茶果采摘机的多自由度采摘臂，其特征是，包括装在采摘臂座上的旋转臂，该旋转臂的上端铰接有主臂，该主臂上端铰接有副臂，一端铰接在主臂上端的副臂的另一端铰接有采摘头座，一端铰接在副臂上的采摘头座的另一端铰接有用于安装采摘头的采摘头架；所述旋转臂上部装有倾斜的斜拉杆，该斜拉杆另一端铰接一主臂长拉杆，该主臂长拉杆的另一端与一副臂长拉杆的一端铰接，该主臂长拉杆和副臂长拉杆的铰接结合处与另一摇杆的一端铰接，所述主臂和副臂的铰接结合处与该摇杆的另一端铰接，所述副臂长拉杆的另一端铰接在所述采摘头坐上；所述旋转臂上设有可驱动主臂相对旋转臂转动的旋转臂液压缸，所述主臂上设有可驱动副臂相对主臂转动的主臂液压缸，所述采摘头座上设有可驱动采摘头架相对采摘头座转动的采摘头液压缸。”

上述两个专利所公开的油茶果采摘机构均采用液压系统作为动力来源，由于液压系统存在的一些缺点，包括1）液压油的泄漏和液体的可压缩性会影响执行元件运动的准确性，故无法保证严格的传动比。 2) 对油温的变化比较敏感，不宜在很高或很低的温度条件下工作。 3) 能量损失（泄漏损失、溢流损失、节流损失、摩擦损失等）较大，传动效率较低，也不适宜作远距离传动。 4) 系统出现故障时，不易查找原因。油茶果采摘机采摘机构对运动的准确性要求高，对传动比也有严格的要求，在采摘过程中若定位不准，夹持力度过松或过紧，往往会造成漏摘而同样需要人工摘取，影响采摘效率，或者损伤油茶果树；并且油茶果采摘机采摘机构的工作环境一般是在山林地带，地形恶劣，对系统的可靠性和可维护性要求高，而液压系统的维护往往是较为复杂。

发明内容

针对现有油茶采摘机械技术的缺陷，本发明的目的旨在提供一种用于油茶果采摘机器人的执行机构，它使用采用伺服电机驱动，能准确、快速找到不同位置距离和不同高低的油茶果树的树干的合适位置，能用采摘头对其夹持并振动以致成熟的油茶果脱落，采摘效率高，操作方便，实用性强，机构协调性能良好，减少对未成熟果实和花蕊的损伤。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于油茶果采摘机器人的执行机构，包括用于支撑执行机构的臂架支座，所述臂架支座设置在底盘车架上；可以围绕自身中轴线旋转的旋转臂，所述旋转臂安装在所述臂架支座上；

呈“┗”形连接固定的水平滑台和竖直滑台，所述水平滑台固定连接在所述旋转臂上，所述水平滑台和竖直滑台上分别设置有滑台伺服电机；铰接安装在所述水平滑台上的第二轴主臂；设置在所述水平滑台上的主拉杆底板；铰接安装在所述主拉杆底板上的主拉杆；设置在所述竖直滑台上的第三轴主臂底座，所述第三轴主臂底座可以在所述竖直滑台上滑动；铰接安装在所述第三轴主臂底座上的第三轴主臂；

分别与所述第二轴主臂和第三轴主臂铰接连接的第四轴副臂；与所述第四轴副臂平行设置的副拉杆；分别与所述主拉杆、第二轴主臂和副拉杆相连接的拉杆三角块；分别与所述副拉杆和第四轴副臂相铰接连接的第四轴支座；

所述第四轴支座上设置有水平摆动座和水平摆动伺服电机，所述水平摆动伺服电机驱动所述水平摆动座实现左右摆动；安装在所述水平摆动座上的振动采摘头，所述振动采摘头用于夹紧目标树干并振动以致成熟果实脱落，完成油茶果采摘作业。

作为本发明的进一步改进，所述旋转臂一侧设有驱动旋转臂旋转的动力装置，包括安装在所述底盘车架上的旋转臂伺服电机，第一轴减速器和联轴器；所述旋转臂伺服电机经第一轴减速器通过联轴器来驱动所述旋转臂转动。

作为本发明进一步改进，所述旋转臂设置有角度限位装置，当旋转臂旋转到合适的角度即可自行锁死。

作为本发明的进一步改进，所述滑台伺服电机包括设置在水平滑台上的水平滑台伺服电机和设置在竖直滑台上的竖直滑台伺服电机；所述第二轴主臂及主拉杆由所述水平滑台驱动，所述竖直滑台伺服电机用于驱动第三轴主臂转动。

作为本发明的进一步改进，所述振动采摘头安装有用于夹持目标树干的夹头，用于驱动夹头夹持目标树干的夹持伺服电机，用于将所述夹持伺服电机的动力传递给所述夹头的传动锥齿轮，用于驱动振动采摘头作一定角度上下转动的上下伺服电机，用于驱动振动采摘头绕其中轴线转动的转动伺服电机和用于驱动振动采摘头以一定频率和振幅振动的振动伺服电机。

作为本发明的进一步改进，所述夹持伺服电机设置有力矩保护装置，当所述夹头夹紧目标树干后，所述力矩保护装置发出指令使所述夹持伺服电机不再向所述传动齿轮输出动力，从而实现所述夹头的夹紧过载保护，防止所述传动锥齿轮因过载而出现跳齿现象。

结合上述结构对本发明的作业方法作进一步说明，整个执行机构通过臂架支座整体固定在底盘车架上，旋转臂由旋转臂伺服电机连接转动联轴器驱动，经第一轴减速器通过联轴器来实现旋转臂的转动，当达到旋转臂需要转动的角度时角度限位装置即可自行锁死。第二轴主臂及主拉杆由滑台伺服电机驱动，第三轴主臂通过第二轴第三轴连接块由第二轴主臂带动运动，进而通过第四轴副臂和副拉杆带动第四轴支座的移动，从而来达到执行机构伸缩的目的。由滑台伺服电机驱动第三轴主臂转动，进而通过第四轴副臂带动副拉杆、主拉杆、第二轴主臂移动，从而来实现执行机构的上下运动。水平摆动座，由水平摆动伺服电机驱动实现自身的左右摆动，振动采摘头安装在水平摆动座上，在上下伺服电机驱动下作上下转动，最后通过转动伺服电机的驱动，振动采摘头绕转动伺服电机轴线方向转动。因此，整个执行机构共有6个自由度，采摘时通过各运动部件对振动采摘头的位姿进行调整，使振动采摘头夹紧目标树干并振动以致成熟果实脱落，完成油茶果采摘作业。

本发明所记载的执行机构全由伺服电机驱动，每个伺服电机对应一个轴，执行机构各部件可自由转动一定角度或相对移动一段长度，使执行机构形成多自由度；由各个伺服电机驱动执行机构各个部件运动，在所需的范围内迅速调整振动采摘头的位置姿态，使振动采摘头能够快速地对不同位置距离和不同高度的果树进行夹持，完成油茶果的采摘作业。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为图1的A处的局部结构示意图。

图中：1. 旋转臂伺服电机，2.第一轴减速器，3. 臂架支座，4.联轴器，5.旋转臂，6.水平滑台，7.主拉杆底板，8.竖直滑台，9.竖直滑台伺服电机，10.第三轴主臂底座，11.主拉杆，12.第三轴主臂，13.第二轴主臂，14. 拉杆三角块，15.副拉杆，16.第四轴副臂，17.第四轴支座，18. 水平摆动伺服电机，19. 振动伺服电机，20. 振动采摘头，21.夹头，22.夹持伺服电机，23.上下伺服电机，24.水平滑台伺服电机，25.转动伺服电机，26.水平摆动座，27.传动锥齿轮。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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。

如附图所示，一种用于油茶果采摘机器人的执行机构，包括用于支撑执行机构的臂架支座3，臂架支座3设置在底盘车架上；可以围绕自身中轴线旋转的旋转臂5，旋转臂5安装在臂架支座3上，旋转臂5设置有角度限位装置，当旋转臂5达到需要转动的角度即可自行锁死；设置在旋转臂5一侧用于驱动旋转臂5旋转的动力装置，包括用于驱动旋转臂5旋转的旋转臂伺服电机1，旋转臂伺服电机1设置在减速器箱体上；旋转臂伺服电机1与第一轴减速器2相联，第一轴减速器2与联轴器4相联。用于将动力传输给旋转臂5的联轴器4，联轴器4联接在第一轴减速器2和旋转臂5之间；呈“┗”形连接固定的水平滑台6和竖直滑台8，水平滑台6固定连接在旋转臂5上，竖直滑台8垂直固定在水平滑台6的一端，水平滑台6和竖直滑台8两侧分别设置有一块加强板和两条斜拉杆，用于加强水平滑台6与竖直滑台8的结构强度，水平滑台6和竖直滑台8上分别设置有水平滑台伺服电机24和竖直滑台伺服电机9，第二轴主臂13及主拉杆11由水平滑台6驱动，所述竖直滑台伺服电机9用于驱动第三轴主臂12转动；铰接安装在水平滑台6上的第二轴主臂13；设置在水平滑台6上的主拉杆底板7；铰接安装在主拉杆底板7上的主拉杆11；设置在竖直滑台8上的第三轴主臂12底座10，第三轴主臂12底座10可以在竖直滑台8上滑动；铰接安装在第三轴主臂12底座10上的第三轴主臂12；分别与第二轴主臂13和第三轴主臂12铰接连接的第四轴副臂16；与第四轴副臂16平行设置的副拉杆15；分别与主拉杆11、第二轴主臂13和副拉杆15相连接的拉杆三角块14；分别与副拉杆15和第四轴副臂16相铰接连接的第四轴支座17；第四轴支座17上设置有水平摆动座26和水平摆动伺服电机18，水平摆动伺服电机18驱动水平摆动座26实现左右摆动；安装在水平摆动座26上的振动采摘头20，振动采摘头20安装有用于夹持目标树干的夹头21，用于驱动夹头21夹持目标树干的夹持伺服电机22，用于传递夹持伺服电机22动力的传动锥齿轮27，用于驱动振动采摘头20作一定角度上下转动的上下伺服电机23，用于驱动振动采摘头20绕其中轴线转动的转动伺服电机25，用于驱动振动采摘头20以一定频率和振幅振动的振动伺服电机19和力矩保护装置，振动采摘头20的夹头21夹紧目标树干，当夹头21夹紧后，力矩保护装置发出指令使夹持伺服电机22不再向传动锥齿轮27输出动力，从而实现夹头21的夹紧过载保护，防止传动锥齿轮27因过载而出现跳齿现象，振动伺服电机19驱动振动采摘头20以一定频率和振幅振动以致成熟油茶果脱落，完成油茶果采摘作业。

本发明的作业过程如下：当底盘运动到需要采摘的油茶果树前，停止，先由旋转臂伺服电机1和第一轴减速器2通过联轴器4驱动旋转臂5转动，当旋转臂旋转到合适的角度位置后锁死；接着由伺服电机驱动第二轴主臂13及主拉杆11的移动，同样在水平滑台伺服电机24驱动下使第三轴主臂12转动，进而由第四轴副臂16和副拉杆15带动第四轴支座17使执行机构伸缩至合适长度；竖直滑台伺服电机9驱动第三轴主臂12、第四轴副臂16带动副拉杆15、主拉杆11、第二轴主臂13各执行部件移动，从而使执行机构的上下运动至合适位置；然后是水平摆动座26，由水平摆动伺服电机18驱动下作一定角度的水平摆动；振动采摘头20安装在水平摆动座26上，在伺服电机上下伺服电机23驱动下作一定角度的上下转动；通过转动伺服电机25的驱动，振动采摘头20绕转动伺服电机25轴线方向转动一定角度；到达合适的采摘位置后，夹持伺服电机22通过传动锥齿轮27驱动夹头21对目标树干进行夹持，当夹头21夹紧后，力矩保护装置发出指令使夹持伺服电机22不再向传动锥齿轮27输出动力，从而实现夹头21的夹紧过载保护，防止传动锥齿轮27因过载而出现跳齿现象，最后在振动伺服电机19驱动振动采摘头20对树干进行适合频率和振幅的振动，以使成熟的油茶果实从树枝上脱落，完成采摘作业。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于油茶果采摘机器人的执行机构，其特征在于：包括用于支撑执行机构的臂架支座，所述臂架支座设置在底盘车架上；可以围绕自身中轴线旋转的旋转臂，所述旋转臂安装在所述臂架支座上；

分别与所述第二轴主臂和第三轴主臂铰接连接的第四轴副臂；与所述第四轴副臂平行设置的副拉杆；分别与所述主拉杆、第二轴主臂和副拉杆相连接的拉杆三角块；分别与所述副拉杆和第四轴副臂相铰接连接的第四轴支座；所述第四轴支座上设置有水平摆动座和水平摆动伺服电机，所述水平摆动伺服电机驱动所述水平摆动座实现左右摆动；安装在所述水平摆动座上的振动采摘头，所述振动采摘头用于夹紧目标树干并振动以致成熟果实脱落，完成油茶果采摘作业。

2.如权利要求1所述的一种用于油茶果采摘机器人的执行机构，其特征在于：所述旋转臂一侧设有驱动旋转臂旋转的动力装置，包括安装在所述减速器箱体上的旋转臂伺服电机，第一轴减速器和联轴器；所述旋转臂伺服电机经第一轴减速器通过联轴器来驱动所述旋转臂转动。

3.如权利要求1所述的一种用于油茶果采摘机器人的执行机构，其特征在于：所述旋转臂设置有角度限位装置，当旋转臂旋转到合适的角度即可自行锁死。

4.如权利要求1所述的一种用于油茶果采摘机器人的执行机构，其特征在于：所述滑台伺服电机包括设置在水平滑台上的水平滑台伺服电机和设置在竖直滑台上的竖直滑台伺服电机。

5.如权利要求1所述的一种用于油茶果采摘机器人的执行机构，其特征在于：所述振动采摘头安装有用于夹持目标树干的夹头，用于驱动夹头夹持目标树干的夹持伺服电机，用于将所述夹持伺服电机的动力传递给所述夹头的传动锥齿轮，用于驱动振动采摘头作一定角度上下转动的上下伺服电机，用于驱动振动采摘头绕其中轴线转动的转动伺服电机和用于驱动振动采摘头以一定频率和振幅振动的振动伺服电机。

6.如权利要求5所述的一种用于油茶果采摘机器人的执行机构，其特征在于：所述夹持伺服电机设置有力矩保护装置，当所述夹头夹紧目标树干后，所述力矩保护装置发出指令使所述夹持伺服电机不再向所述传动齿轮输出动力，从而实现所述夹头的夹紧过载保护，防止所述传动锥齿轮因过载而出现跳齿现象。