CN103947348B - 一种两自由度机械手、拔抛秧机构、控制电路和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两自由度机械手、拔抛秧机构、控制电路和控制方法，两自由度机械手包括用于实现机械手在拔苗工作区域与抛苗工作区域之间的位置变化的水平运动机构、用于拔苗与抛苗的竖直运动机构、用于协调竖直运动机构的同步反向机构和用于夹持秧苗的秧夹机构；拔抛秧机构包括秧盘输送机构、分秧滑道和两自由度机械手；本发明采用分布式动力配置结合集中控制电路的机电一体化设计模式，极大避免了复杂机械传动以及非标零件设计，降低了加工制造难度和成本；采用夹子式机械手拔抛秧方式，有效降低了机械碎钵以及机械伤苗的程度；秧盘输送机构能自动送秧并能适应输送几种矩形布置穴孔的秧盘，保证一定进给精度。

Description

一种两自由度机械手、拔抛秧机构、控制电路和控制方法

技术领域

本发明涉及农业水稻种植领域，特别涉及一种用于钵盘水稻秧苗种植的两自由度机械手、拔抛秧机构、控制电路和控制方法。

背景技术

水稻抛秧移栽是中国水稻三大种植模式之一(其他两种分别是直播和插秧移栽)，这三种种植模式各有特点。中国地域广阔、水土地形差异大和耕作制度的不同等，只能因地制宜选择种植模式，才能最大限度发挥其优势。所以，研制适应三种水稻种植模式的农机具也是实现水稻种植全程机械化进程的重要环节，同时，这些农机具的设计质量与产品性能也会反过来影响种植模式的推广。

根据文献检索，国内而言，水稻抛秧移栽经历了人工撒抛、机械无序抛栽(需要人工喂秧，属于半自动)到机械有序精确抛秧的发展历程。随着工厂化穴盘育秧技术的推广，许多有序抛秧机械是基于这种新的育秧方式的基础上进行设计研究。实现水稻钵苗机械有序移栽设计研究主要集中在3个环节：钵苗脱盘、自动输秧和落秧分行。浙江理工大学机械与自动控制学院俞高红设计一种以椭圆-不完全非圆齿轮为传动机构的旋转式水稻钵苗移栽机构同时解决钵苗脱盘和栽植苗，该设计虽然移栽效率高，但传动机构结构参数复杂，且零部件为非标准件，对加工制造精度要求高以及增加成本。浙江理工大学机械与自动控制学院原新斌等设计一种杠杆顶出机构通过凸轮轴带动凸轮，驱动杠杆摆动，杠杆推动对应顶杠移动，顶杠从秧盘钵底部作用于钵苗土钵，实现秧苗脱盘，该设计中通过顶杠顶出方式实现秧苗脱盘，容易造成机械碎钵土。

发明内容

本发明的目的在于克服以上现有技术中存在的缺点，提供一种两自由度机械手，提高种植效率。

本发明的另一目的在于，提供一种包含上述两自由度机械手的拔抛秧机构。

本发明的又一目的在于，提供一种上述拔抛秧机构的控制电路。

本发明的再一目的在于，提供一种上述拔抛秧机构的控制方法。

为了达到上第一述目的，本发明采用以下技术方案：

一种两自由度机械手，包括用于实现机械手在拔苗工作区域与抛苗工作区域之间的位置变化的水平运动机构、用于拔苗与抛苗的竖直运动机构、用于协调竖直运动机构的同步反向机构和用于夹持秧苗的秧夹机构；所述竖直运动机构为两套，分别设置在水平运动机构的两端，所述秧夹机构为两套，每套竖直运动机构的末端设有秧夹机构。

优选的，所述水平运动机构包括水平交流伺服电机、水平电机安装座、直齿圆柱齿轮、齿条、水平滚动直线导轨、水平滑块、倒U型机械臂和两个龙门式支架；所述水平滑块安装在倒U型机械臂两侧，所述滚动直线导轨安装在龙门式支架上，滑块设置在滚动直线导轨上，倒U型机械臂悬挂在两个龙门式支架间，水平交流伺服电机通过水平电机安装座安装在其中一个龙门式支架上，水平交流伺服电机轴上的齿轮通过带动嵌套在倒U型机械臂凹槽内的齿条，实现倒U型机械臂水平运动。

优选的，所述竖直运动机构包括C型悬挂架、同步轮、同步带、竖直滚动直线导轨、竖直滑块和方形连接块；所述C型悬挂架侧面安装有竖直伺服交流电机，所述同步带设置在同步轮上，所述竖直滑块安装在竖直滚动直线导轨上，所述方形连接块与同步带连接；

所述竖直交流伺服电机、两套竖直运动机构、同步反向机构和两套秧夹机构均设置在倒U型机械臂内部。

优选的，所述的同步反向机构由主传动轴、中继轴、从传动轴、三个伞齿轮组成，同步反向机构中三个伞齿轮相继按照90度安装啮合在倒U型机械臂中部，一侧的主传动轴一端连接在一套竖直运动机构的同步轮上，另一端连接到第一个伞齿轮，经过设置在中继轴上第二个伞齿轮的啮合传动，动力传动到第三个伞齿轮上，从传动轴一端连接在第三个伞齿轮，另一端连接到另一套竖直运动机构的同步轮上，三个伞齿轮模数和齿数相等，伺服电机可以同时驱动两套竖直运动机构上的秧夹机构等速反向运动。

优选的，所述的秧夹机构由秧夹安装架、推拉式电磁铁、L型推拉杆、秧夹、复位弹簧安装块和复位弹簧组成；秧夹安装架方形连接块连接到同步带上，通过竖直滑块安装到竖直滚动直线导轨上，推拉式电磁铁安装在秧夹安装架一侧面，推拉式电磁铁连接着L型推拉杆的一端，L型推拉杆的另一端是内楔形面，两片秧夹安装在秧夹安装架下端，秧夹上端与内楔形面形成线接触，同时，秧夹侧面安装着复位弹簧安装块，复位弹簧两端分别连接到安装块上，推拉式电磁铁在继电器控制下形成通断电两种状态，通电时，推拉式电磁铁的铁芯竖直向下运动牵引L型推拉杆，转化为秧夹的开启弧线运动，断电后，秧夹在复位弹簧作用下闭合，并具有一定夹持力；

所述竖直交流伺服电机安装在一套竖直运动机构C型悬挂架侧面，竖直交流伺服电机轴的圆周运动一部分通过竖直运动机构上的第一同步轮、同步带转化为秧夹机构的直线竖直运动；另一部分通过相联接的同步反向机构，轴的圆周运动同时传递到另外一套竖直运动机构的第二同步轮上，转化为秧夹机构的直线竖直运动。

为了达到上述另一目的，本发明采用以下技术方案：

一种两自由度机械手式拔抛秧机构，包括秧盘输送机构、分秧滑道和上述的两自由度机械手；所述分秧滑道安装在秧盘输送机构上。

优选的，所述秧盘输送机构包括秧盘输送交流伺服电机、秧盘输送电机安装板、小链轮、大链轮、链条、主动辊轴、从动辊轴、皮带张紧机构、PVC皮带、分秧滑道安装座以及铝型材支架；秧盘输送交流伺服电机通过秧盘输送电机安装板安装在支架上，伺服电机动力通过小链轮、链条和大链轮传递到主动辊轴上，在皮带张紧机构的作用下，主动辊轴和从动辊轴通过摩擦力带动PVC皮带转动，使之可以输送放在其上表面的秧盘。

优选的，所述分秧滑道共有两组，每组由多条分滑道组成，滑道上端多个开口紧密排列在一起，与机械手夹持的多穴秧苗一一对应，相邻滑道中心距等于育秧穴盘中相邻穴孔中心距，滑道下端多个开口之间间隔距离为秧苗在田间定植的行距；

所述两组分秧滑道分别连接安装在秧盘输送机构铝型材支架的两侧边，滑道上端开口正对机械手夹持的多穴秧苗，两组分秧滑道以垂直于秧盘输送机构PVC皮带输送方向的一平面为镜像平面，分别偏移一个大小相等方向相反的角度。

优选的，所述分滑道为圆管状，中心线从上到下为“垂直线——过渡圆弧——倾斜直线——过渡圆弧”连接。

为了达到上述又一目的，本发明采用以下技术方案：

一种单片机控制电路，用于控制上述两自由度机械手式拔抛秧机构，包括单片机芯片以及与单片机芯片连接的秧夹开闭控制模块、秧苗到位检测及控制模块、机械手水平运动控制模块以及机械手竖直运动控制模块，还包括为该控制电路供电的电源模块；

所述秧夹开闭控制模块包括三极管输出驱动放大电路以及与之连接的第一固态继电器和第二固态继电器，所述三极管输出驱动放大电路与单片机芯片连接；

所述秧苗到位检测及控制模块包括秧盘输送交流伺服电机驱动模块、相互连接的接近传感器和传感器信号调理电路，所述传感器信号调理电路和单片机芯片连接；

所述机械手水平运动控制模块，包括水平交流伺服电机驱动模块、第一光电传感器、第二光电传感器、水平传感器信号调理电路，所述水平交流伺服电机驱动模块与单片机芯片连接，所述第一光电传感器和第二光电传感器均与水平传感器信号调理电路连接，所述水平传感器信号调理电路与单片机芯片连接；

所述机械手竖直运动控制模块，包括竖直交流伺服电机驱动模块、第三光电传感器、第四光电传感器、竖直传感器信号调理电路，所述竖直交流伺服电机驱动模块与单片机芯片连接，所述第三光电传感器和第四光电传感器均与竖直传感器信号调理电路连接，所述竖直传感器信号调理电路与单片机芯片连接；

所述第一光电传感器和第二光电传感器用于检测水平运动机构的左右停止位置；

所述第三光电传感器和第四光电传感器和竖直运动机构的上下停止位置；

所述接近传感器用于检测秧盘秧苗行到位与否的信号，检测信号通过传感器信号调理电路转化为单片机芯片TTL5V电压标准，并接入相应的单片机引脚上；

所述三极管输出驱动放大电路用于把单片机芯片输出微电流放大到可以驱动固态继电器的输入电流要求；

所述第一固态继电器和第二固态继电器用于实现输入电流对推拉式电磁铁通断电的控制，同时可以光电隔离控制电路与推拉式电磁铁大功率驱动电路，避免驱动电路对控制电路的损害和干扰；

所述电源模块包括开关电源和蓄电池组，开关电源用于把交流电转化为交流伺服电机驱动模块和推拉式电磁铁所需的直流电，蓄电池组用于给传感器组和单片机芯片供电。

为了达到上述再一目的，本发明采用以下技术方案：

一种两自由度机械手式拔抛秧机构的控制方法，基于上述单片机控制电路控制两自由度机械手式拔抛秧机构，主要对交流伺服电机的启停、速度、加速度和转向的控制和推拉式电磁铁通断电的控制，具体内容包括：

加速度控制，事先由PC电脑直接连接到交流伺服电机驱动模块进行设置，设置原则为：让交流伺服电机针对实际负载情况具有较好的启停特性即可；

速度控制，由单片机芯片引脚输出占空比50％，特定频率的脉冲信号到交流伺服电机驱动模块实现；

启停控制，由单片机芯片引脚选择输出以及停止输出脉冲信号到交流伺服电机驱动模块实现；

转向控制，由单片机芯片引脚的高低电平输出信号到交流伺服电机驱动模块实现；

推拉式电磁铁通断电的控制，由单片机芯片引脚的高低电平输出信号到三极管放大电路实现。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用了用于秧苗精确进给的秧盘输送机构、用于秧苗脱盘和有序移栽的两自由度机械手和引导秧苗按照农艺要求抛栽于田间的分秧滑道，具有传动机构和结构紧凑简单，种植效率高的特点。

2、本发明的两自由度机械手，传动机构都由机械标准件构成，加工制造简单，利于降低成本和后期维修保养；机械手采用夹持秧苗茎体的拔起方式实现秧苗的脱盘，而且秧夹指面采用特定形状的软塑性材料，避免机械碎钵和伤苗。

3、本发明的秧盘输送机构通过控制电路实现对秧苗行到位与否的检测，同时实现自动送秧进给，进给效率可以适应机械手拔抛秧要求以及进给精度高。

4、本发明的分秧滑道，经过试验验证，在机械手拔起的秧苗营养土含水率在要求范围内(27％—29％)时，秧苗通过性良好。

5、本发明的控制电路采用模块化设计，大功率电路和控制电路相互隔离，安全可靠。

6、本发明的控制方法可以基于控制电路对两自由度机械手式拔抛秧机构进行有效控制，使其高效、有序和精准地完成钵盘水稻秧苗种植。

附图说明

图1为本发明两自由度机械手式拔抛秧机构的整体结构示意图；

图2为本发明两自由度机械手的结构示意图(机械手内部可视)；

图3为本发明秧盘输送机构的结构示意图；

图4为本发明两自由度机械手式拔抛秧机构的控制电路的结构示意图；

图5为本发明一种基于上述控制电路控制两自由度机械手式拔抛秧机构的控制方法一实施例的流程图。

附图标号说明：1.两自由度机械手；2.秧盘输送机构；3.分秧滑道；4.秧夹；5.复位弹簧安装块；6.复位弹簧；7.秧夹安装架；8.C型悬挂架；9.推拉式电磁铁；10.方形连接块；11.同步带；12.L型推拉杆；13.第一同步轮；14.竖直交流伺服电机；15.主传动轴；16.倒U型机械臂；17.齿条；18.伞齿轮；19.中继轴；20.水平电机安装座；21.水平交流伺服电机；22.直齿圆柱齿轮；23.从传动轴；24.第二同步轮；25.水平滚动直线导轨；26.龙门式支架；27.秧盘输送电机安装板；28.秧盘输送交流伺服电机；29.小链轮；30.大链轮；31.主动辊轴；32.链条；33.PVC皮带；34.铝型材支架；35.分秧滑道安装座；36.皮带张紧机构；37.从动辊轴。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图2所示，一种两自由度机械手1，包括水平运动机构、竖直运动机构、同步反向机构和秧夹机构；水平运动机构由水平交流伺服电机21、水平电机安装座20、直齿圆柱齿轮22、齿条17、龙门式支架26、倒U型机械臂16和水平滚动直线导轨25及水平滑块组成，水平滚动直线导轨25安装在龙门式支架26上，水平滑块安装在倒U型机械臂16上，倒U型机械臂16通过水平滚动直线导轨25和水平滑块形成的滑动副，水平悬挂在两个龙门式支架26之间，水平滚动直线导轨25和水平滑块同时具有导向和支撑的作用；水平交流伺服电机21通过直齿圆柱齿轮22带动部分嵌套在倒U型机械臂16表面的齿条17，实现倒U型机械臂16在拔苗区域与抛苗区域之间的往复水平运动。

所述倒U型机械臂16内部安装着两套竖直运动机构、同步反向机构和竖直交流伺服电机14和两套秧夹机构。竖直运动机构包括C型悬挂架8、第一同步轮13、同步带11、竖直滚动直线导轨、竖直滑块和方形连接块10；同步反向机构由主传动轴15、中继轴19、从传动轴23和三个伞齿轮18组成；秧夹机构一部分通过方形连接块10连接在同步带11侧表面，另一部分连接着竖直滑块，并与安装在C型悬挂架8上的竖直滚动直线导轨形成滑动副；所述竖直交流伺服电机14安装在一套竖直运动机构C型悬挂架8侧面，竖直交流伺服电机14驱动第一同步轮13，第一同步轮13的圆周运动通过同步带11转化为秧夹机构直线竖直运动；同时，第一同步轮13通过主传动轴15、三个伞齿轮18和中继轴19、从传动轴23的一次换向后，把动力传递到另一套竖直运动机构的第二同步轮24上，同理，第二同步轮24的圆周运动被转化为秧夹机构的直线竖直运动。

所述同步反向机构中三个伞齿轮18相继按照90度安装啮合，三个伞齿轮18模数和齿数相等，竖直交流伺服电机14可以同时驱动两套竖直运动机构上的秧夹机构运动，运动的特点是：同步、反向和等速。

所述的秧夹机构由秧夹安装架7、推拉式电磁铁9、L型推拉杆12(某末端是对称内锲形面)、秧夹4、复位弹簧安装块5和复位弹簧6组成；安装在秧夹安装架7侧面的推拉式电磁铁9在继电器控制下形成通断电两种状态，通电时，推拉式电磁铁9的铁芯竖直向下运动牵引L型推拉杆12，转化为秧夹4的开启弧线运动，断电后，秧夹4在复位弹簧6作用下闭合，并具有一定夹持力。

为了缓冲弹簧夹持力对水稻秧苗柔性体的夹持损伤，以及考虑增加秧夹闭合夹持秧苗时的摩擦力，秧夹4指面粘附着特定形状的软塑性材料。

如图1、图2、图3所示、一种用于钵盘水稻秧苗种植的两自由度机械手式拔抛秧机构，包括秧盘输送机构2、分秧滑道3和所述的两自由度机械手1。秧盘输送机构2由秧盘输送交流伺服电机28、秧盘输送电机安装板27、小链轮29、大链轮30、链条32、主动辊轴31、从动辊轴37、皮带张紧机构36、PVC皮带33、分秧滑道安装座35和铝型材支架34组成，秧盘输送交流伺服电机28通过秧盘输送电机安装板27安装在铝型材支架34上，伺服电机动力通过小链轮29、链条32和大链轮30传递到主动辊轴31上，在皮带张紧机构36的作用下，主动辊轴31和从动辊轴37通过摩擦力带动PVC皮带33转动，使之可以输送放在其表面的秧盘。

所述分秧滑道3共有两组，每组由多条分滑道组成，滑道上端多个开口紧密排列在一起，与机械手夹持移出的多穴秧苗一一对应，相邻滑道中心距等于育秧穴盘中相邻穴孔中心距，滑道下端多个开口之间间隔距离为秧苗行距。

所述分滑道为圆管状，中心线从上到下为“垂直线——过渡圆弧——倾斜直线——过渡圆弧”连接。

所述分秧滑道3，两组分别连接安装在所述的秧盘输送机构2的铝型材支架34的两侧边，滑道上端开口上方正对机械手夹持的多穴秧苗，同时，为了避免两组分滑道交叉干涉，两组滑道以垂直于秧盘输送机构2的PVC皮带33输送方向的一平面为镜像平面，分别偏移一个大小相等方向相反的角度。

本发明的两自由度机械手式拔抛秧机构用于钵盘水稻秧苗种植时，秧盘输送交流伺服电机28启动，秧盘输送机构2开始工作，当把秧盘中的某一行秧苗精确输送到与机械手秧夹机构处于同一竖直平面时，水平交流伺服电机21启动以及推拉式电磁铁9开启，一秧夹机构打开，同时，在水平运动机构的牵引下，从秧盘侧面进入，并在到达秧苗夹持位时，推拉式电磁铁9断电，秧夹机构闭合并夹持住半行秧苗，接着竖直交流伺服电机14启动，在竖直运动机构的牵引下，秧夹机构把夹持住的秧苗拔起至指定高度的秧苗拔起位，使钵苗钵土完全脱离秧盘，然后再在水平运动机构牵引下，把夹持住的秧苗反向移出到分秧滑道3正上方抛秧高位后停止运动，这时，竖直运动机构再次启动，并牵引秧夹机构开始向下运动，直到回到抛秧低位，同时，秧夹机构打开，秧苗自由落体进入到相应的分秧分滑道中，在分秧滑道3的引导下，有序定植于田间。而另一秧夹机构运动与上述秧夹机构运动相似，只是步调有差异，在上述秧夹机构拔起秧苗到达指定高度，并开始反向移出的一瞬间，另一秧夹机构秧夹4打开，从秧盘另一侧面进入，之后，按照上述同样工作原理把另一半秧苗定植于田间。

所述水平运动、竖直运动、秧盘输送运动的速度、加速度和启停位置控制、推拉式电磁铁通断电的时序控制均由控制电路按照一定控制方法由程序实现的。

如图4所示，本发明进一步提出一种单片机控制电路，用于控制上述两自由度机械手式拔抛秧机构，所述单片机控制电路包括单片机芯片、光电传感器、接近传感器、传感器信号调理电路、三极管放大电路、固态继电器、交流伺服电机驱动模块和电源模块。光电传感器用于检测水平运动机构的左右停止位置和竖直运动机构的上下停止位置，接近传感器用于检测秧盘秧苗行到位与否的信号，检测信号通过传感器信号调理电路转化为单片机芯片TTL5V电压标准，并接入相应的单片机引脚上；单片机芯片相应引脚连接三极管放大电路、固态继电器形成对推拉式电磁铁的通断电控制，所述三极管放大电路用于把单片机芯片输出微电流放大到可以驱动固态继电器的输入电流要求，所述固态继电器用于实现输入电流对推拉式电磁铁通断电的控制，同时可以光电隔离控制电路与推拉式电磁铁大功率驱动电路，避免驱动电路对控制电路的损害和干扰；单片机芯片相应引脚连接到交流伺服电机驱动模块，用于控制交流伺服电机。所述电源模块包括开关电源和蓄电池组，开关电源用于把交流电转化为大功率驱动电路(交流伺服电机驱动模块和推拉式电磁铁)所需的直流电，蓄电池组用于给传感器和单片机芯片供电。

本发明进一步还提出一种控制方法，基于上述单片机控制电路控制两自由度机械手式拔抛秧机构，该控制方法包括对交流伺服电机的启停、速度、加速度和转向的控制和推拉式电磁铁通断电的控制，具体内容包括：

加速度控制，事先由PC电脑直接连接到交流伺服电机驱动模块进行设置，设置原则为：让交流伺服电机针对实际负载情况具有较好的启停特性即可；

速度控制，由单片机芯片引脚输出占空比50％，特定频率的脉冲信号到交流伺服电机驱动模块实现；

启停控制，由单片机芯片引脚选择输出以及停止输出脉冲信号到交流伺服电机驱动模块实现；

转向控制，由单片机芯片引脚的高低电平输出信号到交流伺服电机驱动模块实现；

推拉式电磁铁通断电的控制，由单片机芯片引脚的高低电平输出信号到三极管放大电路实现；

由于秧盘输送机构3以及竖直运动机构的实际负载转动惯量较小，以及运动速度较低，交流伺服电机启动后采用输出单一频率脉冲实现速度控制；

由于水平运动机构的实际负载转动惯量大，运动距离较长，所需平均速度大，为了延长交流伺服电机的使用寿命以及降低水平往复运动的振动，优选地，负责水平运动交流伺服电机的启动后采用阶梯式降低输出频率脉冲的方式实现速度控制。

参照图5，本发明一种基于上述控制电路控制两自由度机械手式拔抛秧机构的控制方法一实施例的程序流程图。

两自由度机械手式拔抛秧机构用于钵盘水稻秧苗种植的过程：当控制电路上电后，在复位程序控制下，两自由度机械手秧夹机构移动到指定位置(一秧夹处于秧苗拔起位，一秧夹处于抛秧低位)，同时，P1.7输出开启信号到控制秧夹A推拉式电磁铁的第一固态继电器，处于秧盘输送机构2侧面抛秧低位的秧夹A开启；接着，单片机芯片P1.0引脚发出特定频率脉冲信号到秧盘输送交流伺服电机驱动模块，驱动与之相连秧盘输送机构2的秧盘输送交流伺服电机28启动，事先放于PVC皮带33表面上的秧盘开始进给；当秧盘中的某一行秧苗精确输送到与机械手秧夹拔秧位时，检测秧苗到位的接近传感器发出信号到单片机芯片P3.2引脚，同时P1.0引脚停止秧盘输送交流伺服电机28的脉冲使之停止，P1.4输出转向信号、P1.1输出特定脉冲信号到水平交流伺服电机21使之启动，秧夹A在水平运动机构的牵引下，从秧盘一侧面进入；当第一光电传感器发回到位信号到P2.0引脚后，预示秧夹A进入到半行秧苗夹秧位，此时，P1.7输出关闭信号到控制秧夹A保持开启状态的推拉式电磁铁的第一固态继电器，第一固态继电器断开，秧夹A在复位弹簧作用下闭合并夹持住半行秧苗，同时，P1.1引脚停止水平交流伺服电机21的脉冲使之停止，P1.5输出转向信号、P1.2输出特定脉冲信号到竖直交流伺服电机14使之启动，在竖直运动机构的牵引下，秧夹A把夹持住的秧苗拔起；当第三光电传感器发回到位信号到P2.1引脚后，预示秧夹A所夹持半行钵苗钵土完全脱离秧盘，到达秧苗拔起位，P1.2引脚停止竖直交流伺服电机14的脉冲使之停止，P1.4输出转向信号、P1.1输出特定脉冲信号到水平交流伺服电机21使之启动，一方面，在水平运动机构牵引下，秧夹A夹持住的秧苗开始反向移出，同时，另一方面，P1.6输出开启信号到控制秧夹B推拉式电磁铁的第二固态继电器，秧夹B打开，也在水平运动机构牵引下，从秧盘另一侧面进入；当第二光电传感器发回到位信号到P2.2引脚后，预示秧夹B到达另一半行秧苗夹秧位，秧夹A也正好到达分秧滑道A组抛秧高位，P1.6输出关闭信号到控制秧夹B保持开启状态的推拉式电磁铁的第二固态继电器，第二固态继电器断开，秧夹B在复位弹簧作用下闭合并夹持住另一半行秧苗，同时，P1.1引脚停止水平交流伺服电机21的脉冲使之停止，P1.5输出转向信号、P1.2输出特定脉冲信号到竖直交流伺服电机14使之启动，在竖直运动机构的牵引下，秧夹A向下移动(同时，在同步反向机构的作用下，秧夹B把夹持住另一半行秧苗拔起)；当第四光电传感器发回到位信号到P2.3引脚后，预示秧夹A所夹持半行秧苗已到达分秧滑道A组上端开口的抛秧低位(同时，秧夹B把夹持住的另一半行秧苗钵土拔起脱离秧盘，到达秧苗拔起位)，之后，秧夹A再一次打开，半行秧苗连带钵土自由落体进入到相应的分秧分滑道中，在分秧滑道3的引导下，有序定植于田间，至此，秧夹A完成一个完整的机器种植作业周期，相应地，秧夹B完成半个机器种植作业周期，P1.0重新发出启动信号到秧盘输送交流伺服电机28，使之启动开始输送下一行秧苗，直到下一行秧苗到位。

两自由度机械手式拔抛秧机构按照以上流程不断循环工作，即可不断把钵盘水稻秧苗有序高效精确地定植于田间。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种两自由度机械手，其特征在于，包括用于实现机械手在拔苗工作区域与抛苗工作区域之间的位置变化的水平运动机构、用于拔苗与抛苗的竖直运动机构、用于协调竖直运动机构的同步反向机构和用于夹持秧苗的秧夹机构；所述竖直运动机构为两套，分别设置在水平运动机构的两端，所述秧夹机构为两套，每套竖直运动机构的末端设有秧夹机构；

所述水平运动机构包括水平交流伺服电机、水平电机安装座、直齿圆柱齿轮、齿条、水平滚动直线导轨、水平滑块、倒U型机械臂和两个龙门式支架；所述水平滑块安装在倒U型机械臂两侧，所述滚动直线导轨安装在龙门式支架上，滑块设置在滚动直线导轨上，倒U型机械臂悬挂在两个龙门式支架间，水平交流伺服电机通过水平电机安装座安装在其中一个龙门式支架上，水平交流伺服电机轴上的齿轮通过带动嵌套在倒U型机械臂凹槽内的齿条，实现倒U型机械臂水平运动；

所述的同步反向机构由主传动轴、中继轴、从传动轴、三个伞齿轮组成，同步反向机构中三个伞齿轮相继按照90度安装啮合在倒U型机械臂中部，一侧的主传动轴一端连接在一套竖直运动机构的同步轮上，另一端连接到第一个伞齿轮，经过设置在中继轴上第二个伞齿轮的啮合传动，动力传动到第三个伞齿轮上，从传动轴一端连接在第三个伞齿轮，另一端连接到另一套竖直运动机构的同步轮上，三个伞齿轮模数和齿数相等，伺服电机可以同时驱动两套竖直运动机构上的秧夹机构等速反向运动。

2.根据权利要求1所述的两自由度机械手，其特征在于，所述竖直运动机构包括C型悬挂架、同步轮、同步带、竖直滚动直线导轨、竖直滑块和方形连接块；所述C型悬挂架侧面安装有竖直伺服交流电机，所述同步带设置在同步轮上，所述竖直滑块安装在竖直滚动直线导轨上，所述方形连接块与同步带连接；

所述竖直交流伺服电机、两套竖直运动机构、同步反向机构和两套秧夹机构均设置在倒U型机械臂内部。

3.根据权利要求2所述的两自由度机械手，其特征在于，所述的秧夹机构由秧夹安装架、推拉式电磁铁、L型推拉杆、秧夹、复位弹簧安装块和复位弹簧组成；秧夹安装架通过方形连接块连接到同步带上，通过竖直滑块安装到竖直滚动直线导轨上，推拉式电磁铁安装在秧夹安装架一侧面，推拉式电磁铁连接着L型推拉杆的一端，L型推拉杆的另一端是内楔形面，两片秧夹安装在秧夹安装架下端，秧夹上端与内楔形面形成线接触，同时，秧夹侧面安装着复位弹簧安装块，复位弹簧两端分别连接到安装块上，推拉式电磁铁在继电器控制下形成通断电两种状态，通电时，推拉式电磁铁的铁芯竖直向下运动牵引L型推拉杆，转化为秧夹的开启弧线运动，断电后，秧夹在复位弹簧作用下闭合，并具有一定夹持力；

所述竖直交流伺服电机安装在一套竖直运动机构C型悬挂架侧面，竖直交流伺服电机轴的圆周运动一部分通过竖直运动机构上的第一同步轮、同步带转化为秧夹机构的直线竖直运动；另一部分通过相联接的同步反向机构，轴的圆周运动同时传递到另外一套竖直运动机构的第二同步轮上，转化为秧夹机构的直线竖直运动。

4.一种两自由度机械手式拔抛秧机构，其特征在于，包括秧盘输送机构、分秧滑道和权利要求1-3中任一项所述的两自由度机械手；所述分秧滑道安装在秧盘输送机构上。

5.根据权利要求4所述的两自由度机械手式拔抛秧机构，其特征在于，所述秧盘输送机构包括秧盘输送交流伺服电机、秧盘输送交流伺服电机安装板、小链轮、大链轮、链条、主动辊轴、从动辊轴、皮带张紧机构、PVC皮带、分秧滑道安装座以及铝型材支架；秧盘输送交流伺服电机通过秧盘输送交流伺服电机安装板安装在支架上，秧盘输送交流伺服电机动力通过小链轮、链条和大链轮传递到主动辊轴上，在皮带张紧机构的作用下，主动辊轴和从动辊轴通过摩擦力带动PVC皮带转动，使之可以输送放在其上表面的秧盘。

6.根据权利要求5所述的两自由度机械手式拔抛秧机构，其特征在于，所述分秧滑道共有两组，每组由多条分滑道组成，滑道上端多个开口紧密排列在一起，与机械手夹持的多穴秧苗一一对应，相邻滑道中心距等于育秧穴盘中相邻穴孔中心距，滑道下端多个开口之间间隔距离为秧苗在田间定植的行距；

所述两组分秧滑道分别连接安装在秧盘输送机构铝型材支架的两侧边，滑道上端开口正对机械手夹持的多穴秧苗，两组分秧滑道以垂直于秧盘输送机构PVC皮带输送方向的一平面为镜像平面，分别偏移一个大小相等方向相反的角度。

7.根据权利要求6所述的两自由度机械手式拔抛秧机构，其特征在于，所述分滑道为圆管状，中心线从上到下为“垂直线——过渡圆弧——倾斜直线——过渡圆弧”连接。

8.一种单片机控制电路，用于控制权利要求5-7中任一项所述的两自由度机械手式拔抛秧机构，其特征在于，包括单片机芯片以及与单片机芯片连接的秧夹开闭控制模块、秧苗到位检测及控制模块、机械手水平运动控制模块以及机械手竖直运动控制模块，还包括为该控制电路供电的电源模块；

所述秧夹开闭控制模块包括三极管输出驱动放大电路以及与之连接的第一固态继电器和第二固态继电器，所述三极管输出驱动放大电路与单片机芯片连接；

所述秧苗到位检测及控制模块包括秧盘输送交流伺服电机驱动模块、相互连接的接近传感器和传感器信号调理电路，所述传感器信号调理电路和单片机芯片连接；

所述机械手水平运动控制模块，包括水平交流伺服电机驱动模块、第一光电传感器、第二光电传感器、水平传感器信号调理电路，所述水平交流伺服电机驱动模块与单片机芯片连接，所述第一光电传感器和第二光电传感器均与水平传感器信号调理电路连接，所述水平传感器信号调理电路与单片机芯片连接；

所述机械手竖直运动控制模块，包括竖直交流伺服电机驱动模块、第三光电传感器、第四光电传感器、竖直传感器信号调理电路，所述竖直交流伺服电机驱动模块与单片机芯片连接，所述第三光电传感器和第四光电传感器均与竖直传感器信号调理电路连接，所述竖直传感器信号调理电路与单片机芯片连接；

所述第一光电传感器和第二光电传感器用于检测水平运动机构的左右停止位置；

所述第三光电传感器和第四光电传感器和竖直运动机构的上下停止位置；

所述接近传感器用于检测秧盘秧苗行到位与否的信号，检测信号通过传感器信号调理电路转化为单片机芯片TTL5V电压标准，并接入相应的单片机引脚上；

所述三极管输出驱动放大电路用于把单片机芯片输出微电流放大到可以驱动固态继电器的输入电流要求；

所述第一固态继电器和第二固态继电器用于实现输入电流对推拉式电磁铁通断电的控制，同时可以光电隔离控制电路与推拉式电磁铁大功率驱动电路，避免驱动电路对控制电路的损害和干扰；

所述电源模块包括开关电源和蓄电池组，开关电源用于把交流电转化为交流伺服电机驱动模块和推拉式电磁铁所需的直流电，蓄电池组用于给传感器组和单片机芯片供电。

9.一种两自由度机械手式拔抛秧机构的控制方法，基于权利要求8所述的单片机控制电路控制两自由度机械手式拔抛秧机构，其特征在于，主要对交流伺服电机的启停、速度、加速度和转向的控制和推拉式电磁铁通断电的控制，具体内容包括：

加速度控制，事先由PC电脑直接连接到交流伺服电机驱动模块进行设置，设置原则为：让交流伺服电机针对实际负载情况具有较好的启停特性即可；

速度控制，由单片机芯片引脚输出占空比50％，特定频率的脉冲信号到交流伺服电机驱动模块实现；

启停控制，由单片机芯片引脚选择输出以及停止输出脉冲信号到交流伺服电机驱动模块实现；

转向控制，由单片机芯片引脚的高低电平输出信号到交流伺服电机驱动模块实现；

推拉式电磁铁通断电的控制，由单片机芯片引脚的高低电平输出信号到三极管放大电路实现。