CN104247601B - 嫁接苗穴盘栽植机械手末端执行器及相应栽植机构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种嫁接苗穴盘栽植机械手末端执行器及相应栽植机构和方法，包括：连接盘、气爪、夹苗爪、夹苗海绵和压土机构，气爪包括气缸、气管、气缸直线滑动导轨和爪手，气缸一端与连接盘连接，另一端连接爪手；气缸直线滑动导轨与气缸连接，爪手与气缸连接的一端与气缸直线滑动导轨连接，爪手的另一端与夹苗爪连接，夹苗海绵与夹苗爪连接，压土机构与汽缸体螺纹连接；气管包括进气管和出气管，进气管和出气管的一端均与气缸连接。本发明还提供了相应的嫁接苗穴盘栽植机构。本发明的嫁接苗穴盘栽植机械手末端执行器结构紧凑、取苗和栽植运动精确、压土效果好、工作效率高，且绿色环保。

Description

嫁接苗穴盘栽植机械手末端执行器及相应栽植机构和方法

技术领域

本发明涉及农业机械化技术领域，具体地，涉及一种嫁接苗穴盘栽植机械手末端执行器及嫁接苗穴盘栽植机构、栽植方法。

背景技术

目前，嫁接栽培已是黄瓜、西瓜、西红柿等瓜果类蔬菜保护地实现栽培稳产、高产、优质的重要措施。日本、荷兰、韩国等国家己普遍采用嫁接栽培技术，日本100％的西瓜、90％的黄瓜、96％的茄子都靠嫁接栽培，韩国几乎100％的西瓜靠嫁接栽培。嫁接栽培技术在我国也得到了广泛的应用，我国北方如山东、河北等地区已形成了多处大规模的蔬菜嫁接基地。由于蔬菜嫁接栽培适时性很强，嫁接苗的适宜嫁接苗龄很短，为保证嫁接苗高的成活率，嫁接工作又要求精细准确，嫁接好的秧苗也必须及时回栽，使得蔬菜嫁接基地的嫁接栽植时间紧、劳动强度大，迫使嫁接栽植者通宵达旦工作，因此，蔬菜嫁接基地迫切需要实现蔬菜自动嫁接栽植技术。

嫁接通常采用靠接、插接、劈接、贴接和对接等方法，其嫁接工作可由嫁接机器人自动完成，但因国内无相应的嫁接苗移栽设备，嫁接苗的移栽作业仍以手工为主。由于手工移栽嫁接苗劳动强度大、作业质量难以保证，而利用嫁接苗移栽机器人不仅可以降低劳动强度、提高生产率，保证作业质量，还可以促进工厂化嫁接育苗系统的形成，因此，用机器人嫁接栽植取代人工嫁接栽植变得十分必要。

自动嫁接栽植机器人一般由输送机构，搬运机构，砧木苗、接穗苗处理机构，嫁接机构和穴盘栽植机构构成。嫁接苗穴盘栽植机构是现代蔬菜嫁接育苗工厂化系统的重要组成部分，其一般由机械手、机械手末端执行器、机械手机架、机器视觉、栽植穴盘及皮带机组成，其中机械手末端执行器包括连接盘、气爪、连接杆、拨土机构和夹苗块等。嫁接苗穴盘栽植机构要求机械手将嫁接好的秧苗移栽到填充过基质的穴盘中，并按一定的扦插深度将嫁接苗准确地栽植到穴盘各穴中。

目前，我国设施农业配套装备研制刚刚起步，对穴盘栽植机械手末端执行器方面的专门研究较少。穴盘栽植机械手末端执行器是直接接触作业对象的设备，由于移栽过程中不能损伤嫁接幼苗，加上嫁接栽植作业对象的柔嫩性、不规则性和环境的复杂多变性，要实现嫁接育苗移栽的自动化，必须解决穴盘栽植机械手末端执行器的设计问题。穴盘栽植机械手末端执行器的机构参数将严重影响移栽效率和成活率，其研究发展对提高农业生产效率及农作物的市场价值均起着至关重要的作用。

发明内容

针对上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种嫁接苗穴盘栽植机械手末端执行器及相应栽植机构和栽植方法，克服现有嫁接苗手工栽植效率低、机械化程度低的缺陷，定位精度高、栽植效率高、工作平稳且符合现代农业机械化要求

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种嫁接苗穴盘栽植机械手末端执行器，包括：连接盘、气爪、夹苗爪、夹苗海绵和压土机构，气爪包括气缸、气管、气缸直线滑动导轨和爪手，气缸一端与连接盘连接，另一端连接爪手；气缸直线滑动导轨与气缸连接，爪手与气缸连接的一端与气缸直线滑动导轨连接，爪手的另一端与夹苗爪一端连接，夹苗海绵与夹苗爪另一端连接，压土机构与汽缸体螺纹连接；气管包括进气管和出气管，进气管和出气管的一端均与气缸连接。

优选地，所述压土机构的压土工作面由两个相对的斜面和连接两个斜面的一个平面构成。

优选的，所述两个斜面的坡度为37度，所述平面的宽度为16毫米。

优选地，所述压土工作面与夹苗爪具有固定的相对位置，压土工作面与夹苗爪最底面竖直方向上的最大距离为14毫米，压土工作面与夹苗爪最前面水平方向上的最短距离为18毫米。

优选地，所述夹苗爪与所述爪手螺栓连接，所述压土机构与所述气缸螺栓连接，所述夹苗爪与所述夹苗海绵粘接。

一种嫁接苗穴盘栽植机构，包括：机械手、机械手末端执行器、机械手机架、机器视觉模块、栽植穴盘和皮带机，所述机械手一端固定在机械手机架上，另一端与所述机械手末端执行器连接；所述皮带机与所述机械手机架相邻设置；所述栽植穴盘设置在所述皮带机上，所述机器视觉模块连接至所述皮带机侧面且设置在所述栽植穴盘上方，其中，所述机械手末端执行器进一步包括：连接盘、气爪、夹苗爪、压土机构和夹苗海绵，所述气爪包括气缸、气管、气缸直线滑动导轨和爪手，所述连接盘与所述机械手连接，所述气缸一端与所述连接盘连接，另一端连接所述爪手；所述气缸直线滑动导轨与所述气缸连接，所述气缸与所述压土机构连接，所述爪手与所述气缸连接的一端与所述气缸直线滑动导轨连接，所述爪手的另一端与所述连接杆连接，所述夹苗海绵与所述夹苗爪连接；所述气管包括进气管和出气管，所述进气管和出气管的一端均与所述气缸连接。

一种嫁接苗穴盘栽植机构的栽植方法，包括如下步骤：夹苗、插苗、松苗、压土和离苗等，其详细工作过程为：当嫁接好的秧苗需送栽植时，嫁接机将嫁接苗放至合适的位置(使嫁接苗生长点位于机械手抓取的指定位置)，嫁接机传感系统将信息传递给嫁接苗穴盘栽植机构，栽植机构的机械手告知末端执行器做好夹苗准备。当机械手移动至夹苗指定地点时，栽植机械手末端执行器的夹苗爪闭合，同时嫁接机端的夹苗爪张开，完成夹苗过程。夹紧嫁接苗的机械手退后，并快速移动到已填充基质土且打好洞穴的穴盘上方。同时，机器视觉模块图像处理系统快速将空穴信息传输给机械手，机械手优化路径后，快速移到空穴上方并下移，精确地将嫁接苗插入洞穴中，完成插苗过程。当嫁接苗插入洞穴中时，机械手末端执行器夹苗爪松开嫁接苗，完成松苗过程。当机械手末端执行器夹苗爪松开嫁接苗时，机械手向前再向下移动一小段距离，使得压土机构与基质土相互作用，将土压紧，同时由于变形，洞穴填满，固定住嫁接苗，完成压土过程。当嫁接苗被基质土固定好后，机械手末端执行器整体上移适当距离，然后后退出穴盘，使机械手末端执行器在不伤苗、不带苗的情况下离开嫁接苗，快速回到嫁接机落苗处，为下一次接苗做好准备，以完成嫁接苗的全程自动化栽植过程。

所述夹苗过程中，机械手末端执行器的气缸通过气管向外排气，在气压作用下，气爪沿着气缸直线滑动导轨向内滑动，与气爪相连接的夹苗爪和夹苗海绵相互靠拢夹住苗。

所述松苗过程中，外接气泵通过机械手末端执行器的气管向气缸内压入气体，气压增大，在气压作用下，气爪沿着气缸直线滑动导轨向外张开，与气爪相连接的夹苗爪和夹苗海绵相互远离松开苗。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明的气爪选用气缸作动力，可更方便快捷的调整工作速率，且气缸具有更高的可靠性和更长的使用寿命，其动作速度一般小于1M/S，比起液压缸和气电缸速度更快；

(2)本发明的机械手末端执行器可以在很大程度上提高效率、提高系统的可靠性，并能按机械手的指令对误差提供补偿，提高秧苗栽植的准确率；

(3)本发明的末端执行器基本结构紧凑，运动精确，制造方便，且设备可靠性高，工作平稳，可方便更换易损零件，使用寿命长；

(4)由于采用节能环保的气动技术，使本发明的机械手末端执行器能较好适应现代制造技术，符合向绿色化方向发展的趋势与潮流。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的嫁接苗穴盘栽植机构的结构示意图；

图2为本发明提供的嫁接苗穴盘栽植机械手末端执行器的结构示意图；

图3为本发明提供的嫁接苗穴盘栽植机械手末端执行器的压土机构结构示意图；

图4为本发明提供的嫁接苗穴盘栽植机械手末端执行器的压土机构位置示意图。

图中：1为嫁接苗、2为机械手末端执行器、3为机械手、4为机械手机架、5为栽植穴盘、6为机器视觉模块，7为皮带机，8为连接盘、9为气缸、10为气管、11为气缸直线滑动导轨、12为爪手、13为压土机构、14为夹苗爪，15为夹苗海绵、130为压土工作面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

穴盘栽植机械手作业时，必须在机械手手腕的端部安装一个用来直接完成作业任务的末端执行器，也称为机器人手爪。机器人的手爪系统就相当于人的手、脚及所使用的简单工具，其要根据所抓取物体表面的材质、温度、形状和尺寸等情况及要完成的不同任务来选取对应的抓取方式。由于穴盘栽植机械手末端执行器直接与植物物理环境接触，通常工作误差的终结问题往往也出现在末端执行器上，因此，穴盘栽植机械手末端执行器的设计对于降低误差和循环周期来说非常重要。

本发明设计的嫁接苗穴盘栽植机械手末端执行器利用多关节机械手，通过多传感器信息融合实时获取、感知工作环境及嫁接苗信息，确保在不损伤嫁接苗的前提下，完成从嫁接机上转接嫁接苗，并通过机械手的控制，快速将嫁接苗移栽到指定穴盘，实现嫁接苗穴盘栽植的全程自动化作业。

本发明设计的嫁接苗穴盘栽植机构由机械手、机械手末端执行器、机械手机架、机器视觉模块、栽植穴盘及皮带机组成，其中机械手末端执行器包括连接盘、气爪、连接杆、压土机构和夹苗爪等，气爪又包括气缸、气管、气缸直线滑动导轨和爪手。

上述机械手一端固定在机械手机架上，另一端通过连接盘与机械手末端执行器相连；机械手机架靠近皮带机；栽植穴盘设置在皮带机上且位于被固定于皮带机上的机器视觉模块下方；气缸一端与连接盘相连，另一端与爪手相连；气管共有两根，一根进气、一根出气，两根气管一端与气缸相连，另一端与磁性开关相连，磁性开关再与气泵相连；压土机构与气缸相连；爪手一端与气缸直线滑动导轨相连，另一端与夹苗爪相连；夹苗爪与爪手、压土机构与气缸均用螺栓连接，夹苗爪与夹苗海绵使用粘接。

具体地，如图1所示，本发明的嫁接苗栽植机构主要包括一种嫁接苗穴盘栽植机构，包括：机械手3、机械手末端执行器2、机械手机架4、机器视觉模块6、栽植穴盘5和皮带机7，机械手3一端固定在机械手机架4上，另一端与机械手末端执行器2连接；皮带机7与机械手机架4相邻设置；栽植穴盘5设置在皮带机7上，机器视觉模块6固定连接至皮带机7侧面且设置在栽植穴盘5上方。

如图2所示，机械手末端执行器2包括：连接盘8、气爪12、压土机构13、夹苗爪14和夹苗海绵15，气爪包括气缸9、气管10、气缸直线滑动导轨11和爪手12，气缸9一端与连接盘8连接，另一端连接爪手12；气缸直线滑动导轨11与气缸9连接，爪手12与气缸9连接的一端与气缸直线滑动导轨11连接，爪手12的另一端与夹苗爪14连接，压土机构与气缸9连接；气管10包括进气管和出气管，进气管和出气管的一端均与气缸9连接，另一端通过磁性开关连接气泵。

进一步地，夹苗爪14与爪手12、压土机构13与气缸9通过螺栓连接；夹苗爪与夹苗海绵使用粘接。

进一步地，压土工作面130与夹苗爪14具有固定的相对位置，压土工作面与夹苗爪最底面竖直方向上的最短距离为h＝14毫米，压土工作面与夹苗爪最前面水平方向上的最短距离为d＝18毫米。如图3、图4所示。

本发明所提供的嫁接苗穴盘栽植机械手末端执行器的工作过程如下：

整个过程中，本末端执行器通过连接盘8来与机器手相连接。

取苗时，气缸9通过气管10向外排气，在气压作用下，气爪12沿着气缸直线滑动导轨11向内滑动，与气爪12相连接的夹苗爪14和夹苗海绵15相互靠拢夹住苗1。

松苗时，外接气泵通过气管10向气缸9内压入气体，气压增大，在气压作用下，气爪12沿着气缸直线滑动导轨11向外张开，与气爪12相连接的夹苗爪14和夹苗海绵15相互远离松开苗1。

插苗和离苗过程如下述，整个机械手末端执行器在机器手的带动下作平动。

压土时，整个机械手末端执行器在机器手的带动下作平动，使得压土机构13的压土面移动到与穴盘苗相契合的位置，然后整个机械手末端执行器在机器手的带动下向下压土，将土压实。

本发明提供的嫁接苗穴盘栽植机构的工作过程包括取苗、插苗、松苗、压土和离苗等，其详细工作过程为：当嫁接好的秧苗需送栽植时，嫁接机将嫁接苗送至合适的位置(使嫁接苗生长点位于机械手抓取的指定位置)，嫁接机传感系统将信息传递给栽植机械手，栽植机械手告知末端执行器做好取苗准备。取苗台的夹苗爪张开，栽植机械手末端执行器的夹苗爪闭合，完成取苗过程。夹紧嫁接苗的栽植机械手后移，并快速移动到已填充基质土且打好洞穴的穴盘上方。同时，机器视觉模块图像处理系统快速将空穴信息传输给栽植机械手，栽植机械手优化路径后，快速移到空穴上方并下移，精确地将嫁接苗插入洞穴中，完成插苗过程。当嫁接苗插入洞穴中时，机械手末端执行器夹苗块松开嫁接苗，完成松苗过程。当机械手末端执行器夹苗块松开嫁接苗时，机械手向前再向下移动一小段距离，使得压土机构与基质土相互作用，将土压紧，同时由于变形，洞穴填满，固定住嫁接苗，完成压土过程。当嫁接苗被基质土固定好后，机械手末端执行器整体上移适当距离，然后后退出穴盘，使机械手末端执行器在不伤苗、不带苗的情况下离开嫁接苗，快速回到嫁接机落苗处，为下一次接苗做好准备，以完成嫁接苗的全程自动化栽植过程。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种嫁接苗穴盘栽植机械手末端执行器，其特征在于，包括：连接盘、气爪、夹苗爪、夹苗海绵和压土机构，所述气爪包括气缸、气管、气缸直线滑动导轨和爪手，所述气缸一端与所述连接盘连接，另一端连接所述爪手；所述气缸直线滑动导轨与所述气缸连接，所述爪手与所述气缸连接的一端与所述气缸直线滑动导轨连接，所述爪手的另一端与所述夹苗爪一端连接，所述压土机构与所述气缸连接，所述夹苗海绵与所述夹苗爪的另一端连接；所述气管包括进气管和出气管，所述进气管和出气管的一端均与所述气缸连接，松苗过程中，外接气泵通过机械手末端执行器的气管向气缸内压入气体，气压增大，在气压作用下，气爪沿着气缸直线滑动导轨向外张开，与气爪相连接的夹苗爪和夹苗海绵相互远离松开苗；当所述夹苗爪松开嫁接苗时，机械手向前再向下移动一小段距离，使得压土机构与基质土相互作用，将土压紧，同时由于变形，洞穴填满，固定住嫁接苗，完成压土过程。

2.根据权利要求1所述的嫁接苗穴盘栽植机械手末端执行器，其特征在于，所述压土机构的压土工作面由两个相对的斜面和连接两个斜面的一个平面构成。

3.根据权利要求2所述的嫁接苗穴盘栽植机械手末端执行器，其特征在于，所述两个斜面的坡度为37度，所述平面的宽度为16毫米。

4.根据权利要求2所述的嫁接苗穴盘栽植机械手末端执行器，其特征在于，所述压土工作面与夹苗爪具有固定的相对位置，压土工作面与夹苗爪最底面竖直方向上的最短距离为14毫米，压土工作面与夹苗爪最前面水平方向上的最短距离为18毫米。

5.根据权利要求1所述的嫁接苗穴盘栽植机械手末端执行器，其特征在于，所述夹苗爪与所述爪手之间、所述压土机构与所述气缸之间螺栓连接。

6.一种嫁接苗穴盘栽植机构，其特征在于，包括：机械手、机械手末端执行器、机械手机架、机器视觉模块、栽植穴盘和皮带机，所述机械手末端执行器采用如权利要求1-5所述的任一机械手末端执行器，所述机械手一端固定在机械手机架上，另一端与所述机械手末端执行器连接；所述皮带机与所述机械手机架相邻设置；所述栽植穴盘设置在所述皮带机上，所述机器视觉模块连接至所述皮带机侧面且设置在所述栽植穴盘上方。

7.根据权利要求6所述的嫁接苗穴盘栽植机构的栽植方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)夹苗

当嫁接好的秧苗需送栽植时，嫁接机将嫁接苗放至使嫁接苗生长点位于机械手抓取的指定位置，嫁接机传感系统将信息传递给嫁接苗穴盘栽植机构，栽植机构的机械手告知末端执行器做好夹苗准备，当机械手移动至夹苗指定地点时，栽植机械手末端执行器的夹苗爪闭合，同时嫁接机端的夹苗爪张开，完成夹苗过程；

2)插苗

夹苗过程完成后，夹紧嫁接苗的机械手退后，并快速移动到已填充基质土且打好洞穴的穴盘上方，同时，机器视觉模块图像处理系统快速将空穴信息传输给机械手，机械手优化路径后，快速移到空穴上方并下移，精确地将嫁接苗插入洞穴中，完成插苗过程；

3)松苗

当嫁接苗插入洞穴中时，机械手末端执行器夹苗爪松开嫁接苗，完成松苗过程；

4)压土

当机械手末端执行器夹苗爪松开嫁接苗时，机械手向前再向下移动一小段距离，使得压土机构与基质土相互作用，将土压紧，同时由于变形，洞穴填满，固定住嫁接苗，完成压土过程；

5)离苗

当嫁接苗被基质土固定好后，机械手末端执行器整体上移适当距离，然后后退出穴盘，使机械手末端执行器在不伤苗、不带苗的情况下离开嫁接苗，快速回到嫁接机落苗处，为下一次接苗做好准备，以完成嫁接苗的全程自动化栽植过程。

8.根据权利要求7所述的嫁接苗穴盘栽植机构的栽植方法，其特征在于，所述夹苗过程中，机械手末端执行器的气缸通过气管向外排气，在气压作用下，气爪沿着气缸直线滑动导轨向内滑动，与气爪相连接的夹苗爪和夹苗海绵相互靠拢夹住苗。

9.根据权利要求7所述的嫁接苗穴盘栽植机构的栽植方法，其特征在于，所述松苗过程中，外接气泵通过机械手末端执行器的气管向气缸内压入气体，气压增大，在气压作用下，气爪沿着气缸直线滑动导轨向外张开，与气爪相连接的夹苗爪和夹苗海绵相互远离松开苗。