CN104885664B - 一种高架栽培配套秧苗移栽机器人及其控制方法 - Google Patents
一种高架栽培配套秧苗移栽机器人及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高架栽培配套秧苗移栽机器人及其控制方法，涉及农业装备领域。该机器人由移动小车、穴盘间歇进给单元、竖直运动单元、水平对称运动单元、末端执行器、打孔单元组成。由穴盘间歇进给单元完成秧苗沿移动小车行进方向的水平进给，由竖直运动单元和水平对称运动单元实现末端执行器的定位、取苗和输送，进而由竖直运动单元与打孔器水平移动机构实现打孔头定位和打孔作业，并通过打孔阻力的检测实现打孔深度控制和栽培槽实际高度的反馈，最后根据所反馈的栽培槽实际高度完成放苗。通过单丝杠上的传动与主动位移实现了打孔与放苗的协调动作和精确配合，并通过力反馈实现了打孔与放苗作业对高架栽培床高度起伏的自动适应，从而满足了高架栽培设施的配套秧苗自动移栽需要。
Description
技术领域
本发明涉及农业装备领域，特别涉及一种高架栽培配套秧苗移栽机器人及其控制方法。
背景技术
秧苗移栽是多种作物生产的关键环节，劳动者频繁重复性劳动的强度大且费时费力，因而机械化移栽技术已经得到广泛重视和应用，各类秧苗移栽机产品和自动移钵系统已经大量出现并在果蔬生产中得到使用。
高架栽培是将果蔬种植在架离地面的高架栽培床上，从而实现省力化和洁净生产的新型模式，针对高架栽培的秧苗移栽目前完全由人工来完成。现有移栽机和自动移钵系统均难以满足面向高架栽培的秧苗移栽特殊需要：
(1)地面移栽设备的不足
目前应用较广的半自动移栽机，需由人工完成分苗和投苗，作业紧张、繁琐、质量难保证。现有的全自动移栽机方案和设备，如日本洋马的PF2R乘坐式全自动蔬菜移植机和PN1A蔬菜移植机(改进型)等则实现了自动分苗与投苗，自动完成全部移栽过程。但与地面栽培相比，高架栽培是向架上栽植且高架间的通过空间有限，全自动移栽机的倾斜送苗方式与取苗与植苗方式难以布置或完成。对于较大型秧苗，通常通过地面的开沟—放苗—覆土完成栽植，而在高架上由无纺布或塑料薄膜材料形成的基质栽培槽内，类似方式无法适用。
(2)自动移钵系统的不足
目前面向换盘移栽或向花盆移栽的机器人系统，如荷兰VISSER公司、澳大利亚TRANSPLANT公司的自动穴盘移栽机，均为固定台架式机构，通过供苗盘与栽苗盘之间的流水线配合作业，而无需机身的移动。同时，由于供苗穴孔与栽苗穴孔的坐标位置标准规范，对于大型秧苗通常采用独立的打孔与栽植机构来完成，而在高架栽培槽的移动式移栽作业中，该种方式则无法保证打孔和放苗的对准。另外，高架栽培床的建设误差导致栽培槽存在一定的高度起伏变化，自动移钵系统不具备对栽培槽高度起伏的适应能力。
(3)立体栽培配套移栽设备的不足
刘继展等开发了针对柱式栽培的轨道式自动化移栽收获一体管理设备，具备多穴盘秧苗携带与自动换盘功能，可实现对多栽培立柱的巡回管理，但是其针对立柱的特定机械臂式移栽机构主要解决竖直方向连续变化和动作配合问题，而无法满足高架栽培床的水平连续移栽需要，亦不具备打孔功能。
发明内容
针对现有设备和方案无法满足秧苗对高架栽培床的移栽问题，本发明的目的在于提供一种高架栽培配套秧苗移栽机器人及其控制方法，以实现穴盘秧苗对双侧高架栽培床的移动式自动移栽作业。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种高架栽培配套秧苗移栽机器人，其特征在于：包括由移动小车(1)、穴盘间歇进给单元(2)、竖直运动单元(6)、水平对称运动单元(5)、末端执行器(7)和打孔单元；竖直运动单元(6)的机架固定于移动小车(1)的车体上，竖直运动单元(6)的移动件与水平对称运动单元(5)的框架(14)固定，穴盘间歇进给单元(2)的机架固定于移动小车(1)的车体上，待移栽的穴盘(9)水平放置于穴盘间歇进给单元(2)的移动面上，末端执行器7固定于水平对称运动单元(5)的滑台(13)上，打孔单元通过螺母(22)与水平对称运动单元(5)的双向丝杠(15)构成螺旋传动。
所述打孔单元由打孔头(3)、长杆(4)、力传感器(10)、打孔器水平移动机构(11)组成；打孔头(3)与长杆(4)分别固定于力传感器(10)的两端，长杆(4)固定于打孔器水平移动机构(11)上；
所述打孔器水平移动机构(11)包括滑动轴承(17)、止推轴承(18)、电机(19)、主动齿轮(20)、从动齿轮(21)、螺母(22)和壳体(23)；壳体(23)通过滑动轴承(17)与导杆(16)连接，电机(19)固定于壳体23上；主动齿轮(20)安装于电机(19)的输出轴上，从动齿轮(21)和螺母(22)固定连接，从动齿轮(21)和螺母(22)通过止推轴承(18)安装于壳体(23)上，双向丝杠(15)与螺母(22)构成螺旋传动，从动齿轮(21)与主动齿轮(20)构成齿轮传动。
根据所述的一种高架栽培配套秧苗移栽机器人的控制方法，其特征在于包括以下动作步骤：
步骤一，使移动小车(1)进入两条高架栽培床(8)之间的过道；
步骤二，通过导航使得移动小车(1)自动沿高架栽培床(8)间过道前进；
步骤三，利用穴盘间歇进给单元(2)完成穴盘(9)内秧苗沿移动小车(1)行进方向的水平进给；
步骤四，利用竖直运动单元(6)和水平对称运动单元(5)将末端执行器(7)定位于穴盘(9)内待取秧苗上方；
步骤五，通过竖直运动单元(6)带动末端执行器(7)向下运动并夹取穴盘(9)内的秧苗；
步骤六，接着，竖直运动单元(6)带动末端执行器(7)携带所夹取的秧苗竖直向上运动；
步骤七，打孔器水平移动机构(11)中，利用电机(19)通过主动齿轮(20)带动从动齿轮(21)和螺母(22)同步转动，通过双向丝杠(15)与螺母(22)之间的螺纹传动带动打孔头(3)沿水平移动，并使打孔头(3)定位于高架栽培床(8)的栽培槽上方，打孔头(3)定位的基准高度为H1；
步骤八，竖直运动单元(6)带动打孔头(3)竖直向下运动，实现对高架栽培床(8)的栽培槽内基质的打孔；
步骤九，通过打孔头(3)与长杆(4)间的力传感器(10)进行实时检测竖直方向的打孔阻力N，并判断打孔阻力N是否已达到阻力阈值N0；
步骤十，当打孔阻力N没有达到阻力阈值N0时，竖直运动单元(6)带动打孔头(3)继续竖直向下运动；当打孔阻力N已达到阻力阈值N0时，表明已经达到打孔深度要求D0，则竖直运动单元(6)停止，同时控制系统计算高架栽培床(8)的栽培槽实际高度H和打孔竖直位移S1；
步骤十一，当完成深度H0的打孔作业后，利用竖直运动单元(6)带动打孔头(3)竖直向上运动回到基准高度H1，从而使打孔头离开高架栽培床(8)的栽培槽；
步骤十二，打孔器水平移动机构(11)带动打孔头(3)向远端移动，避开高架栽培床(8)栽培槽上部空间；
步骤十三，通过水平对称运动单元(5)带动末端执行器(7)夹持秧苗沿水平移动并定位于高架栽培床(8)的栽培槽上方；
步骤十四，竖直运动单元(6)带动末端执行器(7)竖直向下放苗位移S2，将秧苗放入高架栽培床(8)的栽培槽打好的空穴内；
步骤十五，竖直运动单元(6)带动末端执行器(7)竖直向上运动，进而返回步骤一执行下一周期的移栽动作。
打孔竖直位移S1由控制系统根据打孔时从竖直运动单元(6)启动到停止过程的竖直向下位移量自动计算并记录，进而计算得到高架栽培床(8)的栽培槽实际高度H
H＝H1-S1+D0 (1)
D0为打孔深度要求，H1为打孔头3开始竖直打孔作业和复位的基准高度。
所述竖直向下放苗位移S2计算方法如下
S2＝S1+H0 (2)
H0为打孔头(3)的下端与末端执行器(7)下端的高度差。
本发明具有有益效果。本发明通过利用单丝杠上的传动与主动位移实现了打孔与放苗的协调动作和精确配合，并通过力反馈实现了打孔与放苗作业对高架栽培床高度起伏的自动适应，从而满足了高架栽培设施的配套秧苗自动移栽需要。
附图说明
图1为本发明高架栽培配套秧苗移栽机器人总体结构示意图。
图2为本发明移栽机器人上部主体结构示意图。
图3为本发明水平对称运动单元结构示意图。
图4为本发明打孔器水平移动机构结构示意图。
图5为本发明高架栽培配套秧苗移栽机器人控制流程框图。
图中:1.移动小车，2.穴盘间歇进给单元，3.打孔头，4.长杆，5.水平对称运动单元，6.竖直运动单元，7.末端执行器，8.高架栽培床，9.穴盘，10.力传感器，11.打孔器水平移动机构，12.对称水平驱动机构，13.滑台，14.框架，15.双向丝杠，16.导杆,17.滑动轴承，18.止推轴承，19.电机，20.主动齿轮，21.从动齿轮，22.螺母，23.壳体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明的高架栽培配套秧苗移栽机器人由移动小车1、穴盘间歇进给单元2、竖直运动单元6、水平对称运动单元5、末端执行器7、打孔单元组成。其中竖直运动单元6的机架固定于移动小车1的车体上，竖直运动单元6的移动件与水平对称运动单元5的框架14固定。穴盘间歇进给单元2的机架固定于移动小车1的车体上，待移栽的穴盘9水平放置于穴盘间歇进给单元2的移动面上。
如图3所示，本发明的水平对称运动单元5包括对称水平驱动机构12、框架14、双向丝杠15、导杆16和两个滑台13。其中双向丝杠15的左右两段螺纹长度相同而旋向相反。双向丝杠15两端通过轴承安装于框架14上，与双向丝杠15平行的导杆16两端固定于框架14上。末端执行器7固定于滑台13上，两个滑台13分别与双向丝杠15的两段左右旋向相反螺纹构成螺旋传动，对称水平驱动机构12带动双向丝杠15转动，使两个滑台13沿导杆16对称水平滑动。
如图3和图4所示，打孔单元由打孔头3、长杆4、力传感器10、打孔器水平移动机构11组成。打孔头3与长杆4分别固定于力传感器10的两端，长杆4固定于打孔器水平移动机构11上。其中打孔器水平移动机构11包括滑动轴承17、止推轴承18、电机19、主动齿轮20、从动齿轮21、螺母22和壳体23。壳体23通过滑动轴承17与导杆16连接，电机19固定于壳体23上。主动齿轮20安装于电机19的输出轴上，从动齿轮21和螺母22固定连接，从动齿轮21和螺母22通过止推轴承18安装于壳体23上，双向丝杠15与螺母22构成螺旋传动，从动齿轮21与主动齿轮20构成齿轮传动。
如图5所示，利用本发明的高架栽培配套秧苗移栽机器人对高架栽培床8进行秧苗自动移栽的控制过程如下：
(1)移动小车1进入两条高架栽培床8间过道；
(2)移动小车1自动沿高架栽培床8间过道前进；
(3)穴盘间歇进给单元2完成穴盘9内秧苗沿移动小车1行进方向的水平进给；
(4)竖直运动单元6和水平对称运动单元5将末端执行器7定位于穴盘9内待取秧苗上方；
(5)竖直运动单元6带动末端执行器7向下运动并夹取穴盘9内的秧苗；
(6)竖直运动单元6带动末端执行器7携带所夹取的秧苗竖直向上运动；
(7)打孔器水平移动机构11中，电机19通过主动齿轮20带动从动齿轮21和螺母22同步转动，通过双向丝杠15与螺母22之间的螺纹传动带动打孔头3沿水平移动，并使打孔头3定位于高架栽培床8的栽培槽上方，打孔头3定位的基准高度为H1(图2)；
(8)竖直运动单元6带动打孔头3竖直向下运动，进行对高架栽培床8的栽培槽内基质的打孔；
(9)打孔头3与长杆4间的力传感器10实时检测竖直方向的打孔阻力N，并判断打孔阻力N是否已达到阻力阈值N0，阻力阈值N0由特定栽培槽和基质的打孔深度要求D0所决定。
通过试验，对于含水率30％的草炭-蛭石-珍珠岩混合基质，当打孔深度要求D0为10厘米时，打孔速度为10厘米/秒时，阻力阈值N0为45N。
(10)当打孔阻力N已达到阻力阈值N0，表明已经达到打孔深度要求D0，则竖直运动单元6停止，从而自动适应高架栽培床8的栽培槽存在高度起伏变化而保证打孔深度要求。同时，控制系统计算高架栽培床8的栽培槽实际高度H和打孔竖直位移S1(图2)，其中高架栽培床8的栽培槽实际高度
H＝H1-S1+D0 (1)
其中打孔竖直位移S1由控制系统根据打孔时从竖直运动单元6启动到停止(打孔阻力N达到阻力阈值N0)过程的位移量自动计算并记录，H1为打孔头3开始竖直打孔作业和复位的基准高度。
当H1＝95米，S1＝17厘米，D0为10厘米时，根据式(1)可得高架栽培床8该位置的栽培槽实际高度H为88厘米。
(11)竖直运动单元6带动打孔头3竖直向上运动回到基准高度H1，从而使打孔头离开高架栽培床8的栽培槽；
(12)打孔器水平移动机构11带动打孔头3向远端移动，让开高架栽培床8栽培槽上部空间；
(13)水平对称运动单元5带动末端执行器7夹持秧苗沿水平移动并定位于高架栽培床8的栽培槽上方；
(14)竖直运动单元6带动末端执行器7竖直向下运动，将秧苗放入高架栽培床8的栽培槽打好的空穴内，其中竖直向下放苗位移
S2＝S1+H0 (2)
其中H0为打孔头3的下端与末端执行器7下端的高度差，从而根据打孔过程中力传感器10的检测保证了末端执行器7放苗时对高架栽培床8的栽培槽高度起伏变化的自动适应。
当H0＝3厘米，S1＝17厘米时，根据式(2)可得竖直向下放苗位移为S2为20厘米。
(15)竖直运动单元6带动末端执行器7竖直向上运动，进而执行下一周期的移栽动作。
Claims (4)
1.一种高架栽培配套秧苗移栽机器人，其特征在于：包括移动小车(1)、穴盘间歇进给单元(2)、竖直运动单元(6)、水平对称运动单元(5)、末端执行器(7)和打孔单元；竖直运动单元(6)的机架固定于移动小车(1)的车体上，竖直运动单元(6)的移动件与水平对称运动单元(5)的框架(14)固定，穴盘间歇进给单元(2)的机架固定于移动小车(1)的车体上，待移栽的穴盘(9)水平放置于穴盘间歇进给单元(2)的移动面上，末端执行器(7)固定于水平对称运动单元(5)的滑台(13)上，打孔单元通过螺母(22)与水平对称运动单元(5)的双向丝杠(15)构成螺旋传动；
所述打孔单元由打孔头(3)、长杆(4)、力传感器(10)、打孔器水平移动机构(11)组成；打孔头(3)与长杆(4)分别固定于力传感器(10)的两端，长杆(4)固定于打孔器水平移动机构(11)上；
所述打孔器水平移动机构(11)包括滑动轴承(17)、止推轴承(18)、电机(19)、主动齿轮(20)、从动齿轮(21)、螺母(22)和壳体(23)；壳体(23)通过滑动轴承(17)与导杆(16)连接，电机(19)固定于壳体(23)上；主动齿轮(20)安装于电机(19)的输出轴上，从动齿轮(21)和螺母(22)固定连接，从动齿轮(21)和螺母(22)通过止推轴承(18)安装于壳体(23)上，双向丝杠(15)与螺母(22)构成螺旋传动，从动齿轮(21)与主动齿轮(20)构成齿轮传动。
2.根据权利要求1所述的一种高架栽培配套秧苗移栽机器人的控制方法，其特征在于包括以下动作步骤：
步骤一，使移动小车(1)进入两条高架栽培床(8)之间的过道；
步骤二，通过导航使得移动小车(1)自动沿高架栽培床(8)间过道前进；
步骤三，利用穴盘间歇进给单元(2)完成穴盘(9)内秧苗沿移动小车(1)行进方向的水平进给；
步骤四，利用竖直运动单元(6)和水平对称运动单元(5)将末端执行器(7)定位于穴盘(9)内待取秧苗上方；
步骤五，通过竖直运动单元(6)带动末端执行器(7)向下运动并夹取穴盘(9)内的秧苗；
步骤六，接着，竖直运动单元(6)带动末端执行器(7)携带所夹取的秧苗竖直向上运动；
步骤七，打孔器水平移动机构(11)中，利用电机(19)通过主动齿轮(20)带动从动齿轮(21)和螺母(22)同步转动，通过双向丝杠(15)与螺母(22)之间的螺纹传动带动打孔头(3)沿水平移动，并使打孔头(3)定位于高架栽培床(8)的栽培槽上方，打孔头(3)定位的基准高度为H1；
步骤八，竖直运动单元(6)带动打孔头(3)竖直向下运动，实现对高架栽培床(8)的栽培槽内基质的打孔；
步骤九，通过打孔头(3)与长杆(4)间的力传感器(10)进行实时检测竖直方向的打孔阻力N，并判断打孔阻力N是否已达到阻力阈值N0；
步骤十，当打孔阻力N没有达到阻力阈值N0时，竖直运动单元(6)带动打孔头(3)继续竖直向下运动；当打孔阻力N已达到阻力阈值N0时，表明已经达到打孔深度要求D0，则竖直运动单元(6)停止，同时控制系统计算高架栽培床(8)的栽培槽实际高度H和打孔竖直位移S1；
步骤十一，当完成深度D0的打孔作业后，利用竖直运动单元(6)带动打孔头(3)竖直向上运动回到基准高度H1，从而使打孔头离开高架栽培床(8)的栽培槽；
步骤十二，打孔器水平移动机构(11)带动打孔头(3)向远端移动，避开高架栽培床(8)栽培槽上部空间；
步骤十三，通过水平对称运动单元(5)带动末端执行器(7)夹持秧苗沿水平移动并定位于高架栽培床(8)的栽培槽上方；
步骤十四，竖直运动单元(6)带动末端执行器(7)竖直向下放苗位移S2，将秧苗放入高架栽培床(8)的栽培槽打好的空穴内；
步骤十五，竖直运动单元(6)带动末端执行器(7)竖直向上运动，进而返回步骤一执行下一周期的移栽动作。
3.根据权利要求2所述的一种高架栽培配套秧苗移栽机器人的控制方法，其特征还在于：打孔竖直位移S1由控制系统根据打孔时从竖直运动单元(6)启动到停止过程的竖直向下位移量自动计算并记录，进而计算得到高架栽培床(8)的栽培槽实际高度H
H＝H1-S1+D0 (1)
D0为打孔深度要求，H1为打孔头(3)开始竖直打孔作业和复位的基准高度。
4.根据权利要求2所述的一种高架栽培配套秧苗移栽机器人的控制方法，其特征还在于：所述竖直向下放苗位移S2计算方法如下
S2＝S1+H0 (2)
H0为打孔头(3)的下端与末端执行器(7)下端的高度差。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160817 Termination date: 20190604 |