CN107278448B - 一种夹持力可控的移栽机械手及其移栽方法 - Google Patents
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Abstract
一种夹持力可控的移栽机械手，包括底座、通过取苗针转轴转动设置于底座表面上的两只铁质的取苗针以及夹持力控制装置，取苗针转轴与取苗针构成杠杆机构，两只取苗针的下端构成用于取苗投苗的取苗爪，所述的夹持力控制装置包括设置于两只取苗针之间上部位置的气囊、用于为气囊充放气的气泵以及取苗爪两侧分别设置的电磁铁单元。本发明有益效果：本发明的移载机械手夹持力可控且具有缓冲性，不易伤苗，可实现取苗过程中低损伤取苗的要求，保证了移栽质量。
Description
技术领域
本发明涉及移栽机械领域，具体地说是一种夹持力可控的移栽机械手及其移栽方法。
背景技术
旱地移栽机的在工作时需要完成的动作主要包括四个：取苗、投苗、栽植、覆土镇压。在取苗过程中，需要考虑取苗夹爪对秧苗的夹持力影响，若夹苗夹爪在工作时夹持力度过小，则会造成对幼苗根系基质的影响，造成基质散落，出现移栽露苗的情况；同时若夹持秧苗的夹持力过大，还会造成秧苗根系的损伤，降低了秧苗移栽的成活率。因此移栽过程中频繁出现取苗爪伤苗或漏苗的情况，特别是大面积移栽作业时，则会带来田地减产，造成资源浪费，给农民带来巨大经济损失。
在目前的移栽机取苗机构中，少有移栽机对取苗爪进行夹持力的控制，并且大部分驱动机构使用凸轮或电机，夹取力缓冲性较小，容易伤苗。专利CN104280335A提供了一种利用压力传感器检测夹持力的方法，但其所述的压力传感器需要在取苗针上滑动，动作实现较难且易出现误差数据。
在移栽过程中，移栽机械手夹取的是幼苗，并且基质体积一定，所以取苗机械手动作变化较小且夹持力较小，考虑到夹取力对幼苗的作用，应提供一种力度较柔的取苗机械手，专利CN105638054A使用具有一定弹性的取苗针，但弹性不可控制，夹取作用力缓冲性较小，易在夹取动作时伤苗。
为了减少在移栽过程中由于取苗机械手在取苗时夹持力过大或由于夹持力缓冲性太小，造成秧苗损伤或秧苗基质散落情况的发生，本发明提出一种夹持力可控的移栽机械手。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种夹持力可控的移栽机械手及其移栽方法，解决目前移栽机工作过程中由于取苗机械手夹持力不易控制而造成伤苗或者漏苗的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种夹持力可控的移栽机械手，包括底座、通过取苗针转轴转动设置于底座表面上的两只铁质的取苗针以及夹持力控制装置，取苗针转轴与取苗针构成杠杆机构，两只取苗针的下端构成用于取苗投苗的取苗爪，所述的夹持力控制装置包括设置于两只取苗针之间上部位置的气囊、用于为气囊充放气的气泵以及取苗爪两侧分别设置的电磁铁单元；
本发明所述的底座上还设有用于控制夹持力控制装置的控制系统，所述控制系统包括控制器、电磁铁通断电控制单元以及设置于取苗针与气囊之间的压电薄膜传感器，压电薄膜传感器与控制器连接，控制器分别与电磁铁通断电控制单元和气泵连接，压电薄膜传感器将检测到的气囊与取苗针膨胀接触的压力信号传递给控制器，控制器通过对压力信号的判断控制电磁铁通断电控制单元的通断电以及气囊的充放气，进而控制取苗爪的投苗和取苗以及取苗爪的夹持力。
本发明所述取苗针转轴位于取苗针的中点处使得取苗针转轴与取苗针构成1:1的杠杆机构。
本发明所述的气囊与气泵之间通过设置在气囊顶部开口处的气压连接管连接。
本发明所述的气囊为长条型，长条型气囊的四面设有固定挡板，当气囊充气时，其膨胀方向为推动取苗针的方向。
本发明所述取苗爪的两侧还设有限位杆，限位杆通过限位螺栓固定在底座上取苗爪两侧设置的限位槽中，通过调节限位螺栓在限位槽中的位置实现对取苗针的不同程度的限位来控制取苗针下端夹紧距离。
本发明所述的底座上还设有LCD显示屏，所述的控制器与LCD显示屏连接，控制器将压电薄膜传感器检测的压力信号显示在LCD显示屏上。
本发明所述的移栽机械手通过其底座表面设置的固定螺栓与移栽机取苗机械臂连接。
本发明所述的控制器采用ARM处理器。
本发明所述的限位杆为空心管状结构，电磁铁单元的连接线位于限位杆中。
利用所述的夹持力可控的移栽机械手进行移栽的方法，将取苗机械手通过固定螺栓安装在取苗臂上，当取苗动作开始时，所述的取苗针插入钵盘中，控制器控制电磁铁单元断电同时控制气泵对气囊充压，取苗针与电磁铁单元之间的磁力消失，气囊膨胀推动取苗针的上端张开，由于杠杆作用，取苗针的下端向中间靠近，夹取钵苗，在取苗针夹取钵苗的同时，压电薄膜传感器检测气囊内的压力信号并传递给控制器，当控制器检测到压力达到阈值时控制器控制气泵停止对气囊充压；当取苗完成投苗时，控制器控制气泵使气囊内压力减小，电磁铁单元通电，通过磁力作用使取苗针归位，取苗针下端张开，钵苗下落，投苗完成。
本发明的有益效果是：本发明的移载机械手夹持力可控且具有缓冲性，不易伤苗，可实现取苗过程中低损伤取苗的要求，保证了移栽质量，具体表现在以下几个方面：
1、传统的取苗手采用液压或者凸轮等机械的方式提供夹取力，本机械手采用气体膨胀的方法提供夹取力，随着气压增大气囊膨胀推动取苗针运动，为作用在钵苗上的夹取力提供了一定的缓冲性，便于保护幼苗，适用于移栽作业；
2、采用杠杆结构设计取苗臂的力传动方式，利于检测夹取力，克服了直接测量夹取力的难题，避免了将传感器设置在取苗针顶端，与土壤直接接触，影响取苗动作，同时安装较为困难，本发明通过设置在气囊与取苗针上端接触位置的压电薄膜传感器，通过杠杆结构便可得到取苗针下端的夹取力；
3、利用气体膨胀的方式提供的弹力柔性较强，力度增加缓慢，具有缓冲性，不易伤苗，同时控制夹取力度简便；
4、利用电磁铁通断电的方式提供取苗针回复力，取代了扭簧，利用杠杆原理使得压电薄膜传感器测得的压力更精确。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明底座背面结构示意图；
图3为本发明控制系统连接结构框图。
图中标记：1、气泵，2、气压连接管，3、压电薄膜传感器，4、限位杆，5、取苗针转轴，6、底座，7、电磁铁单元，8、取苗针，9、气囊，10、控制器，11、限位槽，12、电磁铁通断电控制单元，13、限位螺栓，14、固定螺栓，15、气压传感器。
具体实施方式
如图所示，一种夹持力可控的移栽机械手，包括底座6、通过取苗针转轴5转动设置于底座6表面上的两只铁质的取苗针8以及夹持力控制装置，取苗针转轴5与取苗针8构成杠杆机构，两只取苗针8的下端构成用于取苗投苗的取苗爪，所述的夹持力控制装置包括设置于两只取苗针8之间上部位置的气囊9、用于为气囊9充放气的气泵1以及取苗爪两侧分别设置的电磁铁单元7；
所述的底座6上还设有用于控制夹持力控制装置的控制系统，所述控制系统包括控制器10、电磁铁通断电控制单元12以及设置于取苗针与气囊之间的压电薄膜传感器3，压电薄膜传感器3与控制器10连接，控制器10分别与电磁铁通断电控制单元12和气泵1连接，压电薄膜传感器3将检测到的气囊内的压力信号传递给控制器10，控制器10通过对压力信号的判断控制电磁铁通断电控制单元12的通断电以及气囊9的充放气，进而控制取苗爪的投苗和取苗以及取苗爪的夹持力。
进一步，所述取苗针转轴5位于取苗针8的中点处使得取苗针转轴5与取苗针8构成1:1的杠杆机构。
进一步，所述的气囊9与气泵1之间通过设置在气囊9顶部开口处的气压连接管2连接。
进一步，所述的气囊9为长条型，长条型气囊9的四面设有固定挡板，当气囊9充气时，其膨胀方向为推动取苗针8的方向。
进一步，所述取苗爪的两侧还设有限位杆4，限位杆4通过限位螺栓13固定在底座6上取苗爪两侧设置的限位槽11中，限位槽11的长度方向与取苗针的张开方向一致，通过调节限位螺栓13在限位槽11中的位置实现对取苗针的不同程度的限位，限位杆4的固定位置决定了取苗爪上端张开的最大程度，进而限制了取苗爪下端取苗时的最大夹持力。
进一步，所述的底座6上还设有LCD显示屏，所述的控制器10与LCD显示屏连接，控制器10将压电薄膜传感器3检测的压力信号显示在LCD显示屏上。
进一步，所述的移栽机械手通过其底座6表面设置的固定螺栓14与移栽机取苗机械臂连接。
进一步，所述的控制器10采用ARM处理器。
进一步，所述的限位杆4为空心管状结构，电磁铁单元7的连接线位于限位杆4中。
进一步，气囊6采用耐磨材料，其膨胀过程与其腔内气压呈线性关系。
进一步，所述气压连接管2上设有气压传感器15，用于检测气囊内部气压力，保护气囊装置，防止气压过大造成气囊损坏。
进一步，本发明所述的LCD显示屏与控制器之间的信号连接采用无线方式。
利用所述的夹持力可控的移栽机械手进行移栽的方法，将取苗机械手通过固定螺栓14安装在取苗臂上，当取苗动作开始时，所述的取苗针8插入钵盘中，控制器10控制电磁铁单元7断电同时控制气泵1对气囊9充压，取苗针8与电磁铁单元7之间的磁力消失，气囊9膨胀推动取苗针8的上端张开，由于杠杆作用，取苗针8的下端向中间靠近，夹取钵苗，在取苗针8夹取钵苗的同时，压电薄膜传感器3检测气囊9内的压力信号并传递给控制器10，当控制器10检测到压力达到阈值时控制器10控制气泵1停止对气囊9充压；当取苗完成投苗时，控制器10控制气泵1使气囊9内压力减小，电磁铁单元7通电，通过磁力作用使取苗针8归位，取苗针8下端张开，钵苗下落，投苗完成。
本发明通过设置压电薄膜传感器的阈值实现对取苗抓夹取钵苗的夹持力的控制。
两个压电薄膜传感器同时检测两只取苗针的压力，分别得到的两个压力信号进行差分处理以消除误差，提高夹取力检测的准确性。
Claims (10)
1.一种夹持力可控的移栽机械手，其特征在于：包括底座（6）、通过取苗针转轴（5）转动设置于底座（6）表面上的两只铁质的取苗针（8）以及夹持力控制装置，取苗针转轴（5）与取苗针（8）构成杠杆机构，两只取苗针（8）的下端构成用于取苗投苗的取苗爪，所述的夹持力控制装置包括设置于两只取苗针（8）之间上部位置的气囊（9）、用于为气囊（9）充放气的气泵（1）以及取苗爪两侧分别设置的电磁铁单元（7）；
所述的底座（6）上还设有用于控制夹持力控制装置的控制系统，所述控制系统包括控制器（10）、电磁铁通断电控制单元（12）以及设置于取苗针与气囊之间的压电薄膜传感器（3），压电薄膜传感器（3）与控制器（10）连接，控制器（10）分别与电磁铁通断电控制单元（12）和气泵（1）连接，压电薄膜传感器（3）将检测到的气囊（9）与取苗针（8）膨胀接触的压力信号传递给控制器（10），控制器（10）通过对压力信号的判断控制电磁铁通断电控制单元（12）的通断电以及气囊（9）的充放气，进而控制取苗爪的投苗和取苗以及取苗爪的夹持力。
2.根据权利要求1所述的一种夹持力可控的移栽机械手，其特征在于：所述取苗针转轴（5）位于取苗针（8）的中点处使得取苗针转轴（5）与取苗针（8）构成1:1的杠杆机构。
3.根据权利要求1所述的一种夹持力可控的移栽机械手，其特征在于：所述的气囊（9）与气泵（1）之间通过设置在气囊（9）顶部开口处的气压连接管（2）连接。
4.根据权利要求1所述的一种夹持力可控的移栽机械手，其特征在于：所述的气囊（9）为长条型，长条型气囊（9）的四面设有固定挡板，当气囊（9）充气时，其膨胀方向为推动取苗针（8）的方向。
5.根据权利要求1所述的一种夹持力可控的移栽机械手，其特征在于：所述取苗爪的两侧还设有限位杆（4），限位杆（4）通过限位螺栓（13）固定在底座（6）上取苗爪两侧设置的限位槽（11）中，通过调节限位螺栓（13）在限位槽（11）中的位置实现对取苗针的不同程度的限位。
6.根据权利要求1所述的一种夹持力可控的移栽机械手，其特征在于：所述的底座（6）上还设有LCD显示屏，所述的控制器（10）与LCD显示屏连接，控制器（10）将压电薄膜传感器（3）检测的压力信号显示在LCD显示屏上。
7.根据权利要求1所述的一种夹持力可控的移栽机械手，其特征在于：所述的移栽机械手通过其底座（6）表面设置的固定螺栓（14）与移栽机取苗机械臂连接。
8.根据权利要求1所述的一种夹持力可控的移栽机械手，其特征在于：所述的控制器（10）采用ARM处理器。
9.根据权利要求5所述的一种夹持力可控的移栽机械手，其特征在于：所述的限位杆（4）为空心管状结构，电磁铁单元（7）的连接线位于限位杆（4）中。
10.利用权利要求1所述的夹持力可控的移栽机械手进行移栽的方法，其特征在于：将取苗机械手通过固定螺栓安装在取苗臂上，当取苗动作开始时，所述的取苗针插入钵盘中，控制器控制电磁铁单元断电同时控制气泵对气囊充压，取苗针与电磁铁单元之间的磁力消失，气囊膨胀推动取苗针的上端张开，由于杠杆作用，取苗针的下端向中间靠近，夹取钵苗，在取苗针夹取钵苗的同时，压电薄膜传感器检测气囊内的压力信号并传递给控制器，当控制器检测到压力达到阈值时控制器控制气泵停止对气囊充压；当取苗完成投苗时，控制器控制气泵使气囊内压力减小，电磁铁单元通电，通过磁力作用使取苗针归位，取苗针下端张开，钵苗下落，投苗完成。
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