CN108207225A - 一种二维平面钵苗自动移栽装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维平面钵苗自动移栽装置，它包括机械爪、针型气缸总成、第一横向滑轴平台、闭合同步带、电源供电模块、单片机控制总成、纵向移动平台、光电传感器、同步轮、舵机等。该装置可以实现多行多列钵苗的松土，自动取苗、放苗动作，采用单片机控制总成控制电机转速实现取苗、放苗的速度可调，通过调节脉冲占空比实现气缸的伸缩行程可调，机械爪的抓合程度可调，可以大大降低钵苗的损伤率，采用针型气缸实现取苗机械爪的快速张合，可大大提高作业效率。

Description

一种二维平面钵苗自动移栽装置

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，更具体涉及一种二维平面钵苗自动移栽装置，它适用于实现二维平面内、多行多列钵苗自动移栽。

背景技术

移栽主要分为：钵苗、毯状苗和裸苗移栽。裸苗移栽成活率较低，仅局限用于个别移栽成活率较高的作物；毯状苗移栽主要用于水稻，比直播增加生长期20天左右，而钵苗移栽既可以用于水稻也可以用于旱田移栽，可以显著提高产量，在国外，由于现有的钵苗移栽装备效率低、成本高、结构复杂，只能用于经济作物。在国内，机械化移栽刚刚起步，一般用于蔬菜移栽，采用半自动移栽机，由人工送秧。50年代中国在国际上最早发明了水稻移栽装备，采用滑道机构移栽裸苗，日本在60年代发明了曲柄摇杆式分插机构和早育稀植方法，取代了滑道机构和裸苗移栽。浙江理工大学在2006年发明和开发了后插回转式行星齿轮分插机构，用于步行插秧机，其结构简单，振幅小，但纯机械式移栽对秧苗损伤大，维修复杂。

法国的Pearson公司的旱田全自动移栽机，成排的夹秧机构将一排秧苗从秧苗盘中取出，整齐排放在输送带上，输送带将秧苗与送至一侧，或者通过四杆机构进行膜上移栽。覆土镇压轮紧随栽植器对植于土壤中的钵苗进行覆土、镇压，确保钵苗的直立度，但该装置工作流程复杂，机械结构庞大，价格高，维修困难，不适合在国内个体种植户中推广，日本为了简化机构，用两套机构完成3个动作，将取秧和输送过程的复杂动作由一套装置完成，然后将钵苗投入鸭嘴栽植装置，该装置依靠四杆机构完成栽植过程。取秧和输送装置是回转和滑道机构的结合体，虽然可以完成复杂的取秧送苗动作，但是滑道机构的应用限制了回转机构的转动速度；取秧时间超过了秧爪在钵土中限定的连续移箱时间上限，大大降低了整机的工作效率，而且该装置的移栽速度不可调，机械振动较大，对移栽装置的损伤较大。国内自主开发的移栽机系统化控制程度不够，仍需要人工进行取苗过程多单独采用纯机械式方式取苗，动作单一，自动化程度不高，效率受到影响。

发明内容

本发明目的是在于提供了一种二维平面钵苗自动移栽装置，该装置实现了多行多列钵苗的松土，自动取苗、放苗动作，采用单片机控制总成控制电机转速实现取苗、放苗的速度可调，采用针型气缸实现取苗机械爪的快速张合，可大大提高作业效率。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种二维平面钵苗自动移栽装置，它包括竖向支架、横向支架、第一光轴支座、第一光轴、第一张紧轮、机械爪、针型气缸总成、机械臂固定平台、第一横向滑轴平台、直线轴承、闭合同步带、第一步进电机、电源供电模块、单片机控制总成、第二步进电机、横向限位支架、同步带固定夹、第二横向滑轴平台、固定夹板螺钉、第一同步轮、气缸、纵向移动平台、第一光电传感器、第一导向轮、机械爪导板、舵机转盘、舵机固定支架、舵机，其特征在于：所述的竖向支架通过固定角件与横向支架相连；所述的第一张紧轮通过固定夹板螺钉与第一张紧轮固定夹板相连；所述的第一横向滑轴平台通过直线轴承与第一光轴相连，所述的第二横向滑轴平台通过第二光轴分别与第三光轴支座、第四光轴支座相连；所述的第一光轴通过第一光轴支座、第二光轴支座与横向支架固定；所述的第一光轴与第二光轴对称安装在横向支架的两侧。

所述的第一步进电机通过第一同步轮与闭合同步带啮合；所述的第二步进电机通过第二同步轮与闭合同步带啮合；所述的闭合同步带通过同步带固定夹与纵向移动平台固连；所述的纵向移动平台通过直线轴承与横向光轴连接。

所述的第一导向轮通过导向轮固定螺栓与第一横向滑轴平台固连；

所述的第四光电传感器与第二光电传感器分别固定在竖向支架上，所述的第一光电传感器与第二横向滑轴平台固连，第三光传感器与第一横向滑轴平台固连。

所述的机械爪通过机械爪固定螺母与机械臂支架铰接，机械臂支架通过机械臂固定螺母与机械臂固定平台固连；所述的机械爪导板固定在机械爪上；所述的气缸与机械臂固定平台固连；所述的针型气缸总成分别与机械臂固定平台、机械爪连接；所述的舵机转盘通过转盘固定螺栓与气缸螺纹连接，舵机转盘与舵机固连；所述的舵机通过舵机固定螺钉与舵机固定支架固连；所述的舵机固定支架通过舵机支架螺栓与纵向移动平台螺纹连接。

所述的电源供电模块包括电压输出端口、电机驱动电路，其中，电压输出端口输出直流稳压，电压输出端口的输出端分别与舵机、单片机控制总成、第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器、第四光传感器、电机驱动电路的电压输入端连接，电机驱动电路的电压输出端分别与第一步进电机、第二步进电机的电压输入端相连。

所述的单片机控制总成的信号输出端分别与第一步进电机、第二步进电机、气缸、舵机、第一针型气缸、第二针型气缸、第三针型气缸、第四针型气缸的信号输入端相连，所述的第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器、第四光传感器的信号输出端分别与单片机控制总成的信号输入端相连；所述横向限位支架通过固定角件与横向支架固连。

第二导向轮通过导向轮固定螺栓与第一横向滑轴平台固连，第三导向轮、第四导向轮分别通过导向轮固定螺栓与第二横向滑轴平台固连，第一导向轮、第二导向轮分布在纵向移动平台的一侧，第三导向轮、第四导向轮分布在纵向移动平台的另一侧。

进一步的，所述的纵向移动平台通过两根横向光轴支撑，两根横向光轴相互平行。

进一步的，所述的针型气缸总成由均匀分布的第一针型气缸、第二针型气缸、第三针型气缸、第四针型气缸组成，第一针型气缸、第二针型气缸、第三针型气缸、第四针型气缸分别与机械臂固定平台固连。

进一步的，所述的电源供电模块通过紧固螺钉与横向支架固连；所述的单片机控制总成通过紧固螺钉与横向支架固连。

进一步的，固定角件通过角件固定螺栓与横向支架固连。

通过上述的技术措施，最关键的部件是机械爪、针型气缸总成、第一横向滑轴平台、闭合同步带、电源供电模块、单片机控制总成、纵向移动平台、光电传感器、同步轮、舵机；主要解决的技术难点是：二维平面钵苗自动移栽装置采用单片机控制，通过调节脉冲占空比实现气缸的伸缩行程可调，机械爪的抓合程度可调，可以降低钵苗的损伤率；解决的技术问题：取苗机械手安装在纵向滑轴平台上，上下运动采用气缸推动实现垂直方向上快速升降，提高了移栽效率，转向舵机实现取苗机械手转动，有效使钵苗与苗盘中苗土分离，机械爪导板有效增加入土面积，机械爪由四个均匀分布的针型气缸实现机械爪的有效张合，抓取钵苗时完整性更好，单片机改变驱动信号的频率实现步进电机转速可调，从而实现移栽速度的可调性。

本发明技术方案中的横向滑轴平台、纵向滑轴平台采用直线轴承与光轴连接，摩擦阻力小，能够实现钵苗横向、纵向转运，多行多列移栽钵苗，纵向滑轴平台采用同步带固连，同步轮啮合，实现滑轴平台移动距离精度可控性，可以保证机械手抓取钵苗的准确度；纵向滑轴平台、横向滑轴平台极限位置分别装有两个光电传感器，感应滑轴平台的极限位置，可以有效避免滑轴平台与支架的碰撞而减少机械损伤。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果为：

（1）二维平面钵苗自动移栽装置采用单片机控制，通过调节脉冲占空比实现气缸的伸缩行程可调，机械爪的抓合程度可调，可以降低钵苗的损伤率；

（2）横向滑轴平台、纵向滑轴平台采用直线轴承与光轴连接，摩擦阻力小，能够实现钵苗横向、纵向转运，多行多列移栽钵苗，纵向滑轴平台采用同步带固连，同步轮啮合，实现滑轴平台移动距离精度可控性，可以保证机械手抓取钵苗的准确度；

（3）纵向滑轴平台、横向滑轴平台极限位置分别装有两个光电传感器，感应滑轴平台的极限位置，可以有效避免滑轴平台与支架的碰撞而减少机械损伤；

（4）取苗机械手安装在纵向滑轴平台上，上下运动采用气缸推动实现垂直方向上快速升降，提高了移栽效率，转向舵机实现取苗机械手转动，有效使钵苗与苗盘中苗土分离，机械爪导板有效增加入土面积，机械爪由四个均匀分布的针型气缸实现机械爪的有效张合，抓取钵苗时完整性更好，单片机改变驱动信号的频率实现步进电机转速可调，从而实现移栽速度的可调性。

附图说明

图1为一种二维平面钵苗自动移栽装置第一个方向上的三维结构示意图；

图2为一种二维平面钵苗自动移栽装置第二个方向上的三维结构示意图；

图3为一种二维平面钵苗自动移栽装置第三个方向上的三维结构示意图；

图4 为一种二维平面钵苗自动移栽装置的钵苗爪三维结构示意图；

图5 为一种二维平面钵苗自动移栽装置的供电电路原理图；

图6 为一种二维平面钵苗自动移栽装置的信号控制原理图；

其中：1为竖向支架（2020）；2为横向支架（2020）；3为第一张紧轮固定夹板；4为第一光轴支座；5为第一光轴；6为第一张紧轮（普通）；7为机械爪；8为针型气缸总成（CJPB4-20）；801为第一针型气缸；802为第二针型气缸；803为第三针型气缸；804为第四针型气缸；9为机械臂固定平台；10为第一横向滑轴平台；11为直线轴承；12为导向轮固定螺母；13为闭合同步带；14为第二光轴支座；15为固定角件；16为第一步进电机（57BYGH）；17为电源供电模块（LM2596）；18为紧固螺钉；19为单片机控制总成（STM32F407）；20为第二步进电机（57BYGH）；21为步进电机固定螺钉；22为横向限位支架；23为同步带固定夹；24为第二横向滑轴平台；25为夹板限位孔；26为支架固定角件；27为第二张紧轮固定夹板；28为第四光轴支座；29为固定夹板螺钉；30为第一同步轮（普通）；31为角件固定螺栓；32为气缸；33为舵机固定支架；34为纵向移动平台；35为横向光轴；36为第一光电传感器（E3F-DS30C4）；37为第二光轴；38为第三光轴支座；39为第二同步轮（普通）；40为第一导向轮（普通）；41为第二导向轮（普通）；42为导向轮固定螺栓；43为第二光电传感器（E3F-DS30C4）；44为第三导向轮（普通）；45为第四导向轮（普通）；46为第三光电传感器（E3F-DS30C4）；47为第四光电传感器（E3F-DS30C4）；48为机械臂固定螺母；49为机械爪固定螺母；50为机械爪导板；51为机械臂支架；52为舵机转盘；53为舵机固定支架；54为舵机支架螺栓；55为舵机（JX6221）；56为转盘固定螺栓；57为舵机固定螺钉。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1~6所示，一种二维平面钵苗自动移栽装置，它包括竖向支架1、横向支架2、第一光轴支座4、第一光轴5、第一张紧轮6、机械爪7、针型气缸总成8、机械臂固定平台9、第一横向滑轴平台10、直线轴承11、闭合同步带13、第一步进电机16、电源供电模块17、单片机控制总成19、第二步进电机20、横向限位支架22、同步带固定夹23、第二横向滑轴平台24、固定夹板螺钉29、第一同步轮30、气缸32、纵向移动平台34、第一光电传感器36、第一导向轮40、第二光电传感器43、第三光电传感器46、第四光传感器47、机械爪导板50、舵机转盘52、舵机固定支架53、舵机55，其特征在于：所述的竖向支架1通过固定角件15与横向支架2相连；所述的第一张紧轮6通过固定夹板螺钉29与第一张紧轮固定夹板3相连；所述的第一横向滑轴平台10通过直线轴承11与第一光轴5相连，所述的第二横向滑轴平台24通过第二光轴37分别与第三光轴支座38、第四光轴支座28相连；所述的第一光轴5通过第一光轴支座4、第二光轴支座14与横向支架2固定；所述的第一光轴5与第二光轴37对称安装在横向支架2的两侧。

所述的第一步进电机16通过第一同步轮30与闭合同步带13啮合；所述的第二步进电机20通过第二同步轮39与闭合同步带13啮合；所述的闭合同步带13通过同步带固定夹23与纵向移动平台34固连；所述的纵向移动平台34通过直线轴承11与横向光轴35连接。

所述的第一导向轮40通过导向轮固定螺栓42与第一横向滑轴平台10固连；

所述的第四光电传感器47与第二光电传感器43分别固定在竖向支架1上，所述的第一光电传感器36与第二横向滑轴平台24固连，第三光传感器46与第一横向滑轴平台10固连。

所述的机械爪7通过机械爪固定螺母49与机械臂支架51铰接，机械臂支架51通过机械臂固定螺母48与机械臂固定平台9固连；所述的机械爪导板50固定在机械爪7上；所述的气缸32与机械臂固定平台9固连；所述的针型气缸总成8中分别与机械臂固定平台9、机械爪7连接；所述的舵机转盘52通过转盘固定螺栓56与气缸32螺纹连接，舵机转盘52与舵机55固连；所述的舵机55通过舵机固定螺钉57与舵机固定支架53固连；所述的舵机固定支架53通过舵机支架螺栓54与纵向移动平台34螺纹连接。

所述的电源供电模块17包括电压输出端口1701、电机驱动电路1702，其中，电压输出端口1701输出直流稳压，电压输出端口1701的输出端分别与舵机55、单片机控制总成19、第一光电传感器36、第二光电传感器43、第三光电传感器46、第四光传感器47、电机驱动电路1702的电压输入端连接，电机驱动电路1702的电压输出端分别与第一步进电机16、第二步进电机20的电压输入端相连。

所述的单片机控制总成19的信号输出端分别与第一步进电机16、第二步进电机20、气缸32、舵机55、第一针型气缸801、第二针型气缸802、第三针型气缸803、第四针型气缸804的信号输入端相连，所述的第一光电传感器36、第二光电传感器43、第三光电传感器46、第四光传感器47的信号输出端分别与单片机控制总成19的信号输入端相连；所述横向限位支架22通过固定角件15与横向支架2固连。

第二导向轮41通过导向轮固定螺栓42与第一横向滑轴平台10固连，第三导向轮44、第四导向轮45分别通过导向轮固定螺栓42与第二横向滑轴平台24固连，第一导向轮40、第二导向轮41分布在纵向移动平台34的一侧，第三导向轮44、第四导向轮45分布在纵向移动平台34的另一侧。

进一步的，所述的纵向移动平台34通过两根横向光轴35支撑，两根横向光轴35相互平行。

进一步的，所述的针型气缸总成8由均匀分布的第一针型气缸801、第二针型气缸802、第三针型气缸803、第四针型气缸804组成，第一针型气缸801、第二针型气缸802、第三针型气缸803、第四针型气缸804分别与机械臂固定平台9固连。

进一步的，所述的电源供电模块17通过紧固螺钉18与横向支架2固连；所述的单片机控制总成19通过紧固螺钉18与横向支架2固连。

进一步的，固定角件15通过角件固定螺栓31与横向支架2固连。

本发明控制系统中，单片机控制总成19信号输出端同时输出相同的高电平脉冲，第一步进电机16、第二步进电机20信号输入端接收高电平，第一步进电机16、第二步进电机20转向相同，第一横向滑轴平台10，第二横向滑轴平台24在闭合同步带13的啮合运动下实现横向移动，当第一横向滑轴平台10、第二横向滑轴平台24运动到极限位置时，第二光电传感器43、第四光电传感器47感应产生光电信号输入到单片机控制总成19，单片机控制总成19输出相同的低电平脉冲，第一步进电机16、第二步进电机20的转向同时变反，第一横向滑轴平台10、第二横向滑轴平台24横向移动返回，单片机控制总成19信号输出端同时输出相反的脉冲信号时，第一步进电机16、第二步进电机20信号输入端接收脉冲信号相反，第一步进电机16、第二步进电机20转向相反，第一同步轮30、第二同步轮39啮合带动闭合同步带13移动，实现纵向移动平台34的往复运动，当纵向移动平台34移动到极限位置时，第一光电传感器36、第三光电传感器46感应产生光电信号输入到单片机控制总成19，单片机信号输出端输出反向脉冲信号，实现纵向移动平台34的反向移动，从而避免了滑轴平台与支架碰撞而造成的机械损伤，同时实现了滑轴平台二维平面上的移动，更有利于移栽平台寿命的延长，单片机控制总成19通过改变脉冲占空比实现第一步进电机16、第二步进电机20的转速可调。

随着纵向移动平台34移动到目标钵苗的垂直上方时，固定在舵机转盘52上的气缸32通气实现机械臂固定平台9的垂直下移，同时针型气缸总成8通气，实现机械爪7的张开，单片机通过调控针型气缸总成8通气时间实现机械爪张合的幅度可调，以适应不同大小的钵苗，当机械爪7抓取到钵苗时，针型气缸总成8带动机械爪7闭合，同时舵机55转动带动舵机转盘52转动，实现机械爪7抓取钵苗时，机械爪7相对于苗盘的转动，钵苗与苗盘的土壤分离后，气缸32上升带动机械臂固定平台9上升，单片机控制总成19输出第一步进电机16、第二步进电机20的驱动信号，实现纵向移动平台34移动到目标位置上方，针型气缸总成8通气，机械爪7张开，钵苗落入目标苗孔，实现放苗动作，其中，机械爪导板50有效增大机械爪7与苗土的接触面积，使取出钵苗的完整性更好，有效提高了钵苗的成活率，该装置结构简单，加入单片机控制环节，自动化程度高，成本低，效率高。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种二维平面钵苗自动移栽装置，它包括竖向支架（1）、横向支架（2）、第一光轴支座（4）、第一光轴（5）、第一张紧轮（6）、机械爪（7）、针型气缸总成（8）、机械臂固定平台（9）、第一横向滑轴平台（10）、直线轴承（11）、闭合同步带（13）、第一步进电机（16）、电源供电模块（17）、单片机控制总成（19）、第二步进电机（20）、横向限位支架（22）、同步带固定夹（23）、第二横向滑轴平台（24）、固定夹板螺钉（29）、第一同步轮（30）、气缸（32）、纵向移动平台（34）、第一光电传感器（36）、第一导向轮（40）、机械爪导板（50）、舵机转盘（52）、舵机固定支架（53）、舵机（55），其特征在于：所述的竖向支架（1）通过固定角件（15）与横向支架（2）相连；所述的第一张紧轮（6）通过固定夹板螺钉（29）与第一张紧轮固定夹板（3）相连；所述的第一横向滑轴平台（10）通过直线轴承（11）与第一光轴（5）相连，所述的第二横向滑轴平台（24）通过第二光轴（37）分别与第三光轴支座（38）、第四光轴支座（28）相连；所述的第一光轴（5）通过第一光轴支座（4）、第二光轴支座（14）与横向支架（2）固定；所述的第一光轴（5）与第二光轴（37）对称安装在横向支架（2）的两侧；所述的第一步进电机（16）通过第一同步轮（30）与闭合同步带（13）啮合；所述的第二步进电机（20）通过第二同步轮（39）与闭合同步带（13）啮合；所述的闭合同步带（13）通过同步带固定夹（23）与纵向移动平台（34）固连；所述的纵向移动平台（34）通过直线轴承（11）与横向光轴（35）连接；所述的第一导向轮（40）通过导向轮固定螺栓（42）与第一横向滑轴平台（10）固连；所述的第四光电传感器（47）与第二光电传感器（43）分别固定在竖向支架（1）上，所述的第一光电传感器（36）与第二横向滑轴平台（24）固连，第三光传感器（46）与第一横向滑轴平台（10）固连；所述的机械爪（7）通过机械爪固定螺母（49）与机械臂支架（51）铰接，机械臂支架（51）通过机械臂固定螺母（48）与机械臂固定平台（9）固连；所述的机械爪导板（50）固定在机械爪（7）上；所述的气缸（32）与机械臂固定平台（9）固连；所述的针型气缸总成（8）分别与机械臂固定平台（9）、机械爪（7）连接；所述的舵机转盘（52）通过转盘固定螺栓（56）与气缸（32）螺纹连接，舵机转盘（52）与舵机（55）固连；所述的舵机（55）通过舵机固定螺钉（57）与舵机固定支架（53）固连；所述的舵机固定支架（53）通过舵机支架螺栓（54）与纵向移动平台（34）连接；所述的电源供电模块（17）包括电压输出端口（1701）、电机驱动电路（1702），其中，电压输出端口（1701）输出直流稳压，电压输出端口（1701）的输出端分别与舵机（55）、单片机控制总成（19）、第一光电传感器（36）、第二光电传感器（43）、第三光电传感器（46）、第四光传感器（47）、电机驱动电路（1702）的电压输入端连接，电机驱动电路（1702）的电压输出端分别与第一步进电机（16）、第二步进电机（20）的电压输入端相连；所述的单片机控制总成（19）的信号输出端分别与第一步进电机（16）、第二步进电机（20）、气缸（32）、舵机（55）、第一针型气缸（801）、第二针型气缸（802）、第三针型气缸（803）、第四针型气缸（804）的信号输入端相连，所述的第一光电传感器（36）、第二光电传感器（43）、第三光电传感器（46）、第四光传感器（47）的信号输出端分别与单片机控制总成（19）的信号输入端相连；所述横向限位支架（22）通过固定角件（15）与横向支架（2）固连；第二导向轮（41）通过导向轮固定螺栓（42）与第一横向滑轴平台（10）固连，第三导向轮（44）、第四导向轮（45）分别通过导向轮固定螺栓（42）与第二横向滑轴平台（24）固连，第一导向轮（40）、第二导向轮（41）分布在纵向移动平台（34）的一侧，第三导向轮（44）、第四导向轮（45）分布在纵向移动平台（34）的另一侧。

2.根据权利要求1所述的一种二维平面钵苗自动移栽装置，其特征在于：所述的纵向移动平台（34）通过两根横向光轴（35）支撑，两根横向光轴（35）相互平行。

3.根据权利要求1所述的一种二维平面钵苗自动移栽装置，其特征在于：所述的针型气缸总成（8）由均匀分布的第一针型气缸（801）、第二针型气缸（802）、第三针型气缸（803）、第四针型气缸（804）组成，第一针型气缸（801）、第二针型气缸（802）、第三针型气缸（803）、第四针型气缸（804）分别与机械臂固定平台（9）固连。

4.根据权利要求1所述的一种二维平面钵苗自动移栽装置，其特征在于：所述的电源供电模块（17）通过紧固螺钉（18）与横向支架（2）固连；所述的单片机控制总成（19）通过紧固螺钉（18）与横向支架（2）固连。

5.根据权利要求1所述的一种二维平面钵苗自动移栽装置，其特征在于：所述的固定角件（15）通过角件固定螺栓（31）与横向支架（2）固连。