CN109392386B - 一种移苗末端执行器及其移苗方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种移苗末端执行器及其移苗方法，应用于农业机械领域。末端执行器由一个动力机构和两个执行机构组成：电机输出轴通过键与小齿轮固定连接，小齿轮与大齿轮啮合连接，大齿轮与齿轮轴通过键连接，构成动力输出机构。齿轮轴一端与第一曲柄、第一连杆、轴承座、中平台构成升降机构，控制整个装置的升降；齿轮轴另一端与第二曲柄、第二连杆、顶杆、滑块、导杆、手指构成抓取机构，控制手爪的张开与闭合，实现抓苗与放苗。此装置能够在一个电机的带动下，实现机械手的上升与下降，抓苗与放苗动作，节省了电机的使用，提高了末端执行器的工作效率，减轻了末端执行器重量，能够应用于大规模农业生产。

Description

一种移苗末端执行器及其移苗方法

技术领域

本发明属于农业机械领域，具体涉及一种移苗末端执行器及其移苗方法。

背景技术

在农业机械化过程中，移栽技术最早出现于欧美以及日本等国家，故其先进程度也遥遥领先于其他各国。比如意大利CheChen&Magli公司生产的沃夫移栽机，艾德沃斯农机厂生产的坡杜移栽机，日本久保田公司生产的KP-S1红薯移栽机，美国Holland公司生产的1265型吊篮式移栽机，意大利Ferrari公司生产的钵体苗移栽机等。此类移栽机由单铰链吊篮和四杆机构组成，吊篮既是接纳秧苗的容器，也是膜上打孔成型的栽植器。此类移栽机的特点是移苗过程中，秧苗不受任何冲击，但结构复杂，移苗速度低，工作效率低。

我国是农业大国，农业生产在国民经济中占据重要地位，农业机械化普及度也越来越高。因此，研究移苗机械手末端执行器对于我国农业机械化过程具有重要意义。中国计量大学提出过许多移苗末端执行器，在农业领域发挥着重要作用。这些末端执行器特点是固定在机械臂上，通过气缸或电机控制取苗针张开与闭合，结构简单实用。但取苗针闭合后，需要机械臂向上动作，才能完成取苗过程。浙江大学提出过一种移苗末端执行器，通过丝杆与电机带动旋转快上下移动，从控制苗铲的张开与闭合，同样需要第二个动力装置，即三自由度机械臂控制末端执行器上升与下降，才能完成取苗放苗任务。因此，若设计一种能同时完成升降和抓苗取苗任务的末端执行器，则可以减少机械臂的自由度数，减少电机的使用，从而简化结构，提高效率。

发明内容

本发明的目的在于解决当前末端执行器只能完成抓取任务，需要机械臂才可完成升降任务的问题，并提供一种移苗末端执行器。

本发明通过以下技术方案实现：

一种移苗末端执行器，其包括长方形的上平台、中平台和下平台；电机固定在长方形上平台上表面左侧，电机输出轴与小齿轮固定连接，上平台中部沿纵向开有一个矩形槽；小齿轮穿过上平台中部的矩形槽与大齿轮啮合传动；上平台下表面四个角分别与四根上支杆固定连接，固定支架与上平台下表面固定连接，两个T形支架与上平台下表面左侧固定连接，大带轮和小带轮位于两个T形支架中间；齿轮轴依次穿过小带轮、一个T形支架、大齿轮、固定支架、第一曲柄的一端，且齿轮轴与小带轮、大齿轮、第一曲柄的一端均构成键连接，齿轮轴与固定支架和T形支架均构成转动连接；第一曲柄的另一端与第一连杆上端转动连接，第一连杆下端与轴承座转动连接，轴承座固定在中平台上表面；中平台四个角分别与四根滑轨固定连接，四根滑轨分别与四根上支杆的下端滑动连接；小带轮通过齿形带与大带轮连接并构成带轮机构传动；大带轮与大带轮轴固定连接，大带轮轴两端分别穿过T形支架下端的孔并与两个T形支架转动连接，大带轮轴右端通过键与第二曲柄的一端固定连接，第二曲柄另一端与第二连杆的一端转动连接，第二连杆另一端与顶杆上端铰链连接，顶杆穿过中平台中间通孔后与滑块固定连接；中平台与下平台通过四个角上的四根下支杆固定连接，导杆上端固定于中平台下表面，导杆中部穿过贯通滑块的通孔与滑块构成滑动连接，导杆下端固定于下平台上；弹簧固定在导杆上，弹簧上端与滑块下表面固定连接，弹簧下端与下平台上表面固定连接；四个第三连杆的一端分别与滑块四边的四个凸耳铰链连接，四个第三连杆另一端分别与手指上端铰链连接；四个手指中上部与下平台四边的四个凸耳转动连接。

优选的，小带轮与大带轮半径比为2：3，即带轮机构传动比为3：2，从而使由第一曲柄和第一连杆构成的曲柄连杆机构与由第二曲柄与第二连杆构成的曲柄连杆机构转速比均为3：2，实现大齿轮和大带轮的差速传动。

优选的，所述的第二曲柄的长度大于第一曲柄，以保证在第一曲柄从开始位置运动到最低端极限位置时，滑块沿导杆运动的距离等于滑轨沿上支杆移动的距离，从而补偿由于中平台向下运动的距离对滑块运动距离的影响，使四根手指仍处于初始状态。

优选的，所述的四个手指在聚拢状态下构成一个用于容纳幼苗的倒四棱锥形。

优选的，该执行器整体安装于机械手上。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一种移苗末端执行器的移苗方法，其步骤如下：

第一步：执行器复位于初始状态，保持第一曲柄与第一连杆重叠共线，处于竖直位置，此时整个装置位于最高位置，同时第二曲柄与第二连杆也处于重叠共线位置，滑块位于导杆的最高位置，四根手指均张开；

第二步，电机转动，通过电机轴带动小齿轮转动，小齿轮与大齿轮啮合传动，大齿轮通过键带动齿轮轴转动，齿轮轴右侧通过键带动第一曲柄转动，齿轮轴左侧通过小带轮、齿形带和大带轮带动第二曲柄转动；在第一曲柄和第一连杆构成的曲柄连杆机构的带动下，使中平台上的滑轨沿上支杆向下移动，从而使中平台以下的部分均向下移动；在第二曲柄与第二连杆构成的曲柄连杆机构的带动下，顶杆与滑块沿导杆向下移动，通过第三连杆带动四根手指张开；当第一曲柄转过180°时，手指到达最下端位置，即手指完全深入到幼苗根部以下的泥土位置，此时第二曲柄转过120°；

第三步，电机继续转动，第一曲柄和第一连杆构成的曲柄连杆机构开始带动中平台向上运动，进而带动手指开始向上运动；此时第二曲柄与第二连杆构成的曲柄连杆机构继续向最低处转动，带动顶杆与滑块继续沿导杆向下运动，当第一曲柄转过270°，第二曲柄转过180°时，手指完全闭合；

第四步，电机继续转动，第二曲柄越过极限位置开始向上转动，带动顶杆与滑块沿导杆向上运动；第一曲柄继续向上转动，带动中平台沿上支杆向上运动；此过程四根手指开始慢慢张开，当第一曲柄和第一连杆构成的曲柄连杆机构运动一周重新到达初始极限位置时，第二曲柄转过240°，仍未到达极限位置，此时的四根手指仍处于闭合状态，保证幼苗不会脱落；

第五步，电机停止转动，利用机械手臂将整个末端执行器移动到目标位置上方后，电机继续转动，第一曲柄和第一连杆构成的曲柄连杆机构转过极限位置开始向下转动，带动中平台沿上支杆向下运动；第二曲柄与第二连杆构成的曲柄连杆机构继续向上转动，带动滑块沿导杆向上运动，手指向下运动的同时逐渐张开，直到四根手指完全张开，幼苗落下；

第六步，电机反向转动，使两个曲柄连杆机构复位，并通过机械臂将末端执行器移动到新的目标位置，开始下一次循环。

本发明提出了利用两套曲柄连杆机构结合的原理，通过带轮设定减速比，使两套曲柄连杆机构在同一动力输出装置的作用下以不同的速率转动，可以同时完成末端执行器的升降与抓苗放苗动作，不需要依靠机械臂升降完成动作。通过soidworks建立该末端执行器机构的三维模型，验证了机构的合理性，表明该结构能够很好地实现机构的工作过程。

本发明的有益效果是：只利用一个电机作为驱动装置，即可实现末端执行器的取苗放苗，上升与下降过程，减少了机械臂所需的自由度，使移苗过程更加快速，结构更加简化。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明工作过程中的初始位置1。

图3是本发明工作过程中的位置2。

图4是本发明工作过程中的位置3。

图5是本发明工作过程中的位置4。

图6是本发明工作过程中的位置5。

图7是本发明的上平台示意图。

图8是本发明的下平台示意图。

图9是本发明的中平台示意图。

图10是滑块零件示意图。

图11为本发明的工作流程示意图。

图中：电机1、小齿轮2、上平台3、大齿轮4、固定支架5、齿轮轴6、第一曲柄7、第一连杆8、大带轮轴9、第二曲柄10、第二连杆11、顶杆12、轴承座13、中平台14、下支杆15、弹簧16、下平台17、T形支架18、上支杆19、小带轮20、滑轨21、齿形带22、大带轮23、导杆24、滑块25、第三连杆26、手指27。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明的原理是利用皮带轮机构的减速装置实现两曲柄连杆机构间的差速运动，其中第二曲柄10长度大于第一曲柄7，从而补偿手指27向下运动的距离对滑块向下运动距离的影响，保证在第一曲柄7运动到最下端位置时，第二曲柄10仍能使四根手指27保存闭合状态。

本实施例中的移苗末端执行器，其具体结构如图1所示，由长方形的上平台3、中平台14和下平台17作为搭载平台，分别如图7～9所示。整个装置按功能划分，可以分为齿轮传动机构、末端执行器升降机构和抓苗放苗机构。齿轮传动机构包括电机1、小齿轮2、上平台3、大齿轮4、齿轮轴6。末端执行器升降机构：包括第一曲柄7，第一连杆8，轴承座13，中平台14，上支杆19，滑轨21。末端执行器抓取机构：包括两个T形支架18，大带轮轴9，小带轮20，齿形带22，大带轮23，第二曲柄10，第二连杆11，顶杆12，滑块25，导杆24，第三连杆26，手指27，下平台17，弹簧16。三个机构相互耦合，共同实现整体功能。

电机1作为整个装置的动力输出，固定在上平台3上表面左侧，电机1输出轴与小齿轮2通过键固定连接，上平台3中部沿纵向开有一个容纳小齿轮2的矩形槽。小齿轮2穿过上平台3中部的矩形槽与大齿轮4啮合传动，以实现减速控制。上平台3下表面四个角分别与四根上支杆19固定连接，固定支架5与上平台3下表面固定连接，两个T形支架18与上平台3下表面左侧通过螺钉固定连接。

末端执行器升降机构主要依靠第一曲柄7和第一连杆8构成的第一曲柄连杆机构完成。抓苗放苗机构主要依靠第二曲柄10和第二连杆11构成的第二曲柄连杆机构完成。大带轮23和小带轮20位于两个T形支架18中间。齿轮轴6依次穿过小带轮20、右侧的T形支架18、大齿轮4、固定支架5、第一曲柄7的一端，且小带轮20、大齿轮4、第一曲柄7的一端均有圆形通孔，孔内有键槽，齿轮轴6与小带轮20、大齿轮4、第一曲柄7的一端均构成键连接，起传动作用。齿轮轴6与固定支架5和T形支架18均转动连接，构成转动副，主要其支撑作用。第一曲柄7的另一端与第一连杆8上端转动连接，第一连杆8下端下端带有凸起的轴，与轴承座13转动连接，构成旋转副，轴承座13通过螺钉固定在中平台14上表面。中平台14四个角分别与四根滑轨21固定连接，四根滑轨21分别与四根上支杆19的下端滑动连接。小带轮20通过齿形带22与大带轮23连接并构成带轮机构传动，大带轮23与大带轮轴9通过键固定连接，大带轮轴9两端分别穿过T形支架18下端的孔并与两个T形支架18转动连接，两个T形支架18起到类似轴承的支撑作用。大带轮轴9右端通过键与第二曲柄10的一端固定连接，第二曲柄10另一端与第二连杆11的一端转动连接，第二连杆11另一端与顶杆12上端铰链连接，顶杆12穿过中平台14中间通孔后与滑块25固定连接。滑块25结构如图10所示。中平台14与下平台17通过四个角上的四根下支杆15固定连接，导杆24上端固定于中平台14下表面，导杆24中部穿过贯通滑块25的通孔与滑块25构成滑动连接，起到导向作用，导杆24下端通过端盖和螺钉固定于下平台17上表面。弹簧16固定在导杆24上构成移动副，弹簧16上端与滑块25下表面固定连接，弹簧16下端与下平台17上表面固定连接，起到提供回复力的作用。四个第三连杆26的一端分别与滑块25四边的四个凸耳铰链连接，四个第三连杆26另一端分别与手指27上端通过短销轴构成转动副，形成铰链连接；四个手指27中上部与下平台17四边的四个凸耳转动连接。四个手指27在聚拢状态下构成一个用于容纳幼苗的倒四棱锥形。这样，支撑块上下运动的时候，便通过短连杆，使四根手指撑开与闭合，实现对苗的抓取和放开。该执行器可整体安装于机械手上，进行相应的取苗、放苗动作。

本实施例中，小带轮20与大带轮23半径比为2：3，即带轮机构传动比为3：2，从而使由第一曲柄7和第一连杆8构成的曲柄连杆机构与由第二曲柄10与第二连杆11构成的曲柄连杆机构转速比均为3：2，实现大齿轮4和大带轮23的差速传动。另外，第二曲柄10的长度大于第一曲柄7，以保证在第一曲柄7从开始位置运动到最低端极限位置时，滑块25沿导杆24运动的距离等于滑轨21沿上支杆19移动的距离，从而补偿由于中平台14向下运动的距离对滑块运动距离的影响，使四根手指仍处于初始状态。

本发明通过第一曲柄7和第一连杆8构成的曲柄连杆机构可以实现整个机构的上升与下降，通过第二曲柄10与第二连杆11构成的曲柄连杆机构可以实现机械手指的张开与闭合，从而完成取苗放苗任务。整个装置只有一个电机作为动力输出装置，可以同时实现机构的上升下降和机械手指的张开闭合两个运动，减少了电机的使用。

基于上述移苗末端执行器的移苗方法，其具体步骤如下：

第一步：执行器复位于初始状态，保持第一曲柄7与第一连杆8重叠共线，处于竖直位置，此时整个装置位于最高位置，同时第二曲柄10与第二连杆11也处于重叠共线位置，滑块25位于导杆24的最高位置，四根手指均张开，如图2所示。

第二步，电机1转动，通过电机轴带动小齿轮2转动，小齿轮2与大齿轮4啮合传动，大齿轮4通过键带动齿轮轴6转动，齿轮轴6右侧通过键带动第一曲柄7转动，齿轮轴6左侧通过小带轮20、齿形带22和大带轮23带动第二曲柄10转动；在第一曲柄7和第一连杆8构成的曲柄连杆机构的带动下，使中平台14上的滑轨21沿上支杆19向下移动，从而使中平台14以下的部分均向下移动；在第二曲柄10与第二连杆11构成的曲柄连杆机构的带动下，顶杆12与滑块25沿导杆24向下移动，通过第三连杆26带动四根手指27张开；当第一曲柄7转过180°时，手指到达最下端位置，即手指完全深入到幼苗根部以下的泥土位置，此时第二曲柄10转过120°，如图3所示。

第三步，电机继续转动，第一曲柄7和第一连杆8构成的曲柄连杆机构开始带动中平台14向上运动，进而带动手指27开始向上运动；此时第二曲柄10与第二连杆11构成的曲柄连杆机构继续向最低处转动，带动顶杆12与滑块25继续沿导杆24向下运动，当第一曲柄7转过270°，第二曲柄10转过180°时，手指27完全闭合，如图4所示。

第四步，电机继续转动，第二曲柄10越过极限位置开始向上转动，带动顶杆12与滑块25沿导杆24向上运动；第一曲柄7继续向上转动，带动中平台14沿上支杆19向上运动；此过程四根手指27开始慢慢张开，当第一曲柄7和第一连杆8构成的曲柄连杆机构运动一周重新到达初始极限位置时，第二曲柄转过240°，仍未到达极限位置，此时的四根手指仍处于闭合状态，保证幼苗不会脱落，如图5所示。

第五步，电机1停止转动，利用机械手臂将整个末端执行器移动到目标位置上方后，电机1继续转动，第一曲柄7和第一连杆8构成的曲柄连杆机构转过极限位置开始向下转动，带动中平台14沿上支杆19向下运动；第二曲柄10与第二连杆11构成的曲柄连杆机构继续向上转动，带动滑块25沿导杆24向上运动，手指27向下运动的同时逐渐慢慢张开，直到四根手指完全张开，幼苗落下，如图6所示。

第六步，电机快速反向转动，使两个曲柄连杆机构复位，并通过机械臂将末端执行器移动到新的目标位置，开始下一次循环。整个装置工作流程图如图11所示。

需要指出的是，本发明中的上、下、左、右、前、后仅仅是为了便于描述，并非是对本发明的具体限定。另外，大、小也仅仅是相对的，用于区分不同的部件，例如大齿轮和小齿轮，仅仅是表面大齿轮的直径大于小齿轮，并非限定具体数值。因此，对于这些具体名称，本领域技术人员应当做广义理解。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种移苗末端执行器，其特征在于：包括长方形的上平台（3）、中平台（14）和下平台（17）；电机（1）固定在长方形上平台（3）上表面左侧，电机（1）输出轴与小齿轮（2）固定连接，上平台（3）中部沿纵向开有一个矩形槽；小齿轮（2）穿过上平台（3）中部的矩形槽与大齿轮（4）啮合传动；上平台（3）下表面四个角分别与四根上支杆（19）固定连接，固定支架（5）与上平台（3）下表面固定连接，两个T形支架（18）与上平台（3）下表面左侧固定连接，大带轮（23）和小带轮（20）位于两个T形支架（18）中间；齿轮轴（6）依次穿过小带轮（20）、一个T形支架（18）、大齿轮（4）、固定支架（5）、第一曲柄（7）的一端，且齿轮轴（6）与小带轮（20）、大齿轮（4）、第一曲柄（7）的一端均构成键连接，齿轮轴（6）与固定支架（5）和T形支架（18）均构成转动连接；第一曲柄（7）的另一端与第一连杆（8）上端转动连接，第一连杆（8）下端与轴承座（13）转动连接，轴承座（13）固定在中平台（14）上表面；中平台（14）四个角分别与四根滑轨（21）固定连接，四根滑轨（21）分别与四根上支杆（19）的下端滑动连接；小带轮（20）通过齿形带（22）与大带轮（23）连接并构成带轮机构传动；大带轮（23）与大带轮轴（9）固定连接，大带轮轴（9）两端分别穿过T形支架（18）下端的孔并与两个T形支架（18）转动连接，大带轮轴（9）右端通过键与第二曲柄（10）的一端固定连接，第二曲柄（10）另一端与第二连杆（11）的一端转动连接，第二连杆（11）另一端与顶杆（12）上端铰链连接，顶杆（12）穿过中平台（14）中间通孔后与滑块（25）固定连接；中平台（14）与下平台（17）通过四个角上的四根下支杆（15）固定连接，导杆（24）上端固定于中平台（14）下表面，导杆（24）中部穿过贯通滑块（25）的通孔与滑块（25）构成滑动连接，导杆（24）下端固定于下平台（17）上；弹簧（16）固定在导杆（24）上，弹簧（16）上端与滑块（25）下表面固定连接，弹簧（16）下端与下平台（17）上表面固定连接；四个第三连杆（26）的一端分别与滑块（25）四边的四个凸耳铰链连接，四个第三连杆（26）另一端分别与手指（27）上端铰链连接；四个手指（27）中上部与下平台（17）四边的四个凸耳转动连接；

小带轮（20）与大带轮（23）半径比为2：3，即带轮机构传动比为3：2，从而使由第一曲柄（7）和第一连杆（8）构成的曲柄连杆机构与由第二曲柄（10）与第二连杆（11）构成的曲柄连杆机构转速比均为3：2，实现大齿轮（4）和大带轮（23）的差速传动；

所述的第二曲柄（10）的长度大于第一曲柄（7），以保证在第一曲柄（7）从开始位置运动到最低端极限位置时，滑块（25）沿导杆（24）运动的距离等于滑轨（21）沿上支杆（19）移动的距离，从而补偿由于中平台（14）向下运动的距离对滑块运动距离的影响，使四根手指仍处于初始状态。

2.根据权利要求1所述的移苗末端执行器，其特征在于，所述的四个手指（27）在聚拢状态下构成一个用于容纳幼苗的倒四棱锥形。

3.根据权利要求1所述的移苗末端执行器，其特征在于，该执行器整体安装于机械手上。

4.一种利用如权利要求1~3任一项所述移苗末端执行器的移苗方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：执行器复位于初始状态，保持第一曲柄（7）与第一连杆（8）重叠共线，处于竖直位置，此时整个装置位于最高位置，同时第二曲柄（10）与第二连杆（11）也处于重叠共线位置，滑块（25）位于导杆（24）的最高位置，四根手指均张开；

第二步，电机（1）转动，通过电机轴带动小齿轮（2）转动，小齿轮（2）与大齿轮（4）啮合传动，大齿轮（4）通过键带动齿轮轴（6）转动，齿轮轴（6）右侧通过键带动第一曲柄（7）转动，齿轮轴（6）左侧通过小带轮（20）、齿形带（22）和大带轮（23）带动第二曲柄（10）转动；在第一曲柄（7）和第一连杆（8）构成的曲柄连杆机构的带动下，使中平台（14）上的滑轨（21）沿上支杆（19）向下移动，从而使中平台（14）以下的部分均向下移动；在第二曲柄（10）与第二连杆（11）构成的曲柄连杆机构的带动下，顶杆（12）与滑块（25）沿导杆（24）向下移动，通过第三连杆（26）带动四根手指（27）张开；当第一曲柄（7）转过180°时，手指到达最下端位置，即手指完全深入到幼苗根部以下的泥土位置，此时第二曲柄（10）转过120°；

第三步，电机继续转动，第一曲柄（7）和第一连杆（8）构成的曲柄连杆机构开始带动中平台（14）向上运动，进而带动手指（27）开始向上运动；此时第二曲柄（10）与第二连杆（11）构成的曲柄连杆机构继续向最低处转动，带动顶杆（12）与滑块（25）继续沿导杆（24）向下运动，当第一曲柄（7）转过270°，第二曲柄（10）转过180°时，手指（27）完全闭合；

第四步，电机继续转动，第二曲柄（10）越过极限位置开始向上转动，带动顶杆（12）与滑块（25）沿导杆（24）向上运动；第一曲柄（7）继续向上转动，带动中平台（14）沿上支杆（19）向上运动；此过程四根手指（27）开始慢慢张开，当第一曲柄（7）和第一连杆（8）构成的曲柄连杆机构运动一周重新到达初始极限位置时，第二曲柄转过240°，仍未到达极限位置，此时的四根手指仍处于闭合状态，保证幼苗不会脱落；

第五步，电机（1）停止转动，利用机械手臂将整个末端执行器移动到目标位置上方后，电机（1）继续转动，第一曲柄（7）和第一连杆（8）构成的曲柄连杆机构转过极限位置开始向下转动，带动中平台（14）沿上支杆（19）向下运动；第二曲柄（10）与连杆2（11）构成的曲柄连杆机构继续向上转动，带动滑块（25）沿导杆（24）向上运动，手指（27）向下运动的同时逐渐张开，直到四根手指完全张开，幼苗落下；

第六步，电机反向转动，使两个曲柄连杆机构复位，并通过机械臂将末端执行器移动到新的目标位置，开始下一次循环。

Images