CN110695979A - 一种面向白酒制曲工艺的翻曲机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向白酒制曲工艺的翻曲机器人，包括行走装置、旋转装置、升降装置、水平伸缩装置和夹持装置；旋转装置安装在行走装置上，升降装置安装在旋转装置上，水平伸缩装置安装在升降装置上，夹持装置安装在水平伸缩装置的底部；旋转装置用于实现升降装置的旋转；升降装置用于实现水平伸缩装置的升降；水平伸缩装置用于实现夹持装置的往复移动；夹持装置用于抓取曲块。该机器人稳定性更强，实用性较大；能承受较大压力，提高了夹持的可靠性；在夹持装置的末端通过两个夹持手指夹取曲块，两个夹持手指与曲块形成面接触，增加了夹持的稳定性。

Description

一种面向白酒制曲工艺的翻曲机器人
技术领域
本发明涉及轻工机械领域，具体是一种面向白酒制曲工艺的翻曲机器人。
背景技术
白酒酿造业历经了了几千年的手工作业，生产工艺早已成熟。制曲是白酒制作工艺中的关键环节，制曲优劣直接影响白酒酿造效果，但制曲需要在高温、高湿环境下进行，曲房温度能够达到50℃左右，条件比较恶劣；而且翻曲时需要人工对曲块进行翻动，促使微生物健壮生长，但是人工作业劳动量较大，强度较高，生产效率低，同时也存在安全隐患。此外，随着白酒需求的增长，企业规模的日益扩大，使得白酒酿造业的自动化需求凸显。
申请号为201710009893.X的文献公开了一种白酒酿造自动翻曲装置，整个装置类似于一个长方体，包括底座，底座上设有4个竖直立杆，两个竖直立杆之间连有两个相互平行的横杆，在竖直立杆和横杆上设置滑轨，竖直立杆和与其相邻的一个竖直立杆之间设有多个通过滑块与滑轨连接的酒曲培养盒，滑块上设有驱动电机，通过形成回路形的滑轨实现酒曲培养盒位置高低的变换，完成翻曲动作；但是曲块只能随着酒曲培养盒的移动而移动，限制了翻曲的范围；此外曲块只能放置在酒曲培养盒中，而且需要在曲房安装此装置，曲房内的空间利用率较低，实用性较差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的问题是，提供一种面向白酒制曲工艺的翻曲机器人。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种面向白酒制曲工艺的翻曲机器人，其特征在于，包括行走装置、旋转装置、升降装置、水平伸缩装置和夹持装置；旋转装置安装在行走装置上，升降装置安装在旋转装置上，水平伸缩装置安装在升降装置上，夹持装置安装在水平伸缩装置的底部；
旋转装置用于实现升降装置的旋转；升降装置用于实现水平伸缩装置的升降；水平伸缩装置用于实现夹持装置的往复移动；夹持装置用于抓取曲块；
所述夹持装置包括舵机、舵机支架、舵机摆臂、夹持电机罩、基体、第一连接杆、扇形齿轮、夹持手指、第二蜗杆、夹持电机支架和夹持电机；
舵机支架固定在水平伸缩装置的伸缩滑块的底部，舵机固定在舵机支架上，舵机的输出轴与舵机摆臂固连，舵机摆臂底部固定有夹持电机罩；夹持电机通过夹持电机支架固定于夹持电机罩内部，夹持电机的输出轴与第二蜗杆的一端固连，第二蜗杆的齿面露在夹持电机罩外；基体固定在第二蜗杆上，基体的两侧铰接有扇形齿轮，两个扇形齿轮均与第二蜗杆啮合；每个扇形齿轮的端部固定有第一连接杆，每个第一连接杆的末端与各自的夹持手指固连，两个夹持手指共同夹持曲块。
所述升降装置包括第一支承板、支承架、升降滑块、丝杠螺母、第一丝杠、升降导轨、第二支承板、升降电机、升降电机支架和升降电机罩；
第一支承板固定在蜗轮的上端面，第一支承板上固定有多个支承架；第二支承板固定在多个支承架的末端，每个支承架上均固定有升降导轨，每个升降导轨上均可滑动地安装有升降滑块；升降电机罩固定在第二支承板上，升降电机罩的顶部固定有升降电机支架，升降电机支架上安装有升降电机；所述第一丝杠的一端可转动地与第一支承板相连，穿过第二支承板且与第二支承板可转动连接，另一端与升降电机的输出轴固连；第一丝杠上可滑动地安装有丝杠螺母。
所述升降装置包括第一支承板、支承架、升降滑块、丝杠螺母、第一丝杠、升降导轨、第二支承板、升降电机、升降电机支架和升降电机罩；
第一支承板固定在蜗轮的上端面，第一支承板上固定有多个支承架；第二支承板固定在多个支承架的末端，每个支承架上均固定有升降导轨，每个升降导轨上均可滑动地安装有升降滑块；升降电机罩固定在第二支承板上，升降电机罩的顶部固定有升降电机支架，升降电机支架上安装有升降电机；所述第一丝杠的一端可转动地与第一支承板相连，穿过第二支承板且与第二支承板可转动连接，另一端与升降电机的输出轴固连；第一丝杠上可滑动地安装有丝杠螺母。
所述水平伸缩装置包括基座、伸缩电机、伸缩电机支架、第一支座、第二丝杠、伸缩滑块和第二支座；
基座的一端与丝杠螺母和所有的升降滑块固连，另一端悬空；伸缩电机支架固定在基座上，伸缩电机支架上固定有伸缩电机，伸缩电机的输出轴与第二丝杠固连，第二丝杠的两端分别可转动地与第一支座和第二支座相连，第一支座和第二支座均固定在基座上；伸缩滑块可滑动地安装在第二丝杠上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本机器人采用圆柱坐标式建立夹持装置的坐标，实现旋转装置在水平面上的旋转、升降装置的垂直升降和水平伸缩装置沿水平方向的伸缩；与直角坐标式相比，机器人所占空间较小且工作范围较大。
2)本机器人的升降装置和水平伸缩装置采用滚珠丝杠机构，提供了机器人运行的精度，稳定性更强，实用性较大；旋转装置采用可靠性高的蜗轮蜗杆机构，可精准控制旋转角度，能承受较大压力；夹持装置采用蜗杆与扇形齿轮相结合的方式，提高了夹持的可靠性；在夹持装置的末端通过两个夹持手指夹取曲块，两个夹持手指与曲块形成面接触，增加了夹持的稳定性。
3)在结构设计上充分考虑曲块的不同摆放方式，夹持装置通过舵机使得夹持手指旋转，可用于夹取任意摆放角度的曲块，能够精准有效的实现夹取，有效地解决了人工翻曲效率低，劳动强度高等问题。
4)Arduino是一种开源的微控制器，包含Arduino板(硬件)和Arduino IDE(软件)，具有跨平台、便捷简单、操作灵活等特点，能实现精准控制。
5)本机器人自动运行可以完全代替人力，大大节约人力成本。
6)行走装置可以采用轮式或履带式机构，优选履带式机构，增加机器人的稳定性，而且受地形影响较小，即使地面有坑洼也可以正常工作。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的旋转装置的结构示意图；
图3为本发明的升降装置的整体结构示意图；
图4为本发明的升降装置去掉第一柔性罩和支承罩的结构示意图；
图5为本发明的水平伸缩装置的整体结构示意图；
图6为本发明的水平伸缩装置去掉防护罩的俯视图；
图7为本发明的夹持装置的部分结构示意图；
图8为本发明的夹持装置另一部分的结构示意图；
图9为本发明的夹持电机的安装示意图；
图10为本发明的导航装置的结构示意图；
图11为本发明的识别装置的结构示意图；
图中：1、行走装置；2、旋转装置；3、升降装置；4、水平伸缩装置；5、夹持装置；6、控制系统；7、识别装置；8、导航装置；
2.1、蜗轮；2.2、旋转电机支架；2.3、旋转电机；2.4、第一蜗杆；2.5、支承轴；
3.1、第一支承板；3.2、支承架；3.3、升降滑块；3.4、丝杠螺母；3.5、第一丝杠；3.6、升降导轨；3.7、第二支承板；3.8、升降电机；3.9、升降电机支架；3.10、第一柔性罩；3.11、升降电机罩；3.12、支承罩；
4.1、基座；4.2、防护罩；4.3、伸缩电机；4.4、伸缩电机支架；4.5、第一支座；4.6、第二丝杠；4.7、支撑块；4.8、第二支座；4.9、第二柔性罩；4.10、伸缩滑块；4.11、伸缩导轨；
5.1、舵机；5.2、舵机支架；5.3、舵机摆臂；5.4、夹持电机罩；5.5、第一基体；5.6、第一连接杆；5.7、扇形齿轮；5.8、夹持手指；5.9、第二蜗杆；5.10、柔性垫片；5.11、第二基体；5.12、夹持电机支架；5.13、夹持电机；5.14、第二连接杆。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种面向白酒制曲工艺的翻曲机器人(简称机器人，参见图1-11)，其特征在于该机器人包括行走装置1、旋转装置2、升降装置3、水平伸缩装置4和夹持装置5；旋转装置2安装在行走装置1上，升降装置3安装在旋转装置2上，水平伸缩装置4安装在升降装置3上，夹持装置5安装在水平伸缩装置4的底部；
所述旋转装置2用于实现升降装置3在水平面上的旋转；升降装置3用于实现水平伸缩装置4在竖直方向上的升降；水平伸缩装置4用于实现夹持装置5在水平方向上的往复移动；夹持装置5用于抓取曲块；
所述旋转装置2包括蜗轮2.1、旋转电机支架2.2、旋转电机2.3、第一蜗杆2.4和支承轴2.5；旋转电机支架2.2固定在行走装置1的底盘上，旋转电机2.3固定在旋转电机支架2.2上；旋转电机2.3的输出轴通过联轴器与第一蜗杆2.4的一端固连，第一蜗杆2.4的另一端通过轴承可转动地与行走装置1的底盘相连；支承轴2.5固定在行走装置1的底盘上，支承轴2.5上通过轴承可转动地安装有与第一蜗杆2.4啮合的蜗轮2.1；
所述升降装置3采用滚珠丝杠机构，包括第一支承板3.1、支承架3.2、升降滑块3.3、丝杠螺母3.4、第一丝杠3.5、升降导轨3.6、第二支承板3.7、升降电机3.8、升降电机支架3.9和升降电机罩3.11；第一支承板3.1固定在蜗轮2.1的上端面，第一支承板3.1上固定有多个支承架3.2(本实施例为两个)；第二支承板3.7固定在多个支承架3.2的末端，每个支承架3.2上均固定有升降导轨3.6，每个升降导轨3.6上均可滑动地安装有升降滑块3.3；升降电机罩3.11固定在第二支承板3.7上，升降电机罩3.11的顶部固定有升降电机支架3.9，升降电机支架3.9上安装有升降电机3.8；所述第一丝杠3.5的一端通过轴承可转动地与第一支承板3.1相连，第一丝杠3.5的上部穿过第二支承板3.7且与第二支承板3.7通过轴承可转动连接，第一丝杠3.5的另一端通过联轴器与升降电机3.8的输出轴固连；第一丝杠3.5上可滑动地安装有丝杠螺母3.4；
所述水平伸缩装置4包括基座4.1、伸缩电机4.3、伸缩电机支架4.4、第一支座4.5、第二丝杠4.6、伸缩滑块4.10和第二支座4.8；基座4.1的一端与丝杠螺母3.4和所有的升降滑块3.3固连，另一端悬空；伸缩电机支架4.4固定在基座4.1上，伸缩电机支架4.4上固定有伸缩电机4.3，伸缩电机4.3的输出轴通过联轴器与第二丝杠4.6固连，第二丝杠4.6的两端分别通过轴承可转动地与第一支座4.5和第二支座4.8相连，第一支座4.5和第二支座4.8均固定在基座4.1上；伸缩滑块4.10可滑动地安装在第二丝杠4.6上；
所述夹持装置5包括舵机5.1、舵机支架5.2、舵机摆臂5.3、夹持电机罩5.4、第一基体5.5、第一连接杆5.6、扇形齿轮5.7、夹持手指5.8、第二蜗杆5.9、第二基体5.11、夹持电机支架5.12和夹持电机5.13；
所述舵机支架5.2固定在伸缩滑块4.10底部，舵机5.1固定在舵机支架5.2上，舵机5.1的输出轴穿出舵机支架5.2与舵机摆臂5.3固连，舵机摆臂5.3底部固定有夹持电机罩5.4；夹持电机5.13通过夹持电机支架5.12固定在夹持电机罩5.4内部，夹持电机5.13的输出轴穿出夹持电机支架5.12通过联轴器与第二蜗杆5.9的一端固连，第二蜗杆5.9的齿面露在夹持电机罩5.4外；所述第一基体5.5和第二基体5.11夹持在第二蜗杆5.9上，第一基体5.5和第二基体5.11固连，通过第二蜗杆5.9的轴肩对两个基体进行定位；第二基体5.11的两侧分别通过销轴铰接有扇形齿轮5.7，两个扇形齿轮5.7均与第二蜗杆5.9啮合；每个扇形齿轮5.7的端部固定有第一连接杆5.6，每个第一连接杆5.6的末端与各自的夹持手指5.8固连，两个夹持手指5.8共同夹持曲块。
扇形齿轮5.7不工作时，夹持手指5.8的上表面与水平方向存在夹角，夹角等于扇形齿轮5.7开始转动至夹持手指5.8的夹持面与曲块的侧面完全重合时扇形齿轮5.7旋转的角度，此时夹持手指5.8的夹持面与曲块的侧面形成面接触，增加稳定性。
所述升降装置3还包括第一柔性罩3.10和支承罩3.12；支承罩3.12罩在第一丝杠3.5和支承架3.2外，两端与第一支承板3.1和第二支承板3.7固连，支承罩3.12的开口处固定有防止杂质进入的第一柔性罩3.10。
所述水平伸缩装置4还包括防护罩4.2、第二柔性罩4.9、多个支撑块4.7和多个伸缩导轨4.11；防护罩4.2固定在基座4.1上，防止杂质进入；第二柔性罩4.9罩在基座4.1底部的开口处且与基座4.1底部固连；多个伸缩导轨4.11(本实施例有两个)的两端分别通过支撑块4.7固定在基座4.1上，多个伸缩导轨4.11均与第二丝杠4.6平行；多个伸缩导轨4.11可滑动地与伸缩滑块4.10相连，降低第二丝杠4.6的载荷。
所述夹持装置5还包括两个柔性垫片5.10和两个第二连接杆5.14，两个柔性垫片5.10分别设置在每个夹持手指5.8的夹持端，防止夹持手指5.8损坏曲块；每个第二连接杆5.14的两端分别与相应的扇形齿轮5.7和夹持手指5.8相连，增加稳固性。
该机器人还包括控制系统6、识别装置7和导航装置8；识别装置7采用型号为OMROFZ5-L350的欧姆龙摄像头，且安装在防护罩4.2上；欧姆龙摄像头输出曲块带深度信息的点云图，从而实现曲块位置的定位，获取曲块的位置信息，并将曲块的位置信息传递给控制系统6，实现曲块的识别；
导航装置8采用激光雷达，安装在行走装置1的底盘上；机器人工作前激光雷达对场地环境进行地图构建，然后在地图上选取位置点；工作指令发出后，机器人按着预定的路径依次到达指定位置点，完成翻曲后按着预定的路径返回到起始位置点；
控制装置6用于控制机器人各部件的相关动作来完成翻曲作业；控制系统6采用Arduino微型控制器，包含Arduino板和Arduino IDE，Arduino板分别与旋转电机2.3、升降电机3.8、伸缩电机4.3、舵机5.1、夹持电机5.13、识别装置7和导航装置8通讯连接；识别装置7和导航装置8为Arduino提供视觉信息和位置信息，从而使Arduino板能感知到外部环境，同时Arduino板通过控制相应的电机实现机器人的翻曲作业。
本发明的工作原理和工作流程是：
当机器人包括导航装置8、识别装置7和控制系统6时，工作流程是：
1)工作前，导航装置8对工作环境进行地图构建，然后在地图上选取位置点；
2)工作指令发出后，控制系统6控制行走装置1按着预定的路径运动到待翻动曲块所在的位置点；
3)控制系统6同时控制旋转电机2.3和升降电机3.8工作，使旋转装置2旋转和升降装置3升降，使夹持装置5的高度高于曲块的上表面；通过识别装置7识别曲块的位置，获得曲块与夹持装置5之间的相对位置信息和高度信息；控制系统6控制伸缩电机4.3工作，使水平伸缩装置4伸缩，使夹持装置5位于曲块的上方；然后控制系统6控制舵机5.1旋转，使两个夹持手指5.8对称位于曲块的两侧；控制系统6控制升降电机3.8反转，升降装置3向下移动使两个夹持手指5.8的底部边缘靠近曲块底面所在的平面；然后控制系统6控制夹持电机5.13转动，使第二蜗杆5.9带动两个扇形齿轮5.7转动，两个扇形齿轮5.7带动相应的第一连接杆5.6转动，实现两个夹持手指5.8张开与闭合，进而夹持曲块；然后控制系统6同时控制旋转电机2.3、升降电机3.8和伸缩电机4.3工作，使夹持装置5位于曲块放置的位置点，然后夹持电机5.13反向转动，使两个夹持手指5.8松开对曲块的夹持，进而完成一个翻曲动作；
4)行走装置1继续走到下一个位置点，重复步骤3)完成下一个翻曲动作；然后重复此步骤，直至完成所有翻曲动作。
当机器人不具有导航装置8、识别装置7和控制系统6时，工作流程是：
行走装置1运动到待翻动曲块所在的位置点；旋转电机2.3和升降电机3.8工作，使旋转装置2旋转和升降装置3升降，使夹持装置5的高度高于曲块的上表面；伸缩电机4.3工作，使水平伸缩装置4伸缩，使夹持装置5位于曲块的上方；舵机5.1旋转，使两个夹持手指5.8对称位于曲块的两侧；升降电机3.8反转，升降装置3向下移动使两个夹持手指5.8的底部边缘靠近曲块底面所在的平面；夹持电机5.13转动，使第二蜗杆5.9带动两个扇形齿轮5.7转动，两个扇形齿轮5.7带动相应的第一连接杆5.6转动，实现两个夹持手指5.8张开与闭合，进而夹持曲块；旋转电机2.3、升降电机3.8和伸缩电机4.3工作，使夹持装置5位于曲块放置的位置点，然后夹持电机5.13反向转动，使两个夹持手指5.8松开对曲块的夹持，进而完成一个翻曲动作；
行走装置1继续走到下一个位置点，重复完成下一个翻曲动作；然后重复此步骤，直至完成所有翻曲动作。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种面向白酒制曲工艺的翻曲机器人，其特征在于，包括行走装置、旋转装置、升降装置、水平伸缩装置和夹持装置；旋转装置安装在行走装置上，升降装置安装在旋转装置上，水平伸缩装置安装在升降装置上，夹持装置安装在水平伸缩装置的底部；
旋转装置用于实现升降装置的旋转；升降装置用于实现水平伸缩装置的升降；水平伸缩装置用于实现夹持装置的往复移动；夹持装置用于抓取曲块；
所述夹持装置包括舵机、舵机支架、舵机摆臂、夹持电机罩、基体、第一连接杆、扇形齿轮、夹持手指、第二蜗杆、夹持电机支架和夹持电机；
舵机支架固定在水平伸缩装置的伸缩滑块的底部，舵机固定在舵机支架上，舵机的输出轴与舵机摆臂固连，舵机摆臂底部固定有夹持电机罩；夹持电机通过夹持电机支架固定于夹持电机罩内部，夹持电机的输出轴与第二蜗杆的一端固连，第二蜗杆的齿面露在夹持电机罩外；基体固定在第二蜗杆上，基体的两侧铰接有扇形齿轮，两个扇形齿轮均与第二蜗杆啮合；每个扇形齿轮的端部固定有第一连接杆，每个第一连接杆的末端与各自的夹持手指固连，两个夹持手指共同夹持曲块。
2.根据权利要求1所述的面向白酒制曲工艺的翻曲机器人，其特征在于，所述旋转装置包括蜗轮、旋转电机支架、旋转电机、第一蜗杆和支承轴；旋转电机支架固定在行走装置的底盘上，旋转电机固定在旋转电机支架上；旋转电机的输出轴与第一蜗杆的一端固连，第一蜗杆的另一端可转动地与行走装置的底盘相连；支承轴固定在行走装置的底盘上，支承轴上可转动地安装有与第一蜗杆啮合的蜗轮。
3.根据权利要求2所述的面向白酒制曲工艺的翻曲机器人，其特征在于，所述升降装置包括第一支承板、支承架、升降滑块、丝杠螺母、第一丝杠、升降导轨、第二支承板、升降电机、升降电机支架和升降电机罩；
第一支承板固定在蜗轮的上端面，第一支承板上固定有多个支承架；第二支承板固定在多个支承架的末端，每个支承架上均固定有升降导轨，每个升降导轨上均可滑动地安装有升降滑块；升降电机罩固定在第二支承板上，升降电机罩的顶部固定有升降电机支架，升降电机支架上安装有升降电机；所述第一丝杠的一端可转动地与第一支承板相连，穿过第二支承板且与第二支承板可转动连接，另一端与升降电机的输出轴固连；第一丝杠上可滑动地安装有丝杠螺母。
4.根据权利要求3所述的面向白酒制曲工艺的翻曲机器人，其特征在于，所述升降装置还包括第一柔性罩和支承罩；支承罩罩在第一丝杠和支承架外，两端与第一支承板和第二支承板固连，第一柔性罩固定在支承罩的开口处。
5.根据权利要求3或4所述的面向白酒制曲工艺的翻曲机器人，其特征在于，所述水平伸缩装置包括基座、伸缩电机、伸缩电机支架、第一支座、第二丝杠、伸缩滑块和第二支座；
基座的一端与丝杠螺母和所有的升降滑块固连，另一端悬空；伸缩电机支架固定在基座上，伸缩电机支架上固定有伸缩电机，伸缩电机的输出轴与第二丝杠固连，第二丝杠的两端分别可转动地与第一支座和第二支座相连，第一支座和第二支座均固定在基座上；伸缩滑块可滑动地安装在第二丝杠上。
6.根据权利要求5所述的面向白酒制曲工艺的翻曲机器人，其特征在于，所述水平伸缩装置还包括防护罩、第二柔性罩、多个支撑块和多个伸缩导轨；防护罩固定在基座上，第二柔性罩罩在基座底部的开口处且与基座底部固连；多个伸缩导轨的两端分别通过支撑块固定在基座上，多个伸缩导轨均与第二丝杠平行；多个伸缩导轨可滑动地与伸缩滑块相连。
7.根据权利要求1所述的面向白酒制曲工艺的翻曲机器人，其特征在于，扇形齿轮不工作时，夹持手指的上表面与水平方向存在夹角，夹角等于扇形齿轮开始转动至夹持手指的夹持面与曲块的侧面完全重合时扇形齿轮旋转的角度。
8.根据权利要求1所述的面向白酒制曲工艺的翻曲机器人，其特征在于，所述夹持装置还包括两个柔性垫片和两个第二连接杆，两个柔性垫片分别设置在各自的夹持手指的夹持端；两个第二连接杆的两端分别与各自的扇形齿轮和夹持手指固连。
9.根据权利要求1所述的面向白酒制曲工艺的翻曲机器人，其特征在于，所述基体包括第一基体和第二基体，第一基体和第二基体夹持在第二蜗杆上，第一基体和第二基体固连，通过第二蜗杆的轴肩对两个基体进行定位；第二基体的两侧分别铰接有扇形齿轮。
10.根据权利要求1所述的面向白酒制曲工艺的翻曲机器人，其特征在于，该机器人还包括导航装置、控制系统和识别装置；导航装置为激光雷达，安装在行走装置的底盘上；识别装置采用型号为OMRO FZ5-L350的欧姆龙摄像头，安装在水平伸缩装置的防护罩上；控制系统采用Arduino微型控制器，包含Arduino板和Arduino IDE；Arduino板分别与旋转装置的旋转电机、升降装置的升降电机、水平伸缩装置的伸缩电机、夹持装置的舵机、夹持装置的夹持电机、识别装置和导航装置通讯连接。
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