CN111567359B - 一种自动割胶机器人的被动柔顺仿形与切割机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种橡胶树自动割胶机器人的被动柔顺仿形与切割机构。本发明主要由固定树桩机构、被动柔顺仿形机构、链式刀体组合机构组成。本发明中的链式刀体组合机构装在两个蟹钳之间的同步带上，包括多组等间距设置的刀体，每个刀体包括弧面导向板、刀体背板和浮动刀片，其中弧面导向板和刀体背板组合固定在同步带上，弧面导向板面向橡胶树的树桩，弧面导向板和刀体背板组合体的下方固定有浮动刀片，所述弧面导向板在与树桩贴合后，同时与浮动刀片的刃部存在一定的径向距离。本发明具备仿形、通用和高产胶的性能，填补了目前市面上自动割胶设备的诸多不足，对橡胶树的自动割胶，减少橡胶树割胶成本，改善胶工的作业条件都起到了积极作用。

Description

一种自动割胶机器人的被动柔顺仿形与切割机构

技术领域

本发明属于农业或林业机械领域，涉及一种橡胶树自动割胶机器人的被动柔顺纺形与切割机构。

背景技术

橡胶作为工业设备和生活用品的制造原料，在工业生产、医疗卫生和日常生活中作用举足轻重，对国家经济发展也有着重要的意义。其在常温下弹性好、塑性佳、具备极好的机械强度；滞后损失小、多次变形生热低、耐屈挠性好。因其是非极性材料，电绝缘性能良好，所以用途广泛。

随着工业不断发展，对天然橡胶的需求量不断增加，但橡胶采集工作量大、难度大，一直以来都是限制其生产效率的瓶颈。目前，我国大部分胶园还是采用人工手持割胶刀进行割胶，虽然近年出现了电动割胶刀，但仍未改变割胶劳动强度大、效率低、安全性差的特点；极大地制约了橡胶产业化、商品化的发展。

近年来，随着天然橡胶价格不断下滑，割胶工流失和老龄化问题日益严重，割胶成本急剧增加，传统割胶已经远远满足不了我国橡胶种植业的发展，胶园生产作业与管理的机械化、智能化将是未来发展的必然趋势之一。

天然橡胶树的树桩外形类似椭圆状，树皮表面凹凸不平，为了能够在此外部条件下保证橡胶产量，自动割胶机构就必须有柔性的仿形装置克服胶树外表不平的问题,使得在刀具割出轨迹的过程中能够被动匹配树木的外形，达到柔性割胶的目的。

天然橡胶树的树桩直径大小不一。根据NY/T1088-2006的开割标准，选取橡胶树离地100cm处树围达50cm(即树桩直径159mm)正式开割。而目前市面上的自动割胶装置，较为成熟的有“一树一机”割胶装置，但该装置通用性差，很难更换树木使用，而且随着树木的成长，装置也需进行定期的改良，加上长期暴露在户外风吹日晒，需频繁保养，设备人工维护成本高，因此在设计自动割胶机构的时候，通用型也是需要考量的主要因素。

天然橡胶主要来自于树皮乳管细胞中的胶乳；开始割胶时，使用胶刀割去树皮的一部分获得胶乳，而割胶深度是影响胶乳产量的重要因素，割胶深度过浅或过深都达不到生产要求。过浅则达不到产量要求，过深则会对树体造成伤害，伤树严重时可能产生死皮，导致胶树停止排胶。因此在设计自动割胶机器人的末端执行器时需有控制割胶深度的装置或机构，使得每次割胶能够使机器掌控适宜的割胶深度，使产量得到提升。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的3个主要问题(仿形、通用、高产胶)，提供一种橡胶树自动割胶机器人被动柔顺仿形与切割机构。

本发明的技术方案为：

本发明包括固定树桩机构、被动柔顺仿形机构和链式刀体组合机构。

所述固定树桩机构包括与自动割胶机器人末端相配的基座和安装在基座前端的一对蟹钳，该对蟹钳用于抱紧橡胶树的树桩，所述的基座前端靠近蟹钳处还设置有压力感应器，用于触发蟹钳的动作。

所述被动柔顺仿形机构包括可调节的张紧轮、同步带和同步带轮，所述的同步带设置于同步带轮上，并与水平面成30°夹角，所述张紧轮用于对所述同步带进行张紧。

所述的链式刀体组合机构装在两个蟹钳之间的同步带上，包括多组等间距设置的刀体，每个刀体包括弧面导向板、刀体背板和浮动刀片，其中弧面导向板和刀体背板组合固定在同步带上，弧面导向板面向橡胶树的树桩，弧面导向板和刀体背板组合体的下方固定有浮动刀片，所述弧面导向板在与树桩贴合后，同时与浮动刀片的刃部存在一定的径向距离，用于保证割胶的深度。

进一步说，所述蟹钳上还设置有滚子，用于贴合橡胶树的树桩。

进一步说，所述的压力感应器为带有应变片的挡板。

进一步说，所述的张紧轮设置在弹簧一端，弹簧另一端固定。

进一步说，相邻刀体之间的距离为20mm。

利用上述机构进行割胶的方法：

将被动柔顺仿形与切割机构安装在自动割胶机器人的末端，作为其末端执行器；自动割胶机器人通过视觉伺服系统，控制被动柔顺仿形与切割机构径向靠近树桩，同步带在靠近过程中，受力变形，贴合树桩；安装在同步带上的链式刀体组合随同步带一起，也贴合树桩，达到被动柔顺仿形功能。

安装在张紧轮后方的弹簧被压缩，张紧轮沿弹簧所在的滑轨后退，此时压力感应器亦靠近树桩，并与树桩接触受压发生形变，当形变量达到设定阈值时，触发蟹钳合拢；蟹钳上的滚子贴上树桩后，停止合拢；此时被动柔顺仿形与切割机构抱紧树桩，起到固定树桩作用。

自动割胶机器人通过视觉伺服系统辅助，驱动电机反转，链式刀体组合随同步带由下向上移动，当链式刀体组合中的第一把浮动刀片到达橡胶树起割线后，电机停止反转；然后蟹钳松开，自动割胶机器人控制被动柔顺仿形与切割结构竖直向下移动，视觉伺服系统判断浮动刀片的刃口贴上树皮后，停止下移，蟹钳合拢，再次抱紧树桩；然后电机开始正转，通过各同步带轮带动同步带及链式刀体组合沿树桩做自上而下，螺纹角为30°的螺旋运动进行割胶。

当链式刀体组合中的最下方的刀片来到树桩收刀点位置处时，电机停止转动，自动割胶机器人控制被动柔顺仿形与切割机构沿反径向方向退出，完成割胶。同时张紧轮受弹簧的弹力作用，使其沿滑轨向链式刀体组合的方向移动，而同步带及安装在上面的链式刀体组合在离开树桩的过程中逐渐变直，完成复位。

本发明的有益效果：本发明提供了一种用于自动割胶机器人的末端执行器，即一种自动割胶机器人被动柔顺仿形与切割机构。该机构具备仿形、通用和高产胶的性能，填补了目前市面上自动割胶设备的诸多不足，对橡胶树的自动割胶，减少橡胶树割胶成本，改善胶工的作业条件都起到了积极作用。本发明所提供的被动柔顺与切割机构具有结构简单，工作空间大，效率高，适用不同树木直径，高产胶、最大限度保护胶树等特点，具有极大的推广、使用价值和广阔的市场前景。

附图说明

图1为被动柔顺仿形与切割机构切割前状态；

图2为链式刀体组合(单个刀体)；

图3为被动柔顺仿形与切割机构切割过程图；

图4为割胶过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是限定本发明。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括被动柔顺仿形机构、固定树桩机构和链式刀体组合单元。

所述被动柔顺仿形机构，主要由张紧轮、同步带轮、同步带等组成，同步带与水平面夹角为30°，同步带本身质地柔软，贴合树桩后自动形成螺旋角为30°的螺旋线，仿形切割，解决胶树外表不平问题。

所述固定树桩机构单元，主要由与自动割胶机器人末端相配的基座和安装在基座前端的一对蟹钳组成，该对蟹钳用于抱紧橡胶树的树桩，所述的基座前端靠近蟹钳处还设置有压力感应器，用于触发蟹钳的动作，其作业范围涵盖了直径为160mm-200mm的树桩，达到较为通用的目的。

所述链式刀体组合单元安装于仿形机构上，主要由浮动刀片、弧面导向板、刀体背板组成，每组刀体间距20mm，链式分布，可确保较短的切割弧长和每次切割深度在固定范围内。安装时，刀体背板和限位螺丝配合，保证链式刀体组合单元与同步带齿形的配合；在切割时，弧面导向板与树桩贴合，同时与刀片的刃部存在一定的径向距离(0.18～0.2mm)，这可以保证割胶深度范围在0.18～0.2mm，该范围是保护橡胶树形成层的最佳距离范围，且割面的裸露组织部位不能看见木质部，防止伤树问题发生。若超出这个范围，不但刀片会损伤破水囊皮，而且会影响此处的胶管不会再有胶乳产出，伤口也会随着树桩的生长形成质地非常硬的树瘤，从而影响之后的切割运动，这是影响机械切割最重要的因素。

本发明中的割胶机构设计自动割胶的采胶次数在50次(耗皮厚度：1.5mm，割胶周期4d，S/2↓。字母S表示围绕树桩一周的螺旋线长度，“↓”表示自上向下切割)。依据《橡胶树割胶技术规程》,不同周期的采胶方式会影响耗皮厚度值，如表1所示，表明不同割胶频率下的耗皮厚度。

表1割胶参数

实施例：

图1为本发明的整体结构图，主要包括被动柔顺仿形机构、固定树桩机构和链式刀体。被动柔顺仿形机构由张紧轮1、弹簧2、同步带轮4、同步带5等组成，同步带5与水平面成30°夹角，在割胶时在树桩上形成30°螺旋角的螺旋线，方便胶乳收集；固定树桩机构由上层板6、下层板7、挡板10、应变片11、蟹钳8、滚子9组成，其中上层板6、下层板7构成基座，挡板10、应变片11构成压力感应器；链式刀体组合安装于仿形机构上，由切割浮动刀片15、弧面导向板14、刀体背板13、限位螺丝16组成。图2为单个刀体组合结构图，包括浮动刀片15、弧面导向板14、刀体背板13、限位螺丝16组成。图3为该机构割胶时的各部件状态图。

该机构使用时，安装在自动割胶机器人的末端，作为其末端执行器。机器人通过视觉伺服系统，控制该机构径向靠近树桩，同步带5在靠近过程中，受力变形，贴合树桩；安装在同步带上的链式刀体组合随同步带5一起，也贴合树桩，达到被动柔顺仿形功能。同时弹簧2被压缩，张紧轮1反向退出。此时挡板10亦靠近树桩，安装在挡板10上下部位的应变片11与树桩接触，受压发生形变，当形变量达到参数规定要求(即其两端的电阻值达到设置阈值)，触发蟹钳8合拢，当蟹钳上的滚子10贴上树桩后，停止合拢，此时机构抱紧树桩，起到固定树桩作用，如图3所示。

如图4所示，当该机构完成固定树桩17的动作后，自动割胶机器人通过视觉伺服系统辅助，驱动电机3发生反转，链式刀体组合随同步带由下向上移动(由A向B移动)，当链式刀体组合中的第一把刀片来到胶树起割线B后，电机3停止反转，然后蟹钳松开，自动割胶机器人控制被动柔顺仿形与切割结构竖直向下移动，视觉伺服系统判断刀片到达下刀点C，浮动刀片15的刃口贴上树皮，停止下移，蟹钳合拢，再次抱紧树桩；然后电机3开始正转，通过各同步带轮带动同步带5及链式刀体组合沿树桩做自上而下，螺纹角为30°的螺旋运动，开始割胶。当链式刀体组合12中的最下方的刀片来到树桩收刀点D位置处时，电机停止转动，自动割胶机器人控制该机构沿反径向方向退出，完成割胶。同时张紧轮1受弹簧2的弹力作用，使其沿滑轨向链式刀体组合12的方向移动，而同步带5及安装在上面的链式刀体组合12在离开树桩的过程中逐渐变直，完成复位，如图1所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所做的任何的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种自动割胶机器人的被动柔顺仿形与切割机构，包括固定树桩机构、被动柔顺仿形机构和链式刀体组合机构，其特征在于：

所述固定树桩机构包括与自动割胶机器人末端相配的基座和安装在基座前端的一对蟹钳，该对蟹钳用于抱紧橡胶树的树桩，所述的基座前端靠近蟹钳处还设置有压力感应器，用于触发蟹钳的动作；

所述被动柔顺仿形机构包括可调节的张紧轮、同步带和同步带轮，所述的同步带设置于同步带轮上，并与水平面成30°夹角，所述张紧轮用于对所述同步带进行张紧；

所述的链式刀体组合机构装在两个蟹钳之间的同步带上，包括多组等间距设置的刀体，每个刀体包括弧面导向板、刀体背板和浮动刀片，其中弧面导向板和刀体背板组合固定在同步带上，弧面导向板面向橡胶树的树桩，弧面导向板和刀体背板组合体的下方固定有浮动刀片，所述弧面导向板在与树桩贴合后，同时与浮动刀片的刃部存在一定的径向距离，用于保证割胶的深度。

2.根据权利要求1所述的一种自动割胶机器人的被动柔顺仿形与切割机构，其特征在于：所述蟹钳上还设置有滚子，用于贴合橡胶树的树桩。

3.根据权利要求1所述的一种自动割胶机器人的被动柔顺仿形与切割机构，其特征在于：所述的压力感应器为带有应变片的挡板。

4.根据权利要求1所述的一种自动割胶机器人的被动柔顺仿形与切割机构，其特征在于：所述的张紧轮设置在弹簧一端，弹簧另一端固定。

5.根据权利要求1所述的一种自动割胶机器人的被动柔顺仿形与切割机构，其特征在于：相邻刀体之间的距离为20mm。

6.利用权利要求1-5中任一项所述的被动柔顺仿形与切割机构进行割胶的方法，其特征在于：

将被动柔顺仿形与切割机构安装在自动割胶机器人的末端，作为其末端执行器；自动割胶机器人通过视觉伺服系统，控制被动柔顺仿形与切割机构径向靠近树桩，同步带在靠近过程中，受力变形，贴合树桩；安装在同步带上的链式刀体组合随同步带一起，也贴合树桩，达到被动柔顺仿形功能；

安装在张紧轮后方的弹簧被压缩，张紧轮沿弹簧所在的滑轨后退，此时压力感应器亦靠近树桩，并与树桩接触受压发生形变，当形变量达到设定阈值时，触发蟹钳合拢；蟹钳上的滚子贴上树桩后，停止合拢；此时被动柔顺仿形与切割机构抱紧树桩，起到固定树桩作用；

自动割胶机器人通过视觉伺服系统辅助，驱动电机反转，链式刀体组合随同步带由下向上移动，当链式刀体组合中的第一把浮动刀片到达橡胶树起割线后，电机停止反转；然后蟹钳松开，自动割胶机器人控制被动柔顺仿形与切割结构竖直向下移动，视觉伺服系统判断浮动刀片的刃口贴上树皮后，停止下移，蟹钳合拢，再次抱紧树桩；然后电机开始正转，通过各同步带轮带动同步带及链式刀体组合沿树桩做自上而下，螺纹角为30°的螺旋运动进行割胶；

当链式刀体组合中的最下方的刀片来到树桩收刀点位置处时，电机停止转动，自动割胶机器人控制被动柔顺仿形与切割机构沿反径向方向退出，完成割胶；同时张紧轮受弹簧的弹力作用，使其沿滑轨向链式刀体组合的方向移动，而同步带及安装在上面的链式刀体组合在离开树桩的过程中逐渐变直，完成复位。

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