CN111656943B - 一种用于萝卜收获机器人的臂式拔取执行器 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种用于萝卜收获机器人的臂式拔取执行器，其包括拔取手爪、移动臂和支架；所述移动臂包括分别固定在支架上的上下移动臂、左右移动臂和前后移动臂，所述上下移动臂、左右移动臂和前后移动臂分别控制拔取手爪的上下、左右、前后移动；所述拔取手爪包括手掌、左手指、右手指和驱动机构，所述拔取手爪与上下移动臂之间设有用于将两者固定连接的上下滑轨和上下同步带，能够彻底免除对松土铲的依赖，拔取手爪和移动臂的简化结构设计，不仅降低了执行器的总重量和运动惯性、有效提升拔取效率，还能够大大增强拔取执行器的移动灵活性。本发明的臂式拔取执行器具备更可靠的拔取效果和更高速的拔取效率。

Description

一种用于萝卜收获机器人的臂式拔取执行器

技术领域

本发明涉及农业装备技术领域，具体涉及一种用于萝卜收获机器人的臂式拔取执行器。

背景技术

我国正面临劳动力短缺和人力成本不断上涨的困境，智能农机成为我国农机装备技术研究中急需解决的问题。我国白萝卜、胡萝卜、大蒜、莴苣、白菜等经济作物的种植面积大，但是收获机械化率非常低，现有收获机械不能满足实际生产作业的需求，仍需大量人工实施收获作业，无法有效降低人工成本。自发明以来，胡萝卜收获机的主要技术思路没有太大变化，扶禾器将叶子扶正，挖掘铲对泥土中的胡萝卜进行松土，然后，拔取链条夹持住胡萝卜的叶子，从而将其从泥土中拔取出来，然后，用链条继续传递胡萝卜，最后进行切叶处理。有的装备在中间环节加了拍打泥土的机构，后续还备有装箱机构。欧美以大型收获机为主，亚洲以小型机为主，其中，有的收获机需外部提供动力，有的自带动力即自走式。对于白萝卜的收获装备，大多根据胡萝卜收获机改进而来，技术思路没有变化。因此，无论是胡萝卜收获机，还是白萝卜收获机，都存在不少设计局限，较难适应我国多样化、不规范的种植情况，而且，在整个收获过程中，需要操作人员一直对准作物植株行进行作业，其操作难度大、劳动强度大，漏收率和破损率较高，收获效率不高。现有收获装备难以应用于实际生产作业，种植户依赖人工进行收获作业，直接影响了其经济效益，从而严重制约我国萝卜产业的健康发展。

现有的机械化收获技术主要存在如下几个方面的不足：

对大型收获装备而言，无论是自走式，还是需要外部动力的侧挂式，都存在整备重量巨大，会对土壤形成巨大压力，破坏土壤结构，不利于作物生长；除此之外，还存在体积巨大，转弯半径大，在作业之前需要开辟较大的作业面，而且，对于较小地块不具备实际意义；另外，由于体积大，很难适应我国广大地块分散、起伏不平的丘陵山地。

对于小型收获装备而言，虽然没有大型机械的上述缺点，但是，它们仍然与大型装备一样，主要依赖挖掘铲完成拔取作业。挖掘式的收获技术，必将对动力提出很高的要求，特别对白萝卜这类扎入土壤很深的作物，需要非常强大的动力才能将其从土壤中挖掘出来，即使一些从垄旁进行挖掘的改进方法，仍然需要强大的动力。而且，这种方法还存在易伤作物的内在局限性。

其次，现有收获机都需要操作人员时刻操纵拖拉机或收获机以对准收获对象进行采收作业，加大了操作难度，而且也增加了操作员的劳动强度。尤其在长期作业时，不仅会使得操作人员倍感疲劳，而且，也容易导致收获机械漏收和损伤率上升。

最后，现有的收获装备的收获作业不能根据作业对象的不同环境和生长状况，作出适时的感知和动态的调整。我国种植萝卜的农艺不够规范，种植方式变化较大，垄宽、株距、作物植株露出地面部分长度、中心偏离程度和分布、萝卜扎入土壤的深度、土壤的松软状况等存在很大差别，特别是白萝卜的拔取难度与气温、收获时间、品种、生长时间等存在较大关联，等等。面对这些复杂而困难的实际条件，现有收获机将不能有效应对。

要高效而可靠地收获萝卜，特别是白萝卜，需要拔取执行器具备足够的灵活性。而现有的萝卜收获机的拔取执行器由松土铲和夹持链条构成，缺乏灵活性。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种用于萝卜收获机器人的臂式拔取执行器，能够彻底免除对松土铲的依赖，拔取手爪和移动臂的简化结构设计，不仅降低了执行器的总重量和运动惯性、有效提升拔取效率，还能够大大增强拔取执行器的移动灵活性。本发明的臂式拔取执行器具备更可靠的拔取效果和更高速的拔取效率。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于萝卜收获机器人的臂式拔取执行器，其包括拔取手爪、移动臂和支架；所述移动臂包括分别固定在支架上的上下移动臂、左右移动臂和前后移动臂，所述上下移动臂、左右移动臂和前后移动臂分别控制拔取手爪的上下、左右、前后移动；所述拔取手爪包括手掌、左手指、右手指和驱动机构，所述拔取手爪与上下移动臂之间设有用于将两者固定连接的上下滑轨和上下同步带，所述左手指包括第一关节、第二关节和第三关节，第一关节一端与驱动结构活动连接，另一端与第二关节和手掌活动连接；第二关节另一端与第三关节活动连接；第三关节一端与第二关节活动连接，另一端与手掌的向下延伸部分活动连接；右手指包括第四关节、第五关节和第六关节，第四关节一端与驱动机构活动连接，另一端与第五关节活动连接，第五关节另一端与第六关节固定连接，且第五关节另一端与手掌活动连接；所述驱动机构包括丝杆副、丝杆座、手指驱动电机和电机座，所述丝杆座设置在丝杆副下端，且所述丝杆副上端与手指驱动电机连接，所述驱动机构一端通过丝杆座与手掌固定连接，另一端通过电机座与手掌固定连接。

作为优选的，所述上下移动臂包括对称设置的两组上下滑轨，所述上下滑轨的一端通过设置上下滑块与拔取手爪之间固定连接，另一端通过上下滑块与左右移动臂固定连接，上下滑块一侧与上下滑轨滑动连接，另一侧与拔取手爪固定连接，所述拔取手爪与上下同步带之间设有将两者固定连接的上下压块，所述支架上设有驱动上下同步带的上下驱动电机，上下驱动电机与上下同步带通过设置上下同步轮连接。

作为优选的，所述左右移动臂包括对称设置的两组左右滑轨、左右驱动电机、左右同步带、左右压块、左右电机座和左右同步轮，所述左右压块一侧与左右同步带固定连接，另一侧与左右滑块固定连接，所述左右驱动电机与左右电机座固定连接，左右驱动电机的轴与左右同步轮连接，左右电机座用于将左右驱动电机固定在支架上。

作为优选的，所述前后移动臂包括对称设置的两组前后滑轨、前后同步带、前后压块、前后同步轮、前后电机座和前后驱动电机，前后滑轨与支架固定连接，且与前后滑块滑动连接，前后压块一侧与前后滑块固定连接，另一端与前后同步带固定连接，前后驱动电机与前后电机座固定连接，所述前后电机座固定在支架上，所述前后同步轮与前后同步带连接，且所述前后同步轮与前后驱动电机的轴通过设置传动同步带连接。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种用于萝卜收获机器人的臂式拔取执行器，一方面，由拔取手爪和三个移动臂构成的臂式拔取执行器，能够彻底免除对松土铲的依赖；另一方面，拔取手爪和移动臂的简化结构设计，不仅降低了执行器的总重量和运动惯性、有效提升拔取效率，而且，还能够大大增强拔取执行器的移动灵活性。另外，拔取手爪的设计紧凑，大大增加了其左右移动空间，使得拔取执行器对于行距较小和严重偏离中心的萝卜具备更强的拔取能力，从而大大增强了本发明的适应能力。总之，本发明的臂式拔取执行器具备更可靠的拔取效果和更高速的拔取效率。

附图说明

图1为本发明的萝卜收获机器人安装结构示意图；

图2为本发明的拔取执行器结构示意图；

图3为发明的拔取手爪结构示意图；

图4为本发明的上下移动臂结构示意图；

图5为本发明的左右移动臂结构示意图；

图6为本发明的前后移动臂结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

收获机器人1、辅助机构10、拔取执行器20、切叶机构30、拔取手爪11、上下移动臂12、左右移动臂13、前后移动臂14、支架15、手掌110、左手指111、右手指112、驱动机构113、上下滑轨121、第一关节1111、第二关节1112、第三关节1113、第四关节1121、第五关节1122、第六关节1123、丝杆副1131、丝杆座1132、手指驱动电机1133、电机座1134、上下压块128、上下同步带127、上下滑块126、上下驱动电机129、左右滑块131、左右滑轨132、左右压块134、左右同步轮135、左右同步带136、左右驱动电机137、左右电机座138、前后滑轨141、前后压块144、前后同步带145、传动同步带146、前后同步轮147、前后电机座148、前后驱动电机149。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图6所示，本实施例公开了一种用于萝卜收获机器人的臂式拔取执行器，其包括拔取手爪11、移动臂和支架15；所述移动臂包括分别固定在支架15上的上下移动臂12、左右移动臂13和前后移动臂14，所述上下移动臂12、左右移动臂13和前后移动臂14分别控制拔取手爪11的上下、左右、前后移动；所述拔取手爪11包括手掌110、左手指111、右手指112和驱动机构113，所述拔取手爪11与上下移动臂12之间设有用于将两者固定连接的上下滑轨121和上下同步带127，所述左手指111包括第一关节1111、第二关节1112和第三关节1113，第一关节1111一端与驱动结构活动连接，另一端与第二关节1112和手掌110活动连接；第二关节1112另一端与第三关节1113活动连接；第三关节1113一端与第一关节1111活动连接，另一端与手掌110的向下延伸部分活动连接；右手指112包括第四关节1121、第五关节1122和第六关节1123，第四关节1121一端与驱动机构113活动连接，另一端与第五关节1122活动连接，第五关节1122另一端与第六关节1123固定连接，且第五关节1122另一端与手掌110活动连接；所述驱动机构113包括丝杆副1131、丝杆座1132、手指驱动电机1133和电机座1134，所述丝杆座1132设置在丝杆副1131下端，且所述丝杆副1131上端与手指驱动电机1133连接，所述驱动机构113一端通过丝杆座1132与手掌110固定连接，另一端通过电机座1134与手掌110固定连接。

作为优选的，所述上下移动臂12包括对称设置的两组上下滑轨121，所述上下滑轨121的一端通过设置上下滑块126与拔取手爪11之间固定连接，另一端通过上下滑块126与左右移动臂13固定连接，上下滑块126一侧与上下滑轨121滑动连接，另一侧与拔取手爪11固定连接，所述拔取手爪11与上下同步带127之间设有将两者固定连接的上下压块128，所述支架15上设有驱动上下同步带127的上下驱动电机129，上下驱动电机129与上下同步带127通过设置上下同步轮连接。

作为优选的，所述左右移动臂13包括对称设置的两组左右滑轨132、左右驱动电机137、左右同步带136、左右压块134、左右电机座138和左右同步轮135，所述左右压块134一侧与左右同步带136固定连接，另一侧与左右滑块131固定连接，所述左右驱动电机137与左右电机座138固定连接，左右驱动电机137的轴与左右同步轮135连接，左右电机座138用于将左右驱动电机137固定在支架15上。

作为优选的，所述前后移动臂14包括对称设置的两组前后滑轨141、前后同步带145、前后压块144、前后同步轮147、前后电机座148和前后驱动电机149，前后滑轨141与支架15固定连接，且与前后滑块滑动连接，前后压块144一侧与前后滑块固定连接，另一端与前后同步带145固定连接，前后驱动电机149与前后电机座148固定连接，所述前后电机座148固定在支架15上，所述前后同步轮147与前后同步带145连接，且所述前后同步轮147与前后驱动电机149的轴通过设置传动同步带146连接。

本实施例的工作原理如下：

如图1所示，拔取执行器20位于收获机器人1的中前部，前端与扶叶器及其辅助机构10相连，后端与传输与切叶机构30相连。扶叶器及其辅助机构10将倒伏的萝卜扶正并传递给拔取执行器20，由拔取执行器20完成萝卜的拔取作业，然后将拔出的萝卜传递给传输与切叶机构30，然后，切叶机构30切掉萝卜叶子，最后传输机构将切掉叶子的萝卜从萝卜收获机器人1尾部输出。

整个臂式拔取执行器20由拔取手爪11负责萝卜的夹持任务，上下移动臂12、左右移动臂13和前后移动臂14负责实施拔取手爪11的到位动作。

预备阶段：首先，由前后移动臂14通过前后驱动电机149的旋转带动传动同步带146和其后同步带的移动，使得前后压块144跟随前后同步带145移动的同时，带动前后滑块向前移动，从而使得左右移动臂13和上下移动臂12向前移动，最后，使得拔取手爪11跟随上下移动臂12向前移动到合适位置；与此同时，左右移动臂13通过左右驱动电机137的旋转带动左右同步轮135的旋转，同时带动左右同步带136的移动，从而通过左右压块134的移动带动左右滑块131的移动，最后，左右滑块131带动拔取手爪11进行左右移动，实现位置调整、以对准萝卜的水平位置；然后，上下移动臂12通过上下驱动电机129的旋转带动上下同步带127的移动，同时带动上下压块128向下移动，手掌110被上下压块128带动向下移动，从而使拔取手爪11下降至合适位置。在拔取手爪11移动就位的过程中，通过手指驱动电机1133的旋转带动丝杆副1131旋转，从而带动驱动机构113向上移动，根据杠杆原理，驱使旋转点向下移动，通过左手指111的第二关节1112的力传递，驱使旋转点向下移动，根据杠杆原理，使得左手指111第三关节1113绕旋转点向下旋转，从而实现左手指111的张开动作。另一方面，驱动机构113向上移动，根据杠杆原理，驱使旋转点向左上方移动，从而驱使右手指112第六关节1123绕旋转点向右旋转移动，实现右手指112的张开动作，让萝卜进入左右手指112之间。拔取手爪11的张开程度由手指驱动电机1133向上移动的距离决定。

夹持阶段：拔取手爪11的左手指111和右手指112与松开工作相反，通过手指驱动电机1133的旋转带动丝杆副1131旋转，从而带动驱动机构113向下移动，根据杠杆原理，驱使旋转点向上移动，通过左手指111的第二关节1112的力传递，驱使旋转点向上移动，根据杠杆原理，使得左手指111第三关节1113绕旋转点向上旋转，从而实现左手指111的夹紧动作。另一方面，驱动机构113向下移动，根据杠杆原理，驱使旋转点向右下方移动，从而驱使右手指112第六关节1123绕旋转点向左旋转移动，实现右手指112的夹紧动作，从而将萝卜叶牢固地夹持住。拔取手爪11的夹持力度由手指驱动电机1133向下移动的距离决定。

传递阶段：与预备阶段完全相反。上下移动臂12将拔取手爪11上升至预定高度，同时，前后移动臂14将拔取手爪11后移至预定位置，同时，左右移动臂13调整拔取手爪11的水平位置，以对准传输与切叶机构30。

需要说明的是，本发明中上下移动臂、左右移动臂和前后移动臂的传动方式既可以应用同步带进行传动，也可应用链条进行传动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于萝卜收获机器人的臂式拔取执行器，其特征在于，其包括拔取手爪、移动臂和支架；所述移动臂包括分别固定在支架上的上下移动臂、左右移动臂和前后移动臂，所述上下移动臂、左右移动臂和前后移动臂分别控制拔取手爪的上下、左右、前后移动；所述拔取手爪包括手掌、左手指、右手指和驱动机构，所述拔取手爪与上下移动臂之间设有用于将两者固定连接的上下滑轨和上下同步带，所述左手指包括第一关节、第二关节和第三关节，第一关节一端与驱动机构活动连接，另一端与第二关节和手掌活动连接；第二关节另一端与第三关节活动连接；第三关节一端与第二关节活动连接，另一端与手掌的向下延伸部分活动连接；右手指包括第四关节、第五关节和第六关节，第四关节一端与驱动机构活动连接，另一端与第五关节活动连接，第五关节另一端与第六关节固定连接，且第五关节另一端与手掌活动连接；所述驱动机构包括丝杆副、丝杆座、手指驱动电机和电机座，所述丝杆座设置在丝杆副下端，且所述丝杆副上端与手指驱动电机连接，所述驱动机构一端通过丝杆座与手掌固定连接，另一端通过电机座与手掌固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于萝卜收获机器人的臂式拔取执行器，其特征在于，所述上下移动臂包括对称设置的两组上下滑轨，所述上下滑轨的一侧通过设置上下滑块与拔取手爪之间固定连接，另一侧通过上下滑块与左右移动臂固定连接，上下滑块一侧与上下滑轨滑动连接，另一侧与拔取手爪固定连接，所述拔取手爪与上下同步带之间设有将两者固定连接的上下压块，所述支架上设有驱动上下同步带的上下驱动电机，上下驱动电机与上下同步带通过设置上下同步轮连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于萝卜收获机器人的臂式拔取执行器，其特征在于，所述左右移动臂包括对称设置的两组左右滑轨、左右驱动电机、左右同步带、左右压块、左右电机座和左右同步轮，所述左右压块一侧与左右同步带固定连接，另一侧与左右滑块固定连接，所述左右驱动电机与左右电机座固定连接，左右驱动电机的轴与左右同步轮连接，左右电机座用于将左右驱动电机固定在支架上。

4.根据权利要求1所述的一种用于萝卜收获机器人的臂式拔取执行器，其特征在于，所述前后移动臂包括对称设置的两组前后滑轨、前后同步带、前后压块、前后同步轮、前后电机座和前后驱动电机，前后滑轨与支架固定连接，且与前后滑块滑动连接，前后压块一侧与前后滑块固定连接，另一侧与前后同步带固定连接，前后驱动电机与前后电机座固定连接，所述前后电机座固定在支架上，所述前后同步轮与前后同步带连接，且所述前后同步轮与前后驱动电机的轴通过设置传动同步带连接。

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