CN114838857B - 一种多维度防滑移起拔测力装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多维度防滑移起拔测力装置及试验方法，具体涉及起拔测力试验设备技术领域，包括机械臂，所述机械臂的输出端连接有六维力矩传感器，且在六维力矩传感器的下方安装有测试机构；所述测试机构包括安装在六维力矩传感器下方的连接平台。本发明采用测试机构，针对不同粗细茎秆、不同含水率土壤、不同质量作物植株施加与之匹配的最小夹持力和起拔力，实现精准测力，使用该装置可以从垂直地面、周期性螺旋或180度扭转等方向多维度实时采集起拔力，通过对比可以获得不同作物最佳起拔方式，实现高效作业，所采集的数据不会受到滑移力的影响，保证测得的最小夹持力和起拔力的准确性，测的数据具有高精确性。
Description
技术领域
本发明涉及起拔测力试验设备技术领域，更具体地说，本发明涉及一种多维度防滑移起拔测力装置及试验方法。
背景技术
夹持式收获是根茎类作物常见收获作业方式，根茎类作物如胡萝卜、芋头、大葱、大蒜等，因此需要测试对不同植物起拔力的具体数值。
专利申请公布号CN108318173A的发明专利公开了一种可调式棉花秸秆起拔力测量装置，包括机架底座(16)、设置在机架底座(16)上的减速电机(9)和导轨(14)、设置在减速电机(9)输出轴上的绕线轮(11)、设在导轨(14)上的自锁滑块(13)、设在自锁滑块(13)上的机架(8)、设在机架(8)上的滑轮支撑架(7)、设在滑轮支撑架上的V字型滑轮(6)、起拔杆(4)、与起拔杆(4)和绕线轮(11)相连的钢丝绳(5)、设在起拔杆(4)和起拔夹紧机构(2)之间的拉力传感器(3)、与拉力传感器(3)信号输出端相连的数据收集卡(17)、设在起拔夹紧机构(2)上的起拔刀(1)。机架底座(16)经锁紧螺母(15)与蜗杆支撑座(12)固定，减速电机(9)经电机支撑座(10)固定在机架底座(16)上。本发明的优点是：结构相对简单、能有效降低人工测量劳动强度、户外适应性良好、采集的数据可为棉花秸秆收获机械起拔装置的设计提供参考。
综合上述专利，在进行起拔时无法知晓多个方向的起拔力，易于导致在起拔时存在滑动偏移，无法及时测量作物起拔时的最小夹持力和同步起拔力，试验效果较差，数据精确性较低。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种多维度防滑移起拔测力装置及试验方法，本发明采用测试机构，多维度实时采集起拔力，通过对比可以获得不同作物最佳起拔方式，实现高效作业，所采集的数据不会受到滑移力的影响，保证测得的最小夹持力和起拔力的准确性，测的数据具有高精确性，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多维度防滑移起拔测力装置，包括机械臂，所述机械臂的输出端连接有六维力矩传感器，且在六维力矩传感器的下方安装有测试机构；
所述测试机构包括安装在六维力矩传感器下方的连接平台，且连接平台的底端连接有伺服电机，所述伺服电机的输出端设置有传动齿轮，在传动齿轮的外壁一侧连接有第一圆柱齿杆且另一侧连接有第二圆柱齿杆，所述伺服电机的外部套设有侧面测试组件。
在一个优选地实施方式中，所述伺服电机与传动齿轮之间同轴传动连接，所述传动齿轮外壁两侧分别与第一圆柱齿杆和第二圆柱齿杆两两之间相啮合，所述机械臂的底端安装有控制器，所述机械臂与六维力矩传感器之间通过多个螺栓可拆卸式连接，所述连接平台横切面形状设置为正方形，所述第一圆柱齿杆和第二圆柱齿杆相反一端均套设有直线轴承，且在直线轴承一侧位置处安装有锁紧限位环。
在一个优选地实施方式中，所述侧面测试组件包括设置在伺服电机外部的伺服电机固定平台，且伺服电机固定平台的下方螺栓固定连接有两个对称布置的钳体导轨，所述钳体导轨分别滑动连接有两个对称布置的钳体滑块，钳体滑块通过螺栓固定连接两个对称布置的钳体，所述钳体的内壁通过螺栓固定连接两个对称分布的夹持导轨，两个所述夹持导轨分别滑动连接两个夹持滑块，两个夹持滑块之间通过螺栓固定连接夹持支撑板，在夹持支撑板一侧安装有夹持橡胶板且另一侧连接有压力传感器。
在一个优选地实施方式中，所述钳体的下表面焊接有两个弹簧限位板并通过螺栓固定连接滑移导轨，滑移导轨滑动连接滑移滑块，所述滑移滑块底端螺栓固定连接有滑移测试支架，所述滑移测试支架内壁且靠近滑移滑块位置处焊接两个支撑轴，每个所述支撑轴的外部均套设有挤压弹簧。
在一个优选地实施方式中，所述滑移测试支架上有通过轴承连接的滑移测试轮，在滑移测试轮的一端有同轴连接的编码器，且编码器通过螺栓连接固定在滑移测试支架上。所述滑移导轨与滑移滑块之间滑动连接，所述滑移测试支架与支撑轴之间螺栓固定连接，所述支撑轴的另一端与弹簧限位板滑动连接；所述滑移测试轮与编码器可同轴转动。
一种多维度防滑移起拔测力装置的试验法，具体试验步骤如下：
步骤一、夹持时，可以将植物根茎种植在作物栽植盆内部进行测力试验，也可以用于田间对农作物植株直接测量。测试时，启动机械臂可多自由度转动，使两个夹持橡胶板位于植株根茎两侧指定位置，这样启动连接平台上的伺服电机，伺服电机带动传动齿轮进行转动，从而传动齿轮带动第一圆柱齿杆向左移动，同时传动齿轮带动第二圆柱齿杆向右移动，并且第一圆柱齿杆可以在直线轴承内部进行左移滑动，由锁紧限位环带动钳体向左移动，从而实现两个钳体的相对移动，这样钳体带动夹持导轨使夹持支撑板进行左移，并且两个夹持橡胶板相对移动可以夹在植物根茎的外部指定位置处，同时滑移测试轮可以贴合在植物根茎的外部位置处；
步骤二、贴合挤压时，当滑移测试轮挤压在植物根茎的侧面时，两个滑移测试轮会在挤压力的作用下朝着相反的方向进行移动，滑移测试轮带动滑移测试支架向右移动，且滑移测试支架带动滑移滑块沿着滑移导轨向右移动，滑移测试支架带动支撑轴在弹簧限位板中滑动，同时滑移测试支架挤压着挤压弹簧，这样挤压弹簧在支撑轴的外部实现压缩操作，从而使两个滑移测试轮紧密的贴在植物根茎夹持指定位置的下方；
步骤三、检测时，可以通过启动机械臂分别以垂直地面、周期性螺旋或180度扭转等方向缓慢提升作物并实时采集起拔力，六维力矩传感器可以实时采集Fx、Fy、Fz、Tx、Ty和Tz六个方向的受力变化，当作植物根茎没有被夹紧时，滑移测试轮会与植物根茎发生相对滚动，滑移测试轮同轴的编码器检测到旋转信号，向控制器发送指令，伺服电机继续夹持植物根茎，在挤压弹簧的作用下滑移测试轮能够实时紧贴作物茎秆表面，直至滑移测试轮不再与植物根茎发生相对滚动，编码器向控制器发送指令停止伺服电机的转动，此时两个压力传感器和六维力矩传感器开始采集并记录保存数据，两个压力传感器所采集作物起拔的最小夹持力，六维力矩传感器采集作物的同步起拔力。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明采用测试机构，当作物植物根茎没有被夹紧时，滑移测试轮会与植物根茎发生相对滚动，同轴的编码器检测到旋转信号，向控制器发送指令，伺服电机继续夹持植物根茎，直至滑移测试轮不再与植物根茎发生相对滚动，编码器向控制器发送指令停止伺服电机的转动，实现作物茎秆在垂直地面、周期性螺旋和180度扭转等方向无滑移起拔时最小夹持力和同步起拔力的采集过程，针对不同粗细茎秆、不同含水率土壤、不同质量作物植株施加与之匹配的最小夹持力和，实现精准测力，使用该装置可以从垂直地面、周期性螺旋和180度扭转等方向多维度实时采集起拔力，通过对比可以获得不同作物最佳起拔方式，实现高效作业，所采集的数据不会受到滑移力的影响，保证测得的最小夹持力和起拔力的准确性，测的数据具有高精确性；
2、本发明采用滑移测试轮挤压在植物根茎的侧面时，两个滑移测试轮会在挤压力的作用下朝着相反的方向进行移动，滑移测试支架向右移动，且滑移测试支架带动滑移滑块沿着滑移导轨向右移动，滑移测试支架带动支撑轴在弹簧限位板中滑动，同时滑移测试支架挤压着挤压弹簧，这样挤压弹簧在支撑轴的外部实现一定的缓冲操作，不易造成植物根茎外部损坏；
综上，通过上述多个作用的相互影响，所采集的数据不会受到滑移力的影响，保证测得的最小夹持力和起拔力的准确性，测的数据具有高精确性，可以在挤压时实现一定的缓冲操作，不易造成植物根茎外部损坏，综上可以有效提高设备测量的高精确性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明对植物进行拔力测试时结构示意图。
图3为本发明的连接平台与伺服电机连接处结构示意图。
图4为本发明的图3中A处放大结构示意图。
图5为本发明的夹持导轨与夹持支撑板连接处结构示意图。
图6为本发明的钳体下方结构示意图。
图7为本发明的滑移导轨与滑移滑块连接处结构示意图。
图8为本发明的图6中B处放大结构示意图。
附图标记为：1、机械臂；2、六维力矩传感器；3、连接平台；4、伺服电机；5、伺服电机固定平台；6、传动齿轮；7、第一圆柱齿杆；8、第二圆柱齿杆；11、滑移测试轮；12、编码器；13、钳体导轨；14、钳体；15、夹持导轨；16、夹持支撑板；17、夹持橡胶板；18、压力传感器；19、滑移导轨；20、滑移滑块；21、滑移测试支架；22、支撑轴；23、挤压弹簧；24、控制器；25、锁紧限位环；26、直线轴承；27、钳体滑块；28、夹持滑块；29、弹簧限位板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1-8所示的一种多维度防滑移起拔测力装置，包括机械臂1，机械臂1的输出端连接有六维力矩传感器2，且在六维力矩传感器2的下方安装有测试机构；
测试机构包括安装在六维力矩传感器2下方的连接平台3，且连接平台3的底端连接有伺服电机4，伺服电机4的输出端设置有传动齿轮6，在传动齿轮6的外壁一侧连接有第一圆柱齿杆7且另一侧连接有第二圆柱齿杆8，伺服电机4的外部套设有侧面测试组件。
在一些实施例中如附图1-3所示，伺服电机4与传动齿轮6之间同轴传动连接，传动齿轮6外壁两侧分别与第一圆柱齿杆7和第二圆柱齿杆8两两之间相啮合，机械臂1的底端安装有控制器24，以便伺服电机4带动传动齿轮6进行转动，从而传动齿轮6带动第一圆柱齿杆7向左移动，同时传动齿轮6带动第二圆柱齿杆8向右移动，且由控制器24可以控制伺服电机4的启停操作，机械臂1与六维力矩传感器2之间通过多个螺栓可拆卸式连接，连接平台3横切面形状设置为正方形，以便机械臂1与六维力矩传感器2后期可以通过螺栓拆卸进行连接，这样方便后期的维修操作。
在一些实施例中如附图2所示，作物栽植盆内部是作物生长的原始土壤，可以将植物根茎从作物栽植盆内拔出，第一圆柱齿杆7和第二圆柱齿杆8相反一端均套设有直线轴承26，且在直线轴承26一侧位置处安装有锁紧限位环25，以便传动齿轮6带动第二圆柱齿杆8向右移动，并且第一圆柱齿杆7可以在直线轴承26内部进行左移滑动，锁紧限位环25带动钳体14沿着钳体导轨13向左移动。另一个钳体14向右移动。
在一些实施例中如附图4-5所示，侧面测试组件包括设置在伺服电机4外部的伺服电机固定平台5，且伺服电机固定平台5的下方螺栓固定连接有两个对称布置的钳体导轨13，钳体导轨13分别滑动连接有两个对称布置的钳体滑块27，钳体滑块27通过螺栓固定连接两个对称布置的钳体14，钳体14的内壁通过螺栓固定连接两个对称分布的夹持导轨15，两个夹持导轨15分别滑动连接两个夹持滑块28，两个夹持滑块28之间通过螺栓固定连接夹持支撑板16，在夹持支撑板16一侧安装有夹持橡胶板17且另一侧连接有压力传感器18。
以便，锁紧限位环25带动钳体14沿着钳体导轨13向左移动，另一个钳体14向右移动，钳体14带动夹持导轨15使夹持支撑板16进行左移，夹持支撑板16带动夹持橡胶板左移，并且当两个夹持橡胶板17相对移动可以挤压在植物根茎的指定位置处，且通过拉力传感器18可以测量夹持力。
在一些实施例中如附图6-7所示，钳体14的下表面焊接有两个弹簧限位板29并通过螺栓固定连接滑移导轨19，滑移导轨19滑动连接滑移滑块20，滑移滑块20底端螺栓固定连接有滑移测试支架21，滑移测试支架21上有通过轴承连接的滑移测试轮11，在滑移测试轮11的一端有同轴连接的编码器12，编码器12通过螺栓连接固定在滑移测试支架21上，且滑移测试支架21内壁且靠近滑移滑块20位置处焊接两个支撑轴22，每个所述支撑轴22的外部均套设有挤压弹簧23，
以便，当两个滑移测试轮11挤压在植物根茎的侧面时，会在挤压力的作用下朝着相反的方向进行移动，滑移测试轮11带动滑移测试支架21向右移动，滑移滑块20沿着滑移导轨19的外部进行滑动，挤压弹簧23在支撑轴22的外部上实现压缩操作，从而起到一定的缓冲作用。
一种多维度防滑移起拔测力装置的试验方法，具体使用步骤如下：
步骤一、夹持时，可以将植物根茎种植在作物栽植盆内部进行测力试验，也可以用于田间对农作物植株直接测量。测试时，启动机械臂1可多自由度转动，使两个夹持橡胶板17位于植株根茎两侧指定位置，这样启动连接平台3上的伺服电机4，伺服电机4带动传动齿轮6进行转动，从而传动齿轮6带动第一圆柱齿杆7向左移动，同时传动齿轮6带动第二圆柱齿杆8向右移动，并且第一圆柱齿杆7可以在直线轴承26内部进行左移滑动，由锁紧限位环25带动钳体14向左移动，从而实现两个钳体14的相对移动，这样钳体14带动夹持导轨15使夹持支撑板16进行左移，并且两个夹持橡胶板17相对移动可以夹在植物根茎的外部指定位置处，同时滑移测试轮11可以贴合在植物根茎的外部位置处；
步骤二、贴合挤压时，当滑移测试轮11挤压在植物根茎的侧面时，两个滑移测试轮11会在挤压力的作用下朝着相反的方向进行移动，滑移测试轮11带动滑移测试支架21向右移动，且滑移测试支架21带动滑移滑块20沿着滑移导轨19向右移动，滑移测试支架21带动支撑轴22在弹簧限位板29中滑动，同时滑移测试支架21挤压着挤压弹簧23，这样挤压弹簧23在支撑轴22的外部实现压缩操作，从而使两个滑移测试轮11紧密的贴在植物根茎夹持指定位置的下方；
步骤三、检测时，可以通过启动机械臂1分别以垂直地面、周期性螺旋或180度扭转等方向缓慢提升作物并实时采集起拔力，六维力矩传感器2可以实时采集Fx、Fy、Fz、Tx、Ty和Tz六个方向的受力变化，当作植物根茎没有被夹紧时，滑移测试轮11会与植物根茎发生相对滚动，滑移测试轮11同轴的编码器12检测到旋转信号，向控制器24发送指令，伺服电机4继续夹持植物根茎，在挤压弹簧23的作用下滑移测试轮11能够实时紧贴作物茎秆表面，直至滑移测试轮11不再与植物根茎发生相对滚动，编码器12向控制器24发送指令停止伺服电机4的转动，此时两个压力传感器18和六维力矩传感器2开始采集并记录保存数据，两个压力传感器18所采集作物起拔的最小夹持力，六维力矩传感器2采集作物的同步起拔力。
本发明工作原理：可以通过启动机械臂1分别以垂直地面、周期性螺旋或180度扭转等方向缓慢提升作物植株并实时采集起拔力，当作植物根茎没有被夹紧时，滑移测试轮11会与植物根茎发生相对滚动，编码器12检测到旋转信号向控制器24发送指令，伺服电机4继续夹持植物根茎，直至滑移测试轮11不再与植物根茎发生相对滚动，编码器12向控制器24发送指令停止伺服电机4的转动，压力传感器18所采集作物起拔的最小夹持力，六维力矩传感器2采集作物同步起拔力。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
最后：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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 (5)
1.一种多维度防滑移起拔测力装置，包括机械臂(1)，其特征在于：所述机械臂(1)的输出端连接有六维力矩传感器(2)，且在六维力矩传感器(2)的下方安装有测试机构；
所述测试机构包括安装在六维力矩传感器(2)下方的连接平台(3)，且连接平台(3)的底端连接有伺服电机(4)，所述伺服电机(4)的输出端设置有传动齿轮(6)，在传动齿轮(6)的外壁一侧连接有第一圆柱齿杆(7)且另一侧连接有第二圆柱齿杆(8)，所述伺服电机(4)的外部套设有侧面测试组件；
所述侧面测试组件包括设置在伺服电机(4)外部的伺服电机固定平台(5)，且伺服电机固定平台(5)的下方螺栓固定连接有两个对称布置的钳体导轨(13)，所述钳体导轨(13)下方滑动连接有两个对称布置的钳体滑块(27)，钳体滑块(27)通过螺栓固定连接两个对称布置的钳体(14)，所述钳体(14)的内壁通过螺栓固定连接两个对称分布的夹持导轨(15)，两个所述夹持导轨(15)分别滑动连接两个夹持滑块(28)，两个夹持滑块(28)之间通过螺栓固定连接夹持支撑板(16)，在夹持支撑板(16)一侧安装有夹持橡胶板(17)且另一侧连接有压力传感器(18)；
所述钳体(14)的下表面焊接有两个弹簧限位板(29)并通过螺栓固定连接滑移导轨(19)，滑移导轨(19)滑动连接滑移滑块(20)，所述滑移滑块(20)底端螺栓固定连接有滑移测试支架(21)，所述滑移测试支架(21)内壁且靠近滑移滑块(20)位置处焊接两个支撑轴(22)，每个所述支撑轴(22)的外部均套设有挤压弹簧(23)；
所述滑移测试支架(21)上有通过轴承连接的滑移测试轮(11)，在滑移测试轮(11)的一端有同轴连接的编码器(12)，且编码器(12)通过螺栓连接固定在滑移测试支架(21)上；
所述滑移导轨(19)与滑移滑块(20)之间滑动连接，所述滑移测试支架(21)与支撑轴(22)之间螺栓固定连接，所述支撑轴(22)的另一端与弹簧限位板(29)滑动连接；所述滑移测试轮(11)与编码器(12)可同轴转动。
2.根据权利要求1所述的一种多维度防滑移起拔测力装置，其特征在于：所述伺服电机(4)与传动齿轮(6)之间同轴传动连接，所述传动齿轮(6)外壁两侧分别与第一圆柱齿杆(7)和第二圆柱齿杆(8)两两之间相啮合，所述机械臂(1)的底端安装有控制器(24)。
3.根据权利要求1所述的一种多维度防滑移起拔测力装置，其特征在于：所述机械臂(1)与六维力矩传感器(2)之间通过多个螺栓可拆卸式连接，所述连接平台(3)横切面形状设置为正方形。
4.根据权利要求1所述的一种多维度防滑移起拔测力装置，其特征在于：所述第一圆柱齿杆(7)和第二圆柱齿杆(8)相反一端均套设有直线轴承(26)，且在直线轴承(26)一侧位置处安装有锁紧限位环(25)。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种多维度防滑移起拔测力装置，其特征在于，还包括一种多维度防滑移起拔测力装置的试验法，具体试验步骤如下：
步骤一、夹持时，有两种测量方式，方式一：将植物根茎种植在作物栽植盆内部进行测力试验，方式二：用于田间对农作物植株直接测量，测试时，启动机械臂(1)可多自由度转动，使两个夹持橡胶板(17)位于植株根茎(9)两侧指定位置，这样启动连接平台(3)上的伺服电机(4)，伺服电机(4)带动传动齿轮(6)进行转动，从而传动齿轮(6)带动第一圆柱齿杆(7)向左移动，同时传动齿轮(6)带动第二圆柱齿杆(8)向右移动，并且第一圆柱齿杆(7)可以在直线轴承(26)内部进行左移滑动，由锁紧限位环(25)带动钳体(14)向左移动，从而实现两个钳体(14)的相对移动，这样钳体(14)带动夹持导轨(15)使夹持支撑板(16)进行左移，并且两个夹持橡胶板(17)相对移动可以夹在植物根茎的外部指定位置处，同时滑移测试轮(11)可以贴合在植物根茎的外部位置处；
步骤二、贴合挤压时，当滑移测试轮(11)挤压在植物根茎的侧面时，两个滑移测试轮(11)会在挤压力的作用下朝着相反的方向进行移动，滑移测试轮(11)带动滑移测试支架(21)向右移动，且滑移测试支架(21)带动滑移滑块(20)沿着滑移导轨(19)向右移动，滑移测试支架(21)带动支撑轴(22)在弹簧限位板(29)中滑动，同时滑移测试支架(21)挤压着挤压弹簧(23)，这样挤压弹簧(23)在支撑轴(22)的外部实现压缩操作，从而使两个滑移测试轮(11)紧密的贴在植物根茎夹持指定位置的下方；
步骤三、检测时，可以通过启动机械臂(1)分别以垂直地面、周期性螺旋或180度扭转等方向缓慢提升作物并实时采集起拔力，六维力矩传感器(2)可以实时采集Fx、Fy、Fz、Tx、Ty和Tz六个方向的受力变化，当作植物根茎没有被夹紧时，滑移测试轮(11)会与植物根茎发生相对滚动，滑移测试轮(11)同轴的编码器(12)检测到旋转信号，向控制器(24)发送指令，伺服电机(4)继续夹持植物根茎，在挤压弹簧(23)的作用下滑移测试轮(11)能够实时紧贴作物茎秆表面，直至滑移测试轮(11)不再与植物根茎发生相对滚动，编码器(12)向控制器(24)发送指令停止伺服电机(4)的转动，此时两个压力传感器(18)和六维力矩传感器(2)开始采集并记录保存数据，两个压力传感器(18)所采集作物起拔的最小夹持力，六维力矩传感器(2)采集作物的同步起拔力。
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