CN114916329A - 一种人机协同式程控蔬菜嫁接上夹机构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及现代农业装备领域，尤其涉及一种人机协同式程控蔬菜嫁接上夹机构及方法。上夹机构包括上卡机构外壳、直流电机固定架、直流电机、第一步进电机、上夹顶杆、嫁接夹导轨、供夹齿盘和控制装置；所述上卡机构外壳包括上夹机构壳体和上夹机构壳盖。本发明可大幅提升嫁接工效，节约用工，上夹机构具有结构简单、小型实用和适用于圆形套管嫁接夹等特点。
Description
技术领域
本发明涉及现代农业装备领域，尤其涉及一种人机协同式程控蔬菜嫁接上夹机构及方法。
背景技术
嫁接能增强蔬菜植株对生物逆境(如枯萎病、青枯病、根结线虫等土传病害和病毒病等地上部病害)和非生物逆境(如低温、高温、干旱、盐渍、水涝、重金属等胁迫)的抗性，促进水分、养分吸收利用，提高蔬菜产量、品质和效益，广泛用于西瓜、黄瓜、甜瓜、苦瓜、冬瓜等瓜类蔬菜和茄子、番茄、辣椒等茄果类蔬菜。但是，嫁接操作工序多、用工量大、成本高，严重制约蔬菜嫁接栽培技术普及推广。上夹，即用夹具将砧木和接穗的两个切削面固定，是蔬菜嫁接的主要环节。目前，上夹环节，多由人工完成，工效低，操作不规范。为此，国内外也相继研发了多款上夹机构，但是，结构复杂、行程多、价格昂贵、性价比低，或只适用于平口夹，因此，多停留在试验阶段，并未在生产上大规模推广。
发明内容
针对现有上夹机构性价比低、不适于圆形套管嫁接夹问题，本发明提出一种人机协同式程控蔬菜嫁接上夹机构及方法，可大幅提升嫁接工效，节约用工，上夹机构具有结构简单、小型实用和适用于圆形套管嫁接夹等特点。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种人机协同式程控蔬菜嫁接上夹机构，包括上卡机构外壳、直流电机固定架2、直流电机3、第一步进电机5、上夹顶杆13、嫁接夹导轨15、供夹齿盘16和控制装置；所述上卡机构外壳包括上夹机构壳体1和上夹机构壳盖18。
所述嫁接夹导轨15水平地固接在上夹机构壳体1的上部，嫁接夹导轨15具有一个能容纳多个依次串联固接的嫁接夹12的通道，所述嫁接夹12为橡塑材质，具有一夹苗口和两个用于开合夹苗口的尾翼，嫁接夹12的夹苗口朝上，相邻的两个嫁接夹12之间通过与嫁接夹12同材质三点连接。
所述嫁接夹导轨15的通道的底板中部设有一矩形开口，通道的顶板的末端和底板的末端分别设有相互对应的出夹口和顶夹口。
所述供夹齿盘16的盘面平行于竖直平面，转轴与通道轴向垂直；供夹齿盘16的盘面穿过嫁接夹导轨15的通道的底板中部的矩形开口并位于嫁接夹12的两个尾翼之间，齿盘边缘与通道内的嫁接夹12的下端紧密接触；所述直流电机3高度可调地固接在上夹机构壳体1内的直流电机固定架2上，供夹齿盘16的转轴固接在直流电机3的动力输出轴上。
所述上夹顶杆13竖直地固接在第一步进电机5的动力输出轴上，并穿过顶夹口位于嫁接夹12的下方；所述第一步进电机5通过螺钉14固接在上夹机构壳体1内的第一步进电机固定架4上，用于驱动上夹顶杆13上下运动，上夹顶杆13向上运动将单个嫁接夹12向出夹口顶出，被向上顶出的嫁接夹12与相邻的嫁接夹12之间的连接断开，嫁接夹12的两个尾翼被出夹口限制相互靠拢，进而打开夹苗口。
所述嫁接夹导轨15的通道的末端设有压力传感器11，用于检测嫁接夹12是否被输送至出夹口。
所述嫁接夹导轨15的靠近出夹口的上端面上设有距离传感器10，用于在嫁接时实现对人手的识别。
所述控制装置包括STM32单片机、L298N直流电机驱动板、ZD-M42S步进电机驱动板；STM32单片机与L298N直流电机驱动板、ZD-M42S步进电机驱动板、距离传感器10、压力传感器11连接，L298N电机驱动板与直流电机连接，ZD-M42S步进电机驱动板与第一步进电机5连接。
所述通道的高度宽度大于嫁接夹12，能够容纳不同尺寸的嫁接夹12。
所述直流电机3的安装位置能够上下调整，进而调节供夹齿盘16与嫁接夹12之间的摩擦力，防止嫁接夹在供给过程中打滑。
所述嫁接夹导轨15的通道的入口处设有供夹曲面17，保证嫁接夹平顺供给，防止嫁接夹被卡住。
所述上夹机构进一步包括第二步进电机7、刀架8和刀片9；
所述第二步进电机7固接在上夹机构壳体1内的第二步进电机固定架6上；所述刀架8固接在第二步进电机7的动力输出轴上；所述刀片9固接在刀架8上，并位于首个嫁接夹12与第二个嫁接夹12之间的竖直平面内；第二步进电机7的动力输出轴的前后运动带动刀片9前后运动，从而切断首个嫁接夹12与第二个嫁接夹12之间的连接。
一种利用所述的上夹机构的人机协同式程控蔬菜嫁接上夹方法，包括如下步骤：
S1、操作员预先将一排串联固接的嫁接夹12放入嫁接夹导轨15的通道中，直流电机3开始顺时针转动，带动供夹齿盘16旋转，通过供夹齿盘16和嫁接夹12之间的摩擦作用，使首个嫁接夹12运动至出夹口；
S2、当嫁接夹12接触到压力传感器11时，压力传感器11检测到嫁接夹12，压力传感器11将电信号传输到控制装置中的STM32单片机上，STM32单片机通过L298N电机驱动板使直流电机3停止工作，同时第一步进电机5的输出轴向上运动1.5s，上夹顶杆13向上运动将嫁接夹12之间的连接断开，嫁接夹12的两个尾翼被出夹口限制相互靠拢，进而打开夹苗口，第一步进电机5停止工作；此时压力传感器11检测不到嫁接夹12；
S3、操作员将切削完成的接穗19和砧木20放在嫁接夹12中，将接穗19和砧木20对接；同时，距离传感器10检测到操作员的手，将电信号传输到控制装置中的STM32单片机上，STM32单片机通过ZD-M42S步进电机驱动板使第一步进电机5的输出轴继续向上运动0.5s，上夹顶杆13将嫁接夹12完全顶出，嫁接夹12的两个尾翼失去出夹口的限制，夹苗口合拢完成嫁接；
S4、完成嫁接后，第一步进电机5的输出轴向下运动2s，使上夹顶杆13复位；然后直流电机3再次开始工作，带动供夹齿盘16旋转将下一个嫁接夹12运动至出夹口，为下一次嫁接做准备。
所述步骤S2中，如果压力传感器11持续检测到嫁接夹12的时间大于2.5s，则证明相邻的两个嫁接夹12之间的连接没有被断开，第一步进电机5的动力输出轴向下运动1.5s复位，直流电机3逆时针转动，使首个嫁接夹12复位，当压力传感器11检测不到嫁接夹12时，直流电机3停止工作，然后，第二步进电机7的输出轴向前运动1s，通过刀片9将两个相邻的嫁接夹12之间的连接切断，切断后，第二步进电机7的输出轴向后运动1s复位；紧接着，直流电机3顺时针转动，重复步骤S2。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用距离传感器10实现秧苗的上夹识别，在上夹过程中，压力传感器11可实现对嫁接夹的识别和定位；
(2)本发明所采用的控制策略可以充分提高上夹的效率，工作过程中设置容错控制程序，打开嫁接夹时，当第一步进电机的推力不能将首个及其相邻的嫁接夹之间的连接断开，可通过控制程序自行解决，避免了工作过程中的卡夹问题，工作稳定可靠；
(3)本发明采用串联固接式嫁接夹，可实现嫁接夹自动“送-开-闭”的连续作业，替代了当前嫁接机中通过振动盘单个供夹的方式，不仅缩小整体尺寸，而且大大减小了电能的消耗以及卡夹的问题；
(4)本发明嫁接夹导轨中的通道可以适应不同尺寸的嫁接夹，可以通过尾翼夹角为60°到150°的嫁接夹，通用性较好，克服了现有上夹机构只能使用同一尺寸嫁接夹的缺点；
(5)本发明所使用的是蔬菜种植户最常用的嫁接夹，在所有机械嫁接设备的研究中，没有对该种类型嫁接夹的供给和打开进行研究，本发明是首次将该种串联固接的嫁接夹应用于蔬菜嫁接设备的研究中。
(6)本发明中直流电机和直流电机固定架通过螺钉进行连接，直流电机固定架上的螺纹孔为U型孔，因此，直流电机的位置可以根据工作情况和不同尺寸的嫁接夹进行上下调整，保证供夹齿盘和嫁接夹之间有足够大的摩擦力，避免嫁接夹在供给过程中出现打滑的现象；
(7)现有的大型上夹设备尺寸大、结构复杂、成本较高，而且当出现故障时维修困难，本发明总体尺寸较小，调试和维修比较简单，成本较低，可以在我国蔬菜种植户中大面积推广使用，解决目前纯人工上夹的问题，大大提高嫁接效率。
附图说明
图1是本发明的人机协同式程控蔬菜嫁接上夹机构的结构示意图；
图2是本发明的上夹机构壳盖18的示意图；
图3是本发明的供夹齿盘和嫁接夹接触时的局部示意图；
图4是本发明的上夹时的局部示意图；
图5是本发明的出夹口处的局部剖视图；
图6是本发明的供夹齿盘与嫁接夹导轨处的局部剖视图；
图7是本发明的刀片与嫁接夹连接处的局部剖视图；
图8是本发明的人机协同式程控蔬菜嫁接上夹方法流程图。
其中的附图标记为：
1、上夹机构壳体 2、直流电机固定架
3、直流电机 4、第一步进电机固定架
5、第一步进电机 6、第二步进电机固定架
7、第二步进电机 8、刀架
9、刀片 10、距离传感器
11、压力传感器 12、嫁接夹
13、上夹顶杆 14、螺钉
15、嫁接夹导轨 16、供夹齿盘
17、供夹曲面 18、上夹机构壳盖
19、接穗 20、砧木
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1和图2所示，本发明的一种人机协同式程控蔬菜嫁接上夹机构，包括上卡机构外壳、直流电机固定架2、直流电机3、第一步进电机5、上夹顶杆13、嫁接夹导轨15、供夹齿盘16和控制装置。所述上卡机构外壳包括上夹机构壳体1和上夹机构壳盖18。
所述嫁接夹导轨15水平地固接在上夹机构壳体1的上部，嫁接夹导轨15具有一个能容纳多个依次串联固接的嫁接夹12的通道，所述嫁接夹12为橡塑材质的圆形套管嫁接夹，具有一夹苗口和两个用于开合夹苗口的尾翼，嫁接夹12的夹苗口朝上，相邻的两个嫁接夹12之间通过与嫁接夹12同材质三点连接。
所述通道的高度宽度大于嫁接夹12，能够容纳不同尺寸的嫁接夹12。
所述嫁接夹导轨15的通道的底板中部设有一矩形开口，通道的顶板的末端和底板的末端分别设有相互对应的出夹口和顶夹口。
如图3和图6所示，所述供夹齿盘16的盘面平行于竖直平面，转轴与通道轴向垂直；供夹齿盘16的盘面穿过嫁接夹导轨15的通道的底板中部的矩形开口并位于嫁接夹12的两个尾翼之间，齿盘边缘与通道内的嫁接夹12的下端紧密接触；所述直流电机3高度可调地固接在上夹机构壳体1内的直流电机固定架2上，供夹齿盘16的转轴固接在直流电机3的动力输出轴上。直流电机3的安装位置可以上下调整，进而调节供夹齿盘16与嫁接夹12之间的摩擦力，可根据需要进行调节，防止嫁接夹在供给过程中打滑。
如图5所示，所述上夹顶杆13竖直地固接在第一步进电机5的动力输出轴上，并穿过顶夹口位于嫁接夹12的下方；所述第一步进电机5通过螺钉14固接在上夹机构壳体1内的第一步进电机固定架4上，用于驱动上夹顶杆13上下运动，上夹顶杆13向上运动将单个嫁接夹12向出夹口顶出，被向上顶出的嫁接夹12与相邻的嫁接夹12之间的连接断开，嫁接夹12的两个尾翼被出夹口限制相互靠拢，进而打开夹苗口，如图4所示。
所述嫁接夹导轨15的通道的入口处设有供夹曲面17，保证嫁接夹平顺供给，防止嫁接夹被卡住。
所述嫁接夹导轨15的通道的末端设有压力传感器11，用于检测嫁接夹12是否被输送至出夹口。
所述嫁接夹导轨15的靠近出夹口的上端面上设有距离传感器10，用于在嫁接时实现对人手的识别。
所述控制装置包括STM32单片机、L298N直流电机驱动板、ZD-M42S步进电机驱动板；STM32单片机与L298N直流电机驱动板、ZD-M42S步进电机驱动板、距离传感器10、压力传感器11连接，L298N电机驱动板与直流电机连接，ZD-M42S步进电机驱动板分别与第一步进电机和第二步进电机连接。
绝大多数相邻嫁接夹12之间的连接可以通过上夹顶杆13向上运动时的力来断开，当供电电源电压不足时，第一步进电机5的输出功率会减小，上夹顶杆13的推力也会随之减小，可能会使相邻嫁接夹12之间的连接不能断开，为了防止上述原因造成嫁接夹12不能被正常打开，所述人机协同式程控蔬菜嫁接上夹机构进一步包括第二步进电机7、刀架8和刀片9；
所述第二步进电机7固接在上夹机构壳体1内的第二步进电机固定架6上；所述刀架8固接在第二步进电机7的动力输出轴上；所述刀片9固接在刀架8上，并位于首个嫁接夹12与第二个嫁接夹12之间的竖直平面内；第二步进电机7的动力输出轴的前后运动带动刀片9前后运动，从而切断首个嫁接夹12与第二个嫁接夹12之间的连接，如图7所示。
如图8所示，本发明的一种人机协同式程控蔬菜嫁接上夹方法，包括如下步骤：
S1、操作员预先将一排串联固接的嫁接夹12放入嫁接夹导轨15的通道中，直流电机3开始顺时针转动，带动供夹齿盘16旋转，通过供夹齿盘16和嫁接夹12之间的摩擦作用，使首个嫁接夹12运动至出夹口；
S2、当嫁接夹12接触到压力传感器11时，压力传感器11检测到嫁接夹12，压力传感器11将电信号传输到控制装置中的STM32单片机上，STM32单片机通过L298N电机驱动板使直流电机3停止工作，同时第一步进电机5的输出轴向上运动1.5s，上夹顶杆13向上运动将嫁接夹12之间的连接断开，嫁接夹12的两个尾翼被出夹口限制相互靠拢，进而打开夹苗口，第一步进电机5停止工作；此时压力传感器11检测不到嫁接夹12；
步骤S2中，如果压力传感器11持续检测到嫁接夹12的时间大于2.5s，则证明相邻的两个嫁接夹12之间的连接没有被断开，第一步进电机5的动力输出轴向下运动1.5s复位，直流电机3逆时针转动，使首个嫁接夹12复位，当压力传感器11检测不到嫁接夹12时，直流电机3停止工作，然后，第二步进电机7的输出轴向前运动1s，通过刀片9将两个相邻的嫁接夹12之间的连接切断，切断后，第二步进电机7的输出轴向后运动1s复位；紧接着，直流电机3顺时针转动，重复步骤S2。
S3、操作员将切削完成的接穗19和砧木20放在嫁接夹12中，将接穗19和砧木20对接，如图4所示；同时，距离传感器10检测到操作员的手，将电信号传输到控制装置中的STM32单片机上，STM32单片机通过ZD-M42S步进电机驱动板使第一步进电机5的输出轴继续向上运动0.5s，上夹顶杆13将嫁接夹12完全顶出，嫁接夹12的两个尾翼失去出夹口的限制，夹苗口合拢完成嫁接。
S4、完成嫁接后，第一步进电机5的输出轴向下运动2s，使上夹顶杆13复位；然后直流电机3再次开始工作，带动供夹齿盘16旋转将下一个嫁接夹12运动至出夹口，为下一次嫁接做准备。
Claims (7)
1.一种人机协同式程控蔬菜嫁接上夹机构，其特征在于，所述上夹机构包括上卡机构外壳、直流电机固定架(2)、直流电机(3)、第一步进电机(5)、上夹顶杆(13)、嫁接夹导轨(15)、供夹齿盘(16)和控制装置；所述上卡机构外壳包括上夹机构壳体(1)和上夹机构壳盖(18)；
所述嫁接夹导轨(15)水平地固接在上夹机构壳体(1)的上部，嫁接夹导轨(15)具有一个能容纳多个依次串联固接的嫁接夹(12)的通道，所述嫁接夹(12)为橡塑材质，具有一夹苗口和两个用于开合夹苗口的尾翼，嫁接夹(12)的夹苗口朝上，相邻的两个嫁接夹(12)之间通过与嫁接夹(12)同材质三点连接；
所述嫁接夹导轨(15)的通道的底板中部设有一矩形开口，通道的顶板的末端和底板的末端分别设有相互对应的出夹口和顶夹口；
所述供夹齿盘(16)的盘面平行于竖直平面，转轴与通道轴向垂直；供夹齿盘(16)的盘面穿过嫁接夹导轨(15)的通道的底板中部的矩形开口并位于嫁接夹(12)的两个尾翼之间，齿盘边缘与通道内的嫁接夹(12)的下端紧密接触；所述直流电机(3)高度可调地固接在上夹机构壳体(1)内的直流电机固定架(2)上，供夹齿盘(16)的转轴固接在直流电机(3)的动力输出轴上；
所述上夹顶杆(13)竖直地固接在第一步进电机(5)的动力输出轴上，并穿过顶夹口位于嫁接夹(12)的下方；所述第一步进电机(5)通过螺钉(14)固接在上夹机构壳体(1)内的第一步进电机固定架(4)上，用于驱动上夹顶杆(13)上下运动，上夹顶杆(13)向上运动将单个嫁接夹(12)向出夹口顶出，被向上顶出的嫁接夹(12)与相邻的嫁接夹(12)之间的连接断开，嫁接夹(12)的两个尾翼被出夹口限制相互靠拢，进而打开夹苗口；
所述嫁接夹导轨(15)的通道的末端设有压力传感器(11)，用于检测嫁接夹(12)是否被输送至出夹口；
所述嫁接夹导轨(15)的靠近出夹口的上端面上设有距离传感器(10)，用于在嫁接时实现对人手的识别；
所述控制装置包括STM32单片机、L298N直流电机驱动板、ZD-M42S步进电机驱动板；STM32单片机与L298N直流电机驱动板、ZD-M42S步进电机驱动板、距离传感器(10)、压力传感器(11)连接，L298N电机驱动板与直流电机连接，ZD-M42S步进电机驱动板与第一步进电机(5)连接。
2.根据权利要求1所述的上夹机构，其特征在于，所述通道的高度宽度大于嫁接夹(12)，能够容纳不同尺寸的嫁接夹(12)。
3.根据权利要求1所述的上夹机构，其特征在于，所述直流电机(3)的安装位置能够上下调整，进而调节供夹齿盘(16)与嫁接夹(12)之间的摩擦力，防止嫁接夹在供给过程中打滑。
4.根据权利要求1所述的上夹机构，其特征在于，所述嫁接夹导轨(15)的通道的入口处设有供夹曲面(17)，保证嫁接夹平顺供给，防止嫁接夹被卡住。
5.根据权利要求1所述的上夹机构，其特征在于，所述上夹机构进一步包括第二步进电机(7)、刀架(8)和刀片(9)；
所述第二步进电机(7)固接在上夹机构壳体(1)内的第二步进电机固定架(6)上；所述刀架(8)固接在第二步进电机(7)的动力输出轴上；所述刀片(9)固接在刀架(8)上，并位于首个嫁接夹(12)与第二个嫁接夹(12)之间的竖直平面内；第二步进电机(7)的动力输出轴的前后运动带动刀片(9)前后运动，从而切断首个嫁接夹(12)与第二个嫁接夹(12)之间的连接。
6.一种利用权利要求1-5任一项所述的上夹机构的人机协同式程控蔬菜嫁接上夹方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、操作员预先将一排串联固接的嫁接夹(12)放入嫁接夹导轨(15)的通道中，直流电机(3)开始顺时针转动，带动供夹齿盘(16)旋转，通过供夹齿盘(16)和嫁接夹(12)之间的摩擦作用，使首个嫁接夹(12)运动至出夹口；
S2、当嫁接夹(12)接触到压力传感器(11)时，压力传感器(11)检测到嫁接夹(12)，压力传感器(11)将电信号传输到控制装置中的STM32单片机上，STM32单片机通过L298N电机驱动板使直流电机(3)停止工作，同时第一步进电机(5)的输出轴向上运动1.5s，上夹顶杆(13)向上运动将嫁接夹(12)之间的连接断开，嫁接夹(12)的两个尾翼被出夹口限制相互靠拢，进而打开夹苗口，第一步进电机(5)停止工作；此时压力传感器(11)检测不到嫁接夹(12)；
S3、操作员将切削完成的接穗(19)和砧木(20)放在嫁接夹(12)中，将接穗(19)和砧木(20)对接；同时，距离传感器(10)检测到操作员的手，将电信号传输到控制装置中的STM32单片机上，STM32单片机通过ZD-M42S步进电机驱动板使第一步进电机5的输出轴继续向上运动0.5s，上夹顶杆(13)将嫁接夹(12)完全顶出，嫁接夹(12)的两个尾翼失去出夹口的限制，夹苗口合拢完成嫁接；
S4、完成嫁接后，第一步进电机(5)的输出轴向下运动2s，使上夹顶杆(13)复位；然后直流电机(3)再次开始工作，带动供夹齿盘(16)旋转将下一个嫁接夹(12)运动至出夹口，为下一次嫁接做准备。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，如果压力传感器(11)持续检测到嫁接夹(12)的时间大于2.5s，则证明相邻的两个嫁接夹(12)之间的连接没有被断开，第一步进电机(5)的动力输出轴向下运动1.5s复位，直流电机(3)逆时针转动，使首个嫁接夹(12)复位，当压力传感器(11)检测不到嫁接夹(12)时，直流电机(3)停止工作，然后，第二步进电机(7)的输出轴向前运动1s，通过刀片(9)将两个相邻的嫁接夹(12)之间的连接切断，切断后，第二步进电机(7)的输出轴向后运动1s复位；紧接着，直流电机(3)顺时针转动，重复步骤S2。
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