CN115303544B - 面向蔬菜无人工厂的自适应逐层装箱机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业装备。目的是提供一种面向蔬菜无人工厂的高效、可靠、快速装箱的机器人，以解决现有技术存在的人工方式蔬菜装箱工作效率低和劳动强度大的问题。技术方案是面向蔬菜无人工厂的自适应逐层装箱机器人，包括控制器；其特征在于：该机器人还包括可绕竖直轴线转动的机器人臂柱、由机器人臂柱携带且均匀分布在机器人臂柱周围的四个装箱机械臂以及位于每个装箱机械臂末端且配设有自适应调节装置的吸取组件。

Description

面向蔬菜无人工厂的自适应逐层装箱机器人

技术领域

本发明涉及一种工业装备，特别是涉及蔬菜无人工厂生产线上蔬菜包装、称重、贴标以后，蔬菜运输前对蔬菜进行装箱的机械。

背景技术

随着智能化技术水平的大幅提升，无人蔬菜工厂中蔬菜打包装箱环节的需求日益迫切，相应的中转运输总量也大幅增加。以往装箱主要依靠人工，搬运次数较多、劳动强度大，操作人员长时间工作易因疲劳发生意外；而且工作效率较低、时间跨度较长，不利于蔬菜保持新鲜。虽然目前市场存在一些装箱机器人，但工作效率较低，抓手只能针对单一蔬菜进行装箱，且容易对蔬菜造成损伤。为解决上述问题，提高搬运效率和作业质量及工作自动化程度，适应多种蔬菜的装箱，降低装箱过程中蔬菜的损伤率，因此研发出一款效率高且具有自适应逐层装箱的机器人至关重要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术问题，提供一种面向蔬菜无人工厂的高效、可靠、快速装箱的机器人，以解决现有技术存在的人工方式蔬菜装箱工作效率低和劳动强度大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

面向蔬菜无人工厂的自适应逐层装箱机器人，包括控制器；其特征在于：该机器人还包括可绕竖直轴线转动的机器人臂柱、由机器人臂柱携带且均匀分布在机器人臂柱周围的四个装箱机械臂以及位于每个装箱机械臂末端且配设有自适应调节装置的吸取组件；

所述机器人臂柱下方配有驱使机器人臂柱绕竖直轴线旋转的底盘电机，从而使得四个装箱机械臂在不同位置进行吸取蔬菜与蔬菜装箱作业；

每个装箱机械臂下方都安装一个升降抓手，升降抓手下方配有所述吸取组件以吸取蔬菜包。

所述机器人臂柱的顶端固定有水平布置的十字形槽架，该十字形槽架由四个装箱机械臂连接形成；十字形槽架上均开设有开口朝上的滑槽，四个滑槽中一一定位着抓取滑板；四个抓取滑板中，两个为可水平移动的且滑动轴线相同的可调抓取滑板，用于箱子内距离机器人较远端蔬菜的装箱；两个为可调节位置且调节移动轴线相同的固定抓取滑板，用于箱子内距离机器人较近端蔬菜的装箱。

两个可调抓取滑板由传动结构驱动；传动结构包括连接在十字形槽架中部的顶部电与齿轮传动轴、固定在齿轮传动轴上的齿轮以及定位在所述滑槽中且与所述齿轮啮合的齿条，齿条还与一所述的可调抓取滑板连接。

两个装箱机械臂的侧壁上均开设有沿长度方向伸展的调节槽，螺栓横向穿越过该调节槽以及沟槽中的固定抓取滑板后再用螺母紧固，即可将固定抓取滑板固定在装箱机械臂上；松开螺栓并移动螺栓在调节槽上的位置，即可实现固定抓取滑板在装箱机械臂上的位置调节。

每个装箱机械臂中，抓取滑板的末端连接有竖直往下伸展的小臂，该小臂设有竖直方向安装的升降气缸，升降气缸的伸缩杆与升降抓手相连接，小臂上设置有竖直布置且可供升降抓手上下移动的滑移槽；升降抓手上安装有竖直布置的调节气缸，调节气缸的伸缩杆与抓手调节器相连接，升降抓手上还设有可供抓手调节器上下移动的滑动槽。

抓手调节器前后两边同时与四根球铰连杆的一端连接，四根球铰连杆的另一端则分别通过球铰与抓取座上的四个抓手调节滑块连接。

抓取座固定在升降抓手的底端；四个抓手调节滑块分别两个一组嵌入在抓取座上两个相互平行布置的滑动槽中，并且可分别沿着滑动槽中作相向或相背的滑动；四个抓手调节滑块的下方还分别一一固定连接着竖直布置的所述吸取组件；同一组的两个抓手调节滑块之间还分别连接一水平布置的剪叉组件；剪叉组件中的较长杆中部的铰接轴底端也各连接一竖直布置的吸取组件。

所述吸取组件包括可运动地竖直穿插在吸盘桶内的吸盘杆以及位于吸盘桶内同时穿套在吸盘杆上的弹簧；吸盘杆顶端还连通负压气源。

所述弹簧顶端与吸盘杆上的挡板固定连接，弹簧底端与吸盘桶固定连接，从而形成所述的自适应调节结构。

所述控制器分别与各传感器、各气动开关以及各电机电连接。

本发明的有益效果是：能同时进行两条蔬菜输送流水线与两条箱子输送流水线的抓取与装箱，并且可以根据流水线的距离进行调节固定抓取滑块以适应不同情况，实现蔬菜多层多列装箱，在抓手部分，能够根据所需抓取蔬菜包的大小而调节吸盘间距，从而可以实现抓取多种蔬菜包，并且因为弹簧的存在可以在吸取蔬菜包的过程中根据蔬菜包上表面的外形轮廓，使自适应调节吸盘形成的作用面形状，减小对蔬菜的损伤。本发明解决了蔬菜装箱效率低下，对蔬菜造成的损伤大且无法适应多种蔬菜装箱的问题。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图之一。

图2为本发明的立体结构示意图之二(图中移走了四条输送流水线)。

图3为本发明的装箱机械臂的立体结构示意图。

图4为本发明的箱子输送流水线的立体结构示意图。

图5为本发明的蔬菜输送流水线的立体结构示意图。

图6为图2中A处部位的剖视结构示意图(传动机构剖视示意图)。

图7为图3中B处部位的剖视结构示意图(吸取组件剖视示意图)。

图8是叶菜包装后形成的蔬菜包的立体结构示意图(若干支叶菜形成一包)。

图9是本发明的吸取组件同时吸取两个叶菜蔬菜包的立体结构示意图。

图10是茎类蔬菜(如萝卜)包装后形成的蔬菜包的立体结构示意图(若干个萝卜形成一包)。

图11是本发明的吸取组件吸取茎类蔬菜包的立体结构示意图。

图中标号：1-1、第一蔬菜输送流水线；1-2、第二蔬菜输送流水线；1-3、第一箱子输送流水线；1-4、第二箱子输送流水线；1-5、箱子(即包装箱)；1-7、机器人臂柱；2-1、可调抓取滑板；2-2、固定抓取滑板；2-5、底盘电机；2-6、主动齿轮；2-7、从动齿轮；2-8、底盘；2-9、齿条；2-10、第一装箱机械臂；2-11、第二装箱机械臂；2-12、第三装箱机械臂；2-13、第四装箱机械臂；3-1、升降气缸；3-2、升降抓手；3-3、调节气缸；3-4、抓手调节器；3-5、球铰连杆；3-6、调节滑块；3-7、剪叉组件；3-8、吸取组件；3-9、抓取座；3-10、铰接轴；3-11、小臂；4-1、传感器；4-2、挡块电机；4-3、挡块；5-1、传送带；5-2、托盘；5-3、推送气缸；5-4、推送杆；6-1、顶部电机；6-2、联轴器；6-3、轴承；6-4、齿轮传动轴；6-5、齿轮；7-1、吸盘；7-2、吸盘桶；7-3、弹簧。

具体实施方式

以下结合附图所示的实施例，进一步阐述本发明。

本发明所要装箱的对象，是收割后经过整理的蔬菜包(参见图9、图10)；各种蔬菜已根据大小和形态整齐排列，并且外部采用食品级透明保鲜膜包装，因此可以机械吸盘进行提取和输送。用于装箱的蔬菜，均为已经用保鲜膜包装的各类叶菜，如生菜，油麦菜，小青菜等，以及用包装盒包装完成后的蔬菜，如排列整齐的西红柿，胡萝卜等。

附图所示的面向蔬菜无人工厂的自适应逐层装箱机器人，包括可绕竖直轴线转动地定位在底座上的机器人臂柱1-7、由机器人臂柱携带且均匀分布在机器人臂柱周围的四个装箱机械臂以及位于每个装箱机械臂末端且配设有自适应调节结构的吸取组件。

所述装箱机器人的布局如图1所示；两条蔬菜输送流水线(第一蔬菜输送流水线1-1、第二蔬菜输送流水线1-2)相互平行同时间隔距离布置，两条箱子输送流水线(第一箱子输送流水线1-3、第二箱子输送流水线1-4)也同样相互平行同时间隔距离布置并且与蔬菜输送流水线相垂直；另外箱子输送流水线的高度低于蔬菜输送流水线，以保证箱子能够顺利地从蔬菜输送流水线下方通过。机器人臂柱1-7布置在两条蔬菜输送流水线以及两条箱子流水线之间。

所述机器人臂柱下方配有底盘电机2-5，可以驱使机器人臂柱绕竖直轴线旋转，从而使得四个装箱机械臂在不同位置进行吸取蔬菜与蔬菜装箱的工作。

所述机器人臂柱结构如图2所示，机器人臂柱竖直安装在配有轴承的底盘2-8上，底盘电机2-5的输出轴通过键连接带动主动齿轮2-6转动，主动齿轮2-6通过齿轮啮合使从动齿轮2-7旋转，从动齿轮2-7与机器人臂柱1-7之间通过键连接，从而使机器人臂柱1-7旋转。

所述机器人臂柱的四周配有四个装箱机械臂，每个装箱机械臂下方都安装一个升降抓手3-2，升降抓手下方配有用于吸取蔬菜包的吸取组件。

如图2所示，机器人臂柱的顶端固定有水平布置的十字形槽架，该十字形槽架由四个装箱机械臂连接形成；其中第一装箱机械臂2-10、第三装箱机械臂2-12连成一字形的长槽架，第二装箱机械臂2-11、第四装箱机械臂2-13连成也一字形的长槽架，两个长槽架均开设有开口朝上的滑槽；两个长槽架十字相交并且在相交部位的滑槽还相互连通。第一装箱机械臂、第三装箱机械臂均设有一个可在沟槽中水平移动的可调抓取滑板2-1，并且由一传动机构驱动。第二装箱机械臂、第四装箱机械臂均设有一个可以在滑槽中固定位置并且调节位置的固定抓取滑板2-2；可调抓取滑块、固定抓取滑板均可在滑槽中直线移动。

所传动机构如图6所示：顶部电机6-1通过螺栓连接在十字形槽架的中部，该电机的输出轴通过联轴器6-2与齿轮传动轴6-4相连接，齿轮传动轴通过轴承6-3竖直安装在十字形槽架中央，齿轮传动轴与齿轮6-5之间通过键连接，齿轮与齿条2-9相啮合，从而保证顶部电机6-1能够驱动齿轮传动轴6-4，进而使齿轮6-5转动、齿条2-9移动。此外，由于齿轮同时与位于其两侧的两个齿条啮合，两个齿条又各通过螺栓连接一可调抓取滑板；因此，顶部电机工作时，可驱动两个可调抓取滑块同时相向或相背运动。

由图可知：第二装箱机械臂、第四装箱机械臂的侧壁上开设有沿长度方向伸展的调节槽，螺栓横向穿越过该调节槽与固定抓取滑板上的通孔后再用螺母紧固；则可将固定抓取滑板固定在装箱机械臂上。松开螺栓并移动螺栓在调节槽上的位置，即可实现固定抓取滑板的位置调节。

四个方向上的装箱机械臂，只在抓取滑板的调节方式有所区别，可调抓取滑板2-1、2-3是由驱动机构进行调节，固定抓取滑板2-2、2-4是由手动调节螺栓而进行调节，但抓取滑板下方的吸取组件完全一样。

下面对可调抓取滑板2-1相连的吸取组件结构进行阐述(参见图3)。可调抓取滑板2-1末端(即远离传动机构的一端)的小臂3-11，可以是独立部件，采用螺栓与抓取滑板连接(可调抓取滑板末端开设水平布置的螺纹孔，再采用螺栓与螺纹孔配合将小臂固定在可调抓取滑板末端)，该小臂上设有竖直方向安装的升降气缸3-1，升降气缸3-1的伸缩杆与升降抓手3-2相连接，可调抓取滑板的小臂上设置有竖直布置且可与升降抓手3-2配合进行上下移动的滑槽；升降抓手3-2上安装有竖直布置的调节气缸3-3，调节气缸的伸缩杆与抓手调节器3-4相连接，调节气缸上还设有可与抓手调节器配合以供抓手调节器3-4上下移动的滑槽；抓手调节器3-4前后两边同时与四根球铰连杆3-5的一端相连接，四根球铰连杆的另一端则分别与四个抓手调节滑块3-6通过球铰进行连接。

升降抓手的底端固定着一水平布置、板状的抓取座3-9；四个抓手调节滑块3-6两个一组分别嵌入在抓取座上两个平行布置的滑动槽中，并且可分别沿着滑动槽中作相向或相背的滑动。四个抓手调节滑块3-6的下方还分别与竖直布置的四个吸盘桶3-8固定连接；两个同一组的抓手调节滑块之间还分别连接一水平布置的剪叉组件3-7；剪叉组件中，位于较长杆中部的铰接轴3-10的底端也各连接一竖直布置的吸盘桶。从而可以在抓手调节器3-4上下移动时，通过球铰连杆3-5与抓手调节滑块3-6调节吸盘桶之间的间距。以适应抓取不同大小蔬菜包的要求。

如图1所示：所述蔬菜输送流水线、箱子输送流水线均包括安装在机架上的至少两个传动辊、由传动辊带动的传送带以及通过带轮组件驱动输送辊的输送电机(传动辊、带轮组件以及输送电机均为常规输送部件；图中省略)。

进一步地，所述蔬菜输送流水线中(参见图5)，推送气缸5-3通过螺栓固定连接在蔬菜输送流水线机架上；蔬菜包前进至传送带5-1的终端时，设置在该处的传感器发出信号，推送气缸即被启动，带动推送杆5-4将蔬菜包移动到托盘5-2上。

进一步地，所述箱子输送流水线中(参见图4)，传感器4-1固定连接在箱子输送流水线的中部侧边；两个挡块电机4-2分别通过支架固定连接在箱子输送流水线的机架的两个侧边，两个挡块4-3也分别通过转动轴(轴线竖直布置)可转动地定位在支架上；挡块电机轴通过联轴器与挡块4-3连接；当传送带输送的空箱子到达此处(装箱位置)时，传感器感应发出信号，挡块电机即带动挡块转动90度伸展至传送带上方，空箱子即被阻挡着停止运动。

所述吸取组件内部结构如图7所示，吸盘杆7-1-1穿插在吸盘桶7-2内并且可在轴向方向与吸盘桶相对运动；吸盘杆顶端还通过管道连通负压气源(如抽气机；图中省略)；弹簧7-3位于吸盘桶7-2内同时穿套在吸盘杆上，并且弹簧顶端与吸盘杆上的挡板7-1-2固定连接，弹簧底端与吸盘桶固定连接。当吸盘杆底端的吸盘7-1触碰到高度不一的蔬菜包时，吸盘杆能够克服于弹簧的压力往上运动，从而能够适应各类蔬菜包的吸取要求；这就是所述的自适应结构。

本发明还配设有控制器(现有技术)，该控制器电连接各传感器、各电机、气动开关，以控制各机构有序运转。

工作原理详述

本发明提供的面向蔬菜无人工厂的自适应逐层装箱机器人，可以对多种蔬菜进行高效率自适应低损伤2的装箱。

工作前，调整四条输送带的位置，使两条蔬菜输送流水线1-1、1-2相互平行，两条箱子输送流水线1-3、1-4相互平行，并且蔬菜输送流水线与箱子输送流水线相互垂直；然后拧松两条固定抓取滑板2-2上的螺栓，调节固定抓取滑板2-2的位置，使固定抓取滑板2-2上连接的升降抓手3-2处于存储待吸取蔬菜包的托盘5-2的正上方，同时调节两条箱子输送流水线1-3、1-4与机器人壁柱1-7的距离，使两条固定抓取滑板2-2上连接的升降抓手3-2在机器人壁柱1-7绕竖直轴线旋转90°后恰能处于箱子近机器人端蔬菜列的正上方，在调节好固定抓取滑板2-2的位置后，拧紧其螺栓，这样就能保证只需要在机器人壁柱1-7的转动下，固定抓取滑板2-2就可完成箱子近机器人端蔬菜列的装箱。

工作时，蔬菜包和箱子分别由传送带输送；在传感器4-1检测到箱子来到后，启动挡块电机4-2带动挡块4-3进行旋转阻挡箱子运动，从而使箱子停在装箱位置；然后启动底盘电机2-5使装箱机器人1-7的四个装箱机械臂旋转至合适位置；当蔬菜包由两条蔬菜输送流水线输送至末端后，由推送气缸5-3驱动推送杆5-4将蔬菜包推至托盘5-2处；两个装箱机械臂(第二装箱机械臂2-11、第四装箱机械臂2-13)就启动升降气缸3-1使得升降抓手3-2降落至蔬菜包上方(升降抓手3-2在下降的过程中，如因为蔬菜包的高度不同而发生碰撞时，吸盘杆7-1-1上安装的弹簧7-3可以随蔬菜包的高度而进行拉伸，能够使蔬菜减少损伤并使吸盘与蔬菜包贴合更紧密)，吸盘7-1就能通过负压气源把蔬菜包吸起来；吸盘7-1的挡板还可以防止吸盘杆过度下降。当蔬菜种类或者大小发生变化时，通过调节气缸3-3推动抓手调节器3-4移动，从而使抓手调节器连接的四根球铰连杆3-5移动，进而推动四个抓手调节滑块3-6；由此可以调节升降抓手3-2上的吸盘之间的间距，以适应不同大小蔬菜包的抓取需要。当蔬菜包被吸起来之后，升降气缸3-1启动使升降抓手3-2上升一定高度；在两个装箱机械臂都成功吸取蔬菜包后，底盘电机2-5启动，使得四个装箱机械臂均转动旋转90°；此时第一装箱机械臂2-10、第三装箱机械臂2-12转动至待吸取蔬菜包的上方，开始执行吸取蔬菜包作业；而转动至箱子上方的(第二装箱机械臂2-11、第四装箱机械臂2-13)，则启动升降气缸3-1使升降抓手3-2向下移动至箱子内，然后吸盘7-1消除负压释放蔬菜包，将蔬菜包放入箱子内靠近机器人一端部位，接着升降气缸3-1使升降抓手3-2向上移动至合适位置，完成该层箱子近机器人端蔬菜的装箱；然后底盘电机2-5再启动使四个装箱机械臂又旋转90°；此时(第二装箱机械臂2-11、第四装箱机械臂2-13)再次处于待吸取蔬菜包的上方，再次执行与之前吸取蔬菜包相同的动作。而第一装箱机械臂2-10、第三装箱机械臂2-12则处于箱子上方，在此过程中，顶部电机6-1启动，通过联轴器6-2使齿轮传动轴6-4转动，从而带动齿轮6-5旋转、齿条2-9移动，使可调抓取滑板2-1、2-3向外移动，当所携带的蔬菜包移动到箱子内距离机器人较远端部位上方时，顶部电机6-1停止运动，两个装箱机械臂的升降抓手3-2执行下落、吸盘释放蔬菜包，将蔬菜包放入箱子内距离机器人较远一端部位，然后升降抓手再向上移动至合适位置，完成该层箱子远机器人端蔬菜列的装箱；最后顶部电机6-1反转，齿条2-9向内收缩，收缩至最初位置后顶部电机6-1停止运动；至此就完成了蔬菜装箱的第一层。后续的装箱也与之前的步骤一致，只是每装满一层，升降抓手3-2向下移动时每个循环需要减少一个蔬菜包的高度，以保证能够减小蔬菜包下落的损伤以及升降抓手对蔬菜的挤压损伤，不断循环此步骤就可以实现多种不同大小蔬菜包的高效以及低损伤装箱。

Claims (3)

1.面向蔬菜无人工厂的自适应逐层装箱机器人，包括控制器；其特征在于：该机器人还包括可绕竖直轴线转动的机器人臂柱(1-7)、由机器人臂柱携带且均匀分布在机器人臂柱周围的四个装箱机械臂以及位于每个装箱机械臂末端且配设有自适应调节结构的吸取组件(3-8)；

所述机器人臂柱下方配有驱使机器人臂柱绕竖直轴线旋转的底盘电机(2-5)，从而使四个装箱机械臂在不同位置进行吸取蔬菜与蔬菜装箱作业；

每个装箱机械臂下方都安装一个升降抓手(3-2)，升降抓手下方配有所述吸取组件以吸取蔬菜；

所述机器人臂柱的顶端固定有水平布置的十字形槽架，该十字形槽架由四个装箱机械臂连接形成；十字形槽架上均开设有开口朝上的滑槽，四个滑槽中一一定位着抓取滑板；四个抓取滑板中，两个为可水平移动的且移动方向相同的可调抓取滑板(2-1)，用于箱子内距离机器人较远端蔬菜的装箱；两个为可调节位置且调节移动方向相同的固定抓取滑板(2-2)，用于箱子内距离机器人较近端蔬菜的装箱；

两个可调抓取滑板由传动结构驱动；传动结构包括连接在十字形槽架中部的顶部电机(6-1)与齿轮传动轴(6-4)、固定在齿轮传动轴上的齿轮(6-5)以及定位在滑槽中且与所述齿轮啮合的齿条(2-9)，齿条还与一所述的可调抓取滑板连接；

两个装箱机械臂的侧壁上均开设有沿长度方向伸展的调节槽，螺栓横向穿越过该调节槽以及滑槽中的固定抓取滑板后再用螺母紧固；松开螺栓并移动螺栓在调节槽上的位置，即可实现固定抓取滑板在装箱机械臂上的位置调节；

每个装箱机械臂中，抓取滑板的末端连接有竖直往下伸展的小臂(3-11)，该小臂上设有竖直方向安装的升降气缸(3-1)，升降气缸的伸缩杆与升降抓手(3-2)连接，小臂上还设置有竖直布置且可供升降抓手上下移动的滑移槽；升降抓手上安装有竖直布置的调节气缸(3-3)，调节气缸的伸缩杆与抓手调节器(3-4)连接，升降抓手上还设有可供抓手调节器上下移动的滑动槽；

抓手调节器前后两边同时与四根球铰连杆(3-5)的一端连接，四根球铰连杆的另一端则分别通过球铰与抓取座上的四个抓手调节滑块(3-6)连接；

抓取座(3-9)固定在升降抓手的底端；四个抓手调节滑块(3-6)分别两个一组嵌入在抓取座上两个相互平行布置的滑动槽中，并且可分别沿着滑动槽中作相向或相背方向的滑动；四个抓手调节滑块的下方还分别一一固定连接着竖直布置的所述吸取组件；同一组的两个抓手调节滑块之间还分别连接一水平布置的剪叉组件(3-7)；剪叉组件中的较长杆中部的铰接轴(3-10)底端也各连接一竖直布置的吸盘桶；

所述吸取组件包括可运动地竖直穿插在吸盘桶(7-2)内的吸盘杆(7-1-1)以及位于吸盘桶内同时穿套在吸盘杆上的弹簧(7-3)；吸盘杆顶端还连通负压气源。

2.根据权利要求1所述的面向蔬菜无人工厂的自适应逐层装箱机器人，其特征在于：所述弹簧顶端与吸盘杆上的挡板(7-1-2)固定连接，弹簧底端与吸盘桶固定连接，从而形成所述的自适应调节结构。

3.根据权利要求2所述的面向蔬菜无人工厂的自适应逐层装箱机器人，其特征在于：所述控制器分别与各传感器、各气动开关以及各电机电连接。