CN116061149B - 一种杆状作物机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械手领域，具体公开了一种杆状作物机械手，包括作业装置、周向驱动装置、升降驱动装置和移动装置；所述作业装置包括机械手和作业机构；所述周向驱动装置包括支架、圆形导轨、移动小车和直线驱动机构，所述移动小车安装在多自由度机械手的底座上，且能够沿着所述圆形导轨做圆周运动；所述圆形导轨包括设置在支架上的第一弧形导轨、设置在第一弧形导轨两侧的第二弧形导轨以及用于驱动所述第二弧形导轨翻转至水平状态或竖直状态的翻转驱动机构；当两侧的第二弧形导轨转动至水平状态时，所述第一弧形导轨和两侧的第二弧形导轨拼接成圆形导轨。本发明的杆状作物机械手可以实现对长杆状作物进行360度作业，极大地提高了作业效率。

Description

一种杆状作物机械手

技术领域

本发明涉及机械手领域，具体涉及一种杆状作物机械手。

背景技术

在对杆状作物进行作业（例如剥叶、采摘等）时，由于杆状作物的枝干是围绕着其树干360度的方向生长的，因此在对杆状作物的其中一侧完成作业后，需要对杆状作物的其他侧进行作业，而传统的作业机械手在完成对杆状作物的其中一侧的作业后，需要在移动装置的带动下运动到杆状作物的其他位置，以便于对杆状作物的其他侧进行作业；而在上述过程中，作业机械手还需要重新升降到预定高度进行作业，这样均会花费大量时间，从而降低作业效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种杆状作物机械手，所述杆状作物机械手可以实现对长杆状作物进行360度作业，极大地提高了作业效率。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种杆状作物机械手，包括作业装置、用于驱动所述作业装置在长杆状作物的圆周方向做圆周运动的周向驱动装置、用于驱动所述周向驱动装置做升降运动的升降驱动装置以及用于驱动所述升降驱动装置移动的移动装置，其中，

所述作业装置包括机械手以及设置在所述机械手末端的作业机构；所述机械手为多自由度机械手；

所述周向驱动装置包括支架、设置在支架上的圆形导轨、设置在圆形导轨内的移动小车以及用于驱动所述支架做直线运动的直线驱动机构；所述移动小车安装在所述多自由度机械手的底座上，且能够沿着所述圆形导轨做圆周运动；所述圆形导轨包括设置在支架上的第一弧形导轨、设置在第一弧形导轨两侧的第二弧形导轨以及用于驱动所述第二弧形导轨翻转至水平状态或竖直状态的翻转驱动机构；当两侧的第二弧形导轨转动至水平状态时，所述第一弧形导轨和两侧的第二弧形导轨拼接成所述的圆形导轨；

所述升降驱动装置包括支撑架以及用于驱动所述支撑架做升降运动的升降驱动机构；所述直线驱动机构设置在所述支撑架上；所述升降驱动机构安装在所述移动装置上。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

本发明的杆状作物机械手在移动装置的带动下运动到待作业的作物处，然后直线驱动机构带动支架运动，使得两侧的第二弧形导轨分别位于作物的两侧，随后，翻转驱动机构带动两侧的第二弧形导轨从竖直状态转动至水平状态，使得两侧的第二弧形导轨与第一弧形导轨拼接成圆形导轨，而作物则位于所述圆形导轨内，接着升降驱动装置带动圆形导轨以及设置在圆形导轨内的作业装置做升降运动，而移动小车则带动多自由度机械手与作业机构在所述圆形导轨内绕着作物做360度运动；在此过程中，所述多自由度机械手带动作业机构运动，实现对作物进行作业；当完成对作物的前侧进行作业后，所述移动装置可以不需要运动，直接通过移动小车带动作业装置运动到作物的后侧，完成对作物的后侧进行作业。此外，本发明的杆状作物机械手可以实现对长杆状作物进行360度无死角作业，减少作业所花费的时间，极大地提高了作业效率。

附图说明

图1和图2为本发明的杆状作物机械手的两个不同视角的立体结构示意图（非工作状态）。

图3为本发明的杆状作物机械手的立体结构示意图（工作状态）。

图4为图3的主视图。

图5为移动装置和升降驱动装置的立体结构示意图。

图6为作业装置的立体结构示意图。

图7为移动小车的结构示意图。

图8-图10为所述移动装置的结构示意图，其中，图8和图9为两个不同视角的立体结构示意图，图10为主视图。

图11为液压调平回路的液压原理图。

图12为开启液压互联微调平模式的示意图。

图13为开启支脚运动调节模式的示意图。

图14为液压互联微调平模式的工作示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1-图14，本发明的杆状作物机械手包括作业装置、用于驱动所述作业装置在长杆状作物的圆周方向做圆周运动的周向驱动装置、用于驱动所述周向驱动装置做升降运动的升降驱动装置30以及用于驱动所述升降驱动装置30移动的移动装置。

参见图1-图14，所述作业装置包括机械手以及设置在所述机械手末端的作业机构27，其中，所述机械手为多自由度机械手28；所述作业机构27可以是采摘机构，也可以是剥叶机构，根据具体情况选择具体的作业模块。

参见图1-图14，所述周向驱动装置包括支架38、设置在支架38上的圆形导轨、设置在圆形导轨内的移动小车以及用于驱动所述支架38做直线运动的直线驱动机构33，其中，

所述移动小车安装在所述多自由度机械手28的底座上，且能够沿着所述圆形导轨做圆周运动；所述移动小车包括车架41、设置在车架41上的齿轮42以及用于驱动所述齿轮42转动的行走电机45，其中，所述圆形导轨的内侧设置有齿条37，所述齿条37沿着所述圆形导轨的延伸方向延伸，且与所述齿轮42配合；所述车架41安装在所述多自由度机械手28的底座上，所述行走电机45的主轴与所述齿轮42通过同步带传动机构44连接；此外，所述车架41的底部还设置有移动轮43，该车架41在与所述齿轮42相对的一侧设置有拐向轮46；通过行走电机45带动所述齿轮42转动，从而带动车架41在所述圆形导轨内运动，以此来带动作业装置绕着作物做360度运动；另外，所述移动轮43的设置可以减小车架41与所述圆形导轨底部的摩擦力，使得运动更加顺滑；而所述拐向轮46的设置，不仅可以协助所述车架41做圆周运动，而且还可以避免所述车架41发生径向位移，从而保证所述车架41上的齿轮42始终与所述圆形导轨内侧面的齿条37啮合；

所述圆形导轨包括设置在支架38上的第一弧形导轨29、设置在第一弧形导轨29两侧的第二弧形导轨31以及用于驱动所述第二弧形导轨31翻转至水平状态或竖直状态的翻转驱动机构；当两侧的第二弧形导轨31转动至水平状态时，所述第一弧形导轨29和两侧的第二弧形导轨31拼接成圆形导轨；其中，所述翻转驱动机构包括设置在所述支架38上的翻转电机36以及转轴35，其中，所述转轴35一端与所述翻转电机36的主轴连接，另一端则穿过所述支撑架32后通过第一转动块与所述第二弧形导轨31的末端连接；所述支撑架32上设置有用于避让所述转轴35的避让孔，使得所述转轴35可以在所述支撑架32上滑动；所述第二弧形导轨31的首端则通过第二转动块与所述转轴35连接；通过翻转电机36带动转轴35转动，从而带动安装在转轴35上的第一转动块和第二转动块转动，以此来带动第二弧形导轨31做翻转运动，使得第二弧形导轨31处于水平状态或竖直状态；

所述直线驱动机构33包括直线驱动电机以及带传动机构，其中，所述带传动机构中的主动带轮安装在所述支撑架32的首端，而所述带传动机构中的从动带轮则安装在所述支撑架32的末端，所述带传动机构中的同步带环绕在所述主动带轮和所述从动带轮上；所述支架38与所述同步带之间通过连接件连接；通过直线驱动电机带动主动带轮转动，从而带动从动带轮转动以及同步带运动，以此来带动支架38做直线运动，使得支架38上的第二弧形导轨31可以进入到作物的两侧，然后通过带动两组第二弧形导轨31翻转至水平状态，使得所述第一弧形导轨29和第二弧形导轨31组成圆形导轨；当完成作业后，两组第二弧形导轨31翻转至竖直状态，所述直线驱动机构33带动支架38复位，使得所述第二弧形导轨31从作物两侧退出；另外，所述直线驱动机构33还包括设置在支架38两侧的直线导向机构34，所述直线导向机构34包括设置在所述支撑架32上的导向杆以及设置在所述支架38上的与所述导向杆配合的导向孔，通过设置上述直线导向机构34，可以实现对支架38的直线运动进行导向，以此提高其运动精度；

通过上述设置，当需要对长杆状的作物进行作业时，本发明的杆状作物机械手在移动装置的带动下运动到待作业的作物处，然后直线驱动机构33带动所述支架38运动，使得两侧的第二弧形导轨31分别运动到作物的两侧，随后，所述翻转驱动机构带动两侧的第二弧形导轨31从竖直状态转动至水平状态，使得两侧的第二弧形导轨31与所述第一弧形导轨29拼接成圆形导轨，而作物则位于所述圆形导轨内，接着所述升降驱动装置30带动圆形导轨以及设置在圆形导轨内的作业装置做升降运动，而所述移动小车则带动多自由度机械手28与作业机构27在所述圆形导轨内绕着作物做360度运动，这样，所述多自由度机械手28带动作业机构27运动，使得所述作业机构27实现对作物进行作业；当完成前侧作业后，所述移动装置可以不需要运动，直接通过移动小车带动作业装置运动到作物的后侧，完成对作物后侧进行作业。当完成作业后，所述翻转驱动机构带动两侧第二弧形导轨31翻转至竖直状态，以便于所述第二弧形导轨31可以退出作物外，接着所述直线驱动机构33带动支架38复位。

参见图1-图14，所述升降驱动装置30包括支撑架32以及用于驱动所述支撑架32做升降运动的升降驱动机构，其中，所述直线驱动机构33设置在所述支撑架32上；所述升降驱动机构安装在所述移动装置上；在本实施例中，所述升降驱动机构包括平行四连杆机构39以及用于驱动所述平行四连杆机构39运动的驱动电机，其中，所述平行四连杆机构39设置在所述移动装置与所述支撑架32之间，所述驱动电机用于驱动所述平行四连杆机构39中的其中一侧连杆摆动；通过所述驱动电机带动所述平行四连杆机构39中的其中一侧的两根连杆摆动，从而带动支撑架32以及设置在支撑架32上的轴向驱动装置和作业装置做升降运动的同时做直线运动（即促使支撑架32向前运动），除上述实施方式外，所述升降驱动机构也可以采用直线电机或气缸驱动；另外，所述支撑架32的下端还设置有支撑座40，所述支撑座40为两组，分别位于所述支撑架32的前测和后侧，当所述升降驱动机构未驱动所述支撑架32升起时，所述支撑座40可以将所述支撑架32支撑在所述移动装置的车身上。

参见图8-图14，所述移动装置包括设置在车身上的多个调平支脚25、用于驱动所述调平支脚25转动以调节车身高度的调平驱动装置24和调平控制装置。

参见图8-图14，所述调平支脚25安装在车身与行走轮26之间，该调平支脚25的上侧转动连接在车身上，下端与所述行走轮26连接，用于充当行走轮26以及行走轮驱动电机的安装支架；所述调平驱动装置24包括调平油缸和液压调平回路，所述调平油缸安装在所述车身上，该调平油缸的活塞杆与所述调平支脚25连接，可用于驱动所述调平支脚25绕着该调平支脚25的转动点转动；以此来带调节车身的高度；

在本实施例中，所述调平支脚25为四个，四个调平支脚25设置在车身的左右两侧的前后两侧；对应的，所述调平油缸为四个，分别为左前调平油缸8、右前调平油缸9、左后调平油缸10、右后调平油缸11，其中，每个调平油缸均内设有无杆腔和有杆腔。

参见图8-图14，所述调平控制装置（即PLC控制器）包括检测模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和控制模块，其中，所述检测模块包括倾角传感器、压力传感器和位移传感器；所述倾角传感器用于检测车身倾角的角度信号；所述压力传感器用于检测所述液压调平回路中的压力信号；所述位移传感器用于检测所述调平支脚25的伸出和缩回时的位移信号；所述控制模块用于接收角度信号、压力信号和位移信号，并进行分析和处理，以此控制所述调平油缸的伸缩行程，其中，所述控制模块采用西门子S7-1200的CPU；本实施例中的调平控制装置可以精确地采集到车辆的倾斜信号，并且在调节时有压力和位移信号进行反馈修正，调平精度更高。

参见图8-图14，所述液压调平回路包括油箱1、液压泵2、溢流阀3、电液比例阀（4、5、6、7）、左前调平油缸8、右前调平油缸9、左后调平油缸10、右后调平油缸11、二位二通电磁阀（12、13、14、15、16、17、18、19）和蓄能器（20、21、22、23）；工作时，所述控制模块接收到倾角传感器传递的倾角信号后，与该控制模块内存储的倾角信号进行对比，判断车身是否处于水平状态；当车身处于非水平状态时，若控制模块判断车身倾角是否大于设定阀值，以此来选择开启液压互联微调平模式或者支脚运动调节模式，进而将车身保持在水平状态；其中，本实施例中的设定阀值为“车身倾角为3°”；采用上述的控制方式，在面对起伏不同的地面时，本发明的调平控制装置可以通过更加简洁、高效的方式进行调节，以此来减少调节难度，节约调节时间，提高调节效率。

在调平过程中，若是检测到的倾角＞3°时，则开启支脚运动调节模式，即液压调平回路中所有的电液比例阀开启，所有的二位二通电磁阀关闭，此时调平控制装置直接将控制信号传递给电液比例阀，以此来控制四个调平油缸的活塞杆的伸出和缩回，实现对车身的调平；PLC控制器做出决策的程序方法为最高点不动调平法，采用该方法后，本发明的调平控制装置直接控制调平油缸的活塞杆运动，以此实现对调平支脚25的转动角度进行调节，从而更加直接地实现车身的平衡调节，对于大角度的地形，车辆的适应性更强。其中，具体过程为：所述控制模块输出控制信号给电液比例阀（4、5、6、7）开启阀口，以此控制左前调平油缸8、右前调平油缸9、左后调平油缸10、右后调平油缸11运动，同时，所述控制模块输出控制信号，促使二位二通电磁阀（12、13、14、15、16、17、18、19）关闭阀口；

若是检测到的倾角≤3°时，则开启液压互联微调平模式，即液压调平回路中的电液比例阀全部关闭，二位二通电磁阀全部开启；此时四个调平油缸和四个蓄能器（20、21、22、23）形成闭合回路，通过蓄能器（20、21、22、23）储能和放能的方法完成调平，而采用这种方法后，在坡度≤3°的路面行驶时，本发明中的调平控制装置自主进行调节工作，以此减少本发明的调平控制装置的工作量，使得本发明的调平控制装置更加高效。其中，具体控制过程为：所述控制模块输出控制信号给电液比例阀（4、5、6、7）关闭阀口，不给左前调平油缸8、右前调平油缸9、左后调平油缸10、右后调平油缸11供油，同时，所述控制模块输出控制信号，促使二位二通电磁阀（12、13、14、15、16、17、18、19）开启阀口，以此连通左前调平油缸8、右前调平油缸9、左后调平油缸10、右后调平油缸11和蓄能器（20、21、22、23），开启调平。

参见图14，以下以具体案例对“液压互联微调平模式”进行说明：

左前调平油缸8的有杆腔与右后调平油缸11的无杆腔通过蓄能器20组成第一液压回路，左前调平油缸8的无杆腔与右后调平油缸11的有杆腔通过蓄能器21组成第二液压回路，右前调平油缸9的无杆腔与左后调平油缸10的有杆腔通过蓄能器22组成第三液压回路，右前调平油缸9的有杆腔与左后调平油缸10的无杆腔通过蓄能器23组成第四液压回路，当车身左侧倾时，左前调平油缸8、左后调平油缸10的无杆腔和右前调平油缸9、右后调平油缸11的有杆腔内的液压油流出，分别进入蓄能器21和蓄能器23内，同时形成有杆腔和无杆腔的压力差，蓄能器20和蓄能器22中的液压油流入左前调平油缸8、左后调平油缸10的有杆腔以及右前调平油缸9、右后调平油缸11的无杆腔内，这样就形成了车身左侧倾时，位于车身左侧的调平油缸有个抗侧倾的力，改善了车身行驶的稳定性。

参见图8-图14，当处于支脚运动调节模式时，所述控制模块做出决策的程序方法为最高点不动调平法；所述控制模块对传递来的倾角信号进行处理，确定四个调平支脚25中处于最高点的调平支脚25，接着该控制模块计算出其它三个调平支脚25到位于最高点的调平支脚25的位置误差，随后所述控制模块控制其他三个调平支脚25运动使之达到与位于最高点的调平支脚25平齐，使得车身达到水平状态，完成调平。

本发明中的调平装置反应快速，执行迅速；控制系统可以精确地采集到车辆的倾斜信号并且在调节时有压力和位移信号进行反馈修正，调平精度更高；面对起伏不同的地面，控制系统可以以更加简洁高效的方式进行调节，减少了调节难度，节约了调节时间，提高了调节效率；在≤3°的路面行驶时，液压互联微调平系统与整个调平系统隔离开来，自主进行调节工作，减少了控制系统的工作量，使控制系统更加高效；液压互联微调平系统通过自身的液压油运动就可以实现车身的角度调节，在节能的同时更加方便；控制系统直接控制调平支脚25进行调节，更加直接的实现车身的平衡调节，对于大角度的地形，车辆的适应性更强；调平支脚25可以从最低点伸长到最高点完成车身角度调节，使车辆在应对大角度地形时拥有更大的调节空间，可以适应更多的地形。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种杆状作物机械手，其特征在于，包括作业装置、用于驱动所述作业装置在长杆状作物的圆周方向做圆周运动的周向驱动装置、用于驱动所述周向驱动装置做升降运动的升降驱动装置以及用于驱动所述升降驱动装置移动的移动装置，其中，

所述作业装置包括机械手以及设置在所述机械手末端的作业机构；所述机械手为多自由度机械手；

所述周向驱动装置包括支架、设置在支架上的圆形导轨、设置在圆形导轨内的移动小车以及用于驱动所述支架做直线运动的直线驱动机构；所述移动小车安装在所述多自由度机械手的底座上，且能够沿着所述圆形导轨做圆周运动；所述圆形导轨包括设置在支架上的第一弧形导轨、设置在第一弧形导轨两侧的第二弧形导轨以及用于驱动所述第二弧形导轨翻转至水平状态或竖直状态的翻转驱动机构；当两侧的第二弧形导轨转动至水平状态时，所述第一弧形导轨和两侧的第二弧形导轨拼接成所述的圆形导轨；

所述升降驱动装置包括支撑架以及用于驱动所述支撑架做升降运动的升降驱动机构；所述直线驱动机构设置在所述支撑架上；所述升降驱动机构安装在所述移动装置上。

2.根据权利要求1所述的杆状作物机械手，其特征在于，所述翻转驱动机构包括设置在所述支架上的翻转电机和转轴，其中，所述转轴一端与所述翻转电机的主轴连接，另一端则穿过所述支撑架后通过第一转动块与所述第二弧形导轨的末端连接；所述支撑架上设置有用于避让所述转轴的避让孔；所述第二弧形导轨的首端则通过第二转动块与所述转轴连接。

3.根据权利要求2所述的杆状作物机械手，其特征在于，所述直线驱动机构包括直线驱动电机和带传动机构，其中，所述带传动机构中的主动带轮安装在所述支撑架的首端，而所述带传动机构中的从动带轮则安装在所述支撑架的末端，所述带传动机构中的同步带环绕在所述主动带轮和所述从动带轮上；所述支架与所述同步带之间通过连接件连接。

4.根据权利要求3所述的杆状作物机械手，其特征在于，所述直线驱动机构包括设置在支架两侧的直线导向机构，所述直线导向机构包括设置在所述支撑架上的导向杆以及设置在所述支架上的与所述导向杆配合的导向孔。

5.根据权利要求4所述的杆状作物机械手，其特征在于，所述升降驱动机构包括平行四连杆机构以及用于驱动所述平行四连杆机构运动的驱动电机，其中，所述平行四连杆机构设置在所述移动装置与所述支撑架之间，所述驱动电机用于驱动所述平行四连杆机构中的其中一侧连杆摆动。

6.根据权利要求5所述的杆状作物机械手，其特征在于，所述支撑架的下侧还设置有支撑座，所述支撑座为两组，分别位于所述支撑架的前测和后侧，用于对所述支撑架进行支撑。

7.根据权利要求6所述的杆状作物机械手，其特征在于，所述移动小车包括车架、设置在车架上的齿轮以及用于驱动所述齿轮转动的行走电机，其中，所述圆形导轨的内侧设置有齿条，所述齿条沿着所述圆形导轨的延伸方向延伸，且与所述齿轮配合；所述车架安装在所述多自由度机械手的底座上，所述行走电机的主轴与所述齿轮配合。

8.根据权利要求7所述的杆状作物机械手，其特征在于，所述车架的底部还设置有移动轮，该车架在与所述齿轮相对的一侧设置有拐向轮。

9.根据权利要求8所述的杆状作物机械手，其特征在于，所述移动装置包括车身、设置在车身上的行走装置以及用于对所述车身进行调平的调平装置，其中，所述行走装置包括行走轮和用于驱动所述行走轮转动的行走驱动机构；所述调平装置包括多个调平支脚、用于驱动所述调平支脚转动以调节车身高度的调平驱动装置以及调平控制装置；所述调平支脚安装在车身与行走轮之间，该调平支脚的上侧转动连接在所述车身上，下端与所述行走轮连接；所述调平驱动装置包括调平油缸和液压调平回路，所述调平油缸安装在所述车身上，该调平油缸的活塞杆与所述调平支脚连接，用于驱动所述调平支脚绕着其转动点转动。

10.根据权利要求9所述的杆状作物机械手，其特征在于，所述调平控制装置包括检测模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及控制模块，其中，所述检测模块包括倾角传感器、压力传感器和位移传感器；所述倾角传感器用于检测车身倾角的角度信号；所述压力传感器用于检测液压调平回路中的压力信号；所述位移传感器用于检测调平支脚的伸出和缩回时的位移信号；所述控制模块用于接收角度信号、压力信号、位移信号，并进行分析和处理，以此控制所述调平油缸的伸缩行程。

Images