CN213639132U - 一种智能橡胶收割机器人系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能橡胶收割机器人系统，包括移动平台和割胶机械臂；割胶机械臂安装在移动平台上，割胶机械臂专门针对割胶作业设计，割胶机械臂的末端搭载有一末端执行装置，末端执行装置由抱树固定装置和滑动割胶装置组成。本实用新型可完全无需人工介入的情况下自主进行割胶作业，极大的减少了人工投入，明显提高了割胶工作效率及时间经济转换效率；本实用新型为可移动系统能够独自在一整片橡胶林中工作，工作区域大，降低了每棵树平均投入成本。本实用新型对橡胶树的切割深度、割胶耗皮量、切割口平滑度等技术指标均满足传统割胶技术要求，具有较好的推广和使用价值。

Description

一种智能橡胶收割机器人系统

技术领域

本实用新型涉及橡胶的机器割胶技术领域，尤其涉及一种智能橡胶收割机器人系统领域。

背景技术

天然橡胶是众多橡胶产品的原材料，随着科学技术的不断发展天然橡胶产品凭借其优秀的回弹性、绝缘性、隔水性和可塑性在众多方面应用越来越广泛，成为了一种重要的工业资源，需求量非常巨大。但天然橡胶需要将橡胶树树皮进行有规则的切割，使得天然橡胶能从橡胶树树皮中的乳管流出，从而得到有效的收集天然橡胶，这一过程称为割胶。

割胶工作因为其技术要求高，需要精准的切割橡胶树表皮，不能过深也不能过浅，操作失误均会导致橡胶减产，所以目前以来绝大部分割胶工作均有经验丰富的工人进行。但是人工操作单人工作效率极慢，往往一片橡胶林需要投入大量的割胶工人，造成了人工成本过高，并且经验丰富的工人越来越少，橡胶产业的割胶工人的需求量和供给量之间差值越来越大。割胶的最佳时间为凌晨三点左右，采用人工割胶对人体也是一种极大的负担，所以急需一种能够代替人工割胶的方法。

近年来，随着科学技术的进步，众多农业向着自动化、智能化的方向发展。农业机器人代替人工越来越常见，而割胶工作并没有太多的改变，出现了一些手持式割胶刀具，操作式割胶机器，但并没有解决割胶工作投入人工成本过多的问题。开发一种智能橡胶收割机器人系统系统能够有效的解决这一问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的根本问题，就是提供一种能够在橡胶林中全自动进行割胶的智能机器人系统。具体问题可分为以下几点：

(1)割胶机器人人在林间的移动问题，包括整体机器人移动的稳定性和到达工作地点的准确性。

(2)到达工作地点后能够准确地将割胶刀放在需要割胶的位置。

(3)割胶过程中会产生反作用力和震动，需要克服。

(4)橡胶树每棵树木的粗细，高度不同需要机器人具有一定的自适应能力。

(5)割胶轨迹为一倾斜圆弧形，机器人最终产生的割胶痕迹需满足

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型的整体方案为，一种智能橡胶收割机器人系统，包括移动平台和割胶机械臂；割胶机械臂安装在移动平台上，割胶机械臂专门针对割胶作业设计，割胶机械臂的末端搭载有一末端执行装置，末端执行装置由抱树固定装置和滑动割胶装置组成。

移动平台为履带式移动方式，能够适应橡胶林复杂地面环境，采用前后轮同时驱动车身运动保证在凹凸地面得到稳定驱动力，并且有减震轮组使得履带能够尽量贴合地面，使得具有更好的运行稳定性，同时安装有数个减震器，所述减震器一方面可以减小割胶机器人运行中产生的颠簸震动，另一方面可以减小在割胶过程中传递到车身时的工作震动，以上所述的目的均是为整个机器人系统提供稳定工作平台。

移动平台上搭载有GPS定位导航系统，能够进选准确定位，根据待割胶的橡胶树位置信息及周围环境信息完成自主导航功能，帮助机器人准确到达工作地点。并且车身处搭载有专门为割胶专门设计的割胶机械臂外，也可搭载其他相关工具。

其中，割胶机械臂为满足割胶作业工作空间要求采用四自由度结构。所述割胶机械臂安装于移动平台上的电动旋转台，割胶机械臂整体结构为由一垂直和一水平两个滑动模组组成。所述割胶机械臂含有四个自由度，包括：一个整体旋转自由度，根据割胶地点位置与橡胶树切口位置之间的位置关系调整割胶机械臂的朝向，使得割胶机械臂能够正对橡胶树切口；一个垂直伸缩自由度，根据橡胶树切口位置高度不同调整割胶机械臂高度，使得割胶机械臂能够满足不同的高度要求；一个水平伸缩自由度，根据割胶机械臂与橡胶树切口位置距离关系调整长度，使得末端执行机构刚好处于切口位置；一个末端旋转自由度，根据橡胶树不同的生长方向及树干状态调整割胶执行机构的姿态，使得末端执行机构能够对树干进行固定及对切口位置的对准。并且在割胶机械臂的关节处安装有减震器能够有效的减小割胶作业时产生的震动，对机械臂和机器人整体都能提供有效的安全保护。

因割胶作业时反作用力较大，为保证割胶作业顺利进行，本实用新型专门设计一种抱树固定机构用于固定。抱树固定装置安装于割胶机械臂的末端，作为末端执行装置，所述抱树固定机构整体设计为上下两个相同带有缺口的圆弧固定件，该缺口大于橡胶树直径，让树干进入圆弧固定件内进行固定。在缺口处安装有导向轮，因在野外进行工作可能会产生误差，导向轮可以帮助更好的让树干进去圆弧固定件内部，并且可以防止以为较大误差产生的机械性损伤。一个圆弧固定件上安装有四个固定模块，该固定模块均可以沿圆弧固定件直径方向伸缩，直至触碰到树干并实现固定作用后停止伸缩，从而实现稳定的固定效果。为保证割胶效果，树干圆心与圆弧固定件圆心需要尽可能重合，故同一圆弧固定件上的四个固定模块均由同步带连接，使得各固定模块伸缩长度相同。所述圆弧固定件内部有一圆弧型导轨，导轨内为齿轮圈，用于安装滑动割胶装置，并给其提供圆弧形路径。

其中，滑动割胶装置上下由齿轮分别和上下圆弧固定件内部内齿圈啮合，可以由电机带动齿轮使得滑动的胶装置沿着圆弧固定件内部的圆弧型导轨做水平圆弧运动，并且滑动割胶装置上的割胶刀头由电机驱动上下运动。上述两种不同的运动形式同时运动在空间中一倾斜的圆弧形轨迹，与割胶割痕相一致，故可进行割胶作业。但不同割胶痕迹斜率不同，需保证割胶刀头的方向与割胶痕迹方向相同，所以可以对割胶刀头方向进行调整。

本实用新型工作时，具体过程如下：

1、自主导航：根据定位系统得到移动平台自身位置信息，通过图像处理系统识别橡胶树并得到其位置信息，根据两者位置关系，移动平台自主移动到合适的工作地点。

2、机械臂控制：先根据切口高度调整前臂高度，再根据橡胶树方向调整机械臂整体朝向，然后根据橡胶树距离调整水平距离，最后根据树干姿态调整执行末端的姿态以保证柏树固定装置能有将树干进行固定。

3、切割准备工作：将割胶刀放置于割胶起始点位置。确定割胶痕迹斜率，调整割胶刀头方向。

4、切割树皮：上述工作完成后开始割胶，驱动滑动割胶装置沿圆弧固定件轨迹和上下轨迹同时运动，实现割胶。

5、上述步骤完成后打开固定机构，重复以上步骤。

本实用新型与现有的替代人工割胶技术相比，可以取得如下有益效果：

本实用新型与人工手持式割胶机器相比，本实用新型可完全无需人工介入的情况下自主进行割胶作业，极大的减少了人工投入，明显提高了割胶工作效率及时间经济转换效率；与抱树安装式割胶机器相比，抱树安装式割胶机器每棵树安装一个机器，整体投入过高，本实用新型为可移动系统能够独自在一整片橡胶林中工作，工作区域大，降低了每棵树平均投入成本。并且本实用新型所述割胶执行机构对橡胶树的切割深度、割胶耗皮量、切割口平滑度等技术指标均满足传统割胶技术要求。综上所述本实用新型具有较好的推广和使用价值。

附图说明

图1为全自动智能割胶机器人整体系统机构示意图

图2为全自动割胶机器人履带式移动底盘机构示意图

图3为全自动割胶机器人割胶机械臂机构示意图

图4为全自动割胶机器人抱树固定装置机构示意图

图5为全自动割胶机器人滑动割胶装置机构示意图

图1中，1-履带式移动平台，2-割胶机械臂，3-抱树固定装置，4-滑动割胶装置。

图2中，5-履带，6-后驱动轮，7前驱动轮，8、第一导向轮，9-第二导向轮，10、第一减震轮，11-第二减震轮，12-车身，13、第一减震器，14、第二减震器，15-第三减震器，16-电动旋转台。

图3中，16-电动旋转台，17、第一步进电机，21、第二步进电机，24-第三步进电机，18-连接板，19-竖直滑动模组，20-滑动连接件，22-水平滑动模组，23、第四减震器，25-第五减震器。

图4中，26-连接件，27-圆弧固定件，28、第一固定模块，29、第二固定模块，30、第三固定模块，31-第四固定模块，301-压紧块，302球头，303丝杆带轮，304-第一丝杆，32、第一带轮，33、第二带轮，34-第三带轮，35、第一同步带，36、第二同步带，37-第三同步带，38-导向轮，39-内齿圈

图5中，40、第四步进电机，41、第五步进电机，42-第六步进电机，43-齿轮，44手动调节握把，45-割胶刀头，46-第二丝杆

具体实施方式

首先结合附图和实施方式对本实用新型做进一步说明。

装置实施例：参照图1，图2，图3，图4，图5。首先介绍整理构造。本实用新型为全自动割胶机器人系统，该系统主要包括：履带式移动平台1，为一个具有履带结构的可移动平台并具有一定减震能力，主要负责搭载相关器械、进行橡胶林间的移动、为割胶工作提供稳定平台等；割胶机械臂2与位于履带式移动平台1上的电动旋转台16通过连接板18进行连接，其结构为一个四自由度机械臂，具有竖直旋转与伸缩，水平旋转与伸缩四个自由度，能够满足割胶作业的工作空间要求。抱树固定装置3通过连接件26安装于割胶机械臂末端，其作用为将橡胶树固定于抱树固定装置内部，保证割胶作业时的震动尽可能减小，为割胶提供稳定工作环境，提高精确度；滑动割胶装置4，整体结构为有多个电机构成的安装有割胶刀头的装置。其主要在完成准备工作后完成割胶作业，保证割胶痕迹符合工艺要求。通过在第六步进电机42上的齿轮43与抱树固定装置上的出轮带39啮合，使其能够安装在抱树固定装置上并能按照齿轮带39轨迹运动。

以上所述为各个大部分装置主要作用及实施方式，下面结合各部分附图和实施方式对本实用新型细节做进一步说明

参照图2，履带式移动平台1为具有履带式移动方式的移动平台，驱动方式为四轮驱动，同时具有一定的减震能力，使得割胶机器人可以适应不同的崎岖路况。

具体工作细节和机械结构如下：前驱动轮7和后驱动轮6共同驱动履带5转动，从而带动车身12运动。前后轮驱动能够有效地确保割胶机器人在林间具有充足驱动动力，保证整体稳定运行。第一导向轮8和第二导向轮9在履带5的带动下转动，保证整体履带5转动流畅，同时也保证履带5被张紧，使履带5的转动过程更加稳定；后驱动轮6的转轴上装有第一减震器13，前驱动轮7的转轴上装有第三减震器15，能够有效减小因驱动产生的震动；车身12上还装有第一减震轮组10和第二减震轮组11，第二减震器14安装在第一减震轮组10和第二减震轮组12之间，第一减震轮组10和第二减震轮组12与第二减震器14共同构成一个具有良好减震性能的减震结构，能够使履带5紧密贴合地面，同时可以减小因路面颠簸产生的震动。以上所述目的均为保证割胶机器人在林间能够稳定运行。三个减震器在进行割胶作业时也可以一定程度上减小割胶过程中产生的震动。车身12内部装有GPS定位系统可进行对树木的大体标定和自身位置标定，同时内部控制器根据两者位置信息对履带式移动平台1进行控制，使得机器人能够达到指定工作位置。

进一步的，车身12上安装有电动旋转台16，电动旋转台16与割胶机械臂2相连，使割胶机械臂2具有整体旋转自由度。

参照图3，割胶机器人到达目标树木后，收集树木的割痕精确信息，如树木倾斜程度、割痕起始位置、割痕终止为止、割痕倾斜程度等，根据上述信息调节割胶机械臂2，割胶机械臂与电动旋转台16通过连接板18进行割胶机械臂2与位于履带式移动平台1上的电动旋转台16通过连接板10进行连接，使其安装与履带式移动平台之上。割胶机械臂整体结构为一个四自由度机械臂，四个自由度分别为竖直升降自由度，竖直旋转自由度，水平前后自由度，水平旋转自由度。能够满足割胶工作的工作空间要求。

具体工作细节和机械结构如下：割胶机械臂2具体工作为调节自身各自由度使得末端执行装置能够到达指定位置。割胶机械臂2通过连接板18固定于电动旋转台16上，电动旋转台16进行旋转可带动割胶机械臂2整体旋转，使机械臂具有一个整体旋转自由度，可以调节割胶机械臂2正对割胶位置。进一步的，电动旋转台16通过第一步进电机17与竖直滑动模组18连接，步进电机17转动带动竖直滑动模组18内的丝杆转动，使得安装在竖直滑动模组18上的滑动连接件20能够沿竖直方向运动，使得割胶机械臂2具有一个竖直升降的自由度，能够调节末端执行装置与割胶位置同一高度；第二步进电机21安装于滑动连接件20上，电机末端连接水平滑动模组22，使得水平滑动模组22能够进行水平伸缩运动，使得割胶机械臂2具有一个水平伸缩自由度，能够调节末端执行装置与割胶位置之间的距离；水平滑动模组22末端安装有第三步进电机24，所述第三步进电机24末端安装抱树固定装置3，第三步进电机24能够带动抱树固定装置3旋转，即在末端有一水平旋转自由度，能够使抱树固定装置3适应不同生长方向的橡胶树干。并且在步进电机17与竖直滑动模块18连接处安装有第四减震器23，在水平滑动模组22与第三步进电机24连接处安装有第五减震器25，所述第四减震器23和第五减震器25能够有效地减小在割胶过程中产生的震动对机械臂和整体机器人的影响。

参照图4，抱树固定装置3通过连接件26与图2中第三步进电机24末端相连，即抱树固定装置作为末端执行机构。抱树机构整体为由上下两个圆弧固定件27构成的圆柱体机构。其作用是将橡胶树干稳定固定于抱树固定装置内部，提供稳定的工作环境，减小割胶产生的震动。

抱树固定装置上下对称机构，工作步骤一致，故在此只以上半部分为例说明其主要作用及实施方式，所述抱树固定装置3、主体为上下两个相同带有缺口的圆弧固定件27，圆弧固定件27的缺口大于橡胶树直径，确保能够对所有橡胶树起到固定作用。现以上半部分圆弧固定件27为例，在圆弧固定件27缺口处安装有导向轮38，因在信息收集和机械臂控制过重会产生一定误差，导向轮38能够在存在一定误差的情况下让树干进入圆弧固定件27内部，从而防止因为较大误差产生的机械性损伤，也可以有效保护树木树表，保证割胶效果。树干进入抱树固定装置3后平均分布于圆弧固定件27上的四个固定模块(28、29、30、31)同时向内部运动，直至触碰到树干并实现固定作用后停止伸缩，从而实现稳定的固定效果。以第三固定模块30为例，固定模块30的具体机构及其作用分别为：压紧块301，其直接与树干接触其固定压紧作用，其通过一球头302与丝杆304连接，使得压紧块301具有一定范围内的球面自由度，适应橡胶树树干的不同表面，丝杆304使得压紧块301可伸缩运动，丝杆304上有丝杆带轮303，丝杆带轮303通过第二同步带36与其他带轮连接，从而保证所有固定模块伸缩程度相同。全部四个固定模块具体工作流程为。第一带轮32由电机驱动，通过第一同步带35分别与第一固定模块28、第二固定模块29上的丝杆带轮连接；第一固定模块28上的丝杆带轮通过第三同步带37绕过过第三带轮34与第四固定模块31上的丝杆带轮连接；第二固定模块29上的丝杆带轮通过第二同步带36绕过过第二带轮33与第三固定模块30上的丝杆带轮连接。即可保证各固定模块上的丝杆带轮旋转速度相同从而使得同一时间内各固定模块的伸缩长度相同。以上步骤的根本目的是为了使得树干圆心与圆弧固定件27圆心重合，只有两圆心重合时能够实现最好的割胶效果，即保证在树干表面各处的割胶痕迹深浅相同。进一步的，在圆弧固定件27内部有一个圆弧形导轨，导轨上有一圈内齿圈39。用于安装滑动割胶装置4，并使其可进行圆弧运行。

参照图5，滑动割胶装置4，由多个电机组成，多个电机协同运作可现实符合割胶作业的运动轨迹，且滑动割胶装置安装有割胶刀头能够实现割胶效果。

具体工作细节和机械结构如下：滑动割胶装置通过齿轮43与内齿圈39啮合安装于抱树固定装置上，步进电机42带动齿轮43转动，齿轮43与与内齿圈39啮合形成传动，能够使得滑动割胶装置4整体可沿着内齿圈39轨迹做圆弧运动，同时步进电机41通过驱动丝杆46能够使得步进电机40做竖直方向上下运动。割胶刀45安装于步进电机40末端。能够使割胶45同时做圆弧形运动和竖直上下运动。因为圆弧形运动轨迹和上下方向运动轨迹同时进行，由于运动方向的叠加可使割胶刀45在空间中沿着一倾斜圆弧形轨迹运动，该倾斜圆弧形轨迹于割胶痕迹符合，即该运动轨迹可用于割胶作业。进一步的，步进电机40可带动45转动使得割胶刀45刀口可以调节，使刀口方向与割胶刀45前进方向相同，从而顺利完成割胶工作。同一片橡胶林中的割胶痕迹基本相容，所以为保证精准度，步进电机40只能进行小范围调节刀口方向，当换工作橡胶林导致割胶痕迹改变并且刀口方向需要调节较大角度时，可以手动调节握把44调节。

结合上述各部分描述，本实用新型工作时，具体工作过程如下：

1、移动平台移动阶段：根据定位系统得到移动平台自身位置信息，通过图像处理系统识别橡胶树并得到其位置信息，根据两者位置关系，移动平台自主找到到合适的工作地点。移动过程中履带式移动平台1及各减震机构保证运行过程平稳。

2、机械臂控制阶段：移动平台到达指定工作位置后，采集割胶痕迹相关信息后，对割胶机械臂2进行控制，将末端执行装置即抱树固定装置3送至合适的工作位置。先根据橡胶树割痕方向控制电动旋转台16转动，使机械臂面向正确方向；再根据橡胶树割痕高度控制第一步进电机17转动，带动竖直滑动模组19上的滑动连接件20能够沿竖直方向运动，使抱树固定装置3与橡胶割痕高度一致。再根据割胶痕迹与末端距离信息控制第二步进电机21转动，使水平滑动模组22水平伸缩，使橡胶树干进入抱树固定装置3内部；最后根据树干生长方向信息控制第三步进电机24，使抱树固定装置3与树干相适应。

3、抱树固定阶段：树干进入抱树固定装置3后，将树干与抱树固定装置3进行固定，平均分布于圆弧固定件27上的四个固定模块(28、29、30、32)同时向内部运动直至抱树固定机构3稳定固定于树干上停止运行。

4、割胶准备阶段：确定割胶痕迹起始位置，将割胶刀45放置于割胶起始位置。确定割胶痕迹斜率，调整割胶刀头45方向。

4、切割树皮阶段：上述工作完成后开始割胶，驱动滑动割胶装置4沿圆弧固定件轨迹和上下轨迹同时运动，实现割胶。

5、上述步骤完成后打开固定机构，重复以上步骤。

Claims (7)

1.一种智能橡胶收割机器人系统，其特征在于：包括移动平台和割胶机械臂；割胶机械臂安装在移动平台上，割胶机械臂专门针对割胶作业设计，割胶机械臂的末端搭载有一末端执行装置，末端执行装置由抱树固定装置和滑动割胶装置组成；

割胶机械臂采用四自由度结构；所述割胶机械臂安装于移动平台上的电动旋转台，割胶机械臂整体结构为由一垂直和一水平两个滑动模组组成；所述割胶机械臂含有四个自由度，包括：一个整体旋转自由度，一个垂直伸缩自由度，一个水平伸缩自由度和一个末端旋转自由度；移动平台为履带式移动方式，移动平台上安装有数个减震器。

2.根据权利要求1所述的一种智能橡胶收割机器人系统，其特征在于：移动平台上搭载有定位导航系统。

3.根据权利要求1所述的一种智能橡胶收割机器人系统，其特征在于：抱树固定装置安装于割胶机械臂的末端，作为末端执行装置，所述抱树固定装置整体设计为上下两个相同带有缺口的圆弧固定件，该缺口大于橡胶树直径，且在缺口处安装有导向轮；每个圆弧固定件上安装有四个固定模块，该固定模块能够沿圆弧固定件直径方向伸缩；每个圆弧固定件上的四个固定模块均由同步带连接，使得各固定模块伸缩长度相同；所述圆弧固定件内部有一圆弧型导轨，导轨内为齿轮圈，用于安装滑动割胶装置，并给其提供圆弧形路径。

4.根据权利要求1所述的一种智能橡胶收割机器人系统，其特征在于：滑动割胶装置上下由齿轮分别和上下圆弧固定件内部内齿圈啮合，由电机带动齿轮使得滑动割胶装置沿着圆弧固定件内部的圆弧型导轨做水平圆弧运动，并且滑动割胶装置上的割胶刀头由电机驱动做上下运动。

5.根据权利要求4所述的一种智能橡胶收割机器人系统，其特征在于：水平圆弧运动和上下运动两种不同的运动形式同时运动在空间中一倾斜的圆弧形轨迹。

6.根据权利要求1所述的一种智能橡胶收割机器人系统，其特征在于：割胶机械臂先根据切口高度调整前臂高度，再根据橡胶树方向调整割胶机械臂整体朝向，然后根据橡胶树距离调整水平距离，最后根据树干姿态调整执行末端的姿态以保证抱树固定装置能有将树干进行固定。

7.根据权利要求4所述的一种智能橡胶收割机器人系统，其特征在于：将割胶刀头放置于割胶起始点位置，确定割胶痕迹斜率，调整割胶刀头方向。

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