專利名稱：自動夾持末端執行器的制作方法
技術領域：
本發明涉及農業裝備技術領域，特別是涉及一種自動夾持末端執行器。
背景技術：
隨著生活水平的提升，居民花卉消費穩步增長，2006年我國花卉種植面積已達1083萬畝，約占世界花卉總種植面積的1/3，全國花卉銷售額達556. 6億元，出口額約6. I億美元，花卉產業具有廣闊的市場前景和深遠的發展潛力。然而由于我國現有花卉生產設備配套不完善，勞動投入以人工為主，作業效率低，勞動強度大，不利于發展規模化花卉生產模式，因此目前與花卉產業發達國家相比仍有較大差距，其中在盆栽花卉種苗生產過程中移栽環節表現尤為突出。目前盆栽花卉中主要以一年生草本科花壇花卉需求最大，其廣泛應用于城市綠化和節日慶典裝飾。由于多數盆栽花卉使用周期短、需求數量大的特點，其 種苗由播種穴盤向花盆移栽所需勞動成本高，亟待研發自動化種苗移栽機械，實現花卉種苗移栽自動化。由于花卉幼苗形狀特征各異，子葉方向隨機分布，夾持手爪操作幼苗過程中需防止對子葉和莖桿造成損傷。同時還需保證移栽釋放幼苗時，手爪與幼苗能有效快速分離。因此幼苗夾持手爪在移栽過程中可靠無損夾持是智能移栽機關鍵技術之一。1986年Hwang等人研制的辣椒苗幼苗栽植機，通過具有柔性墊片的夾持手爪直接夾持幼苗莖桿進行移栽(Hwang, H. and RE. Sistler. A robotic pepper transplanter [J] AppliedEngineering in Agriculture, 1986. 2 (I) :2_5)。1994 年美國 Kutz 等人研制的張合式幼苗移栽夾持手爪，由氣動手爪、光電傳感器以及注水噴嘴構成，通過夾持幼苗根部基質移動幼苗，手指上方安裝壓力水流噴嘴向幼苗根部噴水，有利于幼苗從手爪脫落，同時可以清洗夾持手指(L. J.Kutz, J. B. Craven. Evaluation of photoelectric sensors for robotictransplanting[J]. Applied Engineering in Agriculture,1994,10(I) :115-122)。1996年美國K. C. Ting等人研制了伸縮式幼苗移栽夾持手爪，套筒內可伸縮的針形手指插入至幼苗根部基質進行夾持，手指縮回則完成幼苗釋放，克服了張合式手指不容易與幼苗脫落的缺點(Y. Yang, K. C. Ting, G. A. Giacomelli. Factors affecting performance ofsliding-needles gripper during robotic transplanting of seedlings[J]. AmericanSociety of Agricultural Engineers, 1991, 7 (4) :493-499)。國內沈陽農業大學邱立春等人發明的幼苗移栽機械手也采用伸縮式針形手指夾持幼苗根部，垂直伸縮氣缸通過仿形套筒約束手指向內夾持軌跡，從而向幼苗根部施加夾持力。目前對于移栽機末端手爪研究多集中應用于高度較小的穴盤缽苗，對于花卉幼苗移栽使用仍有不足之處。首先采用對幼苗莖部夾持的方式，容易夾傷莖桿，損壞幼苗；第二，張合擺動式手指夾持幼苗后，由于根部基質與手指容易粘連，二者不能快速分離，影響移栽可靠性；第三，采用仿形套筒式伸縮手指夾持幼苗，夾持操作缺乏驅動源，存在夾持力度不夠，幼苗容易脫落，同時仿形套筒加工一次成型，手爪張開幅度不可調節，對于不同根部大小的缽苗適應性較差。

發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是提供一種針對花卉幼苗自動進行盆栽作業設備所需的操作手爪，通過優化設計夾持手指驅動結構和運動方式，可對不同個體大小的幼苗進行操作，采用有源動力主動夾持缽苗根部，保證可靠有效夾持力度，同時需要防止手指與幼苗根部粘連，實現有效分離。( 二)技術方案為了解決上述技術問題，本發明提供一種自動夾持末端執行器，其包括用于夾持和釋放被夾持物的夾持單元，以及分別與所述夾持單元相連的伸縮驅動單元和夾持驅動單元；所述伸縮驅動單元用于驅動所述夾持單元伸縮，以靠近或遠離被夾持物；所述夾持驅動單元用于驅動所述夾持單元開合，以夾持或釋放被夾持物。其中，所述夾持單元包括多個均勻分布的夾持手指，每個夾持手指對應連接一個 伸縮驅動單元。其中，每個所述伸縮驅動單元包括與所述夾持手指剛性相連的伸縮驅動氣缸，所述伸縮驅動氣缸帶動所述夾持手指伸縮。其中，所述夾持驅動單元包括夾持驅動氣缸、與所述夾持驅動氣缸相連的伸縮驅動塊、以及與所述伸縮驅動塊相連的手指擺動牽引模塊；所述手指擺動牽引模塊的數量與所述夾持手指的數量相同，每個手指擺動牽引模塊的一端連接所述伸縮驅動塊，另一端對應連接一個所述夾持手指。其中，所述夾持驅動氣缸安裝在氣缸固定塊上，所述夾持驅動氣缸的活塞軸穿過所述氣缸固定塊與所述伸縮驅動塊相連。其中，所述氣缸固定塊上設置有與所述夾持手指數量相同的鉸鏈支撐座，所述伸縮驅動氣缸與所述鉸鏈支撐座相鉸接。其中，所述夾持手指一端安裝在手指固定端頭上，所述手指固定端頭與所述伸縮驅動氣缸的活塞軸相連。其中，所述伸縮驅動單元還包括回縮擋桿，所述回縮擋桿固定安裝在所述伸縮驅動氣缸一端，隨所述伸縮驅動氣缸擺動。其中，每個所述手指擺動牽引模塊包括垂直固定在所述伸縮驅動塊上的連桿固定塊，與所述連桿固定塊相鉸接的第二連桿，以及固定在所述伸縮驅動氣缸一端且與所述第二連桿相鉸接的手指連接件。其中，所述手指連接件為弧形，其一端固定在所述第一橫桿上，其另一端與所述第二連桿的一端相鉸接，所述第二連桿的另一端與所述連桿固定塊相鉸接。(三)有益效果上述技術方案所提供的自動夾持末端執行器，可以應用于花卉蔬菜幼苗等自動移栽設備，其可以插入幼苗根部基質，對根部進行可靠夾持，并且可以與幼苗進行快速分離釋放，從而有助于實現幼苗的高效自動化作業；其結構緊湊，制造成本低，運行可靠，具有良好的通用性，容易實現自動控制，具有良好的推廣應用前景；對于保證幼苗無損高效夾持、提高自動化幼苗移栽機作業效率和可靠性具有重要意義。


圖I是本發明實施例的自動夾持末端執行器的整體結構示意圖；圖2是圖I中自動夾持末端執行器處于幼苗夾持狀態的結構示意圖；圖3是圖I中自動夾持末端執行器處于幼苗釋放狀態的結構示意圖。其中，I :鉸鏈支撐座；2 :第一銷軸；3 :伸縮驅動氣缸；4 :伸縮驅動塊；5 :手指固定端頭；6 :回縮擋桿；7 :夾持手指；8 :幼苗；9 :手指連接件；10 :弟_■銷軸；11 :連桿固定塊；12 :第三銷軸；13 :第二連桿；14 :氣缸固定塊；15 :夾持驅動氣缸。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。圖I示出了本實施例的自動夾持末端執行器的整體結構示意圖，圖2是本實施例自動夾持末端執行器處于幼苗夾持狀態的結構示意圖，圖3是本實施例自動夾持末端執行器處于幼苗釋放狀態的結構示意圖。參照圖示，本實施例的自動夾持末端執行器包括用于夾持和釋放被夾持物的夾持單元，以及分別與所述夾持單元相連的伸縮驅動單元和夾持驅動單元；所述伸縮驅動單元用于驅動所述夾持單元伸縮，以靠近或遠離被夾持物；所述夾持驅動單元用于驅動所述夾持單元開合，以夾持或釋放被夾持物。具體地，所述夾持單元包括多個均勻分布的夾持手指7，每個夾持手指7對應連接一個伸縮驅動單元，圖I中的自動夾持末端執行器示出了四個均勻分布的夾持手指7以及與其相匹配的伸縮驅動單元；圖2和圖3中為了更清晰地示出自動夾持末端執行器的結構，隱去其中對稱的兩個夾持手指7及其對應的驅動單元機構。每個所述伸縮驅動單元與夾持驅動單元相關聯設置，具體參照圖2和圖3所示，每個伸縮驅動單元包括與與所述夾持手指7剛性相連的伸縮驅動氣缸3，由所述伸縮驅動氣缸3帶動所述夾持手指7伸縮，從而實現夾持手指7插入被夾持物內部或從中拔出。本實施例中，為方便描述，定義靠近被夾持物的方位為“前”，相反的方位為“后”。由此，夾持手指7的后端安裝在手指固定端頭5上，通過手指固定端頭5與伸縮驅動氣缸3的活塞軸相連，通過伸縮驅動氣缸3活塞軸的伸縮驅動夾持手指7朝向被夾持物伸長和縮短。本實施例中夾持驅動單元包括夾持驅動氣缸15、與所述夾持驅動氣缸15相連的伸縮驅動塊4、以及與所述伸縮驅動塊4相連的手指擺動牽引模塊；所述手指擺動牽引模塊的數量與所述夾持手指7的數量相同，每個手指擺動牽引模塊的一端連接所述伸縮驅動塊4，另一端對應連接Iv所述夾持手指7，通過夾持驅動單兀的驅動實現夾持手指7對被夾持物的夾持和釋放，即夾持驅動單元驅動夾持手指7擺動夾持，實現多個夾持手指7收攏以夾緊被夾持物，或者多個夾持手指7散開以釋放被夾持物。為了將伸縮驅動單元和夾持驅動單元的結構簡化設置，本實施例設置了氣缸固定塊14，所述夾持驅動氣缸15安裝在氣缸固定塊上，所述夾持驅動氣缸15的活塞軸穿過所述氣缸固定塊14與所述伸縮驅動塊4相連；同時，在所述氣缸固定塊14上設置有與所述夾持手指7數量相同的鉸鏈支撐座1，所述伸縮驅動氣缸3與所述鉸鏈支撐座I相鉸接，具體可采用如圖所示第一銷軸2實現伸縮驅動氣缸3與鉸鏈支撐座I之間的鉸接。
為了實現對夾持手指7的伸縮限位，本實施例的伸縮驅動單元還設置有回縮擋桿6，所述回縮擋桿6固定安裝在所述伸縮驅動氣缸3 —端，隨所述伸縮驅動氣缸3擺動，其具體包括垂直于所述伸縮驅動氣缸3活塞軸且固定在所述伸縮驅動氣缸3前端的第一橫桿(圖中未標示)，垂直于所述夾持手指7且開設有通孔供所述夾持手指7穿過的第二橫桿(圖中未標示)，以及連接所述第一橫桿和第二橫桿且與所述夾持手指7并行的第一連桿(圖中未標不)。第一橫桿固定在所述伸縮驅動氣缸3前端,所述伸縮驅動氣缸3活塞軸從其中心穿過，第一橫桿不隨伸縮驅動氣缸3活塞軸的伸長或收縮而變化；第二橫桿能夠對夾持手指7進行約束，實現對夾持手指7的導向支撐。同時回縮檔桿6能夠在夾持手指7回縮過程中，將幼苗從夾持手指7刮離，防止幼苗根部基質同夾持手指7粘連，不易脫落；同時在刮磨夾持手指7過程中清潔夾持手指7上粘著的泥土，即實現自身清潔進一步地，本實施例的手指擺動牽引模塊包括垂直固定在所述伸縮驅動塊4上的連桿固定塊11，與所述連桿固定塊11相鉸接的第二連桿13，以及固定在所述伸縮驅動氣缸一端且與所述第二連桿13相鉸接的手指連接件9。所述手指連接件9設置為弧形，其一端固定在所述第一橫桿上，其另一端與所述第二連桿13的一端通過第三銷軸12相鉸接，所述第二連桿13的另一端與所述連桿固定塊11通過第二銷軸10相鉸接。夾持手指7在伸縮驅動單元的驅動下插入或回縮合適的長度之后，由夾持驅動氣缸15的活塞軸伸長或收縮，由伸縮驅動塊4帶動手指擺動牽引模塊伸展或回縮，從而通過手指連接件9帶動伸縮驅動氣缸3和夾持手指7向中心收縮靠攏或者向外部伸展散開，實現對被夾持物的夾持或釋放。參照圖2，使用本實施例的自動夾持末端執行器進行幼苗夾持的工作流程為將末端執行器安裝于移栽設備定位運動機構上，移栽時將其定位至花卉幼苗正上方，伸縮驅動氣缸3的活塞軸伸出將夾持手指7插入幼苗8的根部周圍基質(或土壤)中；此時，夾持驅動氣缸15的活塞軸縮回，通過手指擺動牽引模塊運動，由手指連接件9帶動夾持手指7收縮靠攏，夾緊幼苗8根部；移栽設備定位機構將執行器提升后，則可將幼苗8取出移栽別處。參照圖3，使用本實施例的自動夾持末端執行器釋放幼苗時，進行與上述相反的操作過程即可，夾持驅動氣缸15的活塞軸伸出，使得夾持手指7松開釋放幼苗8，并進一步由伸縮驅動氣缸3驅動夾持手指7縮回。本實施例的自動夾持末端執行器，可以通過調整夾持驅動單元中夾持驅動氣缸15的行程或第二連桿13的長度，改變夾持手指7指端的張合范圍，從而適應不同大小幼苗夾持，提高本實施例自動夾持末端執行器的適用范圍。本實施例自動夾持末端執行器工作狀態控制可由兩組電磁閥即可實現，可由PLC單片機等上位機控制，容易應用于自動化作業。夾持驅動氣缸15可選用法蘭固定型，方便與氣缸固定塊14連接，其活塞軸伸縮行程15_左右；伸縮驅動氣缸3選用雙耳環固定型，有利于與鉸鏈支撐座I形成鉸鏈結構，其活塞軸伸縮行程30_左右；夾持手指7材料選用不銹鋼材質釬狀設計，防止生銹腐蝕，同時指端一定的塑性變形有利于保護幼苗根系不被夾傷。除了應用于花卉幼苗盆栽作業設備外，本實施例還可應用于其他蔬菜幼苗在穴盤基質育苗過程中缺苗補充、劣苗剔除和移栽等作業環節。同時由于本實施例采用有源動力夾持方式，夾持可靠，結構緊湊，對于非穴盤內規則生長的人工點播種植的花卉幼苗也具有良好的實用性。
綜上可知，本實施例的自動夾持末端執行器具有以下優點I.采用曲柄連桿結構原理設計，通過改變第二連桿13上銷孔的距離、手指連接件9上銷孔的位置以及夾持驅動氣缸15的行程，則可以改變夾持手指7張合角度范圍，從而適應不同根系大小的幼苗移栽；同時本實施例四個夾持手指7閉合后前端上方具有較大的容納空間，不易擠傷幼苗莖葉，可以適應較高大種苗移栽，使得本實施例具有良好的通用性；2.本實施例采用有源動力夾持驅動氣缸15驅動夾持手指7擺動夾持,有利于保證可靠夾持力度，防止幼苗與基質提取分離時幼苗從手爪脫落；3.本實施例伸縮驅動氣缸3帶動夾持手指7與回縮檔桿6刮磨，其回縮過程有益 于促進幼苗根部基質與夾持手指7分離，同時實現了夾持手指7前端的自身清潔；4.本實施例采用氣動驅動方式，無油污染，同時與電源隔離，使用安全；5.本實施例結構設計緊湊，有利于多末端執行器集成高效作業，從而促進花卉自動移栽效率提高。由以上實施例可以看出，本發明通過設置實現機構伸縮和夾持的兩大模塊，實現夾持手指在驅動下對被夾持物的擺動夾持，以及同時在驅動下伸縮插入被夾持物根部；可以應用于花卉蔬菜幼苗等自動移栽設備，其可以插入幼苗根部基質，對根部進行可靠夾持，并且可以與幼苗進行快速分離釋放，從而有助于實現幼苗的高效自動化作業；其結構緊湊，制造成本低，運行可靠，具有良好的通用性，容易實現自動控制，具有良好的推廣應用前景；對于保證幼苗無損高效夾持、提高自動化幼苗移栽機作業效率和可靠性具有重要意義。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種自動夾持末端執行器，其特征在于，包括用于夾持和釋放被夾持物的夾持單元，以及分別與所述夾持單元相連的伸縮驅動單元和夾持驅動單元；所述伸縮驅動單元用于驅動所述夾持單元伸縮，以靠近或遠離被夾持物；所述夾持驅動單元用于驅動所述夾持單元開合，以夾持或釋放被夾持物。
2.如權利要求I所述的自動夾持末端執行器，其特征在于，所述夾持單元包括多個均勻分布的夾持手指，每個夾持手指對應連接一個伸縮驅動單元。
3.如權利要求2所述的自動夾持末端執行器，其特征在于，每個所述伸縮驅動單元包括與所述夾持手指剛性相連的伸縮驅動氣缸，所述伸縮驅動氣缸帶動所述夾持手指伸縮。
4.如權利要求3所述的自動夾持末端執行器，其特征在于，所述夾持驅動單元包括夾持驅動氣缸、與所述夾持驅動氣缸相連的伸縮驅動塊、以及與所述伸縮驅動塊相連的手指擺動牽引模塊；所述手指擺動牽引模塊的數量與所述夾持手指的數量相同，每個手指擺動 牽引模塊的一端連接所述伸縮驅動塊，另一端對應連接一個所述夾持手指。
5.如權利要求4所述的自動夾持末端執行器，其特征在于，所述夾持驅動氣缸安裝在氣缸固定塊上，所述夾持驅動氣缸的活塞軸穿過所述氣缸固定塊與所述伸縮驅動塊相連。
6.如權利要求5所述的自動夾持末端執行器，其特征在于，所述氣缸固定塊上設置有與所述夾持手指數量相同的鉸鏈支撐座，所述伸縮驅動氣缸與所述鉸鏈支撐座相鉸接。
7.如權利要求4所述的自動夾持末端執行器，其特征在于，所述夾持手指一端安裝在手指固定端頭上，所述手指固定端頭與所述伸縮驅動氣缸的活塞軸相連。
8.如權利要求7所述的自動夾持末端執行器，其特征在于，所述伸縮驅動單元還包括回縮擋桿，所述回縮擋桿固定安裝在所述伸縮驅動氣缸一端，隨所述伸縮驅動氣缸擺動。
9.如權利要求8所述的自動夾持末端執行器，其特征在于，每個所述手指擺動牽引模塊包括垂直固定在所述伸縮驅動塊上的連桿固定塊，與所述連桿固定塊相鉸接的第二連桿，以及固定在所述伸縮驅動氣缸一端且與所述第二連桿相鉸接的手指連接件。
10.如權利要求9所述的自動夾持末端執行器，其特征在于，所述手指連接件為弧形，其一端固定在所述第一橫桿上，其另一端與所述第二連桿的一端相鉸接，所述第二連桿的另一端與所述連桿固定塊相鉸接。
全文摘要
本發明公開了一種自動夾持末端執行器，其包括用于夾持和釋放被夾持物的夾持單元，以及分別與所述夾持單元相連的伸縮驅動單元和夾持驅動單元；所述伸縮驅動單元用于驅動所述夾持單元伸縮，以使手指插入和脫離被夾持物；所述夾持驅動單元用于驅動所述夾持單元開合，以夾持或釋放被夾持物。本發明可以應用于花卉蔬菜幼苗等自動移栽設備，其可以插入幼苗根部基質，對根部進行可靠夾持，并且可以與幼苗進行快速分離釋放，從而有助于實現幼苗的高效自動化作業；結構緊湊，制造成本低，運行可靠，具有良好的通用性，容易實現自動控制，具有良好的推廣應用前景；對于保證幼苗無損高效夾持、提高自動化幼苗移栽機作業效率和可靠性具有重要意義。
文檔編號A01C11/02GK102652473SQ20121012679
公開日2012年9月5日 申請日期2012年4月26日 優先權日2012年4月26日
發明者馮青春, 姜凱, 邱權, 鄭文剛, 郭文忠, 郭瑞 申請人:北京農業智能裝備技術研究中心