一种子叶期蔬菜幼苗补苗机械手末端执行器

1.本实用新型涉及一种农业机械手末端执行器，具体涉及一种子叶期蔬菜幼苗补苗机械手末端执行器，属于农业机械领域。


背景技术：

2.中国是世界上最大的蔬菜生产国，2019年全国蔬菜播种面积约为20815千公顷，占世界蔬菜播种面积的40％以上。在蔬菜生产方面需要大量的劳动力，虽然我国的机械化水平有显著性提高，但是蔬菜生产综合机械化水平只有25％左右，并且主要工作是耕整地和田间管理环节，其中有的作业环节的机械化率极低，例如：栽种、收获，严重影响蔬菜产业的稳定发展。目前蔬菜生产的主要种植方式是蔬菜育苗移栽，这种方式可以充分发挥光照的优势，提高蔬菜产量，世界上约有60％的蔬菜种类采用的是育苗移栽。但由于穴孔种子、基质区别以及培养环境影响等因素，不能确保所有穴孔内的种子都会正常发芽，补苗成为了现代农业工厂化穴盘育苗的重要组成部分。当前现有的工厂化育苗过程中，穴盘缺苗的补苗工序仍然需要手工作业完成，劳动量大，很难按时完成，将会使穴盘内出现部分无苗穴，不能为后面的机械化移植提供完整无缺的幼苗，严重影响了钵苗的机械化自动移栽。目前在农业生产中，国外已经有全自动移栽机的广泛应用，而国内还未见推广，仍以半自动移栽机为主。子叶期蔬菜幼苗茎叶细小、脆嫩，根系尚未与基质形成相对结实的根坨，在取苗时会遇到幼苗损伤、培养基质松散等问题，因此，完整无损地取出子叶期钵苗是育苗早期补苗的关键技术难题之一。其中末端执行器是移栽机中最重要的部分，它的主要功能是对苗盘中的穴苗进行插入、抓取、保持和释放，其性能的好坏将直接影响移栽机的性能，研发可以将穴盘上无苗穴孔中的基质完好地取出，再将同龄备用苗的基质和幼苗一体完好取出并补进对应无苗、无基质的穴孔中的补苗机械手末端执行器是整机研发与可靠工作的关键。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是为了克服上述育苗移栽中的问题，对补苗时幼苗的状况、培养基质的情况做出相应的解决办法，并提供一种子叶期蔬菜幼苗补苗机械手末端执行器，通过调节夹持件张开的大小来适应供苗盘的规格，推杆和力传感器可以确保在补苗时减少对幼苗和基质的损伤，同时保证整个补苗过程的成功。
4.本实用新型所采用的具体技术方案如下：
5.本实用新型提供了一种子叶期蔬菜幼苗补苗机械手末端执行器，包括定位机构和抓取机构；
6.所述定位机构包括第一步进电机、空心轴、第一螺杆、主平台、第二步进电机和固定块；所述第一步进电机的输出轴通过联轴器与空心轴固定连接；空心轴的通孔内设有第一螺杆，两者之间螺纹连接；所述第一螺杆的底端与主平台固定连接；通过第一步进电机能带动空心轴转动，实现主平台的上下移动；所述主平台上固定有第二步进电机，第二步进电机的输出轴通过齿轮传动组件与位于主平台下方的固定块连接；通过第二步进电机能带动
齿轮传动组件运作，实现固定块相对于主平台的上下移动；
7.所述主平台周向均布有若干结构相同的抓取机构，抓取机构包括连杆、导向杆、推杆、夹持件和力传感器；所述导向杆的顶部与主平台转动连接；所述连杆的一端与导向杆的中部转动连接，另一端与固定块转动连接；所述导向杆的底部有夹持件，导向杆与夹持件构成滑动副，导向杆上固定有能伸缩的推杆，推杆的作用端与夹持件连接，通过推杆的伸缩能带动夹持件沿导向杆长度方向的滑动；所述夹持件的夹持端设有力传感器；
8.通过固定块的上下移动能使每个抓取机构的连杆转动，同时带动导向杆改变夹持件沿竖直方向的向内倾斜角度，使所有抓取机构的夹持件能共同实现抓取和释放操作。
9.作为优选，所述齿轮传动组件设于主平台内部，包括第一锥齿轮、第二锥齿轮、转轴、第三锥齿轮、第二螺杆和第四锥齿轮；第二步进电机的输出轴底部固定连接有第一锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合连接；第二锥齿轮与第三锥齿轮通过转轴固定连接，两者能实现同步转动；第三锥齿轮与第四锥齿轮啮合连接；第四锥齿轮的中部开设具有内螺纹的孔洞，第二螺杆与所述孔洞通过螺纹连接；第二螺杆的底部位于主平台下方，并与所述固定块固定连接。
10.进一步的，其特征在于，所述主平台内部还固定有轴承座；所述转轴通过轴承座进行限位，两者之间能构成转动副。
11.作为优选，所述推杆为气动推杆，气动推杆及用于为气动推杆提供动力源的缸筒均固定于导向杆的侧面。
12.作为优选，所述第一步进电机、空心轴、第一螺杆、主平台、抓取组件和固定块的中心轴线相同。
13.作为优选，所述主平台上方可拆卸式套设有电机防护罩，电机防护罩用于将第一步进电机、空心轴、联轴器、第一螺杆和第二步进电机套设在内。
14.作为优选，所述主平台的周向均匀设有若干凸耳，导向杆与凸耳通过圆柱销转动连接。
15.作为优选，所述固定块的周向均匀设有若干凸耳，连杆的一端与凸耳转动连接。
16.作为优选，所述抓取机构为四个。
17.本实用新型相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
18.本实用新型通过固定块的上下移动可以带动夹持件的张开收缩，从而在面对不同规格的穴盘时可以进行简单的操作就可以继续投入使用，极大减少了成本，通过对气动推杆的控制和观察力传感器的反馈，可以保证在取苗和放苗时手指对幼苗的力在可承受范围之内，把对幼苗和基质的损伤降到最低的同时，确保补苗的成功。
附图说明
19.图1是本实用新型装置的整体结构主视图；
20.图2是本实用新型装置与电机防护罩组装后的主视图；
21.图3是齿轮传动组件的一种结构示意图；
22.图4是主平台的立体结构示意图；
23.图5是抓取机构的立体结构示意图；
24.图6是抓取机构和第二螺杆的组装结构示意图；
25.图7是图5中抓取机构的a
‑
a面剖视图；
26.图中：第一步进电机1、联轴器2、空心轴3、第一螺杆4、第二步进电机5、主平台6、圆柱销7、导向杆8、推杆9、夹持件10、第一锥齿轮11、第二锥齿轮12、转轴13、轴承座14、第三锥齿轮15、第二螺杆16、第四锥齿轮17、固定块18、连杆19、力传感器20、电机防护罩21。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步阐述和说明。本实用新型中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
28.如图1所示，为本实用新型提供的一种子叶期蔬菜幼苗补苗机械手末端执行器，该子叶期蔬菜幼苗补苗机械手末端执行器主要包括定位机构和抓取机构。其中，定位机构包括第一步进电机1、空心轴3、第一螺杆4、主平台6、第二步进电机5和固定块18，抓取机构包括连杆19、导向杆8、推杆9、夹持件10和力传感器20。下面将对各部件的连接方式和结构进行具体说明。
29.第一步进电机1的输出轴通过联轴器2与空心轴3固定连接。联轴器2的一端与第一步进电机1的输出轴固定连接，另一端与空心轴3的一端固定连接。在空心轴3的轴心处设有通孔，该通孔的内壁上设有螺纹，第一螺杆4与该通孔之间通过螺纹配合连接。第一螺杆4的底端固定连接有主平台6，也就是说，第一螺杆4竖直设置，其底端固定连接在主平台6的上表面，主平台6整体呈水平状态。通过第一步进电机1能同时带动联轴器2和空心轴3，使空心轴3与第一螺杆4之间发生螺纹转动，从而带动与第一螺杆4固定连接的主平台6的上下移动。
30.在主平台6的上表面固定有第二步进电机5，第二步进电机5的输出轴通过齿轮传动组件与位于主平台6下方的固定块18连接。通过第二步进电机5能带动齿轮传动组件运作，实现固定块18相对于主平台6的上下移动。在本实施例中，如图3所示，齿轮传动组件可以设置在主平台6的中空内部，并将齿轮传动组件设置为如下形式：齿轮传动组件包括第一锥齿轮11、第二锥齿轮12、转轴13、第三锥齿轮15、第二螺杆16和第四锥齿轮17；第二步进电机5的输出轴竖直设置，输出轴的底部固定连接有第一锥齿轮11，第一锥齿轮11水平设置，第一锥齿轮11啮合连接有第二锥齿轮12，第二锥齿轮12竖直设置；第三锥齿轮15同样竖直设置，且第三锥齿轮15与第二锥齿轮12之间固定有转轴13，第三锥齿轮15、第二锥齿轮12和转轴13的轴线相同，第二锥齿轮12能通过转轴13的传动带动第三锥齿轮15同步转动。第三锥齿轮15啮合连接有第四锥齿轮17，第四锥齿轮17水平设置。在第四锥齿轮17的中部轴向开设具有内螺纹的孔洞，第二螺杆16与该孔洞通过螺纹配合连接，第二螺杆16竖直设置，其下部伸出主平台6并位于主平台6的下方，第二螺杆16的底部与固定块18的上表面固定连接，如图6所示。通过第二步进电机5能同时带动第一锥齿轮11、第二锥齿轮12、转轴13、第三锥齿轮15和第四锥齿轮17转动，使第四锥齿轮17与第二螺杆16之间发生螺纹转动，从而带动与第二螺杆16固定连接的固定块18的上下移动。为了防止转轴13晃动，使各部件之间的传动关系更加牢固，可以将转轴13设置在轴承座14上，通过轴承座14对转轴13进行限位，轴承座14固定在主平台6内部，使得转轴13能在轴承座14上转动的同时，通过轴承座14对其进行限位。
31.如图5所示，在主平台6的周向均匀布设有多个结构相同的抓取机构，抓取机构包
括连杆19、导向杆8、推杆9、夹持件10和力传感器20。其中，导向杆8的顶部与主平台6之间转动连接，在本实施例中，可以将主平台6的周向均匀设有若干凸耳，每个导向杆8与对应位置的凸耳通过圆柱销7实现转动连接。如图4所示，可以将主平台6的周向均匀设置四个凸耳，以便于分别与四个导向杆8转动连接。连杆19的一端与导向杆8的中部转动连接，另一端与固定块18转动连接，如图6所示，可以将固定块18的周向均匀设有多个凸耳(如四个)，连杆19的一端通过凸耳实现与固定块18的转动连接。在导向杆8的底部设有夹持件10，导向杆8与夹持件10构成滑动副。夹持件10的作用是夹持目标幼苗并且作为导向杆8的延长部，因此应当将夹持件10沿导向杆8长度方向进行设置，即夹持件10的长度方向与导向杆8的长度方向相同。通过固定块18的上下移动能使每个抓取机构的连杆19转动，同时带动导向杆8改变夹持件10沿竖直方向的向内倾斜角度，使所有抓取机构的夹持件10能共同实现抓取和释放操作。
32.在导向杆8的侧部固定有能伸缩的推杆9，推杆9的一端与导向杆8固定连接，另一端与夹持件10固定连接，通过推杆9的伸缩，能够带动夹持件10沿导向杆8长度方向的滑动。为了更好的额控制所有抓取机构中夹持件10的夹持力度，可以将每个夹持件10的夹持端上都设置力传感器20，如图7所示。在本实施例中，为了更好的控制推杆9的伸缩大小，可以将推杆9采用气动推杆，气动推杆及用于为气动推杆提供动力源的缸筒均固定于导向杆的侧面。
33.为了使本装置更好的实现夹持作用，可以将第一步进电机1、空心轴3、第一螺杆4、主平台6、抓取组件和固定块18均设置为相同的中心轴线，从而更加准确的预测夹持位置，便于实际操作。为了更好的保护本装置的两个电机，即第一步进电机1和二步进电机5，可以在主平台6上方可拆卸式的套设电机防护罩21，从而使得第一步进电机1、空心轴3、联轴器2、第一螺杆4和第二步进电机5均套设在内，通过电机防护罩21的设置，不仅可以通过固定电机防护罩21固定主平台6在水平方向上的位置，同时能有效地防止溅起的泥土进入齿轮传动组件和夹持件的内部，从而避免对内部零件造成损坏。
34.由于补苗操作指的是将供苗盘上无苗穴孔中的基质完好地取出，再将同龄备用苗的基质和幼苗一体完好取出并补进对应无苗、无基质的穴孔中，即补苗操作包括取苗和放苗两个主要过程，因此，利用上述子叶期蔬菜幼苗补苗机械手末端执行器进行补苗方法，具体如下：
35.s1：取苗时，首先进行执行器的复位操作，复位操作具体如下：通过第一步进电机1同步带动联轴器2和空心轴3转动，使空心轴3和第一螺杆4之间发生螺纹转动，从而使主平台6处于上极限位置。通过第二步进电机5带动齿轮传动组件运作，使固定块18相对于主平台6移动，从而使导向杆8处于收缩极限位置。通过推杆9带动夹持件10沿导向杆8长度方向滑动，使推杆9处于上极限位置。通过上述过程实现机械手末端执行器的各部件复位操作，复位后，此时的所有抓取机构的夹持件10均处于抓取极限位置。
36.令机械手末端执行器移动至供苗盘第一目标穴孔的正上方，供苗盘第一目标穴孔为实际操作时选取的待取苗的穴孔。通过第一步进电机1带动联轴器2和空心轴3同步转动，使空心轴3和第一螺杆4之间发生螺纹转动，从而使主平台6向下移动，在主平台6向下移动的过程中，所有夹持件10的夹持端均逐渐靠近第一目标穴孔，当夹持端距离第一目标穴孔适当位置后，停止第一步进电机1的运行，从而使主平台6停止移动。
37.通过第二步进电机5带动齿轮传动组件之间啮合传动，使固定块18相对于主平台6向下移动，在固定块18相对于主平台6向下移动的过程中，连杆19会发生转动，通过连杆19能带动导向杆8移动，使导向杆8沿竖直方向的倾斜角度发生变化，当各夹持件10张开至第一目标穴孔的设定位置时，停止第二步进电机5的运行，从而使各夹持件10的张开角度保持不变。在实际应用时，设定位置可以根据第一目标穴孔的大小、待夹持幼苗植株大小等实际情况进行相应的选择。
38.通过推杆9推动夹持件10沿第一目标穴孔的内壁向下伸入，以夹持处于第一目标穴孔中的幼苗。当力传感器20所测夹持力达到设定值时，使各夹持件10处于保持状态。在实际应用时，设定值可以根据实际状况进行设定，保证在夹持幼苗的同时对该幼苗植株造成伤害。通过第一步进电机1带动空心轴3反向转动，使主平台6带动通过各夹持件10夹持的幼苗向上移动，完成取苗操作。
39.s2：放苗时，将夹持有幼苗的机械手末端执行器移动至供苗盘第二目标穴孔的正上方，供苗盘第二目标穴孔为实际操作时选取的待放苗的穴孔。通过第一步进电机1带动联轴器2和空心轴3同步转动，使主平台6向下移动，直至各夹持件10均贴紧第二目标穴孔侧壁，贴紧程度可以根据实际需要进行选择，此时，关闭第一步进电机1，使主平台6位置固定。通过推杆9收缩使各夹持件10释放夹持的幼苗，从而将幼苗放至第二目标穴孔中。
40.通过第二步进电机5带动齿轮传动组件之间啮合传动，使固定块18相对于主平台6向上移动，进而通过连杆19带动导向杆8沿竖直方向的倾斜角度发生变化，使各夹持件10收缩。通过第一步进电机1带动空心轴3反向转动，使主平台6上升，完成放苗操作。
41.s3：通过s1和s2步骤，共同实现了利用机械手末端执行器对供苗盘第二目标穴孔的补苗操作。
42.本实用新型通过固定块的上下移动可以带动夹持件的张开收缩，从而在面对不同规格的穴盘(供苗盘)时可以进行简单的操作就可以继续投入使用，极大减少了成本，通过对气动推杆的控制和观察力传感器的反馈，可以保证在取苗和放苗时手指对幼苗的力在可承受范围之内，把对幼苗和基质的损伤降到最低的同时，确保补苗的成功。本实用新型的装置适用于各种规格的穴盘苗，能把对幼苗和基质的损伤降到最低，从而很好的配合穴盘苗移栽机使用。
43.以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，然其并非用以限制本实用新型。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。