CN107511815B - 一种并联移栽机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种并联移栽机器人，包括机架、支链机构、静平台机架和PLC；支链机构包括A支链、B支链、C支链和动平台；A支链、B支链和C支链三条支链均包括驱动臂和从动臂，驱动臂的一端分别连接单独的伺服电机，驱动臂的另一端分别与从动臂连接，从动臂采用桁架结构；B支链和C支链结构相同；PLC分别与每个伺服电机电连接，控制伺服电机的转动；本发明满足三平移要求的基础上支链结构更加简单，不存在冗余支链，有利于降低装配难度；从动臂采用桁架结构，提高了运动的平稳性，同时在支链末端与动平台的连接处采用关节轴承，能够满足多角度移栽需求；该种移栽机器人不但可以使移栽运动具有两个方向解耦还能同时改善力学性能。

Description

一种并联移栽机器人

技术领域

本发明属于设施农业中自动化移栽研究领域，具体涉及一种的并联移栽机器人。

背景技术

我国是世界上蔬菜种植最大的国家，并且超过百分之六十的蔬菜以穴盘育苗为主。穴盘育苗能够促进幼苗的快速生根出、苗齐整、缓苗快、病虫害少等优点。但是随着植物的生长，其所需要的营养物质、空间等要求提高以及随时剔除坏苗，因此需要将幼苗从高密盘移栽到低密度盘中。目前我国的穴盘苗移栽工作主要以人工为主，显著的缺点就是移栽效率低下且移栽质量难以保证，占用较多劳动力，从而导致生产成本过高。

目前存在的多半为半自动式穴盘苗移栽机，大部分生产环节和作业工序还需要人工完成，移栽速度较低、生产成本仍很高，难于满足蔬菜、花卉工厂化大规模生产的要求；还有一些移栽机器人机构存在刚度、精度差等问题，导致移栽质量不高，因此需要一种新型移栽机器人来解决这个问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种并联移栽机器人，该并联移栽机器人能够满足多种工厂化高速移栽需求，并联移栽机器人的稳定性大幅度提高，实现普通穴盘苗之间的移栽和补苗，节约劳动力，提高生产质量。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。一种并联移栽机器人，包括机架、支链机构、静平台机架和PLC；

所述支链机构包括A支链、B支链、C支链和动平台；所述A支链、B支链和C支链三条支链均包括驱动臂和从动臂，驱动臂的一端分别连接单独的伺服电机，驱动臂的另一端分别与从动臂连接，从动臂采用桁架结构；所述B支链和C支链结构相同；每个伺服电机下方分别安装有光电传感器，所述光电传感器固定在静平台机架上，用于感应每个支链的转动角度，并将角度信号传递给PLC，所述PLC分别与每个伺服电机电连接，控制伺服电机的转动；

所述A支链伺服电机的主轴与B支链伺服电机的主轴相平行，并与C支链伺服电机的主轴相垂直；A支链伺服电机、B支链伺服电机和C支链伺服电机在同一平面分别固定安装于静平台机架上，且A支链伺服电机和C支链伺服电机分别位于静平台机架的两端，B支链伺服电机位于静平台机架中间；整个支链机构通过静平台机架固定安装在机架的顶部，所述A支链和C支链的末端从动臂分别与动平台两端连接；所述B支链的末端从动臂与动平台的中间连接；所述动平台末端安装有气动取苗爪。

上述方案中，所述A支链包括A支链刚性联轴器、A支链驱动臂、螺纹管、L型关节球轴承I、两根A支链从动臂和L型关节球轴承Ⅱ；

所述A支链驱动臂的一端通过A支链刚性联轴器与A支链伺服电机主轴固定连接，A支链驱动臂在A支链伺服电机驱动下做回转运动；所述A支链驱动臂的另一端与L型关节球轴承I的一端与连接；

所述L型关节球轴承I的另一端分别与A支链从动臂的上端连接；

所述A支链从动臂的下端与L型关节球轴承Ⅱ的一端连接；

所述L型关节球轴承Ⅱ的另一端与动平台连接；所述两根从动臂安装方式相同。

进一步的，所述A支链驱动臂的另一端与螺纹管焊接；所述螺纹管的两端分别与每根L型关节球轴承I的一端螺纹连接。

上述方案中，所述B支链包括刚性联轴器、B支链驱动臂、B支链从动臂I、中间连接杆I、轴承安装关节、两根B支链从动臂Ⅱ、连接关节、中间连接杆Ⅱ、两根B支链从动臂Ⅲ和杆端关节球轴承；

所述B支链驱动臂上端通过刚性联轴器与伺服电机主轴固定连接，在电机驱动下做回转运动；所述B支链从动臂I上端连接在B支链电机固定支座处，通过内置轴承，形成转动副；所述B支链驱动臂与B支链从动臂I的下端分别与中间连接杆I的两末端连接；

所述轴承安装关节内置圆柱滚子轴承安装在中间连接杆I上，形成转动副；所述B支链从动臂Ⅱ的一端与轴承安装关节下端通过螺栓固定连接；所述B支链从动臂Ⅱ的另一端与连接关节的一端通过螺栓固定连接，两个连接关节的另一端分别固定连接在中间连接杆II的两端，B支链从动臂Ⅱ构成桁架结构；

所述B支链从动臂III的一端用螺栓固定连接在轴承安装关节上，所述杆端关节球轴承杆部固定连接在B支链从动臂III的另一端，轴承部位连接在动平台。

进一步的，所述B支链驱动臂与B支链从动臂I的下端分别内置螺栓滚轮型轴承，螺栓滚轮型轴承的螺栓端分别穿过中间连接杆I的两末端所开圆孔、且通过螺母固定连接。

上述方案中，所述两个轴承安装关节内置圆柱滚子轴承固定安装在中间连接杆II上，形成转动副。

上述方案中，所述B支链和C支链结构相同，所述C支链的驱动臂上端通过刚性联轴器与C支链的伺服电机主轴固定连接，在电机驱动下做回转运动；所述C支链的从动臂I上端连接在C支链电机固定支座处。

上述方案中，所述A支链、B支链、C支链的最末端从动臂分别通过关节轴承与动平台连接，形成球副，能够使动平台进行一定角度的偏转。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.本发明满足三平移要求的基础上支链结构更加简单，不存在冗余支链，有利于降低装配难度，整体运行过程中刚度较高。

2.本发明在中间转接杆处采用圆柱滚子轴承，提供较大的径向支撑力，从动臂采用桁架结构，提高了运动的平稳性，同时在支链末端与动平台的连接处采用关节轴承，能够满足多角度移栽需求。

3.本发明在保证刚度的前提下，由于结构简单，有利于控制***的设计。该种移栽机器人不但可以使移栽运动具有两个方向解耦还能同时改善力学性能。

附图说明

图1所示为本发明并联移栽机器人的整体结构图；

图2所示为支链机构与动平台的安装结构图；

图3为A支链4的结构示意图；

图4为B支链5的结构示意图。

图中：1.机架；2.支链机构；3.静平台机架；4.A支链；5.B支链；6.C支链；7.动平台；8.轴承；9.气动取苗爪；10.电箱；401.A支链伺服电机；402.A支链固定支座；403.A支链刚性联轴器；404.A支链驱动臂；405.螺纹管；406.L型关节型轴承I；407.A支链从动臂；408.L型关节型轴承Ⅱ；501.B支链伺服电机；502.B支链固定支座；503.B支链刚性联轴器；504.B支链驱动臂；505.B支链从动臂Ⅰ；506.中间转接杆Ⅰ；507.螺栓滚轮型轴承；508.轴承安装关节；509.B支链从动臂Ⅱ；5010.连接关节；5011.中间连接杆Ⅱ；5012.B支链从动臂Ⅲ；5013.杆端关节球轴承；601.C支链伺服电机；602.C支链固定支座；11.光电传感器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1所示为本发明并联移栽机器人的整体安装示意图。所述并联移栽机器人，包括机架1、支链机构2、静平台机架3和PLC。所述机架1为整个移栽***的固定安装基座。所述静平台机架3通过螺纹杆固定安装在机架1上。所述电箱10在平台下方，用于集中放置控制移栽机器人***所要用到的电器元件、开关、伺服驱动器等，通过PLC连接伺服电机驱动器，光电传感器11等控制元件，按照用户实际输入的移栽程序进行移栽机的控制。

图2所示为支链机构与动平台的安装示意图。所述支链机构2包括A支链4、B支链5、C支链6以及动平台7。所述A支链伺服电机401的主轴与B支链伺服电机501的主轴相平行，并与C支链伺服电机601的主轴相垂直；A支链伺服电机401、B支链伺服电机501和C支链伺服电机601在同一平面分别固定安装于静平台机架上，所述PLC分别与每个伺服电机电连接，控制伺服电机的转动；所述B支链5、C支链6在结构上相同，所述动平台7与A支链4、B支链5、C支链6的末端通过关节型轴承相连接。整个支链机构2安装在静平台机架3由丝杠固定安装在机架1上。所述气动取苗爪9固定安装在动平台7下方。每个伺服电机下方分别安装有光电传感器11，所述光电传感器11固定在静平台机架3上，用于感应每个支链的转动位置，并将位置信号传递给PLC，所述PLC分别与每个伺服电机电连接，控制伺服电机的转动。

图3为A支链4的结构示意图。所述A支链4包括A支链刚性联轴器403、A支链驱动臂404、螺纹管405、L型关节球轴承406和A支链从动臂407。

所述A支链刚性联轴器403用于将A支链驱动臂404的一端与A支链伺服电机401主轴固定连接，A支链驱动臂404在伺服电机401驱动下做回转运动；所述A支链驱动臂404的一端与螺纹管405焊接在一起。在所述螺纹管405的两端分别安装L型关节球轴承I406使其一端通过螺纹固定连接。所述L型关节球轴承I406的另一端与A支链从动臂407上端通过销钉固定连接，在此处形成球面副。所述A支链从动臂407的下端与L型关节球轴承Ⅱ408通过销钉固定连接。所述L型关节球轴承Ⅱ408的另一端通过螺纹连接在动平台7。所述两根A支链从动臂407安装方式相同。

图4为B支链5与C支链6的结构示意图。因为B支链5与C支链6结构相同，以B支链为例。所述B支链5包括B支链固定支座502、B支链刚性联轴器503、B支链驱动臂504、B支链从动臂Ⅰ505、中间连接杆I506、螺栓滚轮型轴承507、轴承安装关节508、B支链从动臂Ⅱ509、连接关节5010、中间连接杆Ⅱ5011、B支链从动臂Ⅲ5012、杆端关节球轴承5013。

所述B支链驱动臂504上端通过刚性联轴器503与伺服电机501主轴固定连接，在电机驱动下做回转运动；所述B支链从动臂I505上端连接在B支链电机固定支座502处，通过内置轴承8，形成转动副；所述驱动臂504与B支链从动臂I505的下端内置螺栓滚轮型轴承507其中螺栓端穿过中间连接杆I506末端所开圆孔通过螺母固定连接。

所述轴承安装关节508内置圆柱滚子轴承安装在中间连接杆I506，形成转动副。所述B支链从动臂Ⅱ509的一端与轴承安装关节508下端通过螺栓固定连接。所述B支链从动臂Ⅱ509的另一端与连接关节5010通过螺栓固定连接，两个连接关节5010固定连接在中间连接杆II5011，B支链从动臂II509出构成桁架结构。

所述两个轴承安装关节508内置圆柱滚子轴承固定安装在中间连接杆II5011上，形成转动副。

所述B支链从动臂III5012的一端用螺栓固定连接在轴承安装关节508，所述杆端关节球轴承5013杆部固定连接在B支链从动臂III5012的另一端，轴承部位通过连接在动平台7，能够使动平台7进行一定角度的偏转。

所述C支链(6)的驱动臂上端通过刚性联轴器与C支链(6)的伺服电机主轴固定连接，在电机驱动下做回转运动；所述C支链(6)的从动臂I上端连接在C支链电机固定支座(602)处。

通过前期计算，为了达到所需要的工作空间以及简化计算，支链4驱动角限制在±90°之间，起到了上下提升动平台7的作用；支链5、6驱动角限制在±80°之间，使动平台7在XY轴平面运动。优选的，本实施例中三条支链的尺寸如下：支链4驱动臂404长度为240mm、A支链从动臂407长度为732mm；支链5驱动臂505长度为340mm、从动臂509长度为356mm、从动臂5012长度为496mm；支链6驱动臂605长度为260mm、从动臂609长度为436mm、从动臂6012长度为526mm。但本发明的保护范围并不限于此。

工作过程：固定安装在静平台机架3上的三台伺服电机分别通过联轴器驱动三条主动臂作回转运动，通过计算并输入穴盘中每个穴孔间的间距，通过对并联机构进行运动学逆解将动平台的位置参数转化为三个伺服电机所需要的行走角度，进一步得到所需要的脉冲个数和脉冲频率，通过PLC多段脉冲输出指令完成该动作。遵循特定的运动规律控制函数3-4-5次多项式来控制驱动主动臂，进而带动从动臂，最终使动平台完成空间内的三自由度运动，实现移栽过程。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种并联移栽机器人，其特征在于，包括机架(1)、支链机构(2)、静平台机架(3)和PLC；

所述支链机构(2)包括A支链(4)、B支链(5)、C支链(6)和动平台(7)；所述A支链(4)、B支链(5)和C支链(6)三条支链均包括驱动臂和从动臂，驱动臂的一端分别连接单独的伺服电机，驱动臂的另一端分别与从动臂连接，从动臂采用桁架结构；所述B支链(5)和C支链(6)结构相同；

所述A支链(4)包括A支链刚性联轴器(403)、A支链驱动臂(404)、螺纹管(405)、L型关节球轴承I(406)、两根A支链从动臂(407)和L型关节球轴承Ⅱ(408)；所述A支链驱动臂(404)的一端通过A支链刚性联轴器(403)与A支链伺服电机(401)主轴固定连接，A支链驱动臂(404)在A支链伺服电机(401)驱动下做回转运动；所述A支链驱动臂(404)的另一端与L型关节球轴承I(406)的一端与连接；所述L型关节球轴承I(406)的另一端分别与A支链从动臂(407)的上端连接；所述A支链从动臂(407)的下端与L型关节球轴承Ⅱ(408)的一端连接；所述L型关节球轴承Ⅱ(408)的另一端与动平台(7)连接；

所述B支链(5)包括刚性联轴器(503)、B支链驱动臂(504)、B支链从动臂I(505)、中间连接杆I(506)、轴承安装关节(508)、两根B支链从动臂Ⅱ(509)、连接关节(5010)、中间连接杆Ⅱ(5011)、两根B支链从动臂Ⅲ(5012)和杆端关节球轴承(5013)；所述B支链驱动臂(504)上端通过刚性联轴器(503)与伺服电机(501)主轴固定连接，在电机驱动下做回转运动；所述B支链从动臂I(505)上端连接在B支链电机固定支座(502)处，通过内置轴承(8)，形成转动副；所述B支链驱动臂(504)与B支链从动臂I(505)的下端分别与中间连接杆I(506)的两末端连接，所述B支链驱动臂(504)与B支链从动臂I(505)的下端分别内置螺栓滚轮型轴承(507)，螺栓滚轮型轴承(507)的螺栓端分别穿过中间连接杆I(506)的两末端所开圆孔、且通过螺母固定连接；所述轴承安装关节(508)内置圆柱滚子轴承安装在中间连接杆I(506)上，形成转动副；所述B支链从动臂Ⅱ(509)的一端与轴承安装关节(508)下端通过螺栓固定连接；所述B支链从动臂Ⅱ(509)的另一端与连接关节(5010)的一端通过螺栓固定连接，两个连接关节(5010)的另一端分别固定连接在中间连接杆II(5011)的两端，B支链从动臂Ⅱ(509)构成桁架结构；所述两个轴承安装关节(508)内置圆柱滚子轴承固定安装在中间连接杆II(5011)上，形成转动副；所述B支链从动臂III(5012)的一端用螺栓固定连接在轴承安装关节(508)上，所述杆端关节球轴承(5013)杆部固定连接在B支链从动臂III(5012)的另一端，轴承部位连接在动平台(7)；

每个伺服电机下方分别安装有光电传感器(11)，所述光电传感器(11)固定在静平台机架(3)上，用于感应每个支链的转动位置，并将位置信号传递给PLC，所述PLC分别与每个伺服电机电连接，控制伺服电机的转动；

所述A支链(4)伺服电机的主轴与B支链(5)伺服电机的主轴相平行，并与C支链(6)伺服电机的主轴相垂直；A支链(4)伺服电机、B支链(5)伺服电机和C支链(6)伺服电机在同一平面分别固定安装于静平台机架(3)上，且A支链(4)伺服电机和C支链(6)伺服电机分别位于静平台机架(3)的两端，B支链(5)伺服电机位于静平台机架(3)中间；整个支链机构(2)通过静平台机架(3)固定安装在机架(1)的顶部，所述A支链(4)和C支链(6)的末端从动臂分别与动平台(7)两端连接；所述B支链(5)的末端从动臂与动平台(7)的中间连接；所述A支链(4)、B支链(5)、C支链(6)的最末端从动臂分别通过关节轴承与动平台(7)连接，形成球副，能够使动平台(7)进行一定角度的偏转；所述动平台(7)末端安装有气动取苗爪(9)。

2.根据权利要求1所述的一种并联移栽机器人，其特征在于，所述A支链驱动臂(404)的另一端与螺纹管(405)焊接；所述螺纹管(405)的两端分别与每根L型关节球轴承I(406)的一端螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的一种并联移栽机器人，其特征在，所述B支链(5)和C支链(6)结构相同，所述C支链(6)的驱动臂上端通过刚性联轴器与C支链(6)的伺服电机主轴固定连接，在电机驱动下做回转运动；所述C支链(6)的从动臂I上端连接在C支链电机固定支座(602)处。

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