CN110238866A - 一种割胶机器人柔性机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种割胶机器人柔性机械臂，包括底座、前臂组件和后臂组件，采用两个伸缩自由度、三个旋转自由度使得机械臂具有适用于割胶作业的工作空间；且机械臂由液压驱动具有足够的负载能力以搭载较重的执行末端；为保护机械臂和橡胶树不受损伤，机械臂上装有柔性弹簧减震装置可以有效减小割胶作业时产生的反作用力和震动。该机械臂具有一定的灵活性、准确性；并且保证了整体机械臂***的安全性及稳定性；本发明提供的柔性机械臂并不仅仅适用于割胶领域，一些需要减震措施的工作都可以使用，只用对机械臂自由度进行简单修改即可。

Description

一种割胶机器人柔性机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，特别是涉及一种割胶机器人柔性机械臂。

背景技术

近年来，随着科学技术的进步，农业也向着自动化、智能化的方向发展，但是割胶产业方面仍然是人工手持割胶刀进行割胶工作，影响了整个割胶产业的生产成本及生产效率，所以割胶产业的智能化实现的需求愈加紧迫。一种搭载有机械臂的可移动式割胶机器人是一种较为实际的解决方式，但是现有的机械臂***并不完全适用于割胶作业，需要针对割胶需求进一步设计新的机械臂***。

首先，现有机械臂的自由度设计并不是专门针对于割胶作业的，可能机械臂的工作空间不满足割胶要求不能流畅的进行割胶作业，影响割胶效果及割胶速度；也可能工作空间满足割胶要求，但是会产生冗余自由度使得整个机械臂***结构更加复杂，生产成本增加。

其次，因为机械臂需搭载末端执行装置进行工作，而末端执行装置的重量较重，对机械臂的负载能力有一定的要求。

最后，在进行割胶作业时机械臂会受到较大的反作用力，并且割胶时会产生较大的震动，现有的机械臂基本都不具有减震效果，这就有可能会对机械臂和橡胶树都会造成损伤，形成不必要的维修成本，往机械臂中加入柔性结构会大大改善这一情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种割胶机器人柔性机械臂，以解决上述现有技术存在的问题，使得机械臂具有适用于割胶作业的工作空间，具有足够的负载能力以搭载较重的执行末端，并且能够有效减小割胶作业时产生的反作用力和震动。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种割胶机器人柔性机械臂，包括底座、垂直的前臂组件和水平的后臂组件，所述底座固定在割胶机器人的机身上方，

所述前臂组件包括前臂液压缸、前臂活塞杆和前臂减震弹簧装置，所述前臂液压缸安装在所述底座上并与所述底座构成旋转副，所述前臂液压缸通过液压驱动所述前臂活塞杆伸缩，所述前臂活塞杆的末端与所述前臂减震弹簧装置相连接；

所述后臂组件包括后臂液压缸、后臂活塞杆、后臂减震弹簧装置和末端连接件，所述后臂液压缸通过直角连杆与所述前臂组件的顶端相连接，所述后臂液压缸通过液压驱动所述后臂活塞杆伸缩，所述后臂活塞杆的末端与所述后臂减震弹簧装置相连接，所述后臂减震弹簧装置的末端与旋转固定件相连接并构成旋转副，所述旋转固定件的末端连接设有割刀的所述末端连接件，且作用于割胶主体上的所述末端连接件具有上下旋转自由度。

进一步地，所述前臂组件与后臂组件通过所述直角连杆连接，连接处并不具有自由度。

进一步地，所述前臂减震弹簧装置包括弹簧一、中轴机构、上固定台和下固定台，所述弹簧一中间贯穿设置有所述中轴机构，所述中轴机构的上下两端分别固定有所述上固定台和下固定台。

进一步地，所述前臂活塞杆的顶端与所述下固定台固定连接，所述上固定台通过所述直角连杆与所述后臂液压缸连接。

进一步地，所述后臂减震弹簧装置包括弹簧二、中轴机构、前固定台和后固定台，所述弹簧二中间贯穿设置有所述中轴机构，所述中轴机构的前后两端分别固定有所述前固定台和后固定台。

进一步地，所述后臂活塞杆的末端与所述后固定台固定连接，所述前固定台上固定设置有所述旋转固定件。

进一步地，所述旋转固定件通过一凹槽将所述末端固定件连接。

进一步地，所述凹槽中设置有一水平转轴，所述末端固定件安装在所述转轴上并相对所述转轴做上下旋转运动。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的割胶机器人柔性机械臂，能够达到割胶工作对于机械臂的工作空间要求，并且有一定的灵活性、准确性；并且针对割胶时产生的震动及反作用力在机械臂上安装了弹簧减震装置，能够有效减小所产生的震动及反作用力对机械臂的影响，保证了整体机械臂***的安全性及稳定性；本发明提供的柔性机械臂并不仅仅适用于割胶领域，一些需要减震措施的工作都可以使用，只用对机械臂自由度进行简单修改即可。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为割胶机器人柔性机械臂整体结构示意图；

图2为割胶机器人构型机械臂自由度示意图；

图3为机械臂前臂减震弹簧结构示意图；

图4为机械臂后臂减震弹簧结构示意图；

图5为移动式割胶机器人整体安装示意图；

其中，1底座；2前臂液压缸；3前臂活塞杆；4前臂减震弹簧装置；41弹簧一；42中轴机构；43上固定台；44下固定台；5直角连杆；6后臂液压缸；7后臂活塞杆；8后臂减震弹簧装置；81弹簧二；82中轴机构；83后固定台；84前固定台；9旋转固定件；10末端连接件；11底座旋转自由度；12上下伸缩自由度；13前后伸缩自由度；14旋转自由度；15俯仰自由度。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种割胶机器人柔性机械臂，以解决上述现有技术存在的问题，使得机械臂具有适用于割胶作业的工作空间，具有足够的负载能力以搭载较重的执行末端，并且能够有效减小割胶作业时产生的反作用力和震动。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-5所示，本发明提供一种割胶机器人柔性机械臂，具体为一种供割胶机器人使用的五自由度柔性机械臂，采用两个伸缩自由度、三个旋转自由度使得机械臂具有适用于割胶作业的工作空间；且机械臂由液压驱动具有足够的负载能力以搭载较重的执行末端；为保护机械臂和橡胶树不受损伤，机械臂上装有柔性弹簧减震装置可以有效减小割胶作业时产生的反作用力和震动。

本发明通过以下技术方案实现：供割胶机器人使用的五自由度柔性机械臂，由底座1、前臂组件和后臂组件组成；

前臂组件包括前臂液压缸2、前臂活塞杆3、前臂减震弹簧装置4；底座1末端与前臂液压缸2连接构成旋转副，使前臂具有旋转自由度，该自由度实现调整整体机械臂朝向；前臂液压缸2通过液压驱动前臂活塞杆3运动使前臂具有伸缩自由度，该自由度实现前臂伸缩功能调整机械臂高度；前臂活塞杆3末端与前臂减震弹簧装置4相连接，前臂减震弹簧装置4使前臂具有柔性性质，可以减小割胶时产生的垂直震动带来的影响。

后臂组件包括后臂液压缸6、后臂活塞杆7、后臂减震弹簧装置8、旋转固定件9、末端连接件10；后臂液压缸6通过直角连杆5与前臂末端相连接，使得后臂与前臂成直角关系固定，并且后臂液压缸6通过液压驱动后臂活塞杆7运动使后臂具有伸缩自由度实现后臂伸缩调整机械臂与目标位置的水平距离；后臂活塞杆7末端与后臂弹簧减震装置8相连接，使得后臂也具有柔性性质，可以减小割胶时产生的水平震动的影响；后臂弹簧减震装置8末端与旋转固定件9相连接并构成旋转副，实现后臂的旋转自由度；旋转固定件9通过一凹槽将末端连接件10固定，并与末端连接件10构成上下旋转自由度，使得末端连接件10可调整末端垂直角度。

前臂组件与后臂组件由直角连杆5连接，连接处并不具有自由度，因为本发明中五自由度机械臂已经满足割胶工作的工作空间及灵活度要求，连接处固定使得机械臂整体结构更加稳定和控制更加简单。若有其他工作需要具备与割胶工作类似的减震功能，但是对机械臂的工作空间及灵活度有更高的要求，直角连杆处可替换为固定旋转副为机械臂增加一个旋转自由度，使机械臂变为六自由度机械臂，其可满足绝大多数的工作要求。

减震弹簧装置由一定刚度的弹簧构成，并且在减震装置中间有可伸缩柱为整体装置增加受力能力，使得机械臂具有柔性性质同时整体仍然具有足够的刚度，因此机械臂控制方法的难度和控制成本没有巨大提升，可提高机械臂的稳定性，在收到较大外力及震动时机械臂会产生减震效果，保证机械臂运行的安全。

在本发明中由液压驱动实现各伸缩自由度，因为前臂、后臂整体负载较重，液压驱动具有良好的载重能力满足机械臂的负载需求；由电机驱动实现各旋转自由度，因为各旋转自由度用于将执行末端精准的移动至指定位置，其需要较好的控制性能、精准度和响应速度，电机驱动满足以上几点要求。

本发明中的割胶机器人柔性机械臂的具体工作原理如下：

底座1固定在全自动割胶机器人机身上方，底座1与前臂液压缸2相连接，底座1具有电机与旋转机构。针对全自动割胶机器人割胶工作，主要分为三个过程：旋转对准，水平对准，割刀贴合。为实现全自动割胶机器人一次割胶过程，割胶机器人到达橡胶树前方作为初始位置，为使机械臂整体对准目标橡胶树，底座1与前臂液压缸2在旋转机构的共同作用下实现旋转，垂直连杆5不具有自由度，可带动机械臂后臂装置进行旋转，进而实现整体机械臂进行旋转，将机械臂整体对准目标橡胶树。对准目标橡胶树后，由于割痕高度不一，为了进一步对准割痕，前臂液压缸2与前臂活塞杆3共同作用，控制前臂活塞杆3伸缩升降，同时，后臂整体进行升降，实现机械臂整体伸缩升降控制进行水平割痕对准。水平对准后，后臂液压缸6作用到后臂活塞杆7上，控制后臂活塞杆7水平伸缩运动，控制割刀机构靠近目标橡胶树，后臂减震弹簧装置8、旋转固定件9、末端连接件10进而运动靠近橡胶树，当所遇到的目标橡胶树为倾斜树木，这时，旋转固定件9控制割刀机构，进行旋转，末端连接件10具有俯仰自由度，同时配合旋转固定件9进行矫正，末端连接件10装置割刀抱树结构，对准之后进行割胶的工作。如目标橡胶树向左倾斜10度，同时向割刀机构的另一侧倾斜10度，则根据采集到的倾斜信息，控制旋转固定件9进行向左旋转10度，末端连接件10向下旋转10度进位对准割痕。

参照图2，为满足割胶所需的自由度范围，本发明共五个自由度，包括底座旋转自由度11，前臂活塞杆3具有上下伸缩自由度12，后臂液压缸6配合后臂活塞杆7具有前后伸缩自由度13，旋转固定件9具有旋转自由度14，末端连接件10具有俯仰自由度15。

参照图3-4，末端执行机构-抱树机构进行抱树动作，内部割刀进行橡胶树的切割，在切割过程中，由于反作用力，会有大量的高频震动产生，普通机械臂是刚性的，在高频振动的作用下，对机械臂造成不可逆的机械损伤。本发明设计减震***，由机械臂中的前臂减震弹簧装置4和后臂减震弹簧装置8构成，具有吸收高频震动的能力，对机械臂进行保护，顺利完成割胶工作，同时具有更长的使用寿命。参照图3前臂减震弹簧装置4的结构由上固定台43，下固定台44，弹簧一41，中轴机构42构成，参照图4后臂减震弹簧装置8类比前臂减震弹簧装置4由前固定台84，后固定台83，弹簧二81，中轴机构82构成。在机械臂收到由前部割胶产生的高频震动时，震动将由机械部件依次传导，当震动传递到减震弹簧时，弹簧的减震***对来自前部的震动左右和上下都可以进行吸收，由于存在两级减震弹簧，极大的削弱了震动对机械臂造成的损伤，同时侧面提升了切割效率。

参照图5，本实施案例中以移动式平台搭载机械臂方式安装，安装方式如图。由移动平台搭载机械臂，机械臂末端安装有进行割胶作业的抱树执行末端。

本发明出发点在设计一种供割胶机器人使用的柔性机械臂，但机械臂末端连接件上可连接不同末端执行装置，包括但不限于割胶工具，即本发明也可适用于其他工作领域。该机械臂相较于现有机械臂简化了结构，使得机械臂在保证了工作效果下减小了机械臂的体积大小及重量，使得本机械臂可搭载在可移动平台上，进一步扩大了使用空间。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种割胶机器人柔性机械臂，其特征在于：包括底座、垂直的前臂组件和水平的后臂组件，所述底座固定在割胶机器人的机身上方，

所述前臂组件包括前臂液压缸、前臂活塞杆和前臂减震弹簧装置，所述前臂液压缸安装在所述底座上并与所述底座构成旋转副，所述前臂液压缸通过液压驱动所述前臂活塞杆伸缩，所述前臂活塞杆的末端与所述前臂减震弹簧装置相连接；

所述后臂组件包括后臂液压缸、后臂活塞杆、后臂减震弹簧装置和末端连接件，所述后臂液压缸通过直角连杆与所述前臂组件的顶端相连接，所述后臂液压缸通过液压驱动所述后臂活塞杆伸缩，所述后臂活塞杆的末端与所述后臂减震弹簧装置相连接，所述后臂减震弹簧装置的末端与旋转固定件相连接并构成旋转副，所述旋转固定件的末端连接设有割刀的所述末端连接件，且作用于割胶主体上的所述末端连接件具有上下旋转自由度。

2.根据权利要求1所述的割胶机器人柔性机械臂，其特征在于：所述前臂组件与后臂组件通过所述直角连杆连接，连接处并不具有自由度。

3.根据权利要求1所述的割胶机器人柔性机械臂，其特征在于：所述前臂减震弹簧装置包括弹簧一、中轴机构、上固定台和下固定台，所述弹簧一中间贯穿设置有所述中轴机构，所述中轴机构的上下两端分别固定有所述上固定台和下固定台。

4.根据权利要求3所述的割胶机器人柔性机械臂，其特征在于：所述前臂活塞杆的顶端与所述下固定台固定连接，所述上固定台通过所述直角连杆与所述后臂液压缸连接。

5.根据权利要求1所述的割胶机器人柔性机械臂，其特征在于：所述后臂减震弹簧装置包括弹簧二、中轴机构、前固定台和后固定台，所述弹簧二中间贯穿设置有所述中轴机构，所述中轴机构的前后两端分别固定有所述前固定台和后固定台。

6.根据权利要求5所述的割胶机器人柔性机械臂，其特征在于：所述后臂活塞杆的末端与所述后固定台固定连接，所述前固定台上固定设置有所述旋转固定件。

7.根据权利要求1所述的割胶机器人柔性机械臂，其特征在于：所述旋转固定件通过一凹槽将所述末端固定件连接。

8.根据权利要求7所述的割胶机器人柔性机械臂，其特征在于：所述凹槽中设置有一水平转轴，所述末端固定件安装在所述转轴上并相对所述转轴做上下旋转运动。