一种萝卜采收机械手的制作方法

本发明涉及一种萝卜采收机械手，适用于机械领域。

背景技术：

目前，中国农业机械化对农业生产的贡献率仅为17%，与发达国家存在很大的差距。加速农业现代化进程，实施精确农业，广泛应用农业机器人，以提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效率已成为现代农业发展的必然趋势。果蔬的采收方法有手工采收、机械辅助采收和机械化采收3种，世界萝卜的总产量为4900万t/年，其中中国680万t/年，国内的采摘作业基本上都是手工进行的，收获作业劳动强度大。随着农业设施的发展和作业机械化的要求，对萝卜种植模式要求也越来越高，种植、管理和收获的劳动量也越来越大，亚需研究开发果蔬收获机器人，实现果蔬的机械化、自动化与智能化收获。

技术实现要素：

本发明提出了一种萝卜采收机械手，机械结构部分主要由手爪、手腕、手臂、机座等组成，具有手臂回转、升降、手臂摆动、手腕旋转共4个自由度。萝卜采收机械手能依次完成萝卜的拔取、翻转、转位等动作。为了使采收过程顺利进行，机械手采用液压驱动，并结合plc控制系统来提高该机械手的定位精度，实现萝卜采收的自动化过程。

本发明所采用的技术方案是：

所述机械手由执行系统、驱动系统和控制系统组成。

所述机械手末端执行机构是用来直接握持萝卜的部件，由于被握持萝卜的形状、尺寸大小、重量、表面状况等的不同，根据实际要求，设计采用夹钳式的手部结构。

所述夹钳式手部结构由手指、传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的物体具有较大的适应性，常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或放松。

所述机械手控制系统油路中的换向阀使用中位“o”型换向阀，夹紧缸换向选用二位三通电磁阀，其他缸全部选用“o”型三位四通电磁换向阀。

所述机械手的手臂部位采用液压回转缸的形式实现手臂的大尺度旋转动作，采用一个回转液压缸，实现小臂的旋转运动。

所述机械手控制系统主要液压回路定好后，再加上其他功用的辅助油路(如卸荷、测压等油路)就可以进行合并，完善为完整的液压系统，并编制液压系统动作循环及电磁铁动作顺序表。

本发明的有益效果是：该萝卜采收机械手能配合萝卜采收机依次完成萝卜的拔取、翻转、转位等动作。

附图说明

图1是本发明的机械手总体形式简图。

图2是本发明的用一个回转液压缸实现腕部旋转的结构主视图。

图3是本发明的用一个回转液压缸实现腕部旋转的结构左视图。

图4是本发明的小臂回转缸结构主视图。

图5是本发明的小臂回转缸结构左视图。

图6是本发明的plc状态流程简图。

图中：1.回转液压缸；2手爪驱动液压缸；3.左进油管；4.手部油管；5.右进油管；6.固定叶片；7.回转轴；8.回转叶片；9.缸体；10.缸体；11.键；12.回转叶片；13.左油孔；14..定片；15.右油孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，根据萝卜采收过程的特殊性，为了提升萝卜采收的工作效率，所设计的是一种农业机械中的收获机械手，由执行系统、驱动系统和控制系统组成。

萝卜采收机械手的关键部位主要包括：1)手爪部位。手爪部位的主要工作是对萝卜进行抓取，为了减少手部由于惯性带来的不平稳性，此部位采用回转的形式，而手爪只用两根手指代替；2)手腕部位。手腕是连接手爪部位和手臂部位的关键地方，其主要工作是调整萝卜的方位，使萝卜被抓的时候可以进行摆动和回转，辅助萝卜采收过程的连贯性；3)手臂部位。手臂部位的主要作用就是支承，在采收过程中带动其他部件运转，并按照采收要求将萝卜搬运到指定的位置，设计时只需要实现手臂部位的升降与摆动即可。此次设计机械手应实现的功能：萝卜的挖掘、被挖掘的萝卜转移到指定位置。

手部是用来直接握持萝卜的部件，由于被握持萝卜的形状、尺寸大小、重量、表面状况等的不同，根据实际要求，设计采用夹钳式的手部结构。夹钳式手部结构由手指、传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的物体具有较大的适应性，常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或放松。

如图2，机械手腕与机械手臂连接在一起，手臂运动结束后调整手腕的位置状态，以此来提高萝卜采收过程的拔取率。手腕部位的机械结构设计应该力求扎实紧凑，且转动惯性小。手腕也是末端执行部位与机械手臂之间的桥梁，处于手臂部位的前端，手爪的末端，因此其承受载荷的性能直接关系到萝卜的采收过程，在设计的过程中还要考虑其机械强度与刚度，并且要让其布局合理。

如图3，机械手的手臂部位是实现机械手末端手爪进行大尺度位姿变换的关键部件，即把末端手爪部分移动到空间的指定地点。手臂部位的驱动形式主要有液压传动式和机械传动式两种，由于手臂部位的大尺度工作范围，以及工作中也需承受腕部和手爪部位的动力载荷，而且其姿态调整的灵活性影响到机械手的定位精度，因此手臂部位采用液压回转缸的形式实现手臂的大尺度旋转动作，采用一个回转液压缸，实现小臂的旋转运动。从a-a剖视图上可以看出，回转叶片用键和转轴连接在一起，定片和缸体用销钉和螺钉连接，压力油由左油孔进人和右油孔压出，以此来实现手臂部位的旋转。

如图4，从萝卜采收的工艺过程可以得出，机械手运动的时候液压系统中液压油的压力和流量不需要太高，设计使用电磁换向阀的液压回路可以较好地提高采收过程的自动化程度。从降低供油压力的角度来分析，机械手的液压系统可以采用单泵供油，而手臂部位的旋转和位姿的调整等相关机构采用并联供油。为了防止多缸的运动系统在运动的过程中产生干涉和保证运动过程中实现非同步运动或者是同步运动，油路中的换向阀使用中位“o”型换向阀，夹紧缸换向选用二位三通电磁阀，其他缸全部选用“o”型三位四通电磁换向阀。机械手臂位姿调整的过程中要求行程可变，在液压缸的起动和停止的过程中也需要缓冲，但由于回转缸内空间狭小，且回转缸为小流量泵供油，故本系统没有在回转缸换向回路中采用缓冲回路，仅在大流量直动液压缸中采用缓冲回路。

在上述主要液压回路定好后，再加上其他功用的辅助油路（如卸荷、测压等油路）就可以进行合并，完善为完整的液压系统，并编制液压系统动作循环及电磁铁动作顺序表。

为了让机械手工作时可靠且有较强的稳定性，控制部分的设计思路是让该机械手的部件顺序动作，所以，在任一时间该机械手都只有一个部件被驱动，而各个部件的运动方式和运动范围都是受其结构限制的。

机械手在自动运动状态时每一个周期需要完成以下动作：萝卜采摘开始时，机械手被设定在准备状态，第一步为手臂下降；下降完成后，手爪扎入地下指定深度，进行第二步手爪夹紧；为完成挖萝卜动作，手腕带动手爪及萝卜旋转90°；完成上述动作后，机械手臂向上提升完成拔去动作；手臂摆动90°，以实现对萝卜的转移；最后手臂回摆，手腕回摆，机械手回到初始状态。

技术特征：

技术总结
一种萝卜采收机械手，机械结构部分主要由手爪、手腕、手臂、机座等组成，具有手臂回转、升降、手臂摆动、手腕旋转共4个自由度。萝卜采收机械手能依次完成萝卜的拔取、翻转、转位等动作。为了使采收过程顺利进行，机械手采用液压驱动，并结合PLC控制系统来提高该机械手的定位精度，实现萝卜采收的自动化过程。该萝卜采收机械手能配合萝卜采收机依次完成萝卜的拔取、翻转、转位等动作。

技术研发人员：马驰
受保护的技术使用者：马驰
技术研发日：2016.11.22
技术公布日：2018.05.29