专利名称：一种适于培养瓶内组培苗移植作业的机械手的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种组培苗移植机械，特别是关于一种适合于培养瓶内组培苗移 植作业的机械手。
背景技术：
在传统的组培苗繁殖生产过程中，为了获得更多的苗株数量，通常需要将已 长成的植株分割成带有腋芽的小茎段(或小块芽团)，插植到新培养容器内的继代 培养基上，使之成长为一个新的苗株，然后再进行分割移植，如此进行数十次循 环繁殖作业。该移植过程工作量大，重复性大，需要投入大量的人力和时间。国 外一些研究机构针对该移植过程进行过相关机械装置的研发，但这些装置都是针 对盘式育苗设计的，结构庞大。而在实际的工厂化育苗过程中，为尽量减少病菌 感染，多采用细口培养瓶式育苗。与培养盘相比，培养瓶口颈小，内部空间小， 苗株生长状态和间距均不规则，因此国外开发的组培苗移植装置并不适合国内实 际育苗生产的需要。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种运动灵活、定位准确、不碰瓶不伤 苗的适于培养瓶内组培苗移植作业的机械手。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案 一种适于培养瓶内组培苗移植 作业的机械手，它包括一工作台，所述工作台上设置有一个具有三个自由度的机
械臂和一个具有两自由度的手爪机构；所述机械臂包括两个水平转动关节机构和
一个竖直移动关节机构，其中两个水平转动关节机构为串联连接，竖直移动关节
机构串联在所述水平转动关节机构末端；所述竖直移动关节机构的末端连接所述 手爪机构，所述手爪机构包括一可绕竖直轴线在360°范围内旋转、可实现水平和 竖直两方位的翻转，且可张开和闭合的取苗手爪。
所述两个水平转动关节机构包括串联的一大臂和一小臂，所述大臂与一固定 在工作台上的肩关节电机所连接的肩关节轴水平固连，所述小臂与一固定在所述 大臂末端的肘关节电机所连接的肘关节轴水平固连，所述大臂和小臂具有竖直平 行的旋转轴线。
所述竖直移动关节机构包括在所述小臂末端通过移动关节支架固定的一移动 关节电机，所述移动关节电机输出轴上连接一主/从动齿轮副，所述从动齿轮转动支撑在所述小臂上，所述从动齿轮中心通过一内嵌螺母连接一丝杠，所述丝杠具 有两个对称的扁平面，与所述两扁平面位置对应，在所述移动关节支架上固定有 两个导向块。
所述手爪机构包括在所述丝杠下端连接的支架上固定的一第一手爪电机，第 一手爪电机输出轴上连接一手爪柄，手爪柄的上部固定一第二手爪电机并挂接一 弹簧，下部固定一气爪支架，所述气爪支架转动连接所述取苗手爪，并在取苗手 爪上方设置一限制手爪90°翻转的挡轴；所述取苗手爪的首尾端分别栓接一钢丝 绳， 一所述钢丝绳另一端缠绕在所述第二手爪电机的输出轴上，另一所述钢丝绳 的另一端栓接在所述弹簧上。
所述取苗手爪包括一直接与所述气爪支架转动连接的气爪，所述气爪首尾端 连接两所述钢丝绳，所述气爪前端的两气爪活动臂上分别连接一手指板。
两所述手指板的相对内侧设置有弹性材料。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明结构简单，采用 水平转动和竖直移动组合的机械臂关节机构，运动灵活，定位准确。2、本发明手 爪机构的驱动部分由于设置在与机械臂相连接的末端，在取苗时不伸入苗瓶，其 动力通过钢丝绳远距离传递到取苗手爪，因此取苗部位结构非常小巧、紧凑，十 分便于在狭小空间内进行取苗作业。3、本发明的取苗手爪在进入苗瓶时呈竖直状 态，进入苗瓶后翻转呈水平状态再进行取苗，因此在取苗过程中不会碰撞苗瓶、 伤苗和影响其它苗株的生长位置。4、手指板前端粘贴有弹性材料，因此在取苗时 不会夹伤苗株茎秆。本发明十分适合于在狭小空间内进行组培苗移植作业。
图l是本发明的主视图
图2是本发明的俯视图
图3是图1中的机械臂水平转动肩关节机构示意图 图4是图1中的机械臂水平转动肘关节机构示意图 图5是图1中的竖直移动关节机构示意图 图6是图5中的从动齿轮结构示意图 图7是内嵌螺母的结构示意图
图8是从动齿轮、内嵌螺母和丝杠的配合结构示意图
图9是丝杠的结构示意图
图10是图9的左视示意图
图ll是图1中的手爪机构示意12是手爪机构中的手爪呈水平位置示意图 图13是图12的左视图
图14是当气爪不通气时两个手指板张开的示意图 图15是当气爪通气时两个手指板闭合的示意图 图16是手爪机构中的手爪呈竖直位置示意图
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图l、图2所示，本发明的整个组培苗移植机械手包括工作台1、机械臂水 平转动肩关节机构2、机械臂水平转动肘关节机构3、机械臂竖直移动关节机构4 和手爪机构5五个部分。工作台1包括一台面6，台面6上同时固定一电机支架7， 和一轴承座支架8，轴承座支架8高于电机支架7。电机支架7和轴承座支架8也 可以设置成一体的。
如图3所示，机械臂水平转动肩关节机构2包括设置在电机支架7上的一肩 关节电机9，肩关节电机9的输出轴向上穿出电机支架7顶部后通过肩关节联轴器 10竖直连接一肩关节轴11。肩关节轴11采用上、下两个轴承/轴承座组合12、 13 支撑，其中下轴承座14固定在轴承座支架8的顶部，上轴承座15通过四个螺栓 16固定在与下轴承座14平行的正上方。肩关节轴11的末端通过大臂紧固螺钉17 水平连接一大臂18，大臂18的一端设置一配重块19，用于与大臂18另一端连接 的机构保持平衡。肩关节电机9通过联轴器10将动力传递到肩关节轴11上，肩 关节轴11带动与之固连的大臂18及其上的部件以肩关节轴11的轴线为中心做水 平旋转运动。
如图4所示，机械臂水平转动肘关节机构3包括在大臂18另一端固定的一肘 关节电机支架20，在肘关节电机支架20上固定一肘关节电机21。肘关节电机21 输出轴通过联轴器22竖直连接一肘关节轴23。肘关节轴23向上穿出大臂18，并 以安装在大臂18上的轴承24作为支撑，肘关节轴23的末端同样通过一小臂紧固 螺钉25水平连接一小臂26的一端。肘关节电机21通过联轴器22带动肘关节轴 23水平旋转，从而带动与之固连的小臂26及其上的部件以肘关节轴23的轴线为 中心做水平旋转运动。
如图5所示，机械臂竖直移动关节机构4包括在小臂26另一端固定的一移动 关节电机支架27，在移动关节电机支架27上固定一移动关节电机28。移动关节 电机28的输出轴通过螺钉与一齿轮轴固连，齿轮轴上固定有主齿轮29，主齿轮 29啮合连接一从齿轮30。从齿轮30通过设置在小臂26上的轴承31支撑在小臂26上。如图6 10所示，在从齿轮30中心孔内嵌套一螺母32，通过螺母32的螺 纹连接一作为竖直移动件的丝杠33。为了实现丝杠33的竖直移动，在丝杠33上 设置有两个对称的扁平面，与两扁平面位置对应，在移动关节电机支架27上固定 有两个导向块34，起到对丝杠33的导向作用。丝杠33下端穿过螺母32及小臂 26后，连接手爪机构5。在移动关节电机28的驱动下，主齿轮29啮合从齿轮30 一起旋转，从齿轮30的旋转带动丝杠33在螺母32内做竖直上下运动。
如图11 13所示，手爪机构5包括连接在丝杠33下端的一支架35，支架35 上固定一第一手爪电机36。第一手爪电机36的输出轴上通过一螺栓37连接一垂 向的手爪柄38。在手爪柄38的上部固定一第二手爪电机39和一弹簧钩40;在手 爪柄38的下部固定一气爪支架41，气爪支架41具有一内裆，在内裆中，上部设 置一挡轴42，下部通过两个小销轴43转接一气爪44,气爪44可以绕小销轴43 在气爪支架41内裆中翻转，并且在翻转到90。时，挡轴42可以挡住气爪44。气 爪44的前端和尾端分别栓接一钢丝绳45、 46，钢丝绳45的另一端绕接到第二手 爪电机39的输出轴上，钢丝绳46的另一端栓接到挂接在弹簧钩40上的一弹簧47 上。气爪44为常规技术产品，如图14、 15所示，它包含两个由气控系统控制的 气爪活动臂48、 49 (气控系统图中未视出)，在两个气爪活动臂48、 49上分别连 接一手指板50、 51，手指板50、 51和气爪44共同构成取苗手爪。手指板50、 51 的内侧相对设置有橡胶片等弹性材料52。当气爪44不通气时，两个气爪活动臂 48、 49张开，与之固连的两个手指板50、 51也张开，可以进行夹苗。当气爪44 通气时，两个气爪活动臂48、 49闭合，与之固连的两个手指板50、 51也闭合， 夹住苗株。
如图12、图16所示，当第二手爪电机39正转时(或定义成反转也可以)，拉 动钢丝绳45提升，使得与钢丝绳45固连的气爪44以销轴43的轴线为中心顺时 针旋转，当气爪44的上表面与挡轴42接触时，气爪44的气爪活动臂48、 49正 好处于水平位置；当第二手爪电机39反转时(或定义成正转也可以)，钢丝绳45 松开，气爪44在弹簧47和钢丝绳46的拉力下以销轴43的轴线为中心逆时针旋 转，当气爪44的上表面再次与挡轴42接触时，气爪44的气爪活动臂48、 49正 好处于竖直向下的位置。
本发明在使用时，可根据培养瓶中某苗株的位置，自动运行到该位置并抓取
苗株，取苗手爪在进入到苗瓶时呈竖直状态，进入到苗瓶后翻转90。，呈水平状
态再取苗，这样在取苗过程中不会碰撞到苗瓶，不会伤苗和影响其它苗株的生长 位置，其具体操作过程如下1、 机械臂水平转动肩关节机构2和肘关节机构3根据手爪末端和苗株抓取点
在水平面内的相对位置，驱动大臂18和小臂26分别做水平旋转运动，使手爪机 构5末端刚好运动到苗瓶上方。
2、 手爪机构5根据苗株所在方位与气爪44的开口方向(在瓶外时气爪44呈 水平状态)，通过驱动第一手爪电机36带动手爪机构5绕竖直轴线旋转，直到气 爪44的开口中心正对苗株所在位置。
3、 第二手爪电机39反转，放松钢丝绳45，使气爪44以销轴43的轴线为中 心逆时针旋转90。，气爪44的开口方向朝下，此时气爪44呈竖直状态。
4、 机械臂竖直移动关节机构4根据手指板50、 51末端所在位置，启动移动 关节电机28，使丝杠33竖直向下运动，使取苗手爪顺利通过瓶口，进入到苗株抓 取点位置。
5、 第二手爪电机39正转，拉动钢丝绳45向上提升，使气爪44以销轴43的 轴线为中心顺时针旋转9(T ，气爪44处于水平位置(如图12所示)，且苗株刚好 处于气爪44前端的手指板50、 51之中。气爪44通气，使两个手指板50、 51闭 合，夹住苗株。
6、 然后再一次启动移动关节电机28，使丝杠33竖直向上运动，将苗株取出 培养瓶。
权利要求
1、一种适于培养瓶内组培苗移植作业的机械手，其特征在于它包括一工作台，所述工作台上设置有一个具有三个自由度的机械臂和一个具有两自由度的手爪机构；所述机械臂包括两个水平转动关节机构和一个竖直移动关节机构，其中两个水平转动关节机构为串联连接，竖直移动关节机构串联在所述水平转动关节机构末端；所述竖直移动关节机构的末端连接所述手爪机构，所述手爪机构包括一可绕竖直轴线在360°范围内旋转、可实现水平和竖直两方位的翻转，且可张开和闭合的取苗手爪。
2、 如权利要求l所述的一种适于培养瓶内组培苗移植作业的机械手，其特征 在于所述两个水平转动关节机构包括串联的一大臂和一小臂，所述大臂与一固 定在工作台上的肩关节电机所连接的肩关节轴水平固连，所述小臂与一固定在所 述大臂末端的肘关节电机所连接的肘关节轴水平固连，所述大臂和小臂具有竖直 平行的旋转轴线。
3、 如权利要求l所述的一种适于培养瓶内组培苗移植作业的机械手，其特征 在于所述竖直移动关节机构包括在所述小臂末端通过移动关节支架固定的一移动关节电机，所述移动关节电机输出轴上连接一主/从动齿轮副，所述从动齿轮转 动支撑在所述小臂上，所述从动齿轮中心通过一内嵌螺母连接一丝杠，所述丝杠 具有两个对称的扁平面，与所述两扁平面位置对应，在所述移动关节支架上固定 有两个导向块。
4、 如权利要求2所述的一种适于培养瓶内组培苗移植作业的机械手，其特征 在于所述竖直移动关节机构包括在所述小臂末端通过移动关节支架固定的一移动关节电机，所述移动关节电机输出轴上连接一主/从动齿轮副，所述从动齿轮转 动支撑在所述小臂上，所述从动齿轮中心通过一内嵌螺母连接一丝杠，所述丝杠 具有两个对称的扁平面，与所述两扁平面位置对应，在所述移动关节支架上固定 有两个导向块。
5、 如权利要求1或2或3或4所述的一种适于培养瓶内组培苗移植作业的机 械手，其特征在于所述手爪机构包括在所述丝杠下端连接的支架上固定的一第一手爪电机，第一手爪电机输出轴上连接一手爪柄，手爪柄的上部固定一第二手 爪电机并挂接一弹簧，下部固定一气爪支架，所述气爪支架转动连接所述取苗手爪，并在取苗手爪上方设置一限制手爪90°翻转的挡轴；所述取苗手爪的首尾端分别栓接一钢丝绳， 一所述钢丝绳另一端缠绕在所述第二手爪电机的输出轴上，另一所述钢丝绳的另一端栓接在所述弹簧上。
6、 如权利要求1或2或3或4所述的一种适于培养瓶内组培苗移植作业的机械手，其特征在于所述取苗手爪包括一直接与所述气爪支架转动连接的气爪， 所述气爪首尾端连接两所述钢丝绳，所述气爪前端的两气爪活动臂上分别连接一 手指板。
7、 如权利要求5所述的一种适于培养瓶内组培苗移植作业的机械手，其特征在于所述手爪包括一直接与所述气爪支架转动连接的气爪，所述气爪首尾端连 接两所述钢丝绳，所述气爪前端的两气爪活动臂上分别连接一手指板。
8、 如权利要求1或2或3或4或7所述的一种适于培养瓶内组培苗移植作业 的机械手，其特征在于两所述手指板的相对内侧设置有弹性材料。
9、 如权利要求5所述的一种适于培养瓶内组培苗移植作业的机械手，其特征在于两所述手指板的相对内侧设置有弹性材料。
10、 如权利要求6所述的一种适于培养瓶内组培苗移植作业的机械手，其特征在于两所述手指板的相对内侧设置有弹性材料。
全文摘要
本发明涉及一种适于培养瓶内组培苗移植作业的机械手，其特征在于它包括一工作台，所述工作台上设置有一个具有三个自由度的机械臂和一个具有两自由度的手爪机构；所述机械臂包括两个水平转动关节机构和一个竖直移动关节机构，其中两个水平转动关节机构为串联连接，竖直移动关节机构串联在所述水平转动关节机构末端；所述竖直移动关节机构的末端连接所述手爪机构，所述手爪机构包括一可绕竖直轴线在360°范围内旋转、可实现水平和竖直两方位的翻转，且可张开和闭合的手爪。本发明结构简单灵活，定位准确，手爪的驱动机构在取苗时不伸入苗瓶，只将手爪伸入苗瓶，不碰瓶、不伤苗，十分适合于狭小空间内的取苗作业。
文档编号A01H4/00GK101416609SQ200810239240
公开日2009年4月29日 申请日期2008年12月5日 优先权日2008年12月5日
发明者张凯良, 张铁中, 丽 杨 申请人:中国农业大学