本发明涉及一种侧枝修剪装置，特别是一种番茄侧枝修剪机器人。
背景技术：
随着社会需求的增大，番茄的种植规模也越来越大，因此在番茄的种植过程中对侧枝的修剪则是目前种植户所面临的重要工作。由于番茄侧枝在修剪过程中对灵活性和修剪精度的要求较高，导致市面上没有一种适用于侧枝修剪的机械设备，目前我国番茄种植中的侧枝修剪工作均由人工完成，导致工人的工作强度大，修剪费用高；此外，由于温室内的温度高、湿度大，并且长期处于不通风状态使二氧化碳的含量增加，导致工人在温室内长期工作后会对身体造成一定影响，并提高了风湿类疾病的患病率。因此，需要一种可以通过远程控制对种番茄侧枝进行有效修剪的机械设备。
技术实现要素：
本发明的目的在于，提供一种番茄侧枝修剪机器人。它能够通过远程控制对种番茄侧枝进行有效修剪，并具有修剪效率高、灵活性好的特点。
本发明的技术方案：番茄侧枝修剪机器人，包括行走装置，行走装置顶部设有升降平台，升降平台上设有第一视觉系统和机械手，机械手一端连接有激光切断装置；所述机械手包括固定在升降平台顶部的丝杆滑台装置，丝杆滑台装置上固定连接有机械手底座，机械手底座上设有底座固定法兰，底座固定法兰顶部设有伺服电机，伺服电机的输出轴外侧经轴承连接底座固定法兰，伺服电机的输出轴一端经平键连接有主动齿轮，主动齿轮外侧啮合连接有外齿式回转轴承，外齿式回转轴承的内圈下端固定在机械手底座上，外齿式回转轴承内侧连接有大臂座安装法兰，大臂座安装法兰上端固定连接有大臂座，大臂座内侧设有大臂，大臂座两侧分别设有大臂俯仰电机和小臂俯仰电机，大臂俯仰电机的输出轴端部经平键连接有固定在大臂下端的大臂连接法兰，大臂连接法兰一侧经轴承连接有固定在大臂座上的第一大臂座连接法兰，所述小臂俯仰电机的输出轴端部经平键连接有轴套，轴套外侧经轴承连接有固定在大臂座上的第二大臂座连接法兰，轴套一端连接有位于大臂下端中部的小臂同步带主动轮，小臂同步带主动轮外侧经小臂同步带连接有设置在大臂上端中部的小臂同步带从动轮，小臂同步带从动轮内侧经平键连接有小臂中心轴，小臂中心轴两侧经平键连接有小臂连接法兰，两侧小臂连接法兰之间固定连接有小臂，两侧小臂连接法兰一侧经轴承连接大臂；大臂下端两侧分别设有腕部俯仰电机和腕部旋转电机，腕部俯仰电机和腕部旋转电机的输出轴经平键分别连接有腕部俯仰同步带主动轮和腕部旋转同步带主动轮，腕部俯仰同步带主动轮经第一腕部俯仰同步带连接有腕部俯仰双联同步带轮，腕部旋转同步带主动轮经第一腕部旋转同步带连接有第一腕部旋转双联同步带轮，腕部俯仰双联同步带轮和第一腕部旋转双联同步带轮分别设置在小臂同步带从动轮两侧的小臂中心轴上，腕部俯仰双联同步带轮外侧经第二腕部俯仰同步带连接有腕部俯仰同步带从动轮，腕部俯仰同步带从动轮内侧经平键连接有腕部中心轴，腕部中心轴两侧经平键连接有腕部连接法兰，两侧腕部连接法兰上固定连接有手腕，所述第一腕部旋转双联同步带轮一侧经第二腕部旋转同步带连接有位于腕部俯仰同步带从动轮一侧的第二腕部旋转双联同步带轮，第二腕部旋转双联同步带轮上经第三腕部旋转同步带连接有设置在手腕端部的腕部旋转同步带从动轮，腕部旋转同步带从动轮内侧经平键连接有腕部旋转中心轴，腕部旋转中心轴两侧经轴承连接有固定在手腕上的法兰端盖，腕部旋转中心轴上经平键连接有主动锥齿轮，主动锥齿轮外侧啮合连接有从动锥齿轮，从动锥齿轮内侧经平键连接有腕部旋转轴，腕部旋转轴上经轴承连接有固定在手腕端部外侧的腕部旋转法兰，腕部旋转轴端部经激光切断装置安装板固定连接有激光切断装置，所述底座固定法兰经底座顶板固定在机械手底座上。
前述的番茄侧枝修剪机器人中，所述大臂座包括大臂座底座，大臂座底座下端固定连接在大臂座安装法兰顶部，大臂座底座顶部两侧分别设有大臂座左侧板和大臂座右侧板，所述大臂俯仰电机和第一大臂座连接法兰分别固定在大臂座左侧板两侧，所述小臂俯仰电机和第二大臂座连接法兰分别固定在大臂座右侧板两侧。
前述的番茄侧枝修剪机器人中，所述大臂上设有多个安装块，安装块上设有可旋转的涨紧装置，涨紧装置端部设有涨紧轮。
前述的番茄侧枝修剪机器人中，所述丝杆滑台装置包括固定在升降平台顶部的丝杆滑台底座，丝杆滑台底座顶部两侧设有直线导轨，丝杆滑台底座顶部中心设有丝杆，丝杆一端经联轴器连接有丝杆电机，丝杆上设有丝杆螺母，丝杆螺母顶部固定连接有安装板，安装板底部两侧经导轨滑块连接直线导轨，所述机械手底座固定在安装板顶部。
前述的番茄侧枝修剪机器人中，所述激光切断装置包括固定在升降平台顶部的锂电池组和激光器，激光器经光纤连接有固定在激光切断装置安装板上的聚焦透镜，所述手腕上设有与聚焦透镜配合的第二视觉系统。
前述的番茄侧枝修剪机器人中，所述行走装置包括车身，车身底部设有纵向行走装置，纵向行走装置两侧设有横向行走装置，所述纵向行走装置包括并排设置在车身底部两侧的主动车轮轴和从动车轮轴，主动车轮轴和从动车轮轴两端经不等边角钢连接车身，从动车轮轴两侧经轴承连接有从动车轮，主动车轮轴两侧经轴承分别连接有从动车轮和主动车轮，主动车轮一侧经平键连接有从动链轮，从动链轮外侧经链条连接有主动链轮，主动链轮内侧经平键连接有固定在车身内的纵向行走电机；所述横向行走装置包括固定在车身内的横向行走电机，横向行走电机的输出轴上经平键连接有横移齿轮，横移齿轮下端啮合连接有中间齿轮，中间齿轮内侧经平键连接有纵向连杆，纵向连杆两侧经轴承座固定在车身底部，中间齿轮一侧啮合连接有从动齿轮，从动齿轮内侧经平键连接有横向滚轮轴，横向滚轮轴一端经平键连接有横向主动滚轮，横向滚轮轴中部外侧经轴承连接有长连杆，长连杆端部设有横向从动滚轮，长连杆两侧转动连接有短连杆，短连杆上端转动连接在车身底部，长连杆中部连接有位于车身内的液压缸。
前述的番茄侧枝修剪机器人的使用方法：本发明通过行走装置在番茄植株四周进行横向行走和纵向行走，工人通过第一视觉系统在机器人行走时对四周的番茄植株进行观察；当发现需要修剪的番茄侧枝时，行走装置停止在番茄侧枝一侧，然后经升降平台将机械手举升至适宜高度，机械手举升到位后通过丝杆滑台装置带动机械手横向移动，再由伺服电机带动机械手进行旋转，通过大臂俯仰电机和小臂俯仰电机分别带动大臂和小臂俯仰升降，通过腕部俯仰电机带动手腕俯仰升降，通过腕部旋转电机带动聚焦透镜进行旋转，使工人可以通过六个自由度来控制聚焦透镜对番茄侧枝进行修剪，在机械手的转动和修剪时通过第二视觉系统可以观察聚焦透镜和待修剪番茄侧枝的位置，提高工人的控制精度和控制效率；侧枝修剪完成后，机械手和升降平台回到原位并由行走装置继续带动机器人前进并寻找下一修剪目标。
前述的番茄侧枝修剪机器人的使用方法中，所述行走装置在工作时，纵向行走电机通过主动链轮、链条和从动链轮的配合带动主动车轮旋转，使车身在位于番茄植株之间的轨道上纵向行走；当车身移动至轨道端部时，先由主动车轮带动车身移动至番茄植垄的一端的水泥地面上，然后液压缸伸出带动长连杆下降到低位并由横向主动滚轮和横向从动滚轮将车身顶起，通过短连杆的旋转限位能够使长连杆在下降时保持水平状态；主动滚轮和横向从动滚轮与地面接触后横向行走电机通过横移齿轮、中间齿轮和从动齿轮的配合带动横向主动滚轮旋转实现对行走装置的横向移动，行走装置横向移动到位后液压缸收缩使主动车轮接触地面，再由主动车轮带动行走装置重新回到轨道并纵向移动，行走装置在纵向移动时长连杆处于收缩状态，避免横向行走装置与轨道的干涉。
与现有技术相比，本发明通过行走装置实现对机器人的纵向和横向移动，通过升降平台和丝杆滑台装置控制机械手的升降和横向移动，通过伺服电机、大臂俯仰电机、小臂俯仰电机、腕部俯仰电机和腕部旋转电机的配合，使机械手可以通过在五个自由度上的升降和旋转来完成对番茄侧枝的修剪工作，修剪效率高、灵活性好；通过各电机和同步带轮之间的结构配合，使伺服电机、大臂俯仰电机、小臂俯仰电机、腕部俯仰电机和腕部旋转电机均能够集中布置在大臂座和大臂上，方便了工人的走线工作并能够降低小臂和手腕的重量，从而提高了机械手的连接强度并降低了小臂和手腕旋转升降所需的扭力，使小臂俯仰电机、腕部俯仰电机和腕部旋转电机可以选用更低功率的电机，节约了机器人的生产和运营成本，并且本发明将各同步带轮和同步带均设置在大臂、小臂和腕部内侧，减小了机械手的占用空间并避免外界的杂质和粉尘在机械手工作时接触同步带，从而提高了机器人的工作稳定性和使用寿命，并使机械手能够在番茄侧枝之间转动灵活；通过第一视觉系统使工人可以在机器人移动时远程实时观察番茄植垄的生长状态，通过第二视觉系统和激光切断装置的配合使工人在对番茄侧枝进行修剪时能够根据侧枝的方向灵活调整聚焦透镜的剪切位置，进一步提高了机器人的修剪精度和修剪效率。此外，本发明通过底座顶板、各连接法兰和机械手大臂、小臂和手腕的连接结构，使机械手的平键、轴承等各连接部位均能隐藏在大臂、小臂和手腕的壳体内侧，提高了机器人的外观美感并防止外界灰尘在进入连接部位后造成机械手的卡滞、异响等问题，进一步提高了机械手的工作稳定性和使用寿命；设置在大臂上的涨紧装置和涨紧轮还可以对小臂同步带、腕部俯仰同步带和腕部旋转同步带进行涨紧，使同步带在长期工作后仍能够紧密连接在同步带轮上，防止打滑现象的出现，提高了机械手上各部件的转动效果。
附图说明
图1是本发明的外观图；
图2是大臂座的结构示意图；
图3是大臂下端的外观图；
图4是大臂下端的爆炸示意图；
图5是涨紧装置的结构示意图；
图6是小臂连接处的结构示意图；
图7是小臂连接处的爆炸示意图；
图8是手腕的结构示意图；
图9是手腕的爆炸示意图；
图10是丝杆滑台装置的结构示意图；
图11是激光切断装置的结构示意图；
图12是纵向行走装置的结构示意图；
图13是横向行走装置的结构示意图。
附图中的标记为：100-行走装置，200-升降平台，201-丝杆滑台装置，300-第一视觉系统，400-机械手，500-激光切断装置，1-伺服电机，2-底座固定法兰，3-主动齿轮，5-机械手底座，6-外齿式回转轴承，7-大臂座安装法兰，8-大臂座，9-腕部俯仰电机，10-大臂俯仰电机，11-大臂座左侧板，12-第一大臂座连接法兰，14-大臂连接法兰，15-底座顶板，16-大臂座右侧板，17-大臂座底座，18-小臂同步带主动轮，19-轴套，20-小臂俯仰电机，21-腕部旋转电机，22-大臂，23-安装块，24-涨紧装置，25-涨紧轮，26-小臂连接法兰，30-腕部俯仰双联同步带轮，35-小臂，36-小臂同步带从动轮，37-小臂中心轴，38-主动锥齿轮，39-手腕，40-腕部连接法兰，41-腕部俯仰同步带从动轮，44-激光切断装置安装板，45-腕部旋转轴，46-腕部旋转法兰，48-从动锥齿轮，49-腕部旋转中心轴，50-法兰端盖，51-腕部旋转同步带从动轮，52-第二腕部旋转双联同步带轮，53-丝杆电机，54-联轴器，55-安装板，56-丝杆螺母，57-丝杆，58-导轨滑块，59-直线导轨，60-丝杆滑台底座，61-车身，62-主动车轮轴，63-从动车轮轴，64-不等边角钢，65-从动车轮，66-主动车轮，67-从动链轮，68-链条，69-主动链轮，70-纵向行走电机，71-横向行走电机，72-液压缸，73-锂电池组，74-激光器，75-第二视觉系统，76-聚焦透镜，80-光纤，81-第二大臂座连接法兰，82-小臂同步带，83-腕部俯仰同步带主动轮，84-腕部旋转同步带主动轮，85-第一腕部俯仰同步带，86-第一腕部旋转同步带，87-第一腕部旋转双联同步带轮，88-第二腕部俯仰同步带，89-腕部中心轴，90-第二腕部旋转同步带，91-第三腕部旋转同步带，92-横移齿轮，93-中间齿轮，94-纵向连杆，95-轴承座，96-从动齿轮，97-横向滚轮轴，98-横向主动滚轮，99-长连杆，101-横向从动滚轮，102-短连杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。番茄侧枝修剪机器人，构成如图1所示，包括行走装置100，行走装置100顶部设有升降平台200，升降平台200上设有第一视觉系统300和机械手400，机械手400一端连接有激光切断装置500；所述机械手400包括固定在升降平台200顶部的丝杆滑台装置201，丝杆滑台装置201上固定连接有机械手底座5，机械手底座5上设有底座固定法兰2，底座固定法兰2顶部设有伺服电机1，伺服电机1的输出轴外侧经轴承该处轴承可选用推力球轴承连接底座固定法兰2，伺服电机1的输出轴一端经平键连接有主动齿轮3，主动齿轮3外侧啮合连接有外齿式回转轴承6，外齿式回转轴承6的内圈下端固定在机械手底座5上，外齿式回转轴承6内侧连接有大臂座安装法兰7，大臂座安装法兰7上端固定连接有大臂座8，大臂座8内侧设有大臂22，大臂座8两侧分别设有大臂俯仰电机10和小臂俯仰电机20，大臂俯仰电机10的输出轴端部经平键连接有固定在大臂22下端的大臂连接法兰14，大臂连接法兰14一侧经轴承连接有固定在大臂座8上的第一大臂座连接法兰12，所述小臂俯仰电机20的输出轴端部经平键连接有轴套19，轴套19外侧经轴承连接有固定在大臂座8上的第二大臂座连接法兰81，轴套19一端连接有位于大臂22下端中部的小臂同步带主动轮18，小臂同步带主动轮18外侧经小臂同步带82连接有设置在大臂22上端中部的小臂同步带从动轮36，小臂同步带从动轮36内侧经平键连接有小臂中心轴37，小臂中心轴37两侧经平键连接有小臂连接法兰26，两侧小臂连接法兰26之间固定连接有小臂35，两侧小臂连接法兰26一侧经轴承连接大臂22；大臂22下端两侧分别设有腕部俯仰电机9和腕部旋转电机21，腕部俯仰电机9和腕部旋转电机21的输出轴经平键分别连接有腕部俯仰同步带主动轮83和腕部旋转同步带主动轮84，腕部俯仰同步带主动轮83经第一腕部俯仰同步带85连接有腕部俯仰双联同步带轮30，腕部旋转同步带主动轮84经第一腕部旋转同步带86连接有第一腕部旋转双联同步带轮87，腕部俯仰双联同步带轮30和第一腕部旋转双联同步带轮87分别设置在小臂同步带从动轮36两侧的小臂中心轴37上，腕部俯仰双联同步带轮30外侧经第二腕部俯仰同步带88连接有腕部俯仰同步带从动轮41，腕部俯仰同步带从动轮41内侧经平键连接有腕部中心轴89，腕部中心轴89两侧经平键连接有腕部连接法兰40，两侧腕部连接法兰40上固定连接有手腕39，所述第一腕部旋转双联同步带轮87一侧经第二腕部旋转同步带90连接有位于腕部俯仰同步带从动轮41一侧的第二腕部旋转双联同步带轮52，第二腕部旋转双联同步带轮52上经第三腕部旋转同步带91连接有设置在手腕39端部的腕部旋转同步带从动轮51，腕部旋转同步带从动轮51内侧经平键连接有腕部旋转中心轴49，腕部旋转中心轴49两侧经轴承连接有固定在手腕39上的法兰端盖50，腕部旋转中心轴49上经平键连接有主动锥齿轮38，主动锥齿轮38外侧啮合连接有从动锥齿轮48，从动锥齿轮48内侧经平键连接有腕部旋转轴45，腕部旋转轴45上经轴承连接有固定在手腕39端部外侧的腕部旋转法兰46，腕部旋转轴45端部经激光切断装置安装板44固定连接有激光切断装置500，所述底座固定法兰2经底座顶板15固定在机械手底座5上。
所述大臂座8包括大臂座底座17，大臂座底座17下端固定连接在大臂座安装法兰7顶部，大臂座底座17顶部两侧分别设有大臂座左侧板11和大臂座右侧板16，所述大臂俯仰电机10和第一大臂座连接法兰12分别固定在大臂座左侧板11两侧，所述小臂俯仰电机20和第二大臂座连接法兰81分别固定在大臂座右侧板16两侧。
所述大臂22上设有多个安装块23，安装块23上设有可旋转的涨紧装置24，涨紧装置24端部设有涨紧轮25。
所述丝杆滑台装置201包括固定在升降平台200顶部的丝杆滑台底座60，丝杆滑台底座60顶部两侧设有直线导轨59，丝杆滑台底座60顶部中心设有丝杆57，丝杆57一端经联轴器54连接有丝杆电机53，丝杆57上设有丝杆螺母56，丝杆螺母56顶部固定连接有安装板55，安装板55底部两侧经导轨滑块58连接直线导轨59，所述机械手底座5固定在安装板55顶部。
所述激光切断装置500包括固定在升降平台200顶部的锂电池组73和激光器74，激光器74经光纤80连接有固定在激光切断装置安装板44上的聚焦透镜76，所述手腕39上设有与聚焦透镜76配合的第二视觉系统75。
所述行走装置100包括车身61，车身61底部设有纵向行走装置，纵向行走装置两侧设有横向行走装置，所述纵向行走装置包括并排设置在车身61底部两侧的主动车轮轴62和从动车轮轴63，主动车轮轴62和从动车轮轴63两端经不等边角钢64连接车身61，从动车轮轴63两侧经轴承连接有从动车轮65，主动车轮轴62两侧经轴承分别连接有从动车轮65和主动车轮66，主动车轮66一侧经平键连接有从动链轮67，从动链轮67外侧经链条68连接有主动链轮69，主动链轮69内侧经平键连接有固定在车身61内的纵向行走电机70；所述横向行走装置包括固定在车身61内的横向行走电机71，横向行走电机71的输出轴上经平键连接有横移齿轮92，横移齿轮92下端啮合连接有中间齿轮93，中间齿轮93内侧经平键连接有纵向连杆94，纵向连杆94两侧经轴承座95固定在车身61底部，中间齿轮93一侧啮合连接有从动齿轮96，从动齿轮96内侧经平键连接有横向滚轮轴97，横向滚轮轴97一端经平键连接有横向主动滚轮98，横向滚轮轴97中部外侧经轴承连接有长连杆99，长连杆99端部设有横向从动滚轮101，长连杆99两侧转动连接有短连杆102，短连杆102上端转动连接在车身61底部，长连杆99中部连接有位于车身61内的液压缸72。
番茄侧枝修剪机器人的使用方法：本发明通过行走装置100在番茄植株四周进行横向行走和纵向行走，工人通过第一视觉系统300在机器人行走时对四周的番茄植株进行观察；当发现需要修剪的番茄侧枝时，行走装置100停止在番茄侧枝一侧，然后经升降平台200将机械手400举升至适宜高度，升降平台200采用双铰接剪叉式结构，通过一组油缸推动剪叉顶部的平台进行竖直升降；机械手400举升到位后通过丝杆滑台装置201上的丝杆电机53旋转带动丝杆螺母56上的安装板55横向移动，使固定在安装板55上的机械手底座5和机械手400可以自由调节自身的横向位置；机械手底座5固定后由伺服电机1通过主动齿轮3和外齿式回转轴承6的配合带动大臂座安装法兰7进行旋转，使固定在大臂座安装法兰7上的机械手400可以沿大臂座安装法兰7的圆心进行旋转；大臂俯仰电机10的输出轴旋转后经大臂连接法兰14带动大臂22进行旋转俯仰，小臂俯仰电机20的输出轴旋转后经小臂同步带主动轮18、小臂同步带82、小臂同步带从动轮36、小臂中心轴37和小臂连接法兰26的配合带动小臂35进行旋转俯仰，腕部俯仰电机9的输出轴旋转后经腕部俯仰同步带主动轮83、第一腕部俯仰同步带85、腕部俯仰双联同步带轮30、第二腕部俯仰同步带88、腕部俯仰同步带从动轮41、腕部中心轴89和腕部连接法兰40的配合带动手腕39进行旋转俯仰，腕部旋转电机21的输出轴旋转后经腕部旋转同步带主动轮84、第一腕部旋转同步带86、第一腕部旋转双联同步带轮87、第二腕部旋转同步带90、第二腕部旋转双联同步带轮52、第三腕部旋转同步带91、腕部旋转同步带从动轮51、腕部旋转中心轴49、主动锥齿轮38、从动锥齿轮48和部旋转轴45的配合带动激光切断装置安装板44上的聚焦透镜76进行旋转，从而使机械手400能够在5个自由度上调节聚焦透镜76的切割位置，并通过升降平台200和丝杆滑台装置201的配合使机器人在行走装置100固定后具有7个自由度的调节能力，从而使聚焦透镜76在工作时具有极高的灵活性和精确度，并能够提高聚焦透镜76的修剪效率，并且由于各同步带轮、同步带及连接结构均设置在机械手400侧壁内部，使机械手400在调节和修剪时不会受到粉尘和杂质的影响，具有良好的工作稳定性和使用寿命；聚焦透镜76调节到位后由控制系统发出信号使激光器74产生激光，激光通过光纤80的传导到达聚焦透镜76，再由聚焦透镜76将激光束聚焦于待剪侧枝上，通过激光束瞬间产生的高温将侧枝切断，工人在修剪时可以通过第二视觉系统75近距离观察侧枝的剪切情况，从而使工人无需进入温室内便能够通过远程控制系统精确操控机器人进行修剪工作，自动化程度和修剪效率较高。机械手400在修剪完成后回到原位，然后通过行走装置100和第一视觉系统300重新移动和寻找待修剪侧枝，机械手400在复位后可以防止与番茄植垄接触造成枝干的破坏，保证了番茄植垄的正常生长。
本发明在相邻的番茄植垄之间设置了行走轨道，通过纵向行走电机70旋转后经主动链轮69、链条68、从动链轮67的配合带动主动车轮66旋转，使机器人可以在番茄植株之间的轨道上进行纵向行走；当机器人需要更换轨道时，先通过导轨和纵向行走装置的配合将机器人移动至导轨一端的水泥地面上，再通过液压缸72伸出使长连杆99下降至低位，由于长连杆99、短连杆102和车身61之间形成可变形的平行四边形结构，使长连杆99在下降时始终保持水平状态并使长连杆99一端的从动齿轮96在长连杆99下降时保持与中间齿轮93的啮合；液压缸72的杆头完全伸出后使横向主动滚轮98和横向从动滚轮101接触地面并将车身61顶起，车身61顶起后横向行走电机71旋转并通过横移齿轮92、中间齿轮93和从动齿轮96的配合带动横向主动滚轮98旋转，实现对机器人的横向移动，机器人移动到位后液压缸72的杆头退回原位使长连杆99收缩，最后由纵向行走装置带动机器人进入轨道，实现机器人在不同的番茄植垄间行走。