一种移栽机机械手振动检测装置及检测方法与流程

本发明涉及移栽机械领域，具体地说是一种移栽机机械手振动检测装置及检测方法。

背景技术：

自动化蔬菜移栽机在移栽的过程中，机械手起到重要作用。移栽机开始工作时，机械手需要完成的动作主要包括：取苗、投苗。为了能达到蔬菜均匀、无倒伏地移栽到土地里，机械手需要做到精准的将菜苗从育苗盘中夹取出，以及能精确的将其投放到鸭嘴吊杯中，使鸭嘴吊杯与覆土镇压轮共同工作，将蔬菜完好的移栽完毕。

如果在机械手工作的过程中，机械手发生抖动，不仅会影响夹苗、投苗不准确，还会在抖动的过程中将蔬菜苗的茎叶铲断或拗断，影响蔬菜移栽效果和成活率。再者，机械手结构较为复杂，在不断的反复振动过程中，会引起结构松动，如果检查不及时，一旦出现较大振动，机械手出现故障，维修成本较高，费时费力。同时如果振动源出现在机械手的某些受力点、零件接触点，震动会导致机械手出现疲劳失效而断裂，农民需联系厂家进行更换，给农民带来极大不便。

在目前的振动检测装置中，少有对蔬菜移栽机械手的振动检测装置。目前对振动检测方面常采用的测振方法是传统的接触式测量、光学干涉测振技术、多普勒测振技术等。专利cn201310605976公开的转轴振动检测器，采用的就是接触式测量，其原理是机械振动转轴表面推动滑块移动，滑块的移动使安装在沟槽内的电阻片发生拉伸和压缩，通过将电阻片和电阻测试仪器连接，获取振动量。这些方法在测量精度，测量条件和设备的复杂程度都不能满足蔬菜移栽机械手振动的测量要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种移栽机机械手振动检测装置及检测方法，解决现有技术的不足，实时检测机械手振动量并及时报警。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种移栽机机械手振动检测装置，包括用于检测机械手振动情况的检测装置以及用于对检测装置的检测结果进行分析处理的控制系统，所述检测装置包括设置于移栽机机械手夹爪上的十字激光器以及设置于移栽机机架挡板上的psd位置敏感检测器；所述的控制系统包括对psd位置敏感检测器检测的信号进行解析的运动轨迹解析模块、对运动轨迹解析模块解析的振动信号进行处理的处理器模块、信号转换模块、振动异常报警模块以及电源模块，所述psd位置敏感检测器与运动轨迹解析模块连接，运动轨迹解析模块与处理器模块连接，处理器模块通过信号转换模块与振动异常报警模块连接，所述电源模块为运动轨迹解析模块、处理器模块、信号转换模块、振动异常报警模块提供电能。

所述的psd位置敏感检测器为两条，分别为设置于机架挡板水平方向上的psd位置敏感检测器x和设置于机架挡板竖直方向上的psd位置敏感检测器y，psd位置敏感检测器x和psd位置敏感检测器y成直角设置且所述两条psd位置敏感检测器的中线与十字激光器发射的两条光线重合。

所述psd位置敏感检测器、运动轨迹解析模块、处理器模块、信号转换模块、振动异常报警模块以及电源模块之间的连接方式均为有线连接。

所述处理器模块包括机械手无振动运动轨迹数据库、信号对比系统、信息输出装置。

利用移栽机机械手振动检测装置进行检测的方法，包括以下步骤：

步骤一、十字激光器在机械手运动时，实时发射出十字光线并照射到设置在机架挡板上的psd位置敏感检测器上；

步骤二、十字激光器发射的十字光线偏离psd位置敏感检测器中线，psd位置敏感检测器x和psd位置敏感检测器y检测到该信号并分别输出电流信号ix和iy至运动轨迹解析模块；

步骤三、运动轨迹解析模块根据psd位置敏感检测器传递的电流信号进行解析得出机械手水平方向和竖直方向的偏移量x及y，即机械手在该时刻对应的运动坐标，并将该坐标输送至处理器模块；

步骤四、处理器模块将步骤三中运动轨迹解析模块输入的运动坐标与预先输入的机械手无振动运动轨迹数据库进行比对，若超出数据库中的阈值，则截取该段超过阈值的波段；若无超出数据库中的阈值，则不响应；

步骤五：步骤四中输出的超出阈值的波段经过信号转换模块中的滤波、放大、模数转换后将电信号输出给振动异常报警模块进行报警。

所述的利用移栽机机械手振动检测装置进行检测的方法，运动轨迹解析模块根据psd位置敏感检测器传递的电流信号进行解析得出机械手水平方向和竖直方向的偏移量x及y的具体方法为，由以下公式计算得到：

；

其中l为psd位置敏感检测器x和psd位置敏感检测器y输出端之间的距离，i0为psd位置敏感检测器x和psd位置敏感检测器y输出端的电流之和。

本发明的有益效果是：本发明根据十字激光器与机械手同步运动，实时反映机械手振动情况的特点，并利用psd位移敏感检测器对于位置的敏感、反应迅速等特性将机械手的运动情况做初步的检测，再利用后续的运动轨迹解析模块、处理器模块、信息转换模块和异常振动报警模块将振动情况反映给工作人员，提示工作人员是否需要对机械手进行检修；处理结果直观明了，方便工作人员对振动进行测量，降低了振动对机械手移栽效率的影响，降低成本，在农业机械振动检测方面有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明安装结构示意图；

图2为本发明十字激光器光线与psd位置敏感检测器相对位置示意图；

图3为本发明控制系统流程示意图；

图4为本发明处理器模块的机械手无振动运动轨迹数据库中保存的机械手无振动运动轨迹与其阈值的示意图。

图中标记：1、机械手，2、十字激光器，3、十字激光器套筒，4、psd位置敏感检测器，401、psd位置敏感检测器x，402、psd位置敏感检测器y，5、机架挡板，6、旋转机构，701、振动下极限值，702、机械手无振动运动轨迹，703、振动上极限。

具体实施方式

如图所示，一种移栽机机械手振动检测装置，包括用于检测机械手1振动情况的检测装置以及用于对检测装置的检测结果进行分析处理的控制系统，所述检测装置包括设置于移栽机机械手1夹爪上的十字激光器2以及设置于移栽机机架挡板5上的psd位置敏感检测器4，十字激光器2与机械手1夹爪之间通过十字激光器套筒3安装，十字激光器套筒3为圆柱形，圆柱形套筒中开有一个与十字激光器2大小相同的盲孔，十字激光器套筒3套筒外壁同一母线上径向开有螺纹孔，套筒通过可熔性胶粘接在机械手夹爪上，十字激光器2套入套筒中，同时，再将紧固螺钉拧入螺纹孔，使紧固螺钉顶住十字激光器2，使其固定。

十字激光器2发射出的十字光线一条处于水平位置，一条处于竖直位置，所述的psd位置敏感检测器4为两条，分别为设置于机架挡板5水平方向上检测机械手1水平方向上振动情况的psd位置敏感检测器x401和设置于机架挡板5竖直方向上检测机械手1竖直方向上振动情况的psd位置敏感检测器y402，psd位置敏感检测器x401和psd位置敏感检测器y402成直角设置且所述两条psd位置敏感检测器4的中线与机械手1工作起点处十字激光器2发射的两条光线分别重合，这意味着将该点定义为机械手1运动轨迹的坐标原点，在机械手1之后的运动过程中十字激光器2发射的十字光线将与psd位置敏感检测器4的中线偏离，从而psd位置敏感检测器4探测到不同位置处的光，产生不同的光电子从两个输出端输出。

进一步，所述的控制系统包括对psd位置敏感检测器4检测的信号进行解析的运动轨迹解析模块、对运动轨迹解析模块解析的振动信号进行处理的处理器模块、信号转换模块、振动异常报警模块以及电源模块，所述psd位置敏感检测器4与运动轨迹解析模块连接，运动轨迹解析模块与处理器模块连接，处理器模块通过信号转换模块与振动异常报警模块连接，所述电源模块为运动轨迹解析模块、处理器模块、信号转换模块、振动异常报警模块提供电能，所述运动轨迹解析模块是将psd位置敏感检测器输出的电流信号进行解析得到偏离水平、竖直两个方向的psd位置敏感检测器中心线的x和y的值，从而得出十字激光器2的位置坐标，所述的处理器模块包括机械手无振动运动轨迹数据库、信号对比系统和信息输出装置，在其中输入机械手1无振动情况下的运动轨迹并标定振动范围，即与机械手无振动运动的轨迹等距的阈值轨迹。

对于psd位置敏感检测器4，主要是通过落在psd位置敏感检测器4上的入射光转换成光电子后，由p型层上两端电极探测并形成光电流，电荷通过p型电阻层被电极收集，不同位置的光源入射点对应的输出电流不同，从而达到位置探测的效果，p型层是均匀一体的电阻层，被电极收集到的光电流与入射点和电极间距成反比。

进一步，所述的信号转换模块包括：滤波电路、放大电路、a/d转换电路。所述的滤波电路将处理器模块输出的杂乱的电信号滤除一部分，得到一个模拟信号，再经过放大电路将其电压放大，再经过a/d转换将模拟信号转换成数字信号。

进一步，所述psd位置敏感检测器、运动轨迹解析模块、处理器模块、信号转换模块、振动异常报警模块以及电源模块之间的连接方式均为有线连接，有利于将psd位置敏感检测器捕捉到的振动量及时、快速地反映到处理器模块中，从而使处理器模块及时对相应的振动信号进行比对分析作出判断并及时通过振动异常报警模块进行报警。

进一步，所述处理器模块包括机械手无振动运动轨迹数据库、信号对比系统以及信息输出装置。

半导体光电位置传感器（即psd）是一种基于横向光电效应的新型半导体光电位置敏感传感器。它除了具有光电二极管阵列和ccd的定位性能外，还具有灵敏度高、分辨率高、响应速度快、电路配置简单等特点，因而被人们所重视。psd的发展趋势是高分辨率、高线性度、快响应、及信号采集处理等多功能集成。

psd可分为一维psd和二维psd。一维psd可以测定光点的一维位置坐标，二维psd可测光点的平面位置坐标。本设计特点在于用两条或多条一维psd传感器形成空间传感器阵列，测量移动光点平面位置坐标。相比较传统二维psd传感器而言，可以测量的范围更大，能跟好的满足农业机械作业条件下测量。

利用所述的移栽机机械手振动检测装置进行检测的方法，为了消除移栽机牵引引起的振动，对测量结果造成不必要的影响，通过对只实现机械手运动，而牵引机械不前进的工况进行检测，包括以下步骤：

步骤一、十字激光器2在机械手1运动时，实时发射出十字光线并照射到设置在机架挡板5上的psd位置敏感检测器4上；

步骤二、十字激光器2发射的十字光线偏离psd位置敏感检测器4中线，psd位置敏感检测器x401和psd位置敏感检测器y402检测到该信号并分别输出电流信号ix和iy至运动轨迹解析模块；

步骤三、运动轨迹解析模块根据psd位置敏感检测器4传递的电流信号进行解析得出机械手1水平方向和竖直方向的偏移量x及y，即机械手1在该时刻对应的运动坐标，并将该坐标输送至处理器模块，解析得出机械手1水平方向和竖直方向的偏移量x及y的具体方法为，由以下公式计算得到：

；

其中l为psd位置敏感检测器x和psd位置敏感检测器y输出端之间的距离，i0为psd位置敏感检测器x和psd位置敏感检测器y输出端的电流之和；

步骤四、处理器模块将步骤三中运动轨迹解析模块输入的运动坐标与预先输入的机械手无振动运动轨迹数据库进行比对，若超出数据库中的阈值，则截取该段超过阈值的波段；若无超出数据库中的阈值，则不响应；

步骤五：步骤四中输出的超出阈值的波段经过信号转换模块中的滤波、放大、模数转换后将电信号输出给振动异常报警模块进行报警。

进一步，所述步骤三中运动轨迹解析模块根据psd位置敏感检测器4传递的电流信号进行解析得出机械手1水平方向和竖直方向的偏移量x及y的具体方法为：在psd位置敏感检测器x表面的两平行电极上产生光电流为i1和i2，设总的光生电流为i，则i=i1+i2，i1和i2的大小与光束照射到psd位置敏感检测器x光敏面上的位置到两输出电极的距离成反比，即：

，

式中，l1为psd位置敏感检测器x中点到电极的距离，为十字激光器入射光点距psd位置敏感检测器x中点的相对位移，将式i=i1+i2代入上式，得：

由此即可得出光点的水平方向偏移量；

同理也可得出机械手竖直方向偏移量y=ya+l1，其中ya为十字激光器入射光点距psd位置敏感检测器y中点的相对位移。

移栽机上设有旋转机构6，旋转机构6包括：动力输入端、动力输出端，旋转机构6的动力输入端连接移栽机的能源装置，动力输出端连接机械手1，移栽机的能源装置将动力传递到旋转机构动力输入端，使旋转机构6旋转，安装在旋转机构6的动力输出端的机械手1也随旋转机构6一起旋转，即机械手1的运动轨迹为一个圆周。

需要特别指出的是，为了叙述方便，本文将机械手运动轨迹叙述成圆形轨迹，实际上机械手1运动轨迹为类似椭圆形的封闭曲线，但同样符合本实施方案。