專利名稱：用軟件控制的機(jī)器人式草皮堆放機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及草皮收獲機(jī)，更具體地講，涉及一種用于從草地切割草皮條，并且自動(dòng)地形成卷筒草皮條垛的機(jī)器。
背景技術(shù)：
草皮收獲機(jī)通常具有用于從草地切割希望厚度的草皮的水平刀刃，水平刀刃與兩個(gè)用于將草皮切割成希望寬度的垂直側(cè)面刀刃組合。因此，隨著收獲機(jī)沿其切割路徑行進(jìn)，形成連續(xù)的草皮條。將橫向垂直切割刀刃周期性地驅(qū)動(dòng)到與凹割刀刃相鄰的草皮中，將草皮條切割成一定的長度。
在切割草皮條的同時(shí)，通常將其從切割刀刃輸送到傾斜的輸送機(jī)上，以形成草皮卷。美國專利No.3,509,944(Brouwer等)公開了一種包括這種傾斜輸送機(jī)的現(xiàn)有技術(shù)草皮收獲機(jī)，其中草皮卷是在鄰近輸送機(jī)的上端處形成的。3,509,944專利中公開的草皮收獲機(jī)被設(shè)計(jì)成安裝在推進(jìn)草皮收獲機(jī)的動(dòng)力單元的側(cè)面。
美國專利No.4,832,130(Brouwer等)公開了一種自動(dòng)推進(jìn)的草皮收獲機(jī)。這種收獲機(jī)包括傾斜輸送機(jī)，該傾斜輸送機(jī)將草皮條輸送到一個(gè)獨(dú)立的草皮卷形成附件中，該草皮卷形成附件包括一對(duì)相互成直角設(shè)置以形成草皮卷的輸送機(jī)。形成的草皮卷被排出到收獲機(jī)末端的拖車上，輸送機(jī)可以將形成的草皮卷輸送到拖車的任意一側(cè)，并且在其下一次傳送時(shí)清空收獲機(jī)。4,832,130號(hào)專利也公開了一種用于排出形成的草皮卷以清空收獲機(jī)的曲線式輸送機(jī)。
在工業(yè)中已經(jīng)使用機(jī)器人來代替進(jìn)行重復(fù)的手工操作的人類操作者。它們具有連慣性好、精確、快速和永不疲勞的優(yōu)點(diǎn)。自動(dòng)處理方法或自動(dòng)機(jī)器也有這些優(yōu)點(diǎn)，但是機(jī)器人具有靈活性這樣一種附加的優(yōu)點(diǎn)。也就是說，自動(dòng)機(jī)器可以進(jìn)行一種單一的重復(fù)性操作，而可以給機(jī)器人編程進(jìn)行各種不同的操作。機(jī)器人從兩個(gè)事情中獲得這種優(yōu)點(diǎn)。第一，控制的方法是可以編程的，通常是使用計(jì)算機(jī)。第二，機(jī)械手可以進(jìn)行各種不同的運(yùn)動(dòng)。
通常，機(jī)器人具有固定的基座。它們總是在同一地點(diǎn)進(jìn)行它們的工作。例子包括焊接、噴漆、移動(dòng)工件或刀具和碼垛材料。也有能夠從一處移動(dòng)到另一處的移動(dòng)式機(jī)器人。移動(dòng)式機(jī)器人的例子包括在工廠內(nèi)運(yùn)送材料的車輛，或在倉庫內(nèi)拾取并移動(dòng)貨物的車輛。一般地講，這些機(jī)器人的靈活的、可編程的功能包括將物體從一處攜帶或移動(dòng)到另一處。
也存在有收集和堆放農(nóng)產(chǎn)品的自動(dòng)機(jī)器。這種機(jī)器的例子包括，用于收集和堆放矩形干草捆的自動(dòng)打捆運(yùn)輸車，和用于在農(nóng)田中裝載和堆放紙箱的自動(dòng)機(jī)器。但是，這些現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)器不具有機(jī)器人的可編程性和靈活的機(jī)械手。
至少在最近二十年中，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到需要在收集或收獲地點(diǎn)自動(dòng)堆放草皮。在這整個(gè)時(shí)期中，已經(jīng)有了工業(yè)機(jī)器人。此外，在這個(gè)整個(gè)時(shí)期中，已經(jīng)知道不同地區(qū)的草皮種植者使用了不同尺寸的草皮卷，和不同構(gòu)造的草皮卷垛。即使如此，在這個(gè)時(shí)期中，為此目的開發(fā)的機(jī)器只有自動(dòng)堆放機(jī)，這種自動(dòng)堆放機(jī)相當(dāng)大，不可編程，并且專用于單一的堆放尺寸和方法。此外，在一般實(shí)踐中，人工堆放草皮的方法是垛的頂層比下層小，以便提高垛的穩(wěn)定性。還沒有一種機(jī)械堆放機(jī)提供一種方式來完成這種堆放方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要提供一種用于在收集地點(diǎn)將草皮堆積到垛上的移動(dòng)式機(jī)器人。本發(fā)明的一個(gè)目的是要提供一種能夠根據(jù)當(dāng)?shù)厥袌鲆?，以各種不同的堆放構(gòu)形堆放各種不同尺寸，例如16”和24”寬的草皮卷的單個(gè)機(jī)器。本發(fā)明的另一個(gè)目的是要提供一種能夠堆積上層比下層小的垛的機(jī)械草皮堆放機(jī)，從而產(chǎn)生更穩(wěn)定的垛。本發(fā)明的進(jìn)一步的目的是要提供一種顯著比以前開發(fā)的自動(dòng)堆放機(jī)小，并且具有更簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)械草皮堆放機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，一對(duì)機(jī)構(gòu)安裝在慣用的小型卷筒草皮收獲機(jī)的后部，或其它切割和卷繞帶有草根土的草皮的機(jī)器的后部。第一機(jī)構(gòu)是用于收集草皮卷分組的收集器。第二機(jī)構(gòu)是帶有通過可編程計(jì)算機(jī)控制的拾取頭的關(guān)節(jié)臂，拾取頭能夠拾取草皮卷的分組，并且以預(yù)定但是靈活的模式將它們放置在垛上。本發(fā)明公開了克服現(xiàn)有技術(shù)問題的收集器和帶有拾取頭的關(guān)節(jié)臂的設(shè)計(jì)。
從以下提供的詳細(xì)說明中，可以知道本發(fā)明的其它應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)當(dāng)理解，指示本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明和特定示例僅僅是為了舉例說明的目的，而不是要限制本發(fā)明的范圍。


為了能夠更清楚地理解本發(fā)明，現(xiàn)在將參考示例說明本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的附圖，其中圖1a和1b是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的草皮收獲機(jī)的透視圖；圖2和3是圖示可以利用本發(fā)明草皮堆放機(jī)放置的草皮卷的各種構(gòu)形的平面示意圖；圖4和5分別是圖示根據(jù)本發(fā)明特征的經(jīng)過比例閥操作液壓缸的一系列曲線圖和示意回路圖；圖6是顯示如何操作根據(jù)本發(fā)明的圖1中所示的液壓缸的示意回路圖；圖7和8是顯示根據(jù)本發(fā)明的夾持器頭的立面圖；圖8表示圖7中未示出的致動(dòng)缸；圖9和10是從上方看實(shí)際夾持器頭的照片的再現(xiàn)；圖11和12是分別表示該夾持器頭的平面和端面立面圖；圖13是示出夾持器頭設(shè)計(jì)特征的、如圖7和8中所示夾持器頭的示意立面圖；圖14包括顯示可以利用根據(jù)本發(fā)明的草皮堆放機(jī)實(shí)現(xiàn)的草皮垛的不同層中的草皮卷的各種布置的多個(gè)示意圖；圖15是表示拾取頭的自動(dòng)調(diào)平連桿機(jī)構(gòu)的視圖；圖16和17是根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的一種可選收集器的透視圖；圖18是根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的草皮收獲機(jī)的透視圖；圖19a和19b示出了拾取頭的一種可選連桿機(jī)構(gòu)；圖20a-20e示出了圖19a-19b中所示的拾取頭，其中夾持器脫離嚙合并且頭在縮回位置；圖21a-21e示出了圖19a和19b中所示的拾取頭，其中夾持器嚙合并且頭在伸出位置；圖22示出了圖1中所示的系統(tǒng)的控制流程圖；和圖23a-23i和24示出了本發(fā)明的控制面板上示出的可見元件。
具體實(shí)施例方式
以下的優(yōu)選實(shí)施例的說明實(shí)質(zhì)上僅是舉例說明的，而不是要限制本發(fā)明、其應(yīng)用或用途。
圖1a和1b是裝配有收集器裝置22和帶有拾取頭的關(guān)節(jié)臂24形式的機(jī)器人的小型卷筒草皮收獲機(jī)20的視圖。在本發(fā)明的上下文中，將機(jī)器人定義為數(shù)字控制臂。即使在人類操作者遙控一部分操作的情況下，一般也可以將一個(gè)機(jī)器稱為機(jī)器人?？蛇x地，如下所述，草皮收獲機(jī)可以裝配有一個(gè)自動(dòng)托盤分配器，自動(dòng)托盤分配器自動(dòng)地將托盤定位在通過機(jī)器裝載的適當(dāng)位置上。如圖1b中所示，草皮堆放機(jī)可以具有可選的托盤提交器35。托盤提交器35具有空托盤倉39和用于將空托盤定位在裝載位置的機(jī)構(gòu)41。
參考標(biāo)號(hào)28代表將卷起的草皮輸送到草皮收獲機(jī)后部的輸送機(jī)。從輸送機(jī)28將卷起的草皮放置在盤30上。傳感器檢測草皮卷的存在，傳感器提示控制器將推動(dòng)器32從右面橫向移動(dòng)到左面，將草皮卷移動(dòng)到可轉(zhuǎn)位的(indexable)收集器輸送機(jī)34上。由具有轉(zhuǎn)位突緣的由橡膠構(gòu)成的收集器輸送機(jī)34在每次將草皮卷移動(dòng)到上面時(shí)前進(jìn)，直到收集了一個(gè)草皮卷分組。
此時(shí)，計(jì)算機(jī)(未示出)控制帶有拾取頭的關(guān)節(jié)臂24拾取草皮卷分組，并且將它們放置到堆放艙36中。堆放艙36具有一對(duì)支撐草皮支撐托盤或無托盤草皮垛37的致動(dòng)叉。作為選擇，收集器輸送機(jī)可以包含多個(gè)在轉(zhuǎn)位突緣之間連接到輸送機(jī)的保持籃。保持籃可以具有矩形或曲線形的橫截面。
盤30和推動(dòng)器32的功能是將卷起的草皮帶到收集器輸送機(jī)34。但是，對(duì)于本發(fā)明盤30和推動(dòng)器32不是必要的。使用它們將草皮卷輸送到靠近堆放艙36的位置，從而使得關(guān)節(jié)臂不需要移動(dòng)很遠(yuǎn)來拾取它們，這提高了生產(chǎn)效率。輸送機(jī)28與收集器輸送機(jī)34的共線定位消除了對(duì)盤30和推動(dòng)器32的需要。
簡單參考圖15，關(guān)節(jié)臂24安裝在繞垂直軸X-X轉(zhuǎn)動(dòng)的基座38上。第一臂節(jié)40的一端樞軸安裝在繞垂直軸X-X轉(zhuǎn)動(dòng)的基座38上，第二臂節(jié)42的一端樞軸安裝到臂節(jié)40的另一端，以繞一個(gè)水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)。拾取頭44安裝到臂節(jié)42的另一端，以繞一個(gè)垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓缸驅(qū)動(dòng)所有這四個(gè)樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。來自編碼器的有關(guān)液壓缸的電子反饋將每個(gè)缸的準(zhǔn)確位置告訴計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)控制每個(gè)缸的位置和速度。可以用一種優(yōu)化拾取頭行程時(shí)間的方式給計(jì)算機(jī)編程，從而獲得最大的生產(chǎn)效率。
此外，可以利用來自夾持叉的壓力傳感器信息，通過計(jì)算機(jī)控制臂的位置。使用壓力傳感器感測草皮卷開始降落到叉上或以前的行上的時(shí)間。這個(gè)特征使得機(jī)器人能夠補(bǔ)償不同直徑的草皮卷的位置，不同的草皮卷直徑導(dǎo)致不同厚度的層。通過感測草皮卷開始降落在垛上時(shí)的壓力的減小，可以減少循環(huán)時(shí)間。
參考標(biāo)號(hào)46指示使得整個(gè)關(guān)節(jié)臂組件24在臂基座38上繞樞軸X-X擺動(dòng)的液壓缸。參考標(biāo)號(hào)48代表升高和降低臂節(jié)40的缸。參考標(biāo)號(hào)50代表伸出和縮回臂節(jié)42的缸。參考標(biāo)號(hào)52代表轉(zhuǎn)動(dòng)拾取頭44的缸。頭44還繞水平軸樞軸連接到臂節(jié)42，但是通過自動(dòng)調(diào)平連桿機(jī)構(gòu)保持水平。
拾取頭44正確地發(fā)揮功能的關(guān)鍵在于，拾取頭44必須在所有時(shí)間都是水平的。這是通過圖15中參考標(biāo)號(hào)116和118指示的兩個(gè)自動(dòng)調(diào)平連桿完成的。自動(dòng)調(diào)平連桿116的下端樞軸連接到關(guān)節(jié)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)基座112。自動(dòng)調(diào)平連桿116的上端樞軸連接到連桿114。自動(dòng)調(diào)平連桿116的長度與臂40的長度相同，并且到臂40的樞軸的端部樞軸點(diǎn)的方位相同。這個(gè)4-桿連桿機(jī)構(gòu)用于將連桿114保持在與水平線一致的角度。同樣，將自動(dòng)調(diào)平連桿118構(gòu)造為包括臂節(jié)42的4-桿連桿機(jī)構(gòu)的一個(gè)構(gòu)件，并且用于總是將拾取頭44保持水平。不用自動(dòng)調(diào)平連桿，那么在臂節(jié)42繞其上樞軸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要額外的缸和控制來保持頭的水平。
自動(dòng)調(diào)平連桿116連接到由兩個(gè)通常平行的構(gòu)件形成的第一臂結(jié)構(gòu)。每個(gè)構(gòu)件在各自的近端連接到基座112。每個(gè)構(gòu)件也在每個(gè)構(gòu)件各自的構(gòu)件末端可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接到第一連桿114。這種構(gòu)造形成了具有保持第一連桿114的角度方位的功能的4-桿連桿機(jī)構(gòu)。
由一對(duì)大體上平行的構(gòu)件42、118附加地形成的第二臂結(jié)構(gòu)連接到第一連桿114。每個(gè)構(gòu)件的第一端可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接到第一連桿，并且第二端連接到第二連桿。第一致動(dòng)器48設(shè)置在基座112與第一構(gòu)件40之間，而第二致動(dòng)器50設(shè)置在第一構(gòu)件40與第三構(gòu)件42之間。控制器連接到致動(dòng)器48、50，以控制臂結(jié)構(gòu)的操作。
圖2和3示出了可以使用機(jī)器人式堆放機(jī)的各種堆放構(gòu)形的一個(gè)例子。假設(shè)垛的基部是48”×48”，參考標(biāo)號(hào)54、56、58和60代表填充基部面積的層構(gòu)形。參考標(biāo)號(hào)54和56指示24英寸寬的草皮卷，因此，各層是由兩行草皮卷組成的，每行5個(gè)草皮卷。參考標(biāo)號(hào)58和60示出了16英寸寬的草皮卷，因此，各層是由每行5個(gè)草皮卷的三行構(gòu)成的。將各層相互交替旋轉(zhuǎn)90度定向，提供了垛的穩(wěn)定性。隨著垛逐漸增高，通過使頂層逐漸地小于下層來提高穩(wěn)定性。利用可編程機(jī)器人，可以通過幾種方式做到這點(diǎn)。
例如，考慮由參考標(biāo)號(hào)60指示的構(gòu)形，將兩個(gè)5個(gè)16英寸草皮卷的分組靠近一些放置，在這兩個(gè)分組之間留下放置兩個(gè)額外的草皮卷的空間。這兩個(gè)額外的草皮卷是從下兩個(gè)5個(gè)草皮卷的分組中取出的，剩下兩個(gè)4個(gè)草皮卷的行作為頂層(參考圖3中的標(biāo)號(hào)64)。
參考標(biāo)號(hào)66指示由兩個(gè)4草皮卷的分組構(gòu)成的較小的層，每個(gè)草皮卷的寬度是24英寸。這是通過在第四個(gè)草皮卷放置到收集器輸送機(jī)上之后，較早地拾取分組完成的。參考標(biāo)號(hào)68指示由2個(gè)草皮卷分組構(gòu)成的頂層?？梢钥吹?，能夠拾取不同數(shù)量的草皮卷、獨(dú)立地放下一個(gè)分組、和將層定位在不同的位置的能力，產(chǎn)生了各種不同的堆放方法。
驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)臂和拾取頭的樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作的液壓缸是利用市場上可以買到的、帶有市場上可以買到的比例液壓閥的可編程控制器(計(jì)算機(jī))控制的。
困難在于控制器被設(shè)計(jì)為利用伺服馬達(dá)或伺服閥工作，伺服馬達(dá)或伺服閥要比比例閥貴的多。缺乏兼容性是由于不同的響應(yīng)時(shí)間。相對(duì)于比例閥，伺服馬達(dá)和伺服閥具有很快的響應(yīng)時(shí)間。也就是說，當(dāng)控制器將信號(hào)發(fā)送到比例閥時(shí)，存在一定的響應(yīng)延遲。本發(fā)明的一個(gè)特征是對(duì)于控制器與比例閥之間的放大器的規(guī)定，其包括一種從比例閥獲得即時(shí)響應(yīng)的方式。
參考圖4和5，計(jì)算機(jī)輸出+10伏至-10伏的信號(hào)。零伏輸出表示閥應(yīng)當(dāng)不動(dòng)，正電壓表示在一個(gè)方向上的移動(dòng)，負(fù)電壓表示在另一個(gè)方向上的移動(dòng)。閥輸入信號(hào)必須在+3伏與+9伏之間，其中+6伏導(dǎo)致不移動(dòng)，大于6導(dǎo)致一個(gè)方向上的移動(dòng)，小于6導(dǎo)致另一個(gè)方向上的移動(dòng)。慢響應(yīng)是由于大約+/-0.3伏(5.7與3.6之間)的死區(qū)，在這個(gè)死區(qū)內(nèi)閥門不響應(yīng)。閥芯在其開始打開之前需要稍微移動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明，提供了放大器作為一種解調(diào)死區(qū)的方式。也就是說，在來自計(jì)算機(jī)的任何正電壓，放大器對(duì)閥的輸出立即跳躍到大約6.3伏，或已經(jīng)調(diào)節(jié)到特定閥的特征值的值。
圖5中示出了這種配置?？驁D示出了+10V的計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)(A)提供到放大器。放大器將這個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成+3V至+9V的控制信號(hào)(B)。這個(gè)信號(hào)控制比例閥，將液壓油提供到機(jī)器人液壓缸。一個(gè)編碼器物理地連接到液壓缸，并且將反饋位置信號(hào)(D)提供到計(jì)算機(jī)。
在理想條件下(圖4的第一列)，具有即時(shí)響應(yīng)。來自計(jì)算機(jī)的任何控制信號(hào)立即產(chǎn)生油流。在實(shí)際條件下(第二列)，在放大器輸出從6.3到5.7伏的時(shí)間中發(fā)生死區(qū)。由于計(jì)算機(jī)正在搜索來自編碼器的快速反饋位置信號(hào)，所以這種死區(qū)是不希望存在的。在糾正條件下(第三列)，規(guī)定放大器在控制信號(hào)轉(zhuǎn)換中增加一個(gè)步驟。隨著信號(hào)A從+10V驅(qū)近零，放大器輸出信號(hào)B驅(qū)近6.3，而不是6。隨信號(hào)A從-10V驅(qū)近零，放大器輸出信號(hào)B驅(qū)近5.7而不是6。這導(dǎo)致油流對(duì)計(jì)算機(jī)控制信號(hào)的線性響應(yīng)。此外，實(shí)際值可以稍微偏離6.3和5.7，但是可以調(diào)諧放大器以匹配這些值。
理想條件(第一列)表示發(fā)送控制信號(hào)與接收反饋信號(hào)之間不存在延遲。控制回路處于完全平衡。機(jī)器人如同你為其編制的程序一樣精確地運(yùn)動(dòng)。(理想平滑操作。)實(shí)際條件(第二列)意味著發(fā)送控制信號(hào)與接收反饋信號(hào)之間存在著大的延遲?？刂苹芈反蟠笃x平衡。計(jì)算機(jī)預(yù)期在1毫秒內(nèi)接收到反饋信號(hào)。這個(gè)反饋信號(hào)將要花費(fèi)大約500毫秒。這意味著計(jì)算機(jī)將為它沒有接收到反饋信號(hào)的時(shí)間的每一毫秒，用一個(gè)預(yù)定常數(shù)(P-增益)增大它的控制信號(hào)。在它接收到反饋信號(hào)時(shí)，控制信號(hào)已經(jīng)太大了，它將在下一個(gè)500毫秒中一步步地再次降低控制信號(hào)。這將導(dǎo)致完全停頓。機(jī)器人將沿本來應(yīng)當(dāng)平穩(wěn)和線性的編程運(yùn)動(dòng)，十分突然地開始運(yùn)動(dòng)，并猛然停止。一般只是為控制回路設(shè)定一個(gè)較低的比例設(shè)置(P-增益)。這個(gè)設(shè)置減慢對(duì)反饋信號(hào)的作用，并且可以在計(jì)算機(jī)軟件內(nèi)設(shè)定。但是，控制回路的響應(yīng)時(shí)間如此之大(不好!)，使得這種設(shè)置方式對(duì)于機(jī)器人的物理行為幾乎無效。
由于閥的響應(yīng)性不足以跟上控制回路，所以非?？赡馨l(fā)生這種振蕩。在糾正列中，由于死區(qū)糾正，已經(jīng)將控制回路內(nèi)的響應(yīng)時(shí)間減少到大約50毫秒。利用軟件中的比例(P-增益)設(shè)置，可以平息系統(tǒng)的任何劇烈反應(yīng)，并且能夠控制機(jī)器人。
圖5示出了在液壓回路中包括放大器以解決上述“死區(qū)”問題的原理。圖6是顯示包括用于移動(dòng)機(jī)器人臂的計(jì)算機(jī)控制比例閥的放大器在內(nèi)的圖1的機(jī)器人式草皮堆放機(jī)的整個(gè)控制回路的示意圖。應(yīng)當(dāng)注意，實(shí)際上示出了兩個(gè)回路-一個(gè)是液壓油回路，另一個(gè)是電控制回路。其它“on-off”功能，例如，致動(dòng)夾持器鉤爪、推動(dòng)器和收集器輸送機(jī)等，是利用市場上可以得到的可編程邏輯控制(PLC)控制的。
以下開始參考圖7詳細(xì)說明拾取頭44。拾取頭44包括五個(gè)安裝在共同框架或支架72上的夾持器模塊70。每個(gè)夾持器模塊70具有框架74和兩組夾持器鉤爪76。凹進(jìn)的卸料器78是框架74的一部分。兩組鉤爪76的每個(gè)安裝到鉤爪框架80，鉤爪框架80安裝在框架74上的樞軸82上。每個(gè)模塊中的兩個(gè)鉤爪框架80通過位于點(diǎn)(a)和(b)(圖8)的夾持器缸84連接。當(dāng)夾持器缸84伸出時(shí)，鉤爪76轉(zhuǎn)動(dòng)到夾持器78下方的位置76’。通過這種運(yùn)動(dòng)，釋放草皮卷。采取了措施以確保草皮卷以受控的方式降落，也就是說，防止一組鉤爪在另一組之前縮回，一組鉤爪在另一組之前縮回將導(dǎo)致草皮卷脫離位置。這種措施是通過用連桿86(圖11)將兩個(gè)鉤爪框架80連接在一起實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)連桿86的一端連接到鉤爪框架，另一端連接到圓盤88，圓盤88可以在安裝到框架74的垂直軸90上樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著夾持器缸84伸出和縮回，圓盤88轉(zhuǎn)動(dòng)，并且強(qiáng)制兩個(gè)鉤爪框架80移動(dòng)相同的距離。
希望有5對(duì)夾持鉤爪同時(shí)操作。這可以通過一個(gè)5路分流器或串聯(lián)連接實(shí)現(xiàn)。可以利用選擇閥，有選擇地隔離一個(gè)或多個(gè)夾持器缸，以使一個(gè)或多個(gè)草皮卷能夠獨(dú)立于其它草皮卷降落。
五個(gè)夾持器模塊70中的四個(gè)，以一種使得它們能夠彼此向一起滑動(dòng)或離開的方式安裝到框架72上。這使得機(jī)器能夠以(較寬的)下層間距，和不同的(較靠近的)上層間距，將草皮卷放置到垛上。這種堆放方法一般是在人工堆放草皮中使用，以給予垛更大的穩(wěn)定性。四個(gè)滑動(dòng)夾持器模塊框架74中的每個(gè)包括直線套筒對(duì)92。也可以使用兩個(gè)獨(dú)立的(較長的)套筒來代替兩對(duì)套筒。套筒92在兩個(gè)桿93上滑動(dòng)，一個(gè)桿93剛性地夾在拾取頭框架92的一端。第五夾持器模塊96剛性地連接到拾取頭框架72。
如圖13中最好地示出的，第五夾持器模塊96的滑動(dòng)是通過兩個(gè)滑塊缸96實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)滑塊缸96的一端在點(diǎn)(c)連接到拾取頭框架72。在另一端，滑塊缸在點(diǎn)(d)連接到曲柄框98。曲柄框98通過樞軸100安裝到拾取頭框架。曲柄框98也具有點(diǎn)(e)和(f)，這兩個(gè)點(diǎn)是連桿102和104的連接點(diǎn)。連桿102將曲柄框的點(diǎn)(e)連接到夾持器模塊70的點(diǎn)(g)。連桿104將曲柄框98的點(diǎn)(f)連接到夾持器模塊106的點(diǎn)(h)。
當(dāng)缸96縮回時(shí)，曲柄框98繞樞軸100逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這拉動(dòng)連桿102和104，并且將夾持器模塊70移動(dòng)到它們的靠外的位置，這使得草皮卷間隔開。當(dāng)缸96伸出時(shí)，曲柄框98繞樞軸100順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這推動(dòng)連桿102和104，并且將夾持器模塊移動(dòng)到它們靠內(nèi)的位置，這使得草皮卷的間距減小。由于點(diǎn)(f)離開樞軸點(diǎn)100的距離是點(diǎn)(e)離開樞軸點(diǎn)100的距離的兩倍，所以夾持器模塊106移動(dòng)的距離是夾持器模塊70的兩倍。因此，夾持器模塊106靠近夾持器模塊70的移動(dòng)距離，與夾持器模塊70向靜止夾持器模塊96移動(dòng)的距離相同。因此，在內(nèi)和外位置上，草皮卷都能均勻地間隔開。
在拾取頭另一端的另外兩個(gè)夾持器模塊70具有相同的滑動(dòng)動(dòng)作。為了使兩組夾持器模塊的運(yùn)動(dòng)同步化，提供了另一個(gè)連桿108。連桿108將曲柄框98上的點(diǎn)(i)連接到模塊110上點(diǎn)(j)。這限制了兩對(duì)夾持器模塊以相同的速度向內(nèi)和向外滑動(dòng)。這使得滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)能夠以最小的加速度量發(fā)生，防止了草皮卷破碎。
圖16和17示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的可選收集器輸送機(jī)94。收集器輸送機(jī)94由被配置成支撐收集器輸送機(jī)框架98的支撐框架96形成。旁路機(jī)構(gòu)100連接到框架98。該旁路機(jī)構(gòu)具有允許操作者拒絕特定草皮卷的功能。在這方面，操作者啟動(dòng)旁路機(jī)構(gòu)100，這使得收集器輸送機(jī)94的一部分縮回。通過縮回收集器輸送機(jī)94，操作者可以使草皮卷落到斜板104上，使得草皮卷能夠落到地面。
縮回旁路100包括三個(gè)支撐第一輸送機(jī)鏈輪110的可縮回支撐臂105。此外，縮回機(jī)構(gòu)具有可縮回惰輪型臂112，惰輪型臂112在啟動(dòng)時(shí)將鏈輪110拉向車輛的后部。當(dāng)啟動(dòng)時(shí)，惰輪型臂112繞第一樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，降低鏈輪，并且增大收集器輸送機(jī)94上的張力。施加的張力具有將偏置的可縮回臂105拉到支撐框架98中的功能。在釋放旁路機(jī)構(gòu)100之后，連接到可縮回臂105的偏置彈簧或氣缸(未示出)發(fā)揮推動(dòng)支撐臂105的功能，從而將第一輸送機(jī)鏈輪110推回到其原始方位。
圖18示出了使用本發(fā)明的可選系統(tǒng)的車輛。如上所述，切割組件可以與輸送機(jī)和收集器機(jī)構(gòu)94共線。如上所述，機(jī)器人臂具有將卷繞的草皮從收集器94取出并且將其定位在托盤上的功能。如圖所示，收集器機(jī)構(gòu)94可以包含多個(gè)籃。
本發(fā)明這個(gè)方面的顯著特征是，利用滑動(dòng)動(dòng)作將草皮卷擠壓在一起的概念，和能夠與其它四個(gè)草皮卷分離地降落一個(gè)草皮卷的能力。這使得能夠?qū)藗€(gè)草皮卷放置在頂層，和將十個(gè)草皮卷放置在緊挨著的下層。這有利于獲得更為穩(wěn)定的垛。
圖19a和19b示出了拾取頭44的可選連桿；五個(gè)夾持器模塊70中的四個(gè)以一種使得它們能夠彼此滑動(dòng)到一起和分離的方式安裝到框架72。這使得機(jī)器能夠在下層以一種(較寬的)間距，和在上層以一種不同的(更靠近的)間距，將草皮卷放置到垛上。這種堆放方法一般是在人工堆放草皮時(shí)使用的，以給予垛更大的穩(wěn)定性。四個(gè)滑動(dòng)夾持器模塊框架74中的每個(gè)連接到連桿101或102。然后通過多個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接構(gòu)件107，將連桿101或102連接到致動(dòng)器104。如圖20b中所示，致動(dòng)器104的縮回使連接構(gòu)件107繞它們各自的樞軸點(diǎn)111轉(zhuǎn)動(dòng)。連接構(gòu)件107的這種轉(zhuǎn)動(dòng)將力施加到連桿101或102，造成五個(gè)夾持器模塊70中的四個(gè)位移。第五或中央夾持器模塊96剛性地連接到拾取頭框架72。
圖20a-20e示出了圖19a和19b中所示的拾取頭，其中夾持器脫離嚙合并且拾取頭在縮回位置。
圖21a-21e示出了圖19a和19b中所示的拾取頭，其中夾持器嚙合并且拾取頭在伸出位置。
圖22示出了本發(fā)明系統(tǒng)的操作流程圖。盡管流程圖是用循環(huán)-直到(loopuntil)程序流結(jié)構(gòu)示出的，但是，申請(qǐng)人提醒也可以使用其它等價(jià)編程結(jié)構(gòu)，例如，但不限于，for/next和Do循環(huán)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)使用了直接控制的控制器，或能夠操作系統(tǒng)中的元件的控制器。處理過程以詢問操作者需要的垛構(gòu)形的詢問框120開始。在這方面，在處理框中，在計(jì)算機(jī)顯示器上向操作者顯示多個(gè)可選草皮垛構(gòu)形。操作者選擇需要的垛構(gòu)形。與這些垛構(gòu)形的每個(gè)結(jié)合的是，預(yù)定數(shù)量的機(jī)器人臂運(yùn)動(dòng)模式，以及托盤轉(zhuǎn)位和草皮間距信息。在完成詢問之后，在處理框122中，系統(tǒng)顯示工作屏幕。工作屏幕包含托盤裝載草皮時(shí)的圖形代表。在這方，操作者可以通過觀察屏幕檢查托盤的狀態(tài)(見圖23a-23i)。
如果系統(tǒng)具有可選的托盤提交器，那么在處理框124中，系統(tǒng)確定是否有托盤裝載到叉上。如果叉上沒有托盤，那么在處理框126中，系統(tǒng)啟動(dòng)托盤提交器，將托盤放置在叉上。系統(tǒng)通過將托盤轉(zhuǎn)位到其適當(dāng)?shù)姆轿?，開始托盤的裝載。根據(jù)操作者選擇的垛構(gòu)形，從存儲(chǔ)單元132中檢索給定層的每行草皮卷數(shù)和行數(shù)。從存儲(chǔ)器進(jìn)一步檢索和設(shè)定行之間的間距和頭138的夾持器模塊的間距。在操作框136中，檢索和設(shè)定機(jī)器人臂的路徑。
在處理框140中，系統(tǒng)開始切割草皮。在處理框144中卷繞草皮，并且將卷繞的草皮放置到收集器皮帶146上。重復(fù)這個(gè)處理過程，直到將給定行的希望數(shù)量的草皮卷定位在收集器皮帶148上。如圖23中所示，可以通過操作者調(diào)節(jié)草皮卷的方位。在這方面，調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)輸送機(jī)上卷繞草皮條的時(shí)間以實(shí)現(xiàn)希望的卷方位進(jìn)行的。然后，啟動(dòng)機(jī)器人臂，將拾取頭放置到填滿的收集器之上。在處理框152中，啟動(dòng)夾持器抓起草皮卷。
在處理框154，機(jī)器人臂將草皮卷的行移動(dòng)到垛上方，并且在處理框156中釋放草皮。如上所述，系統(tǒng)可以通過利用編碼器選擇使用來自致動(dòng)器的反饋或元件運(yùn)動(dòng)的測量值，確定將草皮釋放到垛的適當(dāng)時(shí)間。然后，在詢問框158中，系統(tǒng)確定特定草皮層是否完成，和在框160中重置操作者顯示器。詢問框162確定托盤是否裝滿。如果最后一行草皮放置到垛上，那么系統(tǒng)開始將草皮垛放置到場地上。這可以是系統(tǒng)將草皮堆降低到場地的自動(dòng)處理過程，或系統(tǒng)可以提示操作者啟動(dòng)開始裝載下一草皮行的序列(sequence)。在必須將更多的草皮放置到托盤上的情況下，系統(tǒng)在處理框130中將叉轉(zhuǎn)位到新的位置，并且重置適當(dāng)?shù)挠?jì)數(shù)。
堆放機(jī)的基本操作總結(jié)如下1)利用當(dāng)前已有的方法切割草皮并卷繞。
2)將草皮卷從主輸送機(jī)的后部彈出。在這里，草皮卷落在推進(jìn)器的前面，推進(jìn)器將它向左推到緩存輸送機(jī)上。作為選擇，草皮卷可以從主輸送機(jī)直接落到收集器皮帶上。
3)緩存器或收集器輸送機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)位，直到它包含9個(gè)草皮卷。
4)機(jī)器人臂從緩存輸送機(jī)拾取多達(dá)5個(gè)草皮卷，并把它們放置到垛上。
5)機(jī)器人臂按照控制器的指令，每次以不同的位置和方向繼續(xù)將草皮放置到垛上，直到垛完成。
6)操作者停止收獲機(jī)的向前運(yùn)動(dòng)，后退卸下垛，并重新啟動(dòng)機(jī)器人。
機(jī)器人式自動(dòng)堆放機(jī)比替代的設(shè)計(jì)具有一些商業(yè)上的優(yōu)點(diǎn)。它重量輕并且小，幾乎可以裝配在傳統(tǒng)拖拉機(jī)安裝的草皮收獲機(jī)的外殼內(nèi)。它靈活；可以給機(jī)器人編程，將16或24英寸寬度的草皮卷堆放到不同高度的垛中。拾取頭具有兩個(gè)特征，能夠用于以“金字塔”方式堆放最上面兩層。拾取頭上的五個(gè)夾持器70可以擠在一起，這會(huì)在把草皮卷行放置到垛上時(shí)壓縮行。而且，五個(gè)草皮卷中的一個(gè)可以獨(dú)立地落下，這使得能夠通過用兩個(gè)五卷行，和兩個(gè)夾在中間的側(cè)轉(zhuǎn)的獨(dú)立卷，堆放倒數(shù)第二層，并且用每行四卷堆放最后一層。機(jī)器人在最初放置了這些行中的一行之后，實(shí)際拾取并且重新將其定位。也就是說，在如何堆放草皮時(shí)具有高度的靈活性，并且能夠獲得穩(wěn)定的垛而無需額外的包裹。
除了尺寸小和靈活性之外，預(yù)期機(jī)器的成本也比當(dāng)前市場上的其它自動(dòng)堆放機(jī)低。這部分地是由于使用了低價(jià)比例閥來代替高價(jià)的伺服閥。通過控制器與閥之間獨(dú)特的接口，就可以實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的說明實(shí)質(zhì)上僅僅是舉例說明的，因此，不脫離本發(fā)明的要旨的各種改變包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。不認(rèn)為這些改變是脫離了本發(fā)明的精神和范圍。特別是，盡管將系統(tǒng)說明為利用機(jī)器人臂輸送草皮卷，但是應(yīng)當(dāng)知道，也可以使用機(jī)器人臂輸送堆疊的草皮塊。
權(quán)利要求
1.一種用于切割和堆放草皮卷的裝置，包括用于穿越草皮場地的輪式底盤；用于切割多個(gè)草皮條的水平切割機(jī)構(gòu)；配置成容納該多個(gè)草皮條的收集器；配置成在草皮輸送到該收集器之前卷繞草皮條的草皮卷繞器；配置成將草皮從該切割機(jī)構(gòu)輸送到該收集器的輸送機(jī)；配置成將該多個(gè)草皮條從收集器提升到草皮存儲(chǔ)位置的機(jī)器人臂；和配置成詢問操作者關(guān)于預(yù)定的草皮垛構(gòu)形的控制器；所述控制器被配置成將第一計(jì)數(shù)器設(shè)定成指示草皮層的卷數(shù)的第一初始條件；所述控制器被配置成將第二計(jì)數(shù)器設(shè)定成指示每層草皮的行數(shù)的第二初始條件；所述控制器被配置成將第三計(jì)數(shù)器設(shè)定成指示每行草皮卷數(shù)的第三初始條件；如果第一計(jì)數(shù)器小于第一初始條件，那么所述控制器被配置成執(zhí)行以下操作如果第二計(jì)數(shù)器小于第二初始條件，那么所述控制器被配置成執(zhí)行以下操作如果第三計(jì)數(shù)器小于第三初始條件，那么所述控制器被配置成執(zhí)行以下操作允許該水平切割機(jī)構(gòu)切割草皮條，允許該草皮卷繞器卷繞草皮，允許將草皮卷輸送到收集器皮帶，允許收集器皮帶的轉(zhuǎn)位以接收另一個(gè)草皮卷；遞增第三計(jì)數(shù)器，指令機(jī)器人臂從該收集器皮帶拾取多個(gè)草皮卷，指令機(jī)器人臂將草皮移動(dòng)到托盤，遞增第二計(jì)數(shù)器，遞增托盤的層次，和遞增第一計(jì)數(shù)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該收集器是分段的輸送機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該收集器包括允許操作者將被拒絕的草皮卷返回到草皮場地的可縮回部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，進(jìn)一步包括放置在可縮回部分下方的斜板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該機(jī)器人臂包括具有多個(gè)夾持器模塊的水平拾取頭，每個(gè)夾持器模塊被配置成嚙合分離的單個(gè)草皮卷。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中每個(gè)夾持器模塊包括一對(duì)可嚙合鉤爪，所述可嚙合鉤爪被配置成可轉(zhuǎn)動(dòng)地定位從而嚙合定位在收集器中的草皮卷。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述鉤爪被連接到夾持器致動(dòng)器，該夾持器致動(dòng)器具有伸出位置，所述鉤爪通過該伸出位置轉(zhuǎn)動(dòng)到凹進(jìn)卸料器下方的位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述鉤爪被連接在一起，以便使鉤爪同時(shí)嚙合分離的草皮卷。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述水平拾取頭具有配置成使至少一個(gè)夾持器模塊相對(duì)于另一個(gè)夾持器模塊運(yùn)動(dòng)的分離機(jī)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括配置成調(diào)節(jié)機(jī)器人臂的運(yùn)動(dòng)的控制器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中該機(jī)器人臂是液壓驅(qū)動(dòng)的，并且所述控制器被配置成控制至少一個(gè)液壓閥。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述控制器被電連接并且被配置成控制所述夾持器模塊。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述控制器被連接到多個(gè)致動(dòng)器，該多個(gè)致動(dòng)器被配置成保持水平拾取頭處于水平。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，進(jìn)一步包括一對(duì)配置成將托盤支撐在草皮存儲(chǔ)位置的叉，所述控制器被配置成控制該叉從第一托盤位置到第二托盤位置的運(yùn)動(dòng)。
15.一種收獲草皮的方法，包括以下步驟詢問操作者關(guān)于預(yù)定的草皮垛構(gòu)形；將第一計(jì)數(shù)器設(shè)定成指示草皮層的卷數(shù)的第一初始條件；將第二計(jì)數(shù)器設(shè)定成指示每層草皮的行數(shù)的第二初始條件；將第三計(jì)數(shù)器設(shè)定成指示每行草皮卷數(shù)的第三初始條件；如果第一計(jì)數(shù)器小于第一初始條件，那么執(zhí)行以下操作如果第二計(jì)數(shù)器小于第二初始條件，那么執(zhí)行以下操作如果第三計(jì)數(shù)器小于第三初始條件，那么執(zhí)行以下操作切割一條草皮，卷繞草皮，將草皮卷輸送到收集器皮帶，轉(zhuǎn)位收集器皮帶以接收另一個(gè)草皮卷，遞增第三計(jì)數(shù)器，指令機(jī)器人臂從收集器皮帶拾取多個(gè)草皮卷，指令機(jī)器人臂將草皮移動(dòng)到托盤，遞增第二計(jì)數(shù)器；遞增托盤的層次；和遞增第一計(jì)數(shù)器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中該機(jī)器人臂被配置成同時(shí)將多個(gè)草皮卷從收集器移動(dòng)到托盤上的預(yù)定位置。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中進(jìn)一步包括允許水平切割機(jī)構(gòu)將草皮切割成條。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中進(jìn)一步包括將草皮從水平切割機(jī)構(gòu)輸送到收集器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中進(jìn)一步包括允許草皮卷繞器卷繞草皮條。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括在遞增該第二計(jì)數(shù)器之前更新操作者顯示器。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)該第一計(jì)數(shù)器等于第一條件時(shí)，啟動(dòng)序列以將裝滿的托盤降落到場地上。
全文摘要
一種安裝到草皮收獲機(jī)上的數(shù)控機(jī)器人機(jī)械手式臂，包括樞軸連接到一起的兩節(jié)。其中一節(jié)可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接到收獲機(jī)上的固定基座，而第二節(jié)帶有可相對(duì)于該節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的拾取頭。拾取頭能夠拾取、保持和釋放草皮卷。該臂是可編程的，從而可獲得所堆放草皮卷的各種構(gòu)形。
文檔編號(hào)A01D43/16GK1723751SQ200510075338
公開日2006年1月25日 申請(qǐng)日期2005年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月23日
發(fā)明者Jr.弗蘭克·R.波勒曼, 休伯特·弗克森 申請(qǐng)人:斯泰納拖拉機(jī)設(shè)備公司