一種兩自由度機械手、拔拋秧機構、控制電路和控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種兩自由度機械手、拔拋秧機構、控制電路和控制方法，兩自由度機械手包括用于實現(xiàn)機械手在拔苗工作區(qū)域與拋苗工作區(qū)域之間的位置變化的水平運動機構、用于拔苗與拋苗的豎直運動機構、用于協(xié)調豎直運動機構的同步反向機構和用于夾持秧苗的秧夾機構；拔拋秧機構包括秧盤輸送機構、分秧滑道和兩自由度機械手；本發(fā)明采用分布式動力配置結合集中控制電路的機電一體化設計模式，極大避免了復雜機械傳動以及非標零件設計，降低了加工制造難度和成本；采用夾子式機械手拔拋秧方式，有效降低了機械碎缽以及機械傷苗的程度；秧盤輸送機構能自動送秧并能適應輸送幾種矩形布置穴孔的秧盤，保證一定進給精度。
【專利說明】一種兩自由度機械手、拔拋秧機構、控制電路和控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)水稻種植領域，特別涉及一種用于缽盤水稻秧苗種植的兩自由度機械手、拔拋秧機構、控制電路和控制方法。
【背景技術】
[0002]水稻拋秧移栽是中國水稻三大種植模式之一(其他兩種分別是直播和插秧移栽)，這三種種植模式各有特點。中國地域廣闊、水土地形差異大和耕作制度的不同等，只能因地制宜選擇種植模式，才能最大限度發(fā)揮其優(yōu)勢。所以，研制適應三種水稻種植模式的農(nóng)機具也是實現(xiàn)水稻種植全程機械化進程的重要環(huán)節(jié)，同時，這些農(nóng)機具的設計質量與產(chǎn)品性能也會反過來影響種植模式的推廣。
[0003]根據(jù)文獻檢索，國內而言， 水稻拋秧移栽經(jīng)歷了人工撒拋、機械無序拋栽(需要人工喂秧，屬于半自動)到機械有序精確拋秧的發(fā)展歷程。隨著工廠化穴盤育秧技術的推廣，許多有序拋秧機械是基于這種新的育秧方式的基礎上進行設計研究。實現(xiàn)水稻缽苗機械有序移栽設計研究主要集中在3個環(huán)節(jié):缽苗脫盤、自動輸秧和落秧分行。浙江理工大學機械與自動控制學院俞高紅設計一種以橢圓-不完全非圓齒輪為傳動機構的旋轉式水稻缽苗移栽機構同時解決缽苗脫盤和栽植苗，該設計雖然移栽效率高，但傳動機構結構參數(shù)復雜，且零部件為非標準件，對加工制造精度要求高以及增加成本。浙江理工大學機械與自動控制學院原新斌等設計一種杠桿頂出機構通過凸輪軸帶動凸輪，驅動杠桿擺動，杠桿推動對應頂杠移動，頂杠從秧盤缽底部作用于缽苗土缽，實現(xiàn)秧苗脫盤，該設計中通過頂杠頂出方式實現(xiàn)秧苗脫盤，容易造成機械碎缽土。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服以上現(xiàn)有技術中存在的缺點，提供一種兩自由度機械手，提高種植效率。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于，提供一種包含上述兩自由度機械手的拔拋秧機構。
[0006]本發(fā)明的又一目的在于，提供一種上述拔拋秧機構的控制電路。
[0007]本發(fā)明的再一目的在于，提供一種上述拔拋秧機構的控制方法。
[0008]為了達到上第一述目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0009]一種兩自由度機械手，包括用于實現(xiàn)機械手在拔苗工作區(qū)域與拋苗工作區(qū)域之間的位置變化的水平運動機構、用于拔苗與拋苗的豎直運動機構、用于協(xié)調豎直運動機構的同步反向機構和用于夾持秧苗的秧夾機構；所述豎直運動機構為兩套，分別設置在水平運動機構的兩端，所述秧夾機構為兩套，每套豎直運動機構的末端設有秧夾機構。
[0010]優(yōu)選的，所述水平運動機構包括水平交流伺服電機、水平電機安裝座、直齒圓柱齒輪、齒條、水平滾動直線導軌、水平滑塊、倒U型機械臂和兩個龍門式支架；所述水平滑塊安裝在倒U型機械臂兩側，所述滾動直線導軌安裝在龍門式支架上，滑塊設置在滾動直線導軌上，倒U型機械臂懸掛在兩個龍門式支架間，水平交流伺服電機通過水平電機安裝座安裝在其中一個龍門式支架上，水平交流伺服電機軸上的齒輪通過帶動嵌套在倒U型機械臂凹槽內的齒條，實現(xiàn)倒U型機械臂水平運動。
[0011]優(yōu)選的，所述豎直運動機構包括C型懸掛架、同步輪、同步帶、豎直滾動直線導軌、豎直滑塊和方形連接塊；所述C型懸掛架側面安裝有豎直伺服交流電機，所述同步帶設置在同步輪上，所述豎直滑塊安裝在豎直滾動直線導軌上，所述方形連接塊與同步帶連接；
[0012]所述豎直交流伺服電機、兩套豎直運動機構、同步反向機構和兩套秧夾機構均設置在倒U型機械臂內部。
[0013]優(yōu)選的，所述的同步反向機構由主傳動軸、中繼軸、從傳動軸、三個傘齒輪組成，同步反向機構中三個傘齒輪相繼按照90度安裝嚙合在倒U型機械臂中部，一側的主傳動軸一端連接在一套豎直運動機構的同步輪上，另一端連接到第一個傘齒輪，經(jīng)過設置在中繼軸上第二個傘齒輪的嚙合傳動，動力傳動到第三個傘齒輪上，從傳動軸一端連接在第三個傘齒輪，另一端連接到另一套豎直運動機構的同步輪上，三個傘齒輪模數(shù)和齒數(shù)相等，伺服電機可以同時驅動兩套豎直運動機構上的秧夾機構等速反向運動。
[0014]優(yōu)選的，所述的秧夾機構由秧夾安裝架、推拉式電磁鐵、L型推拉桿、秧夾、復位彈簧安裝塊和復位彈簧組成；秧夾安裝架方形連接塊連接到同步帶上，通過豎直滑塊安裝到豎直滾動直線導軌上，推拉式電磁鐵安裝在秧夾安裝架一側面，推拉式電磁鐵連接著L型推拉桿的一端，L型推拉桿的另一端是內楔形面，兩片秧夾安裝在秧夾安裝架下端，秧夾上端與內楔形面形成線接觸，同時，秧夾側面安裝著復位彈簧安裝塊，復位彈簧兩端分別連接到安裝塊上，推拉式電磁鐵在繼電器控制下形成通斷電兩種狀態(tài)，通電時，推拉式電磁鐵的鐵芯豎直向下運動牽引L型推拉桿，轉化為秧夾的開啟弧線運動，斷電后，秧夾在復位彈簧作用下閉合，并具有一定夾持力；
[0015]所述豎直交流伺服電機安裝在一套豎直運動機構C型懸掛架側面，豎直交流伺服電機軸的圓周運動一部分通過豎直運動機構上的第一同步輪、同步帶轉化為秧夾機構的直線豎直運動；另一部分通過相聯(lián)接的同步反向機構，軸的圓周運動同時傳遞到另外一套豎直運動機構的第二同步輪上，轉化為秧夾機構的直線豎直運動。
[0016]為了達到上述另一目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0017]一種兩自由度機械手式拔拋秧機構，包括秧盤輸送機構、分秧滑道和上述的兩自由度機械手；所述分秧滑道安裝在秧盤輸送機構上。
[0018]優(yōu)選的，所述秧盤輸送機構包括秧盤輸送交流伺服電機、秧盤輸送電機安裝板、小鏈輪、大鏈輪、鏈條、主動輥軸、從動輥軸、皮帶張緊機構、PVC皮帶、分秧滑道安裝座以及鋁型材支架；秧盤輸送交流伺服電機通過秧盤輸送電機安裝板安裝在支架上，伺服電機動力通過小鏈輪、鏈條和大鏈輪傳遞到主動輥軸上，在皮帶張緊機構的作用下，主動輥軸和從動輥軸通過摩擦力帶動PVC皮帶轉動，使之可以輸送放在其上表面的秧盤。
[0019]優(yōu)選的，所述分秧滑道共有兩組，每組由多條分滑道組成，滑道上端多個開口緊密排列在一起，與機械手夾持的多穴秧苗一一對應，相鄰滑道中心距等于育秧穴盤中相鄰穴孔中心距，滑道下端多個開口之間間隔距離為秧苗在田間定植的行距；
[0020]所述兩組分秧滑道分別連接安裝在秧盤輸送機構鋁型材支架的兩側邊，滑道上端開口正對機械手夾持的多穴秧苗，兩組分秧滑道以垂直于秧盤輸送機構PVC皮帶輸送方向的一平面為鏡像平面，分別偏移一個大小相等方向相反的角度。[0021]優(yōu)選的，所述分滑道為圓管狀，中心線從上到下為“垂直線——過渡圓弧——傾斜直線——過渡圓弧”連接。
[0022]為了達到上述又一目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0023]一種單片機控制電路，用于控制上述兩自由度機械手式拔拋秧機構，包括單片機芯片以及與單片機芯片連接的秧夾開閉控制模塊、秧苗到位檢測及控制模塊、機械手水平運動控制模塊以及機械手豎直運動控制模塊，還包括為該控制電路供電的電源模塊；
[0024]所述秧夾開閉控制模塊包括三極管輸出驅動放大電路以及與之連接的第一固態(tài)繼電器和第二固態(tài)繼電器，所述三極管輸出驅動放大電路與單片機芯片連接；
[0025]所述秧苗到位檢測及控制模塊包括秧盤輸送交流伺服電機驅動模塊、相互連接的接近傳感器和傳感器信號調理電路，所述傳感器信號調理電路和單片機芯片連接；
[0026]所述機械手水平運動控制模塊，包括水平交流伺服電機驅動模塊、第一光電傳感器、第二光電傳感器、水平傳感器信號調理電路，所述水平交流伺服電機驅動模塊與單片機芯片連接，所述第一光電傳感器和第二光電傳感器均與水平傳感器信號調理電路連接，所述水平傳感器信號調理電路與單片機芯片連接；
[0027]所述機械手豎直運動控制模塊，包括豎直交流伺服電機驅動模塊、第三光電傳感器、第四光電傳感器、豎直傳感器信號調理電路，所述豎直交流伺服電機驅動模塊與單片機芯片連接，所述第 三光電傳感器和第四光電傳感器均與豎直傳感器信號調理電路連接，所述豎直傳感器信號調理電路與單片機芯片連接；
[0028]所述第一光電傳感器和第二光電傳感器用于檢測水平運動機構的左右停止位置；
[0029]所述第三光電傳感器和第四光電傳感器和豎直運動機構的上下停止位置；
[0030]所述接近傳感器用于檢測秧盤秧苗行到位與否的信號，檢測信號通過傳感器信號調理電路轉化為單片機芯片TTL5V電壓標準，并接入相應的單片機引腳上；
[0031]所述三極管輸出驅動放大電路用于把單片機芯片輸出微電流放大到可以驅動固態(tài)繼電器的輸入電流要求；
[0032]所述第一固態(tài)繼電器和第二固態(tài)繼電器用于實現(xiàn)輸入電流對推拉式電磁鐵通斷電的控制，同時可以光電隔離控制電路與推拉式電磁鐵大功率驅動電路，避免驅動電路對控制電路的損害和干擾；
[0033]所述電源模塊包括開關電源和蓄電池組，開關電源用于把交流電轉化為交流伺服電機驅動模塊和推拉式電磁鐵所需的直流電，蓄電池組用于給傳感器組和單片機芯片供電。
[0034]為了達到上述再一目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0035]一種兩自由度機械手式拔拋秧機構的控制方法，基于上述單片機控制電路控制兩自由度機械手式拔拋秧機構，主要對交流伺服電機的啟停、速度、加速度和轉向的控制和推拉式電磁鐵通斷電的控制，具體內容包括:
[0036]加速度控制，事先由PC電腦直接連接到交流伺服電機驅動模塊進行設置，設置原則為:讓交流伺服電機針對實際負載情況具有較好的啟停特性即可；
[0037]速度控制，由單片機芯片引腳輸出占空比50%，特定頻率的脈沖信號到交流伺服電機驅動模塊實現(xiàn)；[0038]啟?？刂?，由單片機芯片引腳選擇輸出以及停止輸出脈沖信號到交流伺服電機驅動模塊實現(xiàn)；
[0039]轉向控制，由單片機芯片引腳的高低電平輸出信號到交流伺服電機驅動模塊實現(xiàn)；
[0040]推拉式電磁鐵通斷電的控制，由單片機芯片引腳的高低電平輸出信號到三極管放大電路實現(xiàn)。
[0041]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果:
[0042]1、本發(fā)明采用了用于秧苗精確進給的秧盤輸送機構、用于秧苗脫盤和有序移栽的兩自由度機械手和引導秧苗按照農(nóng)藝要求拋栽于田間的分秧滑道，具有傳動機構和結構緊湊簡單，種植效率高的特點。[0043]2、本發(fā)明的兩自由度機械手，傳動機構都由機械標準件構成，加工制造簡單，利于降低成本和后期維修保養(yǎng)；機械手采用夾持秧苗莖體的拔起方式實現(xiàn)秧苗的脫盤，而且秧夾指面采用特定形狀的軟塑性材料，避免機械碎缽和傷苗。
[0044]3、本發(fā)明的秧盤輸送機構通過控制電路實現(xiàn)對秧苗行到位與否的檢測，同時實現(xiàn)自動送秧進給，進給效率可以適應機械手拔拋秧要求以及進給精度高。
[0045]4、本發(fā)明的分秧滑道，經(jīng)過試驗驗證，在機械手拔起的秧苗營養(yǎng)土含水率在要求范圍內(27%—29%)時，秧苗通過性良好。
[0046]5、本發(fā)明的控制電路采用模塊化設計，大功率電路和控制電路相互隔離，安全可
O
[0047]6、本發(fā)明的控制方法可以基于控制電路對兩自由度機械手式拔拋秧機構進行有效控制，使其聞效、有序和精準地完成鉢盤水稻秩苗種植。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0048]圖1為本發(fā)明兩自由度機械手式拔拋秧機構的整體結構示意圖；
[0049]圖2為本發(fā)明兩自由度機械手的結構示意圖(機械手內部可視)；
[0050]圖3為本發(fā)明秧盤輸送機構的結構示意圖；
[0051]圖4為本發(fā)明兩自由度機械手式拔拋秧機構的控制電路的結構示意圖；
[0052]圖5為本發(fā)明一種基于上述控制電路控制兩自由度機械手式拔拋秧機構的控制方法一實施例的流程圖。
[0053]附圖標號說明:1.兩自由度機械手；2.秧盤輸送機構；3.分秧滑道；4.秧夾；
5.復位彈簧安裝塊；6.復位彈簧；7.秧夾安裝架；8.C型懸掛架；9.推拉式電磁鐵；10.方形連接塊；11.同步帶；12.L型推拉桿；13.第一同步輪；14.豎直交流伺服電機；15.主傳動軸；16.倒U型機械臂；17.齒條；18.傘齒輪；19.中繼軸；20.水平電機安裝座；21.水平交流伺服電機；22.直齒圓柱齒輪；23.從傳動軸；24.第二同步輪；25.水平滾動直線導軌；26.龍門式支架；27.秧盤輸送電機安裝板；28.秧盤輸送交流伺服電機；29.小鏈輪；30.大鏈輪；31.主動輥軸；32.鏈條；33.PVC皮帶；34.鋁型材支架；35.分秧滑道安裝座；36.皮帶張緊機構；37.從動輥軸。
【具體實施方式】[0054]下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0055]如圖2所示，一種兩自由度機械手1，包括水平運動機構、豎直運動機構、同步反向機構和秧夾機構；水平運動機構由水平交流伺服電機21、水平電機安裝座20、直齒圓柱齒輪22、齒條17、龍門式支架26、倒U型機械臂16和水平滾動直線導軌25及水平滑塊組成，水平滾動直線導軌25安裝在龍門式支架26上，水平滑塊安裝在倒U型機械臂16上，倒U型機械臂16通過水平滾動直線導軌25和水平滑塊形成的滑動副，水平懸掛在兩個龍門式支架26之間，水平滾動直線導軌25和水平滑塊同時具有導向和支撐的作用；水平交流伺服電機21通過直齒圓柱齒輪22帶動部分嵌套在倒U型機械臂16表面的齒條17，實現(xiàn)倒U型機械臂16在拔苗區(qū)域與拋苗區(qū)域之間的往復水平運動。
[0056]所述倒U型機械臂16內部安裝著兩套豎直運動機構、同步反向機構和豎直交流伺服電機14和兩套秧夾機構。豎直運動機構包括C型懸掛架8、第一同步輪13、同步帶11、豎直滾動直線導軌、豎直滑塊和方形連接塊10 ;同步反向機構由主傳動軸15、中繼軸19、從傳動軸23和三個傘齒輪18組成；秧夾機構一部分通過方形連接塊10連接在同步帶11側表面，另一部分連接著豎直滑塊，并與安裝在C型懸掛架8上的豎直滾動直線導軌形成滑動副；所述豎直交流伺服電機14安裝在一套豎直運動機構C型懸掛架8側面，豎直交流伺服電機14驅動第一同步輪13，第一同步輪13的圓周運動通過同步帶11轉化為秧夾機構直線豎直運動；同時，第一同步輪13通過主傳動軸15、三個傘齒輪18和中繼軸19、從傳動軸23的一次換向后，把動力傳遞到另一套豎直運動機構的第二同步輪24上，同理，第二同步輪24的圓周運動被轉化為秧夾機構的直線豎直運動。
[0057]所述同步反向機構中三個傘齒輪18相繼按照90度安裝嚙合，三個傘齒輪18模數(shù)和齒數(shù)相等，豎直交流伺服電機14可以同時驅動兩套豎直運動機構上的秧夾機構運動，運動的特點是:同步、反向和等速。
[0058]所述的秧夾機構由秧夾安裝架7、推拉式電磁鐵9、L型推拉桿12 (某末端是對稱內鍥形面)、秧夾4、復位彈簧安裝塊5和復位彈簧6組成；安裝在秧夾安裝架7側面的推拉式電磁鐵9在繼電器控制下形成通斷電兩種狀態(tài)，通電時，推拉式電磁鐵9的鐵芯豎直向下運動牽引L型推拉桿12，轉化為秧夾4的開啟弧線運動，斷電后，秧夾4在復位彈簧6作用下閉合，并具有一定夾持力。
[0059]為了緩沖彈簧夾持力對水稻秧苗柔性體的夾持損傷，以及考慮增加秧夾閉合夾持秧苗時的摩擦力，秧夾4指面粘附著特定形狀的軟塑性材料。
[0060]如圖1、圖2、圖3所示、一種用于缽盤水稻秧苗種植的兩自由度機械手式拔拋秧機構，包括秧盤輸送機構2、分秧滑道3和所述的兩自由度機械手I。秧盤輸送機構2由秧盤輸送交流伺服電機28、秧盤輸送電機安裝板27、小鏈輪29、大鏈輪30、鏈條32、主動輥軸31、從動輥軸37、皮帶張緊機構36、PVC皮帶33、分秧滑道安裝座35和鋁型材支架34組成，秧盤輸送交流伺服電機28通過秧盤輸送電機安裝板27安裝在鋁型材支架34上，伺服電機動力通過小鏈輪29、鏈條32和大鏈輪30傳遞到主動輥軸31上，在皮帶張緊機構36的作用下，主動輥軸31和從動輥軸37通過摩擦力帶動PVC皮帶33轉動，使之可以輸送放在其表面的秧盤。
[0061]所述分秧滑道3共有兩組，每組由多條分滑道組成，滑道上端多個開口緊密排列在一起，與機械手夾持移出的多穴秧苗一一對應，相鄰滑道中心距等于育秧穴盤中相鄰穴孔中心距，滑道下端多個開口之間間隔距離為秧苗行距。
[0062]所述分滑道為圓管狀，中心線從上到下為“垂直線——過渡圓弧——傾斜直線——過渡圓弧”連接。
[0063]所述分秧滑道3，兩組分別連接安裝在所述的秧盤輸送機構2的鋁型材支架34的兩側邊，滑道上端開口上方正對機械手夾持的多穴秧苗，同時，為了避免兩組分滑道交叉干涉，兩組滑道以垂直于秧盤輸送機構2的PVC皮帶33輸送方向的一平面為鏡像平面，分別偏移一個大小相等方向相反的角度。
[0064]本發(fā)明的兩自由度機械手式拔拋秧機構用于缽盤水稻秧苗種植時，秧盤輸送交流伺服電機28啟動，秧盤輸送機構2開始工作，當把秧盤中的某一行秧苗精確輸送到與機械手秧夾機構處于同一豎直平面時，水平交流伺服電機21啟動以及推拉式電磁鐵9開啟，一秧夾機構打開，同時，在水平運動機構的牽引下，從秧盤側面進入，并在到達秧苗夾持位時，推拉式電磁鐵9斷電，秧夾機構閉合并夾持住半行秧苗，接著豎直交流伺服電機14啟動，在豎直運動機構的牽引下，秧夾機構把夾持住的秧苗拔起至指定高度的秧苗拔起位，使缽苗缽土完全脫離秧盤，然后再在水平運動機構牽引下，把夾持住的秧苗反向移出到分秧滑道3正上方拋秧高位后停止運動，這時，豎直運動機構再次啟動，并牽引秧夾機構開始向下運動，直到回到拋秧低位，同時，秧夾機構打開，秧苗自由落體進入到相應的分秧分滑道中，在分秧滑道3的引導下，有序定植于田間。而另一秧夾機構運動與上述秧夾機構運動相似，只是步調有差異，在上述秧夾機構拔起秧苗到達指定高度，并開始反向移出的一瞬間，另一秧夾機構秧夾4打開，從秧盤另一側面進入，之后，按照上述同樣工作原理把另一半秧苗定植于田間。
[0065]所述水平運動、 豎直運動、秧盤輸送運動的速度、加速度和啟停位置控制、推拉式電磁鐵通斷電的時序控制均由控制電路按照一定控制方法由程序實現(xiàn)的。
[0066]如圖4所示，本發(fā)明進一步提出一種單片機控制電路，用于控制上述兩自由度機械手式拔拋秧機構，所述單片機控制電路包括單片機芯片、光電傳感器、接近傳感器、傳感器信號調理電路、三極管放大電路、固態(tài)繼電器、交流伺服電機驅動模塊和電源模塊。光電傳感器用于檢測水平運動機構的左右停止位置和豎直運動機構的上下停止位置，接近傳感器用于檢測秧盤秧苗行到位與否的信號，檢測信號通過傳感器信號調理電路轉化為單片機芯片TTL5V電壓標準，并接入相應的單片機引腳上；單片機芯片相應引腳連接三極管放大電路、固態(tài)繼電器形成對推拉式電磁鐵的通斷電控制，所述三極管放大電路用于把單片機芯片輸出微電流放大到可以驅動固態(tài)繼電器的輸入電流要求，所述固態(tài)繼電器用于實現(xiàn)輸入電流對推拉式電磁鐵通斷電的控制，同時可以光電隔離控制電路與推拉式電磁鐵大功率驅動電路，避免驅動電路對控制電路的損害和干擾；單片機芯片相應引腳連接到交流伺服電機驅動模塊，用于控制交流伺服電機。所述電源模塊包括開關電源和蓄電池組，開關電源用于把交流電轉化為大功率驅動電路(交流伺服電機驅動模塊和推拉式電磁鐵)所需的直流電，蓄電池組用于給傳感器和單片機芯片供電。
[0067]本發(fā)明進一步還提出一種控制方法，基于上述單片機控制電路控制兩自由度機械手式拔拋秧機構，該控制方法包括對交流伺服電機的啟停、速度、加速度和轉向的控制和推拉式電磁鐵通斷電的控制，具體內容包括:[0068]加速度控制，事先由PC電腦直接連接到交流伺服電機驅動模塊進行設置，設置原則為:讓交流伺服電機針對實際負載情況具有較好的啟停特性即可；
[0069]速度控制，由單片機芯片引腳輸出占空比50%，特定頻率的脈沖信號到交流伺服電機驅動模塊實現(xiàn)；
[0070]啟?？刂疲蓡纹瑱C芯片引腳選擇輸出以及停止輸出脈沖信號到交流伺服電機驅動模塊實現(xiàn)；
[0071]轉向控制，由單片機芯片引腳的高低電平輸出信號到交流伺服電機驅動模塊實現(xiàn)；
[0072]推拉式電磁鐵通斷電的控制，由單片機芯片引腳的高低電平輸出信號到三極管放大電路實現(xiàn)；
[0073]由于秧盤輸送機構3以及豎直運動機構的實際負載轉動慣量較小，以及運動速度較低，交流伺服電機啟動后采用輸出單一頻率脈沖實現(xiàn)速度控制；
[0074]由于水平運動機構的實際負載轉動慣量大，運動距離較長，所需平均速度大，為了延長交流伺服電機的使用壽命以及降低水平往復運動的振動，優(yōu)選地，負責水平運動交流伺服電機的啟動后采用階梯式降低輸出頻率脈沖的方式實現(xiàn)速度控制。
[0075]參照圖5，本發(fā)明一種基于上述控制電路控制兩自由度機械手式拔拋秧機構的控制方法一實施例的程序流程圖。
[0076]兩自由度機械手式拔拋秧機構用于缽盤水稻秧苗種植的過程:當控制電路上電后，在復位程序控制下，兩自由度機械手秧夾機構移動到指定位置(一秧夾處于秧苗拔起位，一秧夾處于拋秧低位)，同時，Pl.7輸出開啟信號到控制秧夾A推拉式電磁鐵的第一固態(tài)繼電器，處于秧盤輸送機構2側面拋秧低位的秧夾A開啟；接著，單片機芯片Pl.0引腳發(fā)出特定頻率脈沖信號到秧盤輸送交流伺服電機驅動模塊，驅動與之相連秧盤輸送機構2的秧盤輸送交流伺服電機28啟動，事先放于PVC皮帶33表面上的秧盤開始進給；當秧盤中的某一行秧苗精確輸送到與機械手秧夾拔秧位時，檢測秧苗到位的接近傳感器發(fā)出信號到單片機芯片P3.2引腳，同時Pl.0引腳停止秧盤輸送交流伺服電機28的脈沖使之停止，Pl.4輸出轉向信號、Pl.1輸出特定脈沖信號到水平交流伺服電機21使之啟動，秧夾A在水平運動機構的牽引下，從秧盤一側面進入；當?shù)谝还怆妭鞲衅靼l(fā)回到位信號到P2.0引腳后，預示秧夾A進入到半行秧苗夾秧位，此時，Pl.7輸出關閉信號到控制秧夾A保持開啟狀態(tài)的推拉式電磁鐵的第一固態(tài)繼電器，第一固態(tài)繼電器斷開，秧夾A在復位彈簧作用下閉合并夾持住半行秧苗，同時，Pl.1引腳停止水平交流伺服電機21的脈沖使之停止，Pl.5輸出轉向信號、Pl.2輸出特定脈沖信號到豎直交流伺服電機14使之啟動，在豎直運動機構的牽引下，秧夾A把夾持住的秧苗拔起；當?shù)谌怆妭鞲衅靼l(fā)回到位信號到P2.1引腳后，預示秧夾A所夾持半行缽苗缽土完全脫離秧盤，到達秧苗拔起位，Pl.2引腳停止豎直交流伺服電機14的脈沖使之停止，Pl.4輸出轉向信號、Pl.1輸出特定脈沖信號到水平交流伺服電機21使之啟動，一方面，在水平運動機構牽引下，秧夾A夾持住的秧苗開始反向移出，同時，另一方面,Pl.6輸出開啟信號到控制秧夾B推拉式電磁鐵的第二固態(tài)繼電器,秧夾B打開,也在水平運動機構牽引下，從秧盤另一側面進入；當?shù)诙怆妭鞲衅靼l(fā)回到位信號到P2.2引腳后，預示秧夾B到達另一半 行秧苗夾秧位，秧夾A也正好到達分秧滑道A組拋秧高位，Pl.6輸出關閉信號到控制秧夾B保持開啟狀態(tài)的推拉式電磁鐵的第二固態(tài)繼電器，第二固態(tài)繼電器斷開，秧夾B在復位彈簧作用下閉合并夾持住另一半行秧苗，同時，PL I引腳停止水平交流伺服電機21的脈沖使之停止，Pl.5輸出轉向信號、Pl.2輸出特定脈沖信號到豎直交流伺服電機14使之啟動，在豎直運動機構的牽引下，秧夾A向下移動(同時，在同步反向機構的作用下，秧夾B把夾持住另一半行秧苗拔起)；當?shù)谒墓怆妭鞲衅靼l(fā)回到位信號到P2.3引腳后，預示秧夾A所夾持半行秧苗已到達分秧滑道A組上端開口的拋秧低位(同時，秧夾B把夾持住的另一半行秧苗缽土拔起脫離秧盤,到達秧苗拔起位)，之后,秧夾A再一次打開，半行秧苗連帶缽土自由落體進入到相應的分秧分滑道中，在分秧滑道3的引導下，有序定植于田間，至此， 秧夾A完成一個完整的機器種植作業(yè)周期，相應地，秧夾B完成半個機器種植作業(yè)周期，Pl.0重新發(fā)出啟動信號到秧盤輸送交流伺服電機28，使之啟動開始輸送下一行秧苗，直到下一行秧苗到位。
[0077]兩自由度機械手式拔拋秧機構按照以上流程不斷循環(huán)工作，即可不斷把缽盤水稻秩苗有序聞效精確地定植于田間。
[0078]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種兩自由度機械手，其特征在于，包括用于實現(xiàn)機械手在拔苗工作區(qū)域與拋苗工作區(qū)域之間的位置變化的水平運動機構、用于拔苗與拋苗的豎直運動機構、用于協(xié)調豎直運動機構的同步反向機構和用于夾持秧苗的秧夾機構；所述豎直運動機構為兩套，分別設置在水平運動機構的兩端，所述秧夾機構為兩套，每套豎直運動機構的末端設有秧夾機構。
2.根據(jù)權利要求1所述的兩自由度機械手，其特征在于，所述水平運動機構包括水平交流伺服電機、水平電機安裝座、直齒圓柱齒輪、齒條、水平滾動直線導軌、水平滑塊、倒U型機械臂和兩個龍門式支架；所述水平滑塊安裝在倒U型機械臂兩側，所述滾動直線導軌安裝在龍門式支架上，滑塊設置在滾動直線導軌上，倒U型機械臂懸掛在兩個龍門式支架間，水平交流伺服電機通過水平電機安裝座安裝在其中一個龍門式支架上，水平交流伺服電機軸上的齒輪通過帶動嵌套在倒U型機械臂凹槽內的齒條，實現(xiàn)倒U型機械臂水平運動。
3.根據(jù)權利要求2所述的兩自由度機械手，其特征在于，所述豎直運動機構包括C型懸掛架、同步輪、同步帶、豎直滾動直線導軌、豎直滑塊和方形連接塊；所述C型懸掛架側面安裝有豎直伺服交流電機，所述同步帶設置在同步輪上，所述豎直滑塊安裝在豎直滾動直線導軌上，所述方形連接塊與同步帶連接； 所述豎直交流伺服電機、兩套豎直運動機構、同步反向機構和兩套秧夾機構均設置在倒U型機械臂內部。
4.根據(jù)權利要求2所述的兩自由度機械手，其特征在于，所述的同步反向機構由主傳動軸、中繼軸、從傳 動軸、三個傘齒輪組成，同步反向機構中三個傘齒輪相繼按照90度安裝嚙合在倒U型機械臂中部，一側的主傳動軸一端連接在一套豎直運動機構的同步輪上，另一端連接到第一個傘齒輪，經(jīng)過設置在中繼軸上第二個傘齒輪的嚙合傳動，動力傳動到第三個傘齒輪上，從傳動軸一端連接在第三個傘齒輪，另一端連接到另一套豎直運動機構的同步輪上，三個傘齒輪模數(shù)和齒數(shù)相等，伺服電機可以同時驅動兩套豎直運動機構上的秧夾機構等速反向運動。
5.根據(jù)權利要求3所述的兩自由度機械手，其特征在于，所述的秧夾機構由秧夾安裝架、推拉式電磁鐵、L型推拉桿、秧夾、復位彈簧安裝塊和復位彈簧組成；秧夾安裝架通過方形連接塊連接到同步帶上，通過豎直滑塊安裝到豎直滾動直線導軌上，推拉式電磁鐵安裝在秧夾安裝架一側面，推拉式電磁鐵連接著L型推拉桿的一端，L型推拉桿的另一端是內楔形面，兩片秧夾安裝在秧夾安裝架下端，秧夾上端與內楔形面形成線接觸，同時，秧夾側面安裝著復位彈簧安裝塊，復位彈簧兩端分別連接到安裝塊上，推拉式電磁鐵在繼電器控制下形成通斷電兩種狀態(tài)，通電時，推拉式電磁鐵的鐵芯豎直向下運動牽引L型推拉桿，轉化為秧夾的開啟弧線運動，斷電后，秧夾在復位彈簧作用下閉合，并具有一定夾持力； 所述豎直交流伺服電機安裝在一套豎直運動機構C型懸掛架側面，豎直交流伺服電機軸的圓周運動一部分通過豎直運動機構上的第一同步輪、同步帶轉化為秧夾機構的直線豎直運動；另一部分通過相聯(lián)接的同步反向機構，軸的圓周運動同時傳遞到另外一套豎直運動機構的第二同步輪上，轉化為秧夾機構的直線豎直運動。
6.—種兩自由度機械手式拔拋秧機構，其特征在于，包括秧盤輸送機構、分秧滑道和權利要求1-5中任一項所述的兩自由度機械手；所述分秧滑道安裝在秧盤輸送機構上。
7.根據(jù)權利要求6所述的兩自由度機械手式拔拋秧機構，其特征在于，所述秧盤輸送機構包括秧盤輸送交流伺服電機、秧盤輸送電機安裝板、小鏈輪、大鏈輪、鏈條、主動棍軸、從動輥軸、皮帶張緊機構、PVC皮帶、分秧滑道安裝座以及鋁型材支架；秧盤輸送交流伺服電機通過秧盤輸送電機安裝板安裝在支架上，伺服電機動力通過小鏈輪、鏈條和大鏈輪傳遞到主動輥軸上，在皮帶張緊機構的作用下，主動輥軸和從動輥軸通過摩擦力帶動PVC皮帶轉動，使之可以輸送放在其上表面的秧盤。
8.根據(jù)權利要求7所述的兩自由度機械手式拔拋秧機構，其特征在于，所述分秧滑道共有兩組，每組由多條分滑道組成，滑道上端多個開口緊密排列在一起，與機械手夾持的多穴秧苗一一對應，相鄰滑道中心距等于育秧穴盤中相鄰穴孔中心距，滑道下端多個開口之間間隔距離為秧苗在田間定植的行距； 所述兩組分秧滑道分別連接安裝在秧盤輸送機構鋁型材支架的兩側邊，滑道上端開口正對機械手夾持的多穴秧苗，兩組分秧滑道以垂直于秧盤輸送機構PVC皮帶輸送方向的一平面為鏡像平面，分別偏移一個大小相等方向相反的角度。
9.根據(jù)權利要求8所述的兩自由度機械手式拔拋秧機構，其特征在于，所述分滑道為圓管狀，中心線從上到下為“垂直線——過渡圓弧——傾斜直線——過渡圓弧”連接。
10.一種單片機控制電路，用于控制權利要求7-9中任一項所述的兩自由度機械手式拔拋秧機構，其特征在于，包括單片機芯片以及與單片機芯片連接的秧夾開閉控制模塊、秧苗到位檢測及控制模塊、機械手水平運動控制模塊以及機械手豎直運動控制模塊，還包括為該控制電路供電的電源模塊； 所述秧夾開閉控制模塊包括三極管輸出驅動放大電路以及與之連接的第一固態(tài)繼電器和第二固態(tài)繼電器，所述三極管輸出驅動放大電路與單片機芯片連接； 所述秧苗到位檢測及控制模塊包括秧盤輸送交流伺服電機驅動模塊、相互連接的接近傳感器和傳感器信號調理電路，所述傳感器信號調理電路和單片機芯片連接； 所述機械手水平運動控制模塊，包括水平交流伺服電機驅動模塊、第一光電傳感器、第二光電傳感器、水平傳感器信號調理電路，所述水平交流伺服電機驅動模塊與單片機芯片連接，所述第一光電傳感器和第二光電傳感器均與水平傳感器信號調理電路連接，所述水平傳感器信號調理電路與單片機芯片連接； 所述機械手豎直運動控制模塊，包括豎直交流伺服電機驅動模塊、第三光電傳感器、第四光電傳感器、豎直傳感器信號調理電路，所述豎直交流伺服電機驅動模塊與單片機芯片連接，所述第三光電傳感器和第四光電傳感器均與豎直傳感器信號調理電路連接，所述豎直傳感器信號調理電路與單片機芯片連接； 所述第一光電傳感器和第二光電傳感器用于檢測水平運動機構的左右停止位置； 所述第三光電傳感器和第四光電傳感器和豎直運動機構的上下停止位置； 所述接近傳感器用于檢測秧盤秧苗行到位與否的信號，檢測信號通過傳感器信號調理電路轉化為單片機芯片TTL5V電壓標準，并接入相應的單片機引腳上； 所述三極管輸出驅動放大電路用于把單片機芯片輸出微電流放大到可以驅動固態(tài)繼電器的輸入電流要求； 所述第一固態(tài)繼電器和第二固態(tài)繼電器用于實現(xiàn)輸入電流對推拉式電磁鐵通斷電的控制，同時可以光電隔離控制電路與推拉式電磁鐵大功率驅動電路，避免驅動電路對控制電路的損害和干擾； 所述電源模塊包括開關電源和蓄電池組，開關電源用于把交流電轉化為交流伺服電機驅動模塊和推拉式電磁鐵所需的直流電，蓄電池組用于給傳感器組和單片機芯片供電。
11.一種兩自由度機械手式拔拋秧機構的控制方法，基于上述單片機控制電路控制兩自由度機械手式拔拋秧機構，其特征在于，主要對交流伺服電機的啟停、速度、加速度和轉向的控制和推拉式電磁鐵通斷電的控制，具體內容包括: 加速度控制，事先由PC電腦直接連接到交流伺服電機驅動模塊進行設置，設置原則為:讓交流伺服電機針對實際負載情況具有較好的啟停特性即可； 速度控制，由單片機芯片引腳輸出占空比50%，特定頻率的脈沖信號到交流伺服電機驅動模塊實現(xiàn)； 啟?？刂疲蓡纹瑱C芯片引腳選擇輸出以及停止輸出脈沖信號到交流伺服電機驅動模塊實現(xiàn)； 轉向控制，由單片機芯片引腳的高低電平輸出信號到交流伺服電機驅動模塊實現(xiàn)；推拉式電磁鐵通 斷電的控制，由單片機芯片引腳的高低電平輸出信號到三極管放大電路實現(xiàn)。
【文檔編號】A01C11/02GK103947348SQ201410163540
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權日:2014年4月22日
【發(fā)明者】馬瑞峻, 樊元君, 區(qū)穎剛, 王凱湛 申請人:華南農(nóng)業(yè)大學