CN110547093B - 一种轻量化农业采摘机械臂 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种轻量化农业采摘机械臂，包括：第〇连接臂、第一连接臂、第二连接臂、第三连接臂和多个编码器，各个连接臂之间设置有一级绞盘轴承，每级绞盘轴承包括同轴压叠在一起的奇数个绞盘，所述绞盘具有内圈和外圈，在外圈立面上具有沟槽，在所述沟槽内设有钢线，所述内圈连接本级连接臂，所述外圈连接下一级的连接臂，通过控制钢线实现连接臂的转动，编码器通过编码器固定架固定在绞盘轴承内圈上，编码器的转轴通过编码器连接杆固定在绞盘轴承外圈上。本发明的优点是：结构简单，通过降低关节电机位置，进而降低重心位置；通过设置预力弹簧，降低关节受力分布，提高灵活性，降低能耗；辅助管线隐藏内部，系统更加灵活、节能，增加续航力。

Description

一种轻量化农业采摘机械臂

技术领域

本发明涉及一种轻量化农业采摘机械臂。

背景技术

在农业领域采用农业田间作业机器人是现代农业发展的高级阶段，随着人力成本增加，从事农业田间作业的人员数量减少，导致了农业发展机械化智能化水平需要不断提升，农业田间作业机器人是在传统机械控制技术基础上结合计算机视觉、大数据识别等技术，识别和制定机器人动作方案，实现农事作业。主要从事采茶、棉花打顶打叉、果实采摘、除草等工作。

现有技术采用的机械臂多为传统工业机械臂，普遍存在重量大，导致整体重心上移，影响行走稳定性；因重量大导致作业时整体易晃动；因重量大导致，关节始终处于受力状态，导致关节电机能耗大，严重影响以电力为能源的机器人的续航力；辅助管线外漏，容易拉碰作物枝叶。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种轻量化农业采摘机械臂，其结构简便，作业准确。

为了实现上述目的，本发明采用的技术本发明为：一种轻量化农业采摘机械臂，其特征在于，包括：

第〇连接臂、第一连接臂、第二连接臂、第三连接臂和编码器，各个连接臂之间设置有一级绞盘轴承，每级绞盘轴承包括同轴压叠在一起的奇数个绞盘，所述绞盘具有内圈和外圈，在外圈立面上具有沟槽，在所述沟槽内设有钢线，所述内圈连接本级连接臂，所述外圈连接下一级的连接臂，通过控制钢线实现连接臂的转动，编码器通过编码器固定架固定在绞盘轴承内圈上，编码器的转轴通过编码器连接杆固定在绞盘轴承外圈上。

本发明的有益效果为：

结构简单，包括：第〇连接臂、第一连接臂、第二连接臂、第三连接臂和编码器，各个连接臂之间设置有一级绞盘轴承，每级绞盘轴承包括同轴压叠在一起的奇数个绞盘，所述绞盘具有内圈和外圈，在外圈立面上具有沟槽，在所述沟槽内设有钢线，所述内圈连接本级连接臂，所述外圈连接下一级的连接臂，通过控制钢线实现连接臂的转动，编码器通过编码器固定架固定在绞盘轴承内圈上，编码器的转轴通过编码器连接杆固定在绞盘轴承外圈上，采用轻量化设计、使机械臂运行灵活；通过降低关节电机位置，进而降低重心位置；通过设置预力弹簧，降低关节受力分布，提高灵活性，降低能耗；辅助管线隐藏内部。从而使得系统更加灵活、节能，增加续航力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明的轻量化农业采摘机械臂的结构示意图；

图2是图1所示结构的连接臂的实施例示意图；

图3是图2所示实施例的侧视图；

图4是本发明的编码器结构示意图；

图5是本发明的编码器的码盘示意图。

附图标记示意

11-第一减速电机，12-第二减速电机，13-第三减速电机，

14-第〇连接臂、15-第一连接臂、16-第二连接臂、17-第三连接臂，

18-第一绞盘，19-第二绞盘，20-第三绞盘，21-第四绞盘，

22-第五绞盘，23-第六绞盘，24-第七绞盘，25-第八绞盘，

26-第九绞盘，27-第一弹簧，28-第二弹簧，29-第三弹簧，

31-第一编码器，32-第二编码器，33-第三编码器，34-滑轮，

35-第一钢线，36-第二钢线，37-第三钢线，

41-绞盘轴承外圈，42-绞盘轴承内圈，43-扭簧，

44-滚珠，45-钢线，46-编码器，47-编码器固定架，48-编码器连接杆

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

请参照图1至图3，本发明的一种轻量化农业采摘机械臂，包括：第〇连接臂14、第一连接臂15、第二连接臂16、第三连接臂17和三个编码器，各个连接臂之间设置有一级绞盘轴承，每级绞盘轴承包括同轴压叠在一起的奇数个绞盘，所述绞盘具有内圈和外圈，在外圈立面上具有沟槽，在所述沟槽内设有钢线，所述内圈连接本级连接臂，所述外圈连接下一级的连接臂，通过控制钢线实现连接臂的转动，编码器通过编码器固定架固定在绞盘轴承内圈上，编码器的转轴通过编码器连接杆固定在绞盘轴承外圈上。

在一个实施例中，在第〇连接臂与第一连接臂之间设置第一级绞盘轴承，所述第一级绞盘轴承包括顺序压叠的第一绞盘、第二绞盘、第三绞盘、第四绞盘、第五绞盘。

在一个实施例中，在第一连接臂与第二连接臂之间设置第二级绞盘轴承，所述第二级绞盘轴承包括顺序压叠的第六绞盘、第七绞盘、第八绞盘。

在一个实施例中，在第二连接臂与第三连接臂之间设置第三级绞盘轴承，所述第三级绞盘轴承包括第九绞盘轴承。

在一个实施例中，所述内圈设置有定位孔。

在一个实施例中，所述第三绞盘通过第一钢线连接第二弹簧，并与第二减速电机进行连接。

在一个实施例中，所述第一绞盘与第二绞盘的一端通过第三纲线连接第一弹簧，并与第一减速电机进行连接；另一端连接第六绞盘。

在一个实施例中，所述第四绞盘与第五绞盘的一端通过第二钢线连接第三弹簧，并与第三减速电机进行连接；另一端连接第七绞盘与第八绞盘。

在一个实施例中，所述第七绞盘与第八绞盘的另一端连接第九绞盘。

在一个实施例中，所述该系统由减速电机3个、第〇连接臂、第一连接臂、第二连接臂、第三连接臂、第〇连接臂和第一连接臂间的绞盘轴承5个、第一连接臂和第二连接臂间的绞盘轴承3个、第二连接臂和第三连接臂间的绞盘轴承1个、弹簧3个、编码器3个。

作为具体的实施例，连接部分：第〇连接臂固定于机器人底盘上可沿纵轴转动，第一连接臂一端和第〇连接臂的上端通过绞盘轴承连接(第〇连接臂通过绞盘轴承内圈的侧面固定，第一连接臂通过绞盘轴承外圈侧面固定，以下同理)，第二连接臂的一端和第一连接臂的另一端通过绞盘轴承连接，第三连接臂的一端和第二连接臂的另一端通过绞盘轴承连接，第三连接臂可沿第二连接臂的纵轴转动，如图滑轮固定于第二连接臂的右端，用于改变第二钢线的传动方向，从而带动绞盘轴承。

作为具体的实施例，传动部分：第三钢线绕绞盘轴承2圈后再绕第一减速电机2圈；第二钢线绕绞盘轴承2圈后的两根钢线分别绕绞盘轴承1圈后再绕第三减速电机2圈；第一钢线通过轴承改变传动方向后，分两段分别在下一级绞盘轴承绕1圈后再绕第二减速电机2圈。

作为具体的实施例，钢线固定装置可以是卡位固定、螺栓固定等形式，三根钢线上配有拉簧，用于抵消一部分因重力引起的钢线受力，使机械臂运动更加灵活，电机负载更低。

作为具体的实施例，运动关系：该机械臂是3自由度，后级负载相对较小，可采用伺服电机，每个绞盘预留了中心孔，用于后级关节的线路穿过第一连接臂、第二连接臂和第二连接臂的运动由减速电机提供动作动力，由编码器反馈位置信息。配合电路部分实现该机械臂的动作系统。

请参照图4，作为具体的实施例，编码器46通过编码器固定架47固定在绞盘轴承内圈42上，编码器46的转轴通过编码器连接杆48固定在绞盘轴承外圈41上，通过上述系统，编码器可实时反馈绞盘轴承外圈41与绞盘轴承内圈42之间的角度，进而反馈两臂间的角度。

作为具体的实施例，编码器一般置于电机内，构成伺服电机，本系统将伺服电机中的编码器布置到机械臂关节内，避开了因钢线松紧、机械臂的结构强度等方面因素带来的误差，实际角度反馈更加精确。系统输入信息有：目标角度、目标角速度、编码器反馈的实际角度、结合时间参数由系统计算出的实际角速度信息、累计误差信息等。通过较为复杂的PID(比例控制、积分控制、微分控制)控制算法，计算出需要控制电机的正反转速度，反馈给电机调速器。实现机械臂的精准、高效动作。

作为具体的实施例，编码器为通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，有光栅盘和光电检测装置组成，采用绝对值编码器：它是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上有透光和不透光的扇形区间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数。

请参照图5，作为具体的实施例，码盘一侧是光源，另一次对应每一码道上有光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据光照与否转换成相应的电平信号，形成二进制数。不需要计数器，在转轴的任意位置可直接读出一个固定的与位置相对应的数字码。即可以直接读出角度坐标的绝对值，没有累计误差。电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数。

作为具体的实施例，二进制的编码盘，图中空白部分是透光的，用“0”来表示；涂黑的部分是不透光的，用“1”来表示。通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。如果编码盘有4个码道，则由里向外的码道分别表示为二进制的23、22、21和20，4位二进制可形成16个二进制数，因此就将圆盘划分16个扇区，每个扇区对应一个4位二进制数，如0000、0001、…、1111。如：一个12轨道的码盘其分辨率在4096,即360°/4096＝0.088°相当精确。

本发明的有益效果为：

结构简单，包括：第〇连接臂、第一连接臂、第二连接臂、第三连接臂和编码器，各个连接臂之间设置有一级绞盘轴承，每级绞盘轴承包括同轴压叠在一起的奇数个绞盘，所述绞盘具有内圈和外圈，在外圈立面上具有沟槽，在所述沟槽内设有钢线，所述内圈连接本级连接臂，所述外圈连接下一级的连接臂，通过控制钢线实现连接臂的转动，编码器通过编码器固定架固定在绞盘轴承内圈上，编码器的转轴通过编码器连接杆固定在绞盘轴承外圈上，采用轻量化设计、使机械臂运行灵活；通过降低关节电机位置，进而降低重心位置；通过设置预力弹簧，降低关节受力分布，提高灵活性，降低能耗；辅助管线隐藏内部。从而使得系统更加灵活、节能，增加续航力。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种轻量化农业采摘机械臂，其特征在于，包括：

第〇连接臂、第一连接臂、第二连接臂、第三连接臂和多个编码器，各个连接臂之间设置有一级绞盘轴承，每级绞盘轴承包括同轴压叠在一起的奇数个绞盘，所述绞盘具有内圈和外圈，在外圈立面上具有沟槽，在所述沟槽内设有钢线，所述内圈连接本级连接臂，所述外圈连接下一级的连接臂，通过控制钢线实现连接臂的转动，编码器通过编码器固定架固定在绞盘轴承内圈上，编码器的转轴通过编码器连接杆固定在绞盘轴承外圈上；

在第〇连接臂与第一连 接臂之间设置第一级绞盘轴承，所述第一级绞盘轴承包括顺序压叠的第一绞盘、第二绞盘、第三绞盘、第四绞盘、第五绞盘；

在第一连接臂与第二连 接臂之间设置第二级绞盘轴承，所述第二级绞盘轴承包括顺序压叠的第六绞盘、第七绞盘、 第八绞盘；

在第二连接臂与第三连 接臂之间设置第三级绞盘轴承，所述第三级绞盘轴承包括第九绞盘轴承；

所述第一绞盘与第二绞 盘的一端通过第三纲线连接第一弹簧，并与第一减速电机进行连接；另一端连接第六绞盘；

所述第四绞盘与第五绞 盘的一端通过第二钢线连接第三弹簧，并与第三减速电机进行连接；另一端连接第七绞盘与第八绞盘；

所述编码器为绝对值编码器。

2.根据权利要求1所述的轻量化农业采摘机械臂，其特征在于，所述内圈设置有定位孔。

3.根据权利要求2所述的轻量化农业采摘机械臂，其特征在于，所述第三绞盘通过第一钢线连接第二弹簧，并与第二减速电机进行连接。

4.根据权利要求3所述的轻量化农业采摘机械臂，其特征在于，所述第七绞盘与第八绞盘的另一端连接第九绞盘。