CN105235771B

CN105235771B - 一种粮仓内信息探测仿生螺旋机器人

Info

Publication number: CN105235771B
Application number: CN201510716890.0A
Authority: CN
Inventors: 吴文福; 陈龙; 张亚秋; 韩峰; 徐岩; 陈思羽; 秦骁; 吴玉柱; 金毅
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2035-10-29
Also published as: CN105235771A

Abstract

本发明公开了一种粮仓内信息探测仿生螺旋机器人，包括：外壳；至少三组螺旋推进器，其包括进粮口和出粮口，所述螺旋推进器旋转后能够将进粮口处粮食吸入并从出粮口排出，实现螺旋推进器在粮仓内行进；传感器组，其设置于所述外壳外侧，用于检测粮仓内粮食的生态信息。其中所述螺旋推进器包括：传动轴，其设置成两端开口中空状，所述传动轴能够相对于所述外壳转动；螺旋体，其设置于所述传动轴中空部；驱动电机，其通过一对啮合齿轮带动传动轴旋转。通过远程遥控方式获取粮情实时信息，免去了在粮仓中布置测温电缆的工作。降低了粮仓人力、物力运营成本。并从根本上解决了粮仓中布线难和测温电缆对进出粮作业干扰的问题。

Description

一种粮仓内信息探测仿生螺旋机器人

技术领域

本发明涉及粮仓粮情检测技术领域，特别涉及一种粮仓部信息探测仿生螺旋机器人。

背景技术

在粮食仓储领域，目前粮情数据获得技术手段较为落后，发展缓慢，主要是依靠在粮仓中预先埋设测温电缆和温湿度传感器。而粮情监测传感器安装较为困难，无论采用装量前挂接预埋，还是装粮后专用工具埋设。且传感器的体积不易过大，现一般只埋设测温电缆，湿度、气体传感器的安装极不方便。同时，测量电缆需要满足抗腐蚀、抗拉伸等要求。在实际应用中，往往达不到要求。在上粮、卸粮的过程中，由于粮仓内布线复杂，容易发生故障，从而导致粮情监测系统失效，粮情系统的布设和维护的成本高，并且会过于复杂的布线会影响通风作业，并由于线缆覆盖面大，易遭雷电冲击导致损坏。“无线”通信也有着其自身的缺点，不仅要考虑网络带宽问题，而且要考虑粮仓中每个节点的能耗需求，不能由于某一个或几个点发生故障或电量不足而导致监测失效，并且长期与粮食接触难免会发生传感器失灵等现象。因此在信息传输上存在信息传输不可靠，干扰不易消除的缺陷。无论有线信号传输和无线信号传输方式，布线距离太长，造成电源的电压和信号的不稳定。粮仓内测量点的数量去决绝布设的传感器的数量，考虑到成本、空间等原因，使测量点数量有限，不能全面探测粮仓内部的情况，特别是粮情危险点探测，造成对粮情的误判和错误调控，造成严重的损失。二在粮仓内埋设粮情传感器及电源和信号线，会影响到机械化进出粮作业，增加了劳动力的投入，降低了作业效率。

而这些缺陷在粮情监测中，也是最让粮仓管理者头疼的问题。因此，如何有效且稳定的探测粮堆生态信息也是粮情监测系统下一步发展的主要方向。

发明内容

本发明设计开发了一种粮仓内信息探测仿生螺旋机器人，目的是克服现有技术中需在粮仓内布线安装传感器的缺陷，通过控制螺旋机器人在粮仓内行进测量任意位置的粮堆生态信息。

本发明的还有一个目的是克服仿生螺旋机器人在粮仓内转速以及动力不足的缺陷，提供一种适于应用于该仿生螺旋机器人上的驱动电机。

本发明提供的技术方案为：

一种粮仓内信息探测仿生螺旋机器人，包括：

外壳；

至少三组螺旋推进器，其包括进粮口和出粮口，所述螺旋推进器旋转后能够将进粮口处粮食吸入并从出粮口排出，实现螺旋推进器在粮仓内行进；

传感器组，其设置于所述外壳外侧，用于检测粮仓内粮食的生态信息；

其中所述螺旋推进器包括：

传动轴，其设置成两端开口中空状，所述传动轴能够相对于所述外壳转动；

螺旋体，其设置于所述传动轴中空部；

驱动电机，其通过一对啮合齿轮带动传动轴旋转。

优选的是，所述螺旋推进器设置有4组，并且4组螺旋推进器呈圆周均匀布置。

优选的是，所述传动轴内中空部分呈圆锥形，以使所述进粮口截面小于出粮口截面。

优选的是，所述外壳外侧还设置有布线仓，所述传感器组的传输线设置于所述布线仓内，以防止传感器组的传输线磨损。

优选的是，所述螺旋体上设置有贯穿于轴线的推进轴，以稳定转动速度并保持螺旋体机械结构的稳定性。

优选的是，所述外壳内设置有控制器，所述控制器通过无线传输方式与远程控制台进行数据交换。

优选的是，还包括位置传感器和姿态传感器，以检测所述仿生螺旋机器人的位置及姿态。

优选的是，所述传感器组包括温度传感器、湿度传感器以及水分传感器。

优选的是，直线行进时所述驱动电机的转速n满足

n = \frac{3 {mD}^{2} V_{0}}{4 l (d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{1} d_{2})}

其中，V₀为螺旋机器人直线行进速度，D为外壳的直径，d₁为进粮口的直径，d₂为出粮口的直径，l为传动轴沿轴线方向长度，m为螺旋体的圈数。

优选的是，所述驱动电机最大驱动扭矩T_max满足：

T_{m a x} = \frac{4775 {lπρV}_{m a x}^{2} D^{2} (d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{1} d_{2})}{3 m g {(d_{1} + d_{2})}^{4}} \cdot {\frac{2 λ l}{d_{1} + d_{2}} + 0.135 {[1 - {(\frac{d_{1}}{d_{2}})}^{2}]}^{2}}

其中，ρ为粮食的松装密度，λ为粮食与传动轴内壁的摩擦系数。

本发明的有益效果是：

(1)粮仓管理员通过远程遥控机器人的方式获取粮情实时信息，从而将粮仓探测技术手段提升了一个档次；

(2)使用仿生多螺旋粮情信息探测机器人，免去了在粮仓中布置测温电缆的工作。降低了粮仓人力、物力运营成本。并从根本上解决了粮仓中布线难和测温电缆对进出粮作业干扰的问题。

(3)由于传感器内置在仿生多螺旋粮情探测机器人中，当传感器失灵时，可以及时更换，从而保证了粮情信息探测的准确性。

(4)用户可根据个人需要规划仿生多螺旋粮情信息探测机器人采集数据点的点数与行走路径。

附图说明

图1为本发明所述的粮仓内信息探测仿生螺旋机器人总体结构示意图。

图2为本发明所述的外壳结构示意图。

图3为本发明所述的螺旋推进器结构示意图。

图4为本发明所述的螺旋体结构示意图。

图5为本发明所述的传动轴剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种粮仓内信息探测仿生螺旋机器人，包括外壳110、螺旋推进器120、传感器组130。

如图2所示，所述外壳110呈圆柱形，其由侧壁111、前盖112以及后盖113组成。所述侧壁111呈两端开口的中空圆柱形，所述前盖112和后盖113分别设置于侧壁111前后开口处，使所述外壳110内部形成一个相对密闭的空间。

如图3所示，所述螺旋推进器120包括传动轴121、螺旋体122、以及驱动电机123。所述传动轴121设置成中空状，两端分别设置有进粮口124和出粮口125。所述传动轴121从外壳110中穿过，并且使进粮口124位于前盖112外侧，出粮口125位于后盖113外侧。如图4所示，螺旋体122设置成螺旋片状，其固定安装于传动轴121的中空部，并且螺旋体122外侧边缘与传动轴121内表面完全贴合。所述螺旋体122轴向高度与传动轴121的轴线高度相等。传动轴121的两端通过轴承与前盖112和后盖113连接，使传动轴121能够相对于前盖112和后盖113转动。在壳体110内设置有电机123，所述电机123通过一对啮合的齿轮126将动力传输给传动轴121，使其转动。当电机带动传动轴121转动时，螺旋体122也随着一起旋转，位于进粮口124处的粮食在螺旋体122的带动下，被吸入到螺旋推进器120中，并被运输到出粮口125处进而从出粮口喷出。在上述过程中，螺旋机器人前方的粮食被所送到了后方，即粮食相对于螺旋机器人向后方移动了，而螺旋机器人向前移动。所述螺旋推进器120至少设置有3组，且这至少3组螺旋推进器120非成直线排列，通过这种设置，当多个螺旋推进器120的转速不同时，能够实现螺旋机器人的转弯。假如至少3组螺旋推进器120排列成直线，则螺旋机器人只能在由这些直线组成的平面内运动，通过转弯是不能够运动到其他平面上的，而当至少3组螺旋推进器120呈非直线排列时，就实现了螺旋机器人在三维空间内任意转弯移动，即通过调整其中每个螺旋推进器120的转速能够使螺旋机器人运动到粮仓内任意的位置。

在另一实施例中，所述螺旋体122中部设置有沿轴线贯穿的推进轴127，用于稳定的移动速度，以及保持螺旋体122机械结构的稳定性。

在另一实施例中，所述螺旋推进器120设置有4组，并且这4组螺旋推进器120以外壳110的轴线为中心呈圆周均布设置。

在外壳110的外侧设置有传感器组130，所述所述传感器组130包括温度传感器、湿度传感器以及水分传感器用于测量粮仓内温度、湿度、粮堆水分含量等生态参数，并将测量得到的值传递给控制系统。在外壳110于传感器组130之间设置有布线仓140，用于放置传感器组130的传输线，放置传输线在粮仓内因磨损而损坏，也能够防止电磁干扰对传感器组130测量的参数值造成影响。

在另一实施例中，所述仿生螺旋机器人内还设置有位置传感器和姿态传感器，用以检测所述仿生螺旋机器人的位置及姿态。

如图5所示，在另一实施例中，所述传动轴121内中空部分呈圆锥形，即进粮口124截面直径小于出粮口125截面直径。相应的，由于螺旋体122的外轮廓与传动轴121内表面贴合，故螺旋体122的外轮廓也成圆锥形。通过这种布置，能够在螺旋机器人前进中提供更大的前进推力，也避免了因出粮口125过小造成堵塞影响运动性能。

在设置有4组螺旋推进器120的情况下，若需要控制螺旋机器人整体以速度V₀直线前进时，则4组螺旋推进器120中的4个驱动电机123需要保证相同的转速，并且其转速n需满足：

n = \frac{3 {mD}^{2} V_{0}}{4 l (d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{1} d_{2})}

其中，D为外壳110的直径，d₁为进粮口124的直径，d₂为出粮口125的直径，l为传动轴121轴线长度，m为螺旋体122的圈数。

在满足上述条件的情况下，4组螺旋推进器120共同向后排出粮食，并能够使螺旋机器人整体以速度V₀直线前进。

在上述技术方案中，由于螺旋机器人在粮堆中行进会受到粮食的摩擦阻力，同时螺旋推进器120在向后排粮是也受到很大的阻力，为了使螺旋机器人在行进过程中具有足够大的驱动力，来克服这些阻力的作用，就需要驱动电机具有较大的驱动扭矩，而一味的增大驱动电机的扭矩会使驱动电机的体积增大，同时成本也会增加，因此需要驱动电机最大扭矩在合理的数据。本发明中，所述外壳110外表面加工成光滑面，以减小摩擦系数。由于螺旋推进器120要进行排粮工作，粮食在螺旋推进器120内的阻力难以克服，因此驱动电机提供的驱动力主要用于4个螺旋推进器120的排粮工作。传动轴121内部呈圆锥形，设定圆锥角为5°，则所述驱动电机123的扭矩T满足：

T = \frac{4775 {πρV}_{0}^{3} D^{6}}{4 n g {(d_{1} + d_{2})}^{4}} \cdot {\frac{2 λ l}{d_{1} + d_{2}} + 0.135 {[1 - {(\frac{d_{1}}{d_{2}})}^{2}]}^{2}}

其中，ρ为粮食的松装密度，λ为粮食与传动轴121内壁的摩擦系数。

设定螺旋机器人直线行进的最大速度V_max，将V₀＝V_max带入到驱动电机转速n的表达式中，求出此时电机的最大转速，在将该最大转速n_max以及最大行进速度V_max带入到扭矩T的表达式中，即可得到驱动电机的最大驱动扭矩T_max：

T_{m a x} = \frac{4775 {lπρV}_{m a x}^{2} D^{2} (d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{1} d_{2})}{3 m g {(d_{1} + d_{2})}^{4}} \cdot {\frac{2 λ l}{d_{1} + d_{2}} + 0.135 {[1 - {(\frac{d_{1}}{d_{2}})}^{2}]}^{2}} .

在壳体110内部还设置有电池仓与控制器。电池仓为螺旋机器人提供能源，控制器作为整个螺旋机器人运行的大脑，支配整个螺旋机器人在粮仓内的一切工作。所述控制器通过无线传输的方式与远程控制台进行数据交换，接收远程控制台的控制指令，并将螺旋机器人的参数信息传递回远程控制台。在使用本发明提供的粮仓内信息探测仿生螺旋机器人进行粮仓内信息探测时，首先将螺旋机器人放置于粮仓内，用户在远程控制台中选择相应粮仓信息采集模型和采集周期，之后远程控制台会通过无线传输方式将控制指令传送给螺旋机器人内的控制器，控制器根据具体控制指令，控制螺旋机器人在粮仓内行进并采集数据，实时将采集到的数据传递回远程控制台，使用户能够通过远程控制台监视螺旋机器人的工作情况，并得到探测信息。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.一种粮仓内信息探测仿生螺旋机器人，其特征在于，包括：

外壳，其呈圆柱形；

传感器组，用于检测粮仓内粮食的生态信息；

其中所述螺旋推进器包括：

螺旋体，其设置于所述传动轴中空部，带动前方粮食向后移动；

驱动电机，其通过一对啮合齿轮带动传动轴旋转。

2.根据权利要求1所述的粮仓内信息探测仿生螺旋机器人，其特征在于，所述螺旋推进器设置有4组，并且4组螺旋推进器呈圆周均匀布置。

3.根据权利要求2所述的粮仓内信息探测仿生螺旋机器人，其特征在于，所述传动轴内中空部分呈圆锥形，以使所述进粮口截面小于出粮口截面。

4.根据权利要求3所述的粮仓内信息探测仿生螺旋机器人，其特征在于，所述外壳外侧还设置有布线仓，所述传感器组的传输线设置于所述布线仓内，以防止传感器组的传输线磨损。

5.根据权利要求1所述的粮仓内信息探测仿生螺旋机器人，其特征在于，所述螺旋体上设置有贯穿于轴线的推进轴，以稳定转动速度并保持螺旋体的稳定性。

6.根据权利要求1所述的粮仓内信息探测仿生螺旋机器人，其特征在于，所述外壳内设置有控制器，所述控制器通过无线传输方式与远程控制台进行数据交换。

7.根据权利要求1所述的粮仓内信息探测仿生螺旋机器人，其特征在于，还包括位置传感器和姿态传感器，以检测所述仿生螺旋机器人的位置及姿态。

8.根据权利要求1所述的粮仓内信息探测仿生螺旋机器人，其特征在于，所述传感器组包括温度传感器、湿度传感器以及水分传感器。

9.根据权利要求3所述的粮仓内信息探测仿生螺旋机器人，其特征在于，直线行进时所述驱动电机的转速n满足：

n = \frac{3 {mD}^{2} V_{0}}{4 l (d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{1} d_{2})}

10.根据权利要求9所述的粮仓内信息探测仿生螺旋机器人，其特征在于，所述驱动电机最大驱动扭矩T_max满足：

T_{m a x} = \frac{4775 {lπρV}_{m a x}^{2} D^{2} (d_{1}^{2} + d_{2}^{2} + d_{1} d_{2})}{3 m g {(d_{1} + d_{2})}^{4}} \cdot {\frac{2 λ l}{d_{1} + d_{2}} + 0.135 {[1 - {(\frac{d_{1}}{d_{2}})}^{2}]}^{2}}

其中，ρ为粮食的松装密度，λ为粮食与传动轴内壁的摩擦系数，g为重力加速度，V_max为螺旋机器人最大直线行进速度。