CN105774899A - 一种用于农林苗圃作业的移动机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于农林苗圃作业的移动机器人，包括车体支架、驱动转向系统和控制驱动转向系统工作运行的控制系统，车体支架包括车底板和多个腿架，车底板的底面设有对车体支架在行进时形成的震动进行缓冲减震的悬挂装置，每个腿架上均设有驱动转向系统，驱动转向系统包括驱动部件和转向部件，转向部件设置于每个腿架的上端，且与悬挂装置连接，以将腿架与车底板的底面垂直连接，并驱动腿架沿竖直方向自转，使车体支架在所在平面全向转动，每个腿架的下端均设有移动轮，驱动部件与移动轮连接，以驱动移动轮转动，从而带动车体支架移动。本发明的移动机器人每个腿架上均安装有驱动转向系统，由此移动机器人可以及时完成原地全方位转动。
Description
技术领域
本发明涉及智能机器人技术领域，尤其涉及一种用于农林苗圃作业的移动机器人。
背景技术
随着互联网+时代的到来，农林业也正在向智能化方向发展，农林业的多用途野外用机器人平台正迎合了智能农林业的发展趋势。智能化机器人平台将多种传感器和控制器融合在一起，可以用于自动除草、精确喷洒农药、土壤坚实度检测、户外植物表型分析、选择性收获和许多其他应用。同时农田及野外环境复杂多变，要求需具有较强的环境适应能力、自主导航以及环境感知等能力的机器人。
目前有大量的研究，寻求设计自主农林业平台(自主车辆或移动机器人)，但现有的机器人平台的转向方式较单一，无法适应农田的复杂作业任务，在平台的灵活机动性方面需要进一步改进；在导航路径跟踪控制时，对模型依赖较强，需要在智能化程度上提高，因此对农林业自主导航机器人的研发还有待进一步深入。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决现有的农林机器人转向方式较为单一，工作移动时灵活性差，难以适应农田等复杂地形上的作业任务的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种移动机器人平台，包括车体支架、驱动转向系统和控制所述驱动转向系统工作运行的控制系统，所述车体支架包括车底板和多个腿架，所述车底板的底面设有对所述车体支架在行进时形成的震动进行缓冲减震的悬挂装置，每个所述腿架上均设有所述驱动转向系统，所述驱动转向系统包括驱动部件和转向部件，所述转向部件设置于每个所述腿架的上端，且与所述悬挂装置连接，以将所述腿架与所述车底板的底面垂直连接，并驱动所述腿架沿竖直方向自转，使所述车体支架在所在平面全向转动，每个所述腿架的下端均设有移动轮，所述驱动部件与所述移动轮连接，以驱动所述移动轮转动，从而带动所述车体支架移动。
其中，所述悬挂装置包括相对设置的前悬架与后悬架，所述前悬架的两端与所述后悬架的两端均与所述转向部件连接，所述前悬架的中部设有与所述前悬架位于同一平面且垂直连接的悬挂轴，所述悬挂轴的两端通过悬挂轴承与所述车底板的底面连接，以对所述腿架运动时对所述车体支架造成的震动进行缓冲和减小。
其中，所述前悬架上还设有减震器，以辅助所述悬挂轴承对所述腿架的运动进行减震。
其中，位于所述前悬架上的一对所述腿架上设置的所述移动轮相对设置，位于所述后悬架上的一对所述腿架上设置的所述移动轮相对设置。
其中，所述转向部件包括第一驱动装置和第一传动轴，所述第一驱动装置的输出轴与所述第一传动轴的一端通过第一联轴器连接，所述第一传动轴的另一端设有用于所述转向部件反馈控制的第一编码器，并与所述腿架的上端通过连接固件连接。
其中，所述驱动部件包括第二驱动装置、第二传动轴和链轮机构，所述第二驱动装置上设有与所述第二驱动装置同轴设置并用于所述驱动部件反馈控制的第二编码器，且所述第二驱动装置的输出轴通过第二联轴器与所述第二传动轴连接，所述第二传动轴通过轴承与所述腿架垂直连接，且通过所述链轮机构与所述移动轮的轮轴连接，以使所述第二驱动装置驱动第二传动轴旋转，从而带动所述链轮机构驱动所述移动轮旋转。
其中，所述链轮机构包括第一链轮、第二链轮和链条，所述第一链轮设置于所述第二传动轴上，所述第二链轮设置于所述移动轮的轮轴上，且所述第二链轮与所述第一链轮通过所述链条连接，以使所述第二传动轴带动所述第一链轮转动，再通过所述第一链轮的传动带动所述第二链轮转动。
其中，所述第一驱动装置包括转向电机和与所述转向电机以蜗轮蜗杆传动连接的减速器，以驱动所述腿架转动改变行进方向；所述第二驱动装置包括驱动电机和设置于所述驱动电机与所述第二编码器之间且与其同轴连接的制动器，以为所述腿架的行进移动提供驱动力。
其中，所述控制系统包括中央计算机、驱动转向控制单元、单片机、导航传感器单元、环境采集单元和远程无线遥控装置；所述中央计算机与所述驱动转向控制单元、所述单片机、所述环境采集单元和所述远程无线遥控装置分别相连；所述单片机与所述导航传感器单元相连。
其中，所述中央计算机通过与CAN总线与所述驱动转向控制单元和所述单片机相连；所述车底板的顶面设有车顶平台，所述控制系统设置于所述车顶平台内上；所述控制系统均由24V铅酸蓄电池供电。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明的移动机器人每个腿架上均安装有驱动转向系统，其中转向部件驱动腿架全向转动，由此移动机器人可以及时完成原地全方位转动，转向灵活可靠，使移动机器人的运动能力得到了极大的提高，以及增强了其在复杂地形上作业的适应力；车底板通过悬挂装置与腿架连接，对车底板与腿架之间在车体支架行进时形成的颠簸震动进行缓冲减震，保证整个移动机器人在移动时的平稳性；在移动机器人上集成的对驱动转向系统进行实时控制的控制系统，实现了机器人的自主导航和精确定位，提高了移动机器人的自动化和智能化程度。
除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。
附图说明
图1是本发明实施例移动机器人的结构示意图；
图2是本发明实施例移动机器人的驱动转向系统的结构示意图；
图3是本发明实施例移动机器人的悬挂装置的结构示意图；
图4是本发明实施例移动机器人的转向部件的结构示意图；
图5是本发明实施例移动机器人的驱动部件的结构示意图；
图6是本发明实施例移动机器人的控制系统的结构示意图。
图中：1：移动轮；2：车底板；3：车顶平台；4：驱动转向系统；5：腿架；6：第二驱动装置；7：第二编码器；8：制动器；9：驱动电机；10：链轮机构；11：输出轴；12：第二联轴器；13：轴承；14：第一链轮；15：轴承；16：第二传动轴；17：链条；18：驱动部件；19：轮轴；20：第二链轮；21：转向部件；22：减速器；23：转向电机；24：第一驱动装置；25：输出轴；26：第一联轴器；27：第一编码器；28：第一传动轴；29：悬挂轴；30：连接固件；31：悬挂装置；32：减震器；33：前悬架；34：悬挂轴承；35：减震器；36：后悬架；37：控制系统；38：中央计算机；39：驱动转向控制单元；40：单片机；41：导航传感器单元；42：环境采集单元；43：远程无线遥控装置；44：CAN总线；45：蓄电池。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
如图1、2、3和6所示，本发明实施例提供的移动机器人，包括车体支架、驱动转向系统4和控制驱动转向系统4工作运行的控制系统40，车体支架包括车底板2和多个腿架5，车底板2的底面设有对车体支架在行进时形成的震动进行缓冲减震的悬挂装置31，每个腿架5上均设有驱动转向系统4，驱动转向系统4包括驱动部件18和转向部件21，转向部件21设置于每个腿架5的上端，且转向部件21与悬挂装置31连接，以将腿架5与车底板2的底面垂直连接，并驱动腿架5沿竖直方向自转，使车体支架在所在平面全向转动，每个腿架5的下端均设有移动轮1，驱动部件18与移动轮1连接，以驱动移动轮1转动，从而带动车体支架移动。
本发明的移动机器人每个腿架上均安装有驱动转向系统，其中转向部件驱动腿架全向转动，由此移动机器人可以及时完成原地全方位转动，转向灵活可靠，使移动机器人的运动能力得到了极大的提高，以及增强了其在复杂地形上作业的适应力；车底板通过悬挂装置与腿架连接，对车底板与腿架之间在车体支架行进时形成的颠簸震动进行缓冲减震，保证整个移动机器人在移动时的平稳性；在移动机器人上集成的对驱动转向系统进行实时控制的控制系统，实现了机器人的自主导航和精确定位，提高了移动机器人的自动化和智能化程度。
其中，如图3所示，悬挂装置31包括相对设置的前悬架33与后悬架36，前悬架33的两端与后悬架36的两端均与转向部件21连接，前悬架33的中部设有与前悬架33位于同一平面且垂直连接的悬挂轴29，悬挂轴29的两端通过悬挂轴承34与车底板2的底面连接，以对腿架5运动时对车体支架造成的震动进行缓冲和减小。悬挂装置端部与腿架上段连接的转向部件螺栓连接，前悬架上连接的腿架在移动作业时首先经过地面的行进障碍，内有橡胶材质的悬挂轴承与前悬架上的悬挂轴垂直连接且与轴承座贴合与车底板进行螺栓连接，以此减小腿架运动时对车体支架造成的震动，提高了移动机器人的在复杂地形上运动的平稳性及越野性能。
其中，前悬架33上还设有减震器32、35，以辅助悬挂轴承34对腿架5的运动进行减震。前悬架上中部悬挂轴的两侧各设有一个微型减震器，辅助悬挂轴承对腿架的运动进行减震，进一步增大减震效果，提高了移动机器人移动的平稳性。同时，微型减震器是免维护的，自包含液压元件，微型减震器的尺寸较小，足以适应前悬架上的有限空间。
其中，位于前悬架33上的一对腿架5上设置的移动轮1相对设置，位于后悬架36上的一对腿架5上设置的移动轮1相对设置。移动轮和设置于腿架上的转向部件与驱动部件向内相对设置，节省了移动机器人腿架上装置的占用空间量，使机器人的环境适用度更高，机器人占用空间小也有利于机器人的在各种环境中的作业灵活度，同时也避免了在工作中外界环境对驱动转向部件的过多损伤。机器人的移动轮为全地形车的车轮的轮毂和全地形越野轮胎。
其中，如图4所示，转向部件21包括第一驱动装置24和第一传动轴28，所述第一驱动装置24的输出轴25与第一传动轴28的一端通过第一联轴器26连接，第一传动轴28的另一端设有用于转向部件21反馈控制的第一编码器27，并与腿架5的上端通过连接固件30连接。传动轴的一端与通过轴承与连接固件连接，此轴承优选为不锈钢深槽滚珠轴承，具有非常低的摩擦系数和良好的承载能力，连接固件的底端与腿架上端通过螺栓固定连接。第一驱动装置通过第一联轴器带动第一传动轴转动，使连接固件所对应连接的腿架转动，从而实现移动机器人的全方位转动，第一编码器接收和反馈来自控制系统的信号，控制第一驱动装置的驱动变化。
其中，如图5所示，驱动部件18包括第二驱动装置6、第二传动轴16和链轮机构10，第二驱动装置6上设有与第二驱动装置6同轴设置并用于驱动部件18反馈控制的第二编码器7，且第二驱动装置6的输出轴11通过第二联轴器12与第二传动轴16连接，第二传动轴16通过轴承13、15与腿架5垂直连接，且通过链轮机构10与移动轮1的轮轴19连接，以使第二驱动装置6驱动第二传动轴16旋转，从而带动链轮机构10驱动移动轮1旋转。第二驱动装置通过驱动第二传动轴从而带动移动链轮控制移动轮转动，移动链轮的轮轴与腿架下端通过轴承垂直连接，第二编码器为增量旋转式编码器，被用于控制系统对于驱动部件的反馈控制。采用爪形联轴器将第二驱动装置的输出轴和第二传动轴进行耦合。第二传动轴与腿架垂直连接所用的轴承为带凸缘壳体轴承。
其中，链轮机构10包括第一链轮14、第二链轮20和链条17，第一链轮14设置于第二传动轴16上，第二链轮20设置于移动轮1的轮轴19上，且第二链轮20与第一链轮14通过链条17连接，以使第二传动轴16带动第一链轮14转动，再通过第一链轮14的传动带动第二链轮20转动。链轮机构设置在腿架内，保证了链轮机构传动不受外界因素影响，使第二驱动装置对腿架下端的移动轮驱动更加灵敏稳定，由于链条长度可挑选，所以链轮机构的传动形式满足腿架具有一定高度的设置要求，传动方式简单易行且可靠。
其中，如图4和5所示，第一驱动装置24包括转向电机23和与转向电机23以蜗轮蜗杆传动连接的减速器22，以驱动腿架5转动改变行进方向；第二驱动装置6包括驱动电机9和设置于驱动电机9与第二编码器7之间且与其同轴连接的制动器8，以为腿架5的行进移动提供驱动力。转向电机座包括上座板、下座板和位于上座板和下座板之间的四根支撑柱，转向电机通过螺栓固定在转向电机座的上座板上，第一传动轴穿入转向电机座与转向电机连接，转向电机与减速器连接，减速器将转向电机的输出速度减小，提高扭矩，使整个移动机器人在转向移动时更加平稳灵活，转向电动机优选为步进电动机，减速器优选为蜗轮减速器，减速比为1:50。腿架上端设有驱动电机的一侧安装有驱动电机座，驱动电机座上安装有电机支架，驱动电机固定于电机支架上，驱动电机优选为直流有刷伺服电动机，驱动力较大，制动器优选为断电制动器，制动器与驱动电机连接，方便控制移动机器人的走停工作。
其中，如图6所示，控制系统37包括中央计算机38、驱动转向控制单元39、单片机40、导航传感器单元41、环境采集单元42和远程无线遥控装置43；中央计算机38与驱动转向控制单元39、单片机40、环境采集单元42和远程无线遥控装置43分别相连；单片机40与导航传感器单元41相连。本发明的控制系统由中央计算机实现自主导航、决策和应用，机器人的高等级控制也主要由中央计算机执行，将由驱动转向控制单元、单片机和环境信息采集单元中获得的信息集成处理，将控制结果在反馈至各个控制单元，对机器人的行动进行决策控制，通过连接远程无线遥控装置可以对移动机器人进行远程控制，方便机器人在人为无法跟进的复杂地区进行工作。机器人操作系统为Linux。导航传感器单元用于室外导航的最低配置包括GPS(全球定位系统)和IMU(惯性测量单元)，GPS给出机器人的绝对位置，IMU给出机器人的方位和姿态数据，获得机器人的偏航，俯仰、滚转角和角速度。GPS和IMU是实现机器人自由导航的重要传感系统。单片机以ARM内置基板，机器人的低等级控制是由一个或多个单片机完成的，由单片机实现基本的运动控制、采集GPS、IMU和无线信息等。环境信息采集单元一般包括二维激光扫描仪和摄像机，摄像机用于对机器人所在环境的全方位多角度实景拍摄和环境信息的直观真实获取，二维激光扫描仪用作避免碰撞的距离传感器和地面的路径寻找。其中，驱动转向控制单元主要包括驱动电机控制器和转向电机控制器。因此移动机器人的控制系统可实现机器人的自主导航、精准定位，以适应复杂的农林业野外环境工作。
其中，中央计算机38通过与CAN总线44与驱动转向控制单元39和单片机40相连；车底板2的顶面设有车顶平台3，控制系统37设置于车顶平台3内；控制系统37均由24V铅酸蓄电池45供电。控制系统模块可灵活的安装在车顶平台上。由于腿架和车底板的相对位置使车体支架具有一定高度，车顶平台设置于车底板的顶面，使其与地面间留有较大空间，保证了机器人能够适应复杂的农林环境，较为畅通的移动。同时，机器人的车体支架采用铝型材，铝型材质量轻，有效的减轻了机器人自重，搬运携带、移动操作更加简捷。
综上所述，本发明的移动机器人每个腿架上均安装有驱动转向系统，其中转向部件驱动腿架全向转动，由此移动机器人可以及时完成原地全方位转动，转向灵活可靠，使移动机器人的运动能力得到了极大的提高，以及增强了其在复杂地形上作业的适应力；车底板通过悬挂装置与腿架连接，对车底板与腿架之间在车体支架行进时形成的颠簸震动进行缓冲减震，保证整个移动机器人在移动时的平稳性；在移动机器人上集成的对驱动转向系统进行实时控制的控制系统，实现了机器人的自主导航和精确定位，提高了移动机器人的自动化和智能化程度。本发明的移动机器人可以用于自动除草、精确喷洒农药、土壤坚实度检测、户外植物表型分析、选择性收获和许多其他应用。机器人有四个驱动转向系统，具有良好的越野性能，也可以用于农田作业和野外环境探测应用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于农林苗圃作业的移动机器人，其特征在于：包括车体支架、驱动转向系统和控制所述驱动转向系统工作运行的控制系统，所述车体支架包括车底板和多个腿架，所述车底板的底面设有对所述车体支架在行进时形成的震动进行缓冲减震的悬挂装置，每个所述腿架上均设有所述驱动转向系统，所述驱动转向系统包括驱动部件和转向部件，所述转向部件设置于每个所述腿架的上端，且与所述悬挂装置连接，以将所述腿架与所述车底板的底面垂直连接，并驱动所述腿架沿竖直方向自转，使所述车体支架在所在平面全向转动，每个所述腿架的下端均设有移动轮，所述驱动部件与所述移动轮连接，以驱动所述移动轮转动，从而带动所述车体支架移动。
2.根据权利要求1所述的用于农林苗圃作业的移动机器人，其特征在于：所述悬挂装置包括相对设置的前悬架与后悬架，所述前悬架的两端与所述后悬架的两端均与所述转向部件连接，所述前悬架的中部设有与所述前悬架位于同一平面且垂直连接的悬挂轴，所述悬挂轴的两端通过悬挂轴承与所述车底板的底面连接，以对所述腿架运动时对所述车体支架造成的震动进行缓冲和减小。
3.根据权利要求2所述的用于农林苗圃作业的移动机器人，其特征在于：所述前悬架上还设有减震器，以辅助所述悬挂轴承对所述腿架的运动进行减震。
4.根据权利要求2所述的用于农林苗圃作业的移动机器人，其特征在于：位于所述前悬架上的一对所述腿架上设置的所述移动轮相对设置，位于所述后悬架上的一对所述腿架上设置的所述移动轮相对设置。
5.根据权利要求1所述的用于农林苗圃作业的移动机器人，其特征在于：所述转向部件包括第一驱动装置和第一传动轴，所述第一驱动装置的输出轴与所述第一传动轴的一端通过第一联轴器连接，所述第一传动轴的另一端设有用于所述转向部件反馈控制的第一编码器，并与所述腿架的上端通过连接固件连接。
6.根据权利要求5所述的用于农林苗圃作业的移动机器人，其特征在于：所述驱动部件包括第二驱动装置、第二传动轴和链轮机构，所述第二驱动装置上设有与所述第二驱动装置同轴设置并用于所述驱动部件反馈控制的第二编码器，且所述第二驱动装置的输出轴通过第二联轴器与所述第二传动轴连接，所述第二传动轴通过轴承与所述腿架垂直连接，且通过所述链轮机构与所述移动轮的轮轴连接，以使所述第二驱动装置驱动第二传动轴旋转，从而带动所述链轮机构驱动所述移动轮旋转。
7.根据权利要求6所述的用于农林苗圃作业的移动机器人，其特征在于：所述链轮机构包括第一链轮、第二链轮和链条，所述第一链轮设置于所述第二传动轴上，所述第二链轮设置于所述移动轮的轮轴上，且所述第二链轮与所述第一链轮通过所述链条连接，以使所述第二传动轴带动所述第一链轮转动，再通过所述第一链轮的传动带动所述第二链轮转动。
8.根据权利要求7所述的用于农林苗圃作业的移动机器人，其特征在于：所述第一驱动装置包括转向电机和与所述转向电机以蜗轮蜗杆传动连接的减速器，以驱动所述腿架转动改变行进方向；所述第二驱动装置包括驱动电机和设置于所述驱动电机与所述第二编码器之间且与其同轴连接的制动器，以为所述腿架的行进移动提供驱动力。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的用于农林苗圃作业的移动机器人，其特征在于：所述控制系统包括中央计算机、驱动转向控制单元、单片机、导航传感器单元、环境采集单元和远程无线遥控装置；所述中央计算机与所述驱动转向控制单元、所述单片机、所述环境采集单元和所述远程无线遥控装置分别相连；所述单片机与所述导航传感器单元相连。
10.根据权利要求9所述的用于农林苗圃作业的移动机器人，其特征在于：所述中央计算机通过与CAN总线与所述驱动转向控制单元和所述单片机相连；所述车底板的顶面设有车顶平台，所述控制系统设置于所述车顶平台内上；所述控制系统均由24V铅酸蓄电池供电。
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