CN106628140A - 一种用于修剪植物的空中智能机器人 - Google Patents

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Abstract

一种用于修剪植物的空中智能机器人，其主要由电力系统、控制系统和运行机构三大部分组成。电力系统分别安装在运行机构和遥控器内；控制系统包含安装在运行机构中的控制电路以及遥控器；运行机构包括飞行机构和修剪机构，运行机构中的修剪机构安装在飞行机构的底部，修剪机构的基座与支柱连接，支柱与肩部连接，肩部与肘部之间用大臂连接，肘部与腕部之间连接小臂，腕部的末端安装修剪刀。修剪机构由安装在基座内部的单片机控制，此单片机控制肩部、肘部、腕部的回转运动，控制大臂的伸缩、升降、摆动和小臂的回转、摆动，并控制修剪刀的开闭状态，实现修剪功能。

Description

一种用于修剪植物的空中智能机器人
技术领域
本发明涉及机电一体化技术和自动控制技术领域，尤其是机器人及遥控技术领域。
背景技术
目前，摘取高空中的椰子或者悬崖上的珍贵中草药这些危险而高难度的动作主要是依靠人工的作业经验，而对于一些城市公园公路绿化带中的高空树枝的修剪也主要是依靠升降机和人工修剪机去完成，这样，操作者不仅劳动强度比较大，而且存在了一定的人身危险，修剪质量也难以保证。鉴于以上情况，近年来，人们对修剪机的结构进行了许多改进，出现了一些车载式修剪机，很好地改善了工人的劳动强度。然而，基于传统式修剪机和车载式修剪机存在的不足之处，本发明将提供一种用于修剪植物的空中智能机器人。
我们常说的“无人机”是旋翼飞行机器人(又称无人旋翼飞行器或无人直升机)的简称，目前的民用消费的无人机大多数是以航拍娱乐为主，通常都是应用在监测方面，仅限于对目标的“看”和“搜寻”，都是尽量躲避障碍而不与环境“接触”。机械手臂是用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，它能模仿人手和臂的某些动作功能，而无人机具有三维空间中机动性强、具备悬停能力等特点，可以代替人完成高危环境信息获取与作业等任务。随着旋翼无人机性能的大幅提升和实际任务需要的变化，有些情况需要旋翼机与环境进行作用来完成一些操作性的任务，当无人机与机械手臂二者的优点起来，就成为了空中智能机器人，再加上特殊机构的设计，便可实现高空摘取或修剪植物的高难度动作。如此高端的设备可使农业、药业、绿化环保业等获得很大的便利。例如：摘取15-30米高的椰子，摘取高山悬崖上的中草药，修剪去除高空中的枯损树枝等等。
遥控技术是对受控对象进行远距离控制和监测的技术。随着遥控制技术的发展，遥控器在人们的生产生活中应用越来越广泛。本空中智能机器人采用遥控技术，很方便地实现无人机与机械手臂的控制利用，具有自动化程度高、使用方便、劳动强度低、工作效率高的特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于修剪高空植物的空中智能机器人，主要由电力系统、控制系统和运行机构三大部分组成，电力系统分别安装在运行机构和遥控器内，控制系统包含安装在运行机构上的控制电路以及遥控器，运行机构包括飞行机构和修剪机构，修剪机构安装在飞行机构的底部。飞行机构即无人旋翼飞行器，主要包括旋翼片(1)、上机盖(2)、旋翼驱动电机(3)、马达座(4)、接收器(5)、充电口(6)、蓄电池(7)、下机壳(8)、飞行机构单片机控制单元(9)以及各种接收信号的传感器；修剪机构即机械修剪手总成，是本发明的关键部分，它主要包含基座(10)、修剪机构单片机控制单元(11)、支柱(12)、肩部(13)、大臂(14)、肘部(15)、小臂(16)、腕部(17)、修剪刀(18)。遥控器控制平台主要包括电源指示灯(19)、液晶显示屏(20)、电源开关(21)、油门及转向操纵杆(22)、油门及转向微调键盘(23)、前后/左右操纵杆(24)、前进后退微调键盘(25)、支柱回转按钮(26)、紧停按钮(27)、肩摆动按钮(28)、飞行机构控制切换按钮(29)、大臂伸缩按钮(30)、修剪机构控制切换按钮(31)、肘摆动按钮(32)、修剪刀闭合确定按钮(33)、小臂回转按钮(34)。
所述的电力系统，分别安装在运行机构和遥控器内，运行机构的电源采用高压高能蓄电池(7)，遥控器电源用5号高能碱性电池；飞行机构由单片机单元(9)控制，遥控器与单片机(9)通过无线通讯联系。
所述的用于修剪植物的空中智能机器人，修剪机构基座(10)与支柱(12)连接，支柱(12)与肩部(13)连接，肩部(13)与肘部(15)之间用大臂(14)连接，肘部(15)与腕部(17)之间连接小臂(16)，腕部的末端安装修剪刀(18)。
所述的用于修剪植物的空中智能机器人，修剪机构由安装在基座内部的单片机(11)控制，单片机(11)控制肩部(13)、肘部(15)、腕部(17)的回转运动，控制大臂(14)的伸缩、升降、摆动和小臂(16)的回转、摆动，并控制修剪刀(18)的开闭状态，实现修剪功能。
本发明的工作原理是：
本空中智能机器人主要由电力系统、控制系统和运行机构三大部分组成。所述的控制系统包括以单片机控制单元为控制核心的系统、遥控器发射器和接收器。以单片机控制单元为控制核心的系统包括CPU、电源管理芯片、光电隔离部件、存储器、驱动模块、飞行机构中的传感器以及分布在修剪机构各个部位的位置传感器，其中电源管理芯片是保证控制系统和CPU有稳定的电源；光电隔离部件可以屏蔽干扰信号，防止强电干扰控制信号；飞行机构中的传感器以及分布在修剪机构各个部位的传感器是将各种运行信号输入到CPU；驱动模块是将CPU输出的控制信号控制修剪机构的修剪动作，主要包括驱动修剪刀(18)闭合的伺服电动机；CPU是指挥中心，可以采用微处理器或单片机。遥控器的发射器安装在遥控器内，而接收器安装在飞行机构上，发射器是通过人手操作遥控器上的按钮把指令发送给遥控器内的单片机控制单元，遥控器内的单片机控制单元再把信号输送到无线发射器，无线发射器通过发射天线发送信号给无线接收器，接收器再把信号发给飞行机构上的单片机控制单元(9)，飞行机构单片机控制单元(9)将信号处理并进一步发送给飞行机构的执行机构或者修剪机构中的单片机控制单元(11)作下一步的运算处理，直至修剪机构中的执行机构完成动作。
所述的运行机构的组成如图1所示，由飞行机构和修剪机构两大部分组成，飞行机构与修剪机构通过下机壳(8)与基座(10)相连，修剪机构中的单片机控制单元(11)安装在基座(10)内部，基座(10)与支柱(12)连接，支柱(12)与肩部(13)连接，肩部(13)与肘部(15)之间连接大臂(14)，肘部(15)与腕部(17)之间连接小臂(16)，腕部(17)与末端的修剪刀(18)相连。修剪机构单片机控制单元(11)控制肩部(13)、肘部(15)和腕部(17)的回转运动，控制臂部大臂(14)的伸缩、升降、摆动和小臂(16)的回转、摆动，并控制修剪刀(18)的开闭状态，从而控制整个机械修剪手总成，用于完成最终的修剪任务。运行机构的运动机能符号图如图3所示，由遥控器控制飞行机构的水平进退(35)和竖直升降(36)，并由遥控器控制修剪机构的支柱回转(37)、肩摆动(38)、大臂伸缩(39)、肘摆动(40)、小臂回转(41)、修剪刀闭合(42)。
附图说明
图1为本空中智能机器人的组成图，包括无人旋翼飞行器部分的旋翼片(1)、上机盖(2)、旋翼驱动电机(3)、马达座(4)、接收器(5)、充电口(6)、蓄电池(7)、下机壳(8)、飞行机构单片机控制单元(9)，以及修剪机构部分的基座(10)、修剪机构单片机控制单元(11)、支柱(12)、肩部(13)、大臂(14)、肘部(15)、小臂(16)、腕部(17)、修剪刀(18)。
图2为本空中智能机器人的遥控器控制平面示意图，包括电源指示灯(19)、显示屏(20)、电源开关(21)、油门及转向操纵杆(22)、油门及转向微调键盘(23)、前后/左右操纵杆(24)、前进后退微调键盘(25)、支柱回转按钮(26)、紧停按钮(27)、肩摆动按钮(28)、飞行机构控制切换按钮(29)、大臂伸缩按钮(30)、修剪机构控制切换按钮(31)、肘摆动按钮(32)、修剪刀闭合确定按钮(33)、小臂回转按钮(34)。
图3为本空中智能机器人的运动机能符号图，包括水平进退(35)、竖直升降(36)、支柱回转(37)、肩摆动(38)、大臂伸缩(39)、肘摆动(40)、小臂回转(41)、修剪刀闭合(42)。
具体实施方式
实施例：
本发明装置自动化程度高，使用方便、灵活。本实施例主要由电力系统、控制系统和运行机构组成。图1所示的蓄电池(7)采用我国深圳自行研制的无人机专用电池22.8V、22000mAh高电压无人机电池，充电口(6)可用USB充电线连接后直接对飞行机构充电。遥控器电源采用1.5V普通7号碱性电池。
图2所示飞行机构上的主控单片机控制单元(9)采用AT89C5的主控电路，修剪机构中的单片机控制单元(11)选用C51系列芯片，遥控器中的单片机选用C51系列芯片。飞行机构主体为圆形盘状结构，四个马达座(4)和旋翼驱动电机(3)对称分布，旋翼驱动电机(3)用螺钉固定于马达座(4)上，旋翼片(1)依次固定在旋翼驱动电机(3)的转动轴上。飞行机构的下机壳(8)与修剪机构的基座(10)相连从而使飞行机构和修剪机构连接起来，不使用时二者可以拆除分离放置。修剪机构单片机控制单元(11)安装在基座(10)内部，基座(10)与支柱(12)连接，支柱(12)与肩部(13)连接，肩部(13)与肘部(15)之间连接大臂(14)，肘部(15)与腕部(17)之间连接小臂(16)，腕部(17)与末端的修剪刀(18)相连。飞行机构上的接收器(5)接收遥控器的信号传送给主控单片机控制单元(9)经过逻辑运算处理，再发送指令给修剪机构中的单片机控制单元(11)经过逻辑运算处理，从而控制肩部(13)、肘部(15)和腕部(17)的回转运动，控制臂部大臂(14)的伸缩、升降、摆动和小臂(16)的回转、摆动，并控制修剪刀(18)的开闭状态，从而用于完成最终的修剪任务。
图2所示，按下图2中的无人机控制切换按钮(29)，遥控器中的油门及转向操纵杆(22)、油门及转向微调键盘(23)、前后/左右操纵杆(24)、前进后退微调键盘(25)控制飞行机构的水平进退(35)和竖直升降(36)运动；按下修剪机构控制切换按钮(31)，再选择按下支柱回转按钮(26)、肩摆动按钮(28)、大臂伸缩按钮(30)、肘摆动按钮(32)、小臂回转按钮(34)，则油门及转向操纵杆(22)、油门及转向微调键盘(23)、前后/左右操纵杆(24)、前进后退微调键盘(25)可以分别控制修剪机构的支柱回转(37)、肩摆动(38)、大臂伸缩(39)、肘摆动(40)、小臂回转(41)；按下修剪刀闭合确定按钮(33)，则修剪刀闭合(42)，完成一次修剪动作。

Claims (4)

1.一种用于修剪植物的空中智能机器人，其特征在于包含电力系统、控制系统和运行机构三大部分组成，电力系统分别安装在运行机构和遥控器内，控制系统包含安装在运行机构上的控制电路以及遥控器，运行机构包括飞行机构和修剪机构，修剪机构安装在飞行机构的底部。
2.根据权利要求1所述的用于修剪植物的空中智能机器人，其特征在于所述的电力系统，运行机构的电源采用高压高能蓄电池(7)；飞行机构由单片机单元(9)控制，遥控器与单片机(9)通过无线通讯联系。
3.根据权利要求1所述的用于修剪植物的空中智能机器人，修剪机构基座(10)与支柱(12)连接，支柱(12)与肩部(13)连接，肩部(13)与肘部(15)之间用大臂(14)连接，肘部(15)与腕部(17)之间连接小臂(16)，腕部的末端安装修剪刀(18)。
4.根据权利要求1所述的用于修剪植物的空中智能机器人，其特征在于修剪机构由安装在基座内部的单片机(11)控制，单片机(11)控制肩部(13)、肘部(15)、腕部(17)的回转运动；控制大臂(14)的伸缩、升降、摆动；控制小臂(16)的回转、摆动；控制修剪刀(18)的开闭状态，实现修剪功能。
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