CN107296031B - 一种双臂式果树植保机器人装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双臂式果树植保机器人装置，它包括车底盘，所述的车底盘底部设置有车轮，其特征在于：车底盘上安装有水平导轨，水平导轨上配合有左右两块水平移动支撑板，水平移动支撑板上固定安装有竖向导轨，所述的竖向导轨上配合设置有竖向移动支撑板；车底盘上还设置有水平移动电机，所述的竖向移动支撑板上设置有竖向移动电机，所述的竖向移动支撑板上还设置有水平旋转齿轮盘，所述的水平旋转齿轮盘啮合有水平旋转驱动齿轮，水平旋转驱动齿轮连接到水平旋转电机的输出轴；所述的水平旋转齿轮盘上还设置有喷头固定架，喷头固定架上设置有旋转孔，喷头通过旋转轴固定到喷头固定架上，所述的旋转轴连接到竖向旋转电机的输出轴。
Description
技术领域
本发明属于农业施肥设备技术领域，具体涉及一种双臂式果树植保机器人装置。
背景技术
随着我国种植业的快速发展，经济作物果树的种植面积和范围显著增加。在果树的种植过程中，定期定量施药是其不可或缺的环节之一。已有的施药方式主要以人工施药和机械化定量、定向、定高度施药为主。在针对大面积种植的果树施药方面，效率、成本和降低污染方面相对欠缺。不能够根据施药现场实际情况进行及时调整施药方向位置和施药量。因此很难实现对果树的精准施药，进而增加了药物使用量和不必要的环境污染等问题。此为现有技术的不足之处。
因此，针对现有技术中的上述缺陷，提供设计一种双臂式果树植保机器人装置；以解决上述技术问题，是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术存在的缺陷，提供设计一种双臂式果树植保机器人装置，以解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明给出以下技术方案：
一种双臂式果树植保机器人装置，它包括车底盘，所述的车底盘底部设置有车轮，其特征在于：车底盘上安装有水平导轨，水平导轨上配合有左右两块水平移动支撑板，水平移动支撑板上固定安装有竖向导轨，所述的竖向导轨上配合设置有竖向移动支撑板；
车底盘上还设置有水平移动电机，水平移动电机的输出轴连接有水平驱动齿轮，水平驱动齿轮与设置在水平移动支撑板一侧的水平驱动齿条相啮合；通过水平移动电机的驱动，带动水平移动支撑板在水平方向的移动；
所述的竖向移动支撑板上设置有竖向移动电机，竖向移动电机的输出轴连接有竖向驱动齿轮，竖向驱动齿轮与设置在竖向导轨上的竖向驱动齿条相啮合；通过竖向移动电机的驱动，带动整个竖向移动支撑板沿竖向导轨在垂直方向移动；
所述的竖向移动支撑板上还设置有水平旋转齿轮盘，所述的水平旋转齿轮盘啮合有水平旋转驱动齿轮，水平旋转驱动齿轮连接到水平旋转电机的输出轴；通过水平旋转电机的驱动，带动整个水平旋转齿轮盘在水平方向旋转；
所述的水平旋转齿轮盘上还设置有喷头固定架，喷头固定架上设置有旋转孔，喷头通过旋转轴固定到喷头固定架上，所述的旋转轴连接到竖向旋转电机的输出轴；竖向旋转电机驱动旋转轴旋转，使得喷头在竖向转动；
所述的水平旋转齿轮盘还设置有网络摄像头；
所述的喷头通过供药管连接到供药电机泵的出口，供药电机泵的入口通过供药管连接到药箱，药箱设置于车底盘上；
网络摄像头通过网线连接到无线路由器，无线路由器通过以太网桥与远程控制终端通信，当连接到以太网桥后，网络摄像头可以被访问和控制。网络摄像头结合传统摄像机技术与网络视频技术，具有基于网页浏览器的操作系统，将采集到的图像数据自动压缩，并可以将视频数据经压缩加密后通过网络传送到用户终端。
根据网络摄像机的IP地址，采用VC++技术，对网络摄像机进行访问，把采集到的视频信息嵌入到上位机人机界面中，从而实现对机器人工作环境的实时监控。
网络摄像头带有WEB操作系统，可以编辑和存储采集到的实时图像资料，网络摄像头的云台和镜头也可以通过网页里的触发键进行触发控制，进行全方位地监控。
所述的供药管内设置有压力传感器、流量传感器以及电磁阀，所述的压力传感器以及流量传感器均连接到微控制器的输入端，微控制器的输出端连接有电磁阀；
所述的供药管上还设置有溢流阀，溢流阀连接有溢流管；
微控制器的输出端还连接水平移动电机、竖向移动电机、水平旋转电机以及竖向旋转电机的控制端；通过微控制器控制水平移动电机、竖向移动电机、水平旋转电机以及竖向旋转电机的动作；
微控制器设置于控制柜内，控制柜设置于车底盘上，微控制器还连接有无线信号接收模块，无线信号接收模块与远程控制终端通信，并接收远程控制终端的控制信号；
施药作业时，微控制器实现实时读取施药机作业位置、工作速度、管路药液的压力与喷出药液流量，结合施药处方数据输出PWM数据控制药液管路内的电磁阀开闭实现药液喷出量的控制。施药量是和供药管道内的流量成正比的，而在流量控制执行器控制的流量系统中，通过改变流量控制执行器的开度可以改变其流量，进而改变施药量，流量控制执行器可以为电磁阀。同时人机界面将实时显示施药状态，当系统出现压力超限、施药堵塞时，报警电路打开。采用压力传感器和微控制器读取管路液体压力、流量信号和变量作业机工作速度信号，实时显示变量作业机械工作状态。当植保机器人作业工作正常时，系统实时播报出植保机器人的作业位置。当出现压力超出安全值的情况，首先调节供药电机泵输出降低压力到安全值以下，液压回路中设计有溢流阀，所以两者共同保证喷药压力的稳定；当压力传感器检测到压力小于安全范围时，会增大液压泵输出，以维持压力在合理水平，否则压力过小会影响液滴雾化程度和施药扇副，影响施药效果。同时微控制器会实时读取速度传感器和流量传感器中数值，首先根据速度传感器中数值计算理论流量值，速度传感器设置于供药管内，将理论流量值和实际流量值进行比较，保证在安全范围内进行施药作业。在施药模式下，实时读取药液管路内液体压力和流量信息，读取植保机器人行走速度信息，计算并输出PWM信号控制电磁阀的开启，控制喷管喷药量，实现变量施药作业。
双臂式植保机器人提供多种控制方式，远程控制终端监控软件除提供包括运动控制，传感器控制及视频信息显示的人机交互界面外，还集成控制机器人的多种硬件设备接口。利用PC接口通信与Windows编程技术，根据USB2.0协议，开发基于USB的手柄与方向盘控制技术。方向盘内部带有控制器，在对基于USB的方向盘进行实际操作时，用户操作方向盘的某个“轴”，控制器内部的传感器检测到用户操作该轴的信息，然后将这些信息经过AD转化，数字量被送到计算机的DirectInput，编写应用程序从DirectInput操作信息从而实现具体的操作。
机械部分：装置整体采用牵引的方式提供驱动，车底盘前端设置有牵引连接环。车底盘采用车轮独立行走的方式。使得整体装置的运动更加具有灵活性，装置结构更加简单化、操作方式更加人性化，经济性好。
网络摄像头安装在水平旋转齿轮盘上，通过网络摄像头图像采集和识别技术驱动电机对施药双臂水平、垂直方向的移动和转动进行实时的自动调节，实现对果树的精准施药。
作为优选，左侧水平移动支撑板上的竖向导轨与右侧水平移动支撑板上的竖向导轨，对称设置。
作为优选，所述的药箱外围设置有药箱保护架；药箱通过药箱保护架固定在车底盘的后端位置，在施药过程中供药电机泵通过供药管对喷头进行供药。
作为优选，所述的水平旋转驱动齿轮通过传动齿轮与水平旋转齿轮盘啮合。
本发明的有益效果在于，控制柜固定在车底盘前端位置，方便操作人员对装置整体进行自动化控制。双臂施药系统为左右对称装置，其每一部分包括水平移动总成、竖向移动总成、水平旋转总成、竖向旋转总成和网络摄像头。
通过水平移动电机驱动水平驱动齿轮转动，使水平移动支撑板沿水平导轨在水平方向移动，当在不同施药宽度时能够进行实时宽度调节。竖向导轨固定在水平移动支撑板上，起到导向和支撑的作用。
竖向移动电机固定在竖向移动支撑板上，通过驱动竖向驱动齿轮实现竖向移动支撑板在垂直方向的移动。当在不同施药高度时，能够进行实时的高度调节。
水平旋转总成固定在竖向移动支撑板上，水平旋转电机通过水平旋转驱动齿轮实现水平旋转齿轮盘在水平面内的180度旋转。
竖向旋转总成中的喷头通过喷头固定架固定在水平旋转齿轮盘上，通过竖向旋转电机的驱动实现喷头在垂直面内的180度转动。在不同施药角度的情况下，能够实现喷头的实时调节。
此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1是本发明提供的一种双臂式果树植保机器人装置的结构示意图。
图2是图1中A部分的局部放大图。
图3是图1中B部分的局部放大图。
图4是本发明提供的一种双臂式果树植保机器人装置中供药管路的示意图。
图5是本发明提供的一种双臂式果树植保机器人装置的控制原理图。
其中，1-车底盘，2-车轮，3-水平导轨，4-水平移动支撑板，4.1-水平驱动齿条，5-竖向导轨，5.1-竖向驱动齿条，6-竖向移动支撑板， 7-水平移动电机，8-水平驱动齿轮，9-竖向移动电机，10-竖向驱动齿轮，11-水平旋转齿轮盘，12-水平旋转驱动齿轮，13-水平旋转电机，14-喷头固定架，15-旋转孔，16-旋转轴，17-竖向旋转电机，18-网络摄像头，19-供药管，20-供药电机泵，21-药箱，22-无线路由器，23-远程控制终端，24-压力传感器，25-流量传感器，26-电磁阀，27-溢流阀，28-溢流管，29-微控制器，30-无线信号接收模块，31-药箱保护架，32-传动齿轮，33-喷头，34-控制柜。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明进行详细阐述，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施方式。
如图1-5所示，本发明提供的一种双臂式果树植保机器人装置，它包括车底盘1，所述的车底盘1底部设置有车轮2，车底盘1上安装有水平导轨3，水平导轨3上配合有左右两块水平移动支撑板4，水平移动支撑板4上固定安装有竖向导轨5，所述的竖向导轨5上配合设置有竖向移动支撑板6；
车底盘1上还设置有水平移动电机7，水平移动电机7的输出轴连接有水平驱动齿轮8，水平驱动齿轮8与设置在水平移动支撑板4一侧的水平驱动齿条4.1相啮合；通过水平移动电机7的驱动，带动水平移动支撑板4在水平方向的移动；
所述的竖向移动支撑板6上设置有竖向移动电机9，竖向移动电机9的输出轴连接有竖向驱动齿轮10，竖向驱动齿轮10与设置在竖向导轨5上的竖向驱动齿条5.1相啮合；通过竖向移动电机9的驱动，带动整个竖向移动支撑板6沿竖向导轨5在垂直方向移动；
所述的竖向移动支撑板6上还设置有水平旋转齿轮盘11，所述的水平旋转齿轮盘11啮合有水平旋转驱动齿轮12，水平旋转驱动齿轮12连接到水平旋转电机13的输出轴；通过水平旋转电机13的驱动，带动整个水平旋转齿轮盘11在水平方向旋转；
所述的水平旋转齿轮盘11上还设置有喷头固定架14，喷头固定架14上设置有旋转孔15，喷头33通过旋转轴16固定到喷头固定架14上，所述的旋转轴16连接到竖向旋转电机17的输出轴；竖向旋转电机17驱动旋转轴16旋转，使得喷头33在竖向转动；
所述的水平旋转齿轮盘11还设置有网络摄像头18；
所述的喷头33通过供药管19连接到供药电机泵20的出口，供药电机泵20的入口通过供药管19连接到药箱21，药箱21设置于车底盘1上；
网络摄像头18通过网线连接到无线路由器22，无线路由器22通过以太网桥与远程控制终端23通信，当连接到以太网桥后，网络摄像头可以被访问和控制。网络摄像头结合传统摄像机技术与网络视频技术，具有基于网页浏览器的操作系统，将采集到的图像数据自动压缩，并可以将视频数据经压缩加密后通过网络传送到用户终端。
根据网络摄像机的IP地址，采用VC++技术，对网络摄像机进行访问，把采集到的视频信息嵌入到上位机人机界面中，从而实现对机器人工作环境的实时监控。
网络摄像头带有WEB操作系统，可以编辑和存储采集到的实时图像资料，网络摄像头的云台和镜头也可以通过网页里的触发键进行触发控制，进行全方位地监控。
所述的供药管19内设置有压力传感器24、流量传感器25以及电磁阀26，所述的压力传感器24以及流量传感器25均连接到微控制器29的输入端，微控制器29的输出端连接有电磁阀26；
所述的供药管19上还设置有溢流阀26，溢流阀26连接有溢流管27；
微控制器29的输出端还连接水平移动电机7、竖向移动电机9、水平旋转电机13以及竖向旋转电机17的控制端；通过微控制器29控制水平移动电机7、竖向移动电机9、水平旋转电机13以及竖向旋转电机17的动作；
微控制器29设置于控制柜34内，控制柜34设置于车底盘1上，微控制器29还连接有无线信号接收模块30，无线信号接收模块30与远程控制终端23通信，并接收远程控制终端23的控制信号；
施药作业时，微控制器实现实时读取施药机作业位置、工作速度、管路药液的压力与喷出药液流量，结合施药处方数据输出PWM数据控制药液管路内的电磁阀开闭实现药液喷出量的控制。施药量是和供药管道内的流量成正比的，而在流量控制执行器控制的流量系统中，通过改变流量控制执行器的开度可以改变其流量，进而改变施药量，流量控制执行器可以为电磁阀。同时人机界面将实时显示施药状态，当系统出现压力超限、施药堵塞时，报警电路打开。采用压力传感器和微控制器读取管路液体压力、流量信号和变量作业机工作速度信号，实时显示变量作业机械工作状态。当植保机器人作业工作正常时，系统实时播报出植保机器人的作业位置。当出现压力超出安全值的情况，首先调节供药电机泵输出降低压力到安全值以下，液压回路中设计有溢流阀，所以两者共同保证喷药压力的稳定；当压力传感器检测到压力小于安全范围时，会增大液压泵输出，以维持压力在合理水平，否则压力过小会影响液滴雾化程度和施药扇副，影响施药效果。同时微控制器会实时读取速度传感器和流量传感器中数值，首先根据速度传感器中数值计算理论流量值，速度传感器设置于供药管内，将理论流量值和实际流量值进行比较，保证在安全范围内进行施药作业。在施药模式下，实时读取药液管路内液体压力和流量信息，读取植保机器人行走速度信息，计算并输出PWM信号控制电磁阀的开启，控制喷管喷药量，实现变量施药作业。
双臂式植保机器人提供多种控制方式，远程控制终端监控软件除提供包括运动控制，传感器控制及视频信息显示的人机交互界面外，还集成控制机器人的多种硬件设备接口。利用PC接口通信与Windows编程技术，根据USB2.0协议，开发基于USB的手柄与方向盘控制技术。方向盘内部带有控制器，在对基于USB的方向盘进行实际操作时，用户操作方向盘的某个“轴”，控制器内部的传感器检测到用户操作该轴的信息，然后将这些信息经过AD转化，数字量被送到计算机的DirectInput，编写应用程序从DirectInput操作信息从而实现具体的操作。
机械部分：装置整体采用牵引的方式提供驱动，车底盘前端设置有牵引连接环。车底盘采用车轮独立行走的方式。使得整体装置的运动更加具有灵活性，装置结构更加简单化、操作方式更加人性化，经济性好。
网络摄像头安装在水平旋转齿轮盘上，通过网络摄像头图像采集和识别技术驱动电机对施药双臂水平、垂直方向的移动和转动进行实时的自动调节，实现对果树的精准施药。
本实施例中，左侧水平移动支撑板上的竖向导轨与右侧水平移动支撑板上的竖向导轨，对称设置。
所述的药箱21外围设置有药箱保护架31；药箱21通过药箱保护架31固定在车底盘1的后端位置，在施药过程中供药电机泵20通过供药管19对喷头33进行供药。
所述的水平旋转驱动齿轮12通过传动齿轮32与水平旋转齿轮盘11啮合。
本技术方案中，压力传感器、流量传感器、电磁阀、溢流阀的位置，随机的设置于两段供药管上，即喷头与供药电机泵之间的供药管，以及供药电机泵与药箱之间的供药管。
以上公开的仅为本发明的优选实施方式，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的没有创造性的变化，以及在不脱离本发明原理前提下所作的若干改进和润饰，都应落在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种双臂式果树植保机器人装置，它包括车底盘(1)，所述的车底盘(1)底部设置有车轮(2)，其特征在于：车底盘(1)上安装有水平导轨(3)，水平导轨(3)上配合有左右两块水平移动支撑板(4)，水平移动支撑板(4)上固定安装有竖向导轨(5)，所述的竖向导轨(5)上配合设置有竖向移动支撑板(6)；
车底盘(1)上还设置有水平移动电机(7)，水平移动电机(7)的输出轴连接有水平驱动齿轮(8)，水平驱动齿轮(8)与设置在水平移动支撑板(4)一侧的水平驱动齿条(4.1)相啮合；
所述的竖向移动支撑板(6)上设置有竖向移动电机(9)，竖向移动电机(9)的输出轴连接有竖向驱动齿轮(10)，竖向驱动齿轮(10)与设置在竖向导轨(5)上的竖向驱动齿条(5.1)相啮合；
所述的竖向移动支撑板(6)上还设置有水平旋转齿轮盘(11)，所述的水平旋转齿轮盘(11)啮合有水平旋转驱动齿轮(12)，水平旋转驱动齿轮(12)连接到水平旋转电机(13)的输出轴；
所述的水平旋转齿轮盘(11)上还设置有喷头固定架(14)，喷头固定架(14)上设置有旋转孔(15)，喷头(33)通过旋转轴(16)固定到喷头固定架(14)上，所述的旋转轴(16)连接到竖向旋转电机(17)的输出轴；
所述的水平旋转齿轮盘(11)还设置有网络摄像头(18)；
所述的喷头(33)通过供药管(19)连接到供药电机泵(20)的出口，供药电机泵(20)的入口通过供药管(19)连接到药箱(21)，药箱(21)设置于车底盘(1)上；
网络摄像头(18)通过网线连接到无线路由器(22)，无线路由器(22)通过以太网桥与远程控制终端(23)通信，
所述的供药管(19)内设置有压力传感器(24)、流量传感器(25)以及电磁阀(26)，所述的压力传感器(24)以及流量传感器(25)均连接到微控制器(29)的输入端，微控制器(29)的输出端连接有电磁阀(26)；
所述的供药管(19)上还设置有溢流阀，溢流阀连接有溢流管；微控制器(29)的输出端还连接水平移动电机(7)、竖向移动电机(9)、水平旋转电机(13)以及竖向旋转电机(17)的控制端；
微控制器(29)设置于控制柜(34)内，控制柜(34)设置于车底盘(1)上，微控制器(29)还连接有无线信号接收模块(30)，无线信号接收模块(30)与远程控制终端(23)通信；左侧水平移动支撑板上的竖向导轨与右侧水平移动支撑板上的竖向导轨，对称设置；所述的药箱(21)外围设置有药箱保护架(31)；
所述的水平旋转驱动齿轮(12)通过传动齿轮(32)与水平旋转齿轮盘(11)啮合。
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