CN109159106A - 基于麦克纳姆轮的双级滚刷捡拾形果实机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于麦克纳姆轮的双级滚刷捡拾类球形果实机器人，包括行走机构、捡拾机构、传送机构、储卸机构、数据采集处理机构和供能装置；本发明通过CMOS图像传感器实时监测场地上球形果实的位置和集散程度，捡拾机构捡拾果实并由储仓储存，当储仓内球形果实数量达到所能容纳的最大值后，单片机控制推卸板将球形果实卸载推入指定区域，实现球形果实的自动化卸载工作；本发明能全方位移动，实现果实监测定位准确，提高了捡拾率和捡拾效率,减少漏拾球形果实现象的发生，能同时实现捡拾、卸载整个过程的高度自动化。

Description

基于麦克纳姆轮的双级滚刷捡拾形果实机器人

技术领域

本发明涉及机器人的技术领域，特别是涉及到一种基于麦克纳姆轮的双级滚刷捡拾类球形果实机器人。

背景技术

农业生产领域，枣等球形果实需要先将果实通过人工方式落于地面再回收，球形果实散落于果园果树下的各个角落，球形果实需要专人进行回收，球形果实的捡拾回收工作占用大量劳动力，这不仅增加人工成本，而且捡拾效率也不高，逐渐不适现代农业发展的需要。如果能将捡拾回收的工作交给机器人做，那么将解决现有球形果实捡收效率低和费时费力的问题，将人力从繁琐的劳动中解放出来，极大的促进生产力的进步。

现有的捡拾机器人存在以下几个问题：机械手式捡拾机器人一次只能抓取一个或者少量的球形果实，效率低而且成本高昂。目前已有球形果实捡拾机器人基本为半自动化，当机体内储存装置储满果实后需要人工将球体卸下，没有实现真正的自动化，仍然需要一定程度的人工辅助。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种基于麦克纳姆轮的双级滚刷捡拾类球形果实机器人，运用于农业生产中的球形果实的自动化捡拾回收工作，真正实现捡拾回收球形果实的高度自动化。

技术方案：

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于麦克纳姆轮的双级滚刷捡拾类球形果实机器人，包括：行走机构、捡拾机构、传送机构、储卸机构、数据采集处理机构和供能装置；

所述行走机构包括麦克纳姆轮和驱动电机，麦克纳姆轮与驱动电机固定在底盘底部，由驱动电机带动麦克纳姆轮转动实现行走功能；

所述捡拾机构包括外扩板、圆弧挡板和一级滚刷；外扩板前端向左右两侧外倾呈八字形固定在底盘前端；外扩板用于扩大捡拾面积；底盘左右两侧壁前后对称分别设有皮带轮一和皮带轮二；每侧的皮带轮一和皮带轮二通过皮带连接在一起；底盘前面左右对称的两个皮带轮二之间安装一级滚刷；一级滚刷由滚筒一及均匀设置在滚筒一四周的滚板一组成；滚筒一左右两端安装在带轮轴上；一级滚刷沿机器前进方向顺时针转动，将球形果实刷入一级倾斜传送通道实现球形果实的拾取；

所述传送机构包括传送电机、皮带轮一、皮带轮二、皮带、一级倾斜传送通道、二级倾斜传送通道、二级滚刷和半圆通道罩；传送电机安装在皮带轮一外侧的带轮轴上；一级传送倾斜传送通道位于一级滚刷后方，一级传送倾斜传送通道后端向下倾斜设置且与水平面形成锐角的夹角，果实能自动滚动到一级传送倾斜传送通道后端；一级传送倾斜传送通道位于一级滚刷和二级滚刷之间；二级倾斜传送通道位于一级传送倾斜传送通道后部的正上方；二级倾斜传送通道前端向下倾斜设置且与水平面形成锐角的夹角；二级滚刷由滚筒二及均匀设置在滚筒二四周的滚板二组成；滚筒二左右两端安装在带轮轴上；二级滚刷安装在底盘后方左右两侧的两个带轮一之间；半圆通道罩呈半圆形,安装在二级滚刷后部的底盘上；半圆通道罩上部与二级倾斜传送通道后端对接；半圆通道罩将一级倾斜传送通道后方和二级倾斜传送通道后端连通；传动电机通过皮带传动带动一级滚刷与二级滚刷的转动。

所述的储卸机构包括储仓、丝杆步进电机、推卸板、门板和前挡板；储仓位于二级倾斜传送通道前端；门板通过合页固定在储仓左侧壁上，门板能随合页轴左右自由转动；前挡板安装在储仓前端；推卸板竖立可活动安装在储仓右侧；丝杠步进电机通过电机固定板固定在储仓左侧，丝杆步进电机连接丝杆螺母，丝杠螺母另一端与推卸板连接，推卸板在丝杆步进电机的带动下能沿丝杆螺母左右移动，起到果实自动卸载的作用；当储仓内的球形果实收集满以后，丝杆螺母推动推卸板向左侧移动，门板向外侧转动,球形果实被推出储仓，实现球形果实的自动化卸载。

所述的数据采集处理机构包括单片机、CMOS图像传感器、红外线传感器一、红外线传感器二和重力传感器；单片机分别连接驱动电机、传送电机、丝杆步进电机、CMOS图像传感器、红外线传感器一、红外线传感器二和重力传感器；CMOS图像传感器固定在前挡板上，红外线传感器一固定在电机固定板上靠近前挡板的一端，重力传感器固定在储仓的底部，红外线传感器二固定在用于一级滚刷右侧壁，CMOS图像传感器、红外线传感器一和红外线传感器二用于球形果实位置的监测定位；当储仓内球形果实收集满后，重力传感器会向单片机发送球满的信息，单片机控制传送电机停止工作，同时控制所述的丝杆步进电机转动，将球形果实推出储仓进行卸载。

所述的供能装置为可拆卸充电式锂电池，对整个系统的运行提供能量。

优选的，所述的行走机构中设有四个麦克纳姆轮，每一个麦克纳姆轮连接一个独立的驱动电机，通过分别控制每个麦克纳姆轮的旋转方向从而实现全方向移动。

优选的，所述滚筒一上设有四个互成90°的滚板一；

优选的，所述皮带轮一与皮带轮二的直径比为1：2，一级滚刷转速小于二级滚刷，一级滚刷捡拾球形果实的速度小于二级滚刷将球形果实抬升送入二级倾斜传送通道的速度，避免由于球形果实在一级倾斜传送通道内积聚而造成果实破坏；

优选的，所述一级倾斜传送通道和二级倾斜传送通道与水平地面形成的倾角均为5°，球形果实能在重力分力作用下滚到一级传送倾斜传送通道的左侧,进入二级传送倾斜传送通道后滚动到右侧；

优选的，所述滚筒二上均匀设有六个弧形滚板二；

所述滚板一和滚板二均为塑性材料,既保证了材料的硬度，又保证了滚板的轻量化。

本发明还涉及一种基于麦克纳姆轮的类球形果实的捡拾方法，步骤如下：

1、获取球形果实位置：CMOS图像传感器实时监测场地上球形果实的位置和集散程度，引导机器人首先选择从球形果实数量最多的地方进行清扫，红外传感器一和红外传感器二使机器人在运动过程中有效躲避障碍物，增强机器人本身应变环境的能力，实现球形果实位置的捕获。单片机驱动麦克纳姆轮，通过麦克纳姆轮的全向性使机体移动到球形果实附近；机体前端的外扩板使得尽可能多的球形果实汇集到一级滚刷前方，在一级滚刷的作用下，球形果实顺圆弧挡板被拨到一级倾斜传送通道，在重力分力的作用下，球体顺一级倾斜传送通道滑向二级滚刷，再经二级滚刷将球体抬升至二级倾斜传送通道，最终球形果实在重力分力的作用下顺二级倾斜传送通道的向下倾斜滑向储仓，完成球体的捡拾工作。

2、球体自动化卸载：当储仓内球形果实数量达到所能容纳的最大值后，重力传感器向单片机发送需要卸载球形果实的信号，单片机控制捡拾机构和传送机构停止工作，同时向储卸机构发送卸载指令，此时单片机首先驱动驱动电机带动机体到达指定卸载区域，单片机驱动丝杆步进电机，推卸板在丝杆步进电机的作用下顺丝杆方向移动将球形果实卸载推入指定区域，实现球形果实的自动化卸载工作。

有益效果：

本发明应用于球形果实的自动化捡拾回收工作,与现有的捡拾机器人比较，本发明引入麦克纳姆轮，能全方位移动，运动灵活、体积较小；数据采集处理系统与多个传感器相配合，能实现果实监测定位准确，提高了捡拾率和捡拾效率,减少漏拾球形果实现象的发生，能同时实现捡拾、卸载整个过程的高度自动化。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明一级倾斜传送通道图；

图3是红外传感器一和红外传感器二设置位置图；

图4是沿图3中A－A线的剖视图；

图5是本发明的合页和半圆通道罩位置图；

图6是本发明中的驱动电机位置图；

图中：1一级滚刷 2外扩板 3储仓 4门板 5推卸板 6二级倾斜传送通道 7丝杆步进电机 8二级滚刷 9传送电机 10皮带轮一 11皮带轮二 12麦克纳姆轮 13一级倾斜传送通道 14锂电池 15单片机 16皮带 17 CMOS图像传感器 18红外传感器一 19红外传感器二20重力传感器 21圆弧挡板 22驱动电机 23合页 24半圆通道罩 25电机固定板 26前挡板

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本实施例中，所述行走机构、捡拾机构、传送机构、储卸机构、数据采集处理系统和供能装置可安装在主体机架上；主体机架为金属框架结构，长63.8厘米，宽27.4厘米，高16厘米。

本发明包括行走机构、捡拾机构、传送机构、储卸机构、数据采集处理机构和供能装置；

所述行走机构包括：麦克纳姆轮12和驱动电机22，麦克纳姆轮12与驱动电机22固定于底盘，由驱动电机22带动麦克纳姆轮12转动实现行走功能；

所述捡拾机构包括：外扩板2、圆弧挡板21、一级滚刷1组成，外扩板2有利于扩大捡拾扫略面积，一级滚刷1在圆弧挡板21的协作下通过转动将球形果实抬升送入一级倾斜传送通道13实现球形果实的拾取；

所述传送机构包括：传送电机9、皮带轮一10、皮带轮二11、皮带16、一级倾斜传送通道13、二级倾斜传送通道6、二级滚刷8、半圆通道罩24组成，传送电机9通过皮带传动带动一级滚刷1与二级滚刷8的转动。

所述的储卸机构包括：储仓3、丝杆步进电机7、推卸板5、门板4、合页23组成，门板4通过合页23固定在储仓3侧壁，门板4可随合页轴自由转动，起到对球形果实的阻挡作用，当储仓3内的球形果实收集满以后，推卸板5会在丝杆步进电机7的推动作用下将球形果实推出，实现球形果实的自动化卸载。

所述的数据采集处理机构包括：单片机15、CMOS图像传感器17、红外线传感器18、红外线传感器19、重力传感器20组成，CMOS图像传感器17与红外线传感器用于球形果实的监测定位，重力传感器20固定于储仓3底部，当储仓3内球形果实收集满后重力传感器20会向单片机15发送球满的电信号，单片机15将会向捡拾机构与传送机构发送停止工作的指令，同时向储卸机构发送卸载指令，丝杆步进电机7转动，进入执行自动化卸载的进程。

所述的供能装置由锂电池14组成，对整个系统的运行提供能量。

本实施例中，行走机构共设有四个麦克纳姆轮12，每一个麦克纳姆轮12分别连接一个单独的驱动电机22，通过控制每个轮子的旋转方向从而实现全方向移动。

一级滚刷1由滚筒一和沿滚筒一圆周四个互成90度设置的滚板一组成，材料为塑性材料。

皮带轮一10与皮带轮二11的直径比为1：2，实现一级滚刷1转速大于二级滚刷8，避免由于球形果实在传送通道内积聚而造成破坏，一级倾斜传送通道13和二级倾斜传送通道6与水平地面具有5度的倾角，方便球形果实在重力分力作用下滑动到达下一级；二级滚刷8由转轴与六个弧形扇叶组成，材料为塑性材料。

所述的供能装置为可拆卸充电式锂电池14。

有益效果：

本发明主要应用于球形果实的自动化捡拾回收工作。与现有的捡拾机器人比较，引入麦克纳姆轮全方位移动平台，运动灵活、体积较小；基于多传感器与高精度算法，监测定位准确；捡拾效率高，能大大减少漏球现象的发生；自动化程度高，实现捡拾、卸载整个过程的高度自动化；

本发明的工作原理及工作过程如下：

本发明的具体工作过程分为三步，首先获取球形果实位置，然后捡拾球形果实，最后球形果实自动化卸载。

获取球形果实位置的工作流程如下，CMOS图像传感器17实时监测场地上球形果实的位置和集散程度，引导机器人首先选择从球形果实数量最多的地方进行清扫，红外传感器一和红外传感器二使机器人在运动过程中有效躲避障碍物，增强机器人本身应变环境的能力，实现球形果实位置的捕获。单片机15驱动麦克纳姆轮12，通过麦克纳姆轮12的全向性使机体移动到球形果实附近；机体前端的外扩板2使得尽可能多的球形果实汇集到一级滚刷1前方，在一级滚刷1的作用下，球形果实顺圆弧挡板21被拨到一级倾斜传送通道13，在重力分力的作用下，球体顺一级倾斜传送通道13滑向二级滚刷8，再经二级滚刷8将球体抬升至二级倾斜传送通道6，最终球形果实在重力分力的作用下顺二级倾斜传送通道6的向下倾斜滑向储仓3，完成球体的捡拾工作。

球体自动化卸载的工作流程如下,当储仓3内球形果实数量达到所能容纳的最大值后，重力传感器20向单片机15发送需要卸载球形果实的信号，单片机15控制捡拾机构与传送机构停止工作，同时向储卸机构发送卸载指令，此时单片机15会首先驱动驱动电机带动机体到达指定卸载区域，单片机15驱动丝杆步进电机7，推卸板5在丝杆步进电机7的作用下顺丝杆方向移动将球形果实卸载推入指定区域，实现球形果实的自动化卸载工作。

本发明通过获取球形果实位置、捡拾球形果实、球形果实自动化卸载实现了农业生产中球形果实在果园的自动化捡拾回收工作，使繁重的人工从中解放出来，实现了球形果实捡拾回收的高度自动化，解决了球形果实不易捡拾的问题，符合现代农业生产的要求，推动了农业现代化进程。

Claims (8)

1.一种基于麦克纳姆轮的双级滚刷捡拾类球形果实机器人，其特征在于：包括：行走机构、捡拾机构、传送机构、储卸机构、数据采集处理机构和供能装置；

所述行走机构包括麦克纳姆轮和驱动电机，麦克纳姆轮与驱动电机固定在底盘底部，由驱动电机带动麦克纳姆轮转动实现行走功能；

所述捡拾机构包括外扩板、圆弧挡板和一级滚刷；外扩板前端向左右两侧外倾呈八字形固定在底盘前端；外扩板用于扩大捡拾面积；底盘左右两侧壁前后对称分别设有皮带轮一和皮带轮二；每侧的皮带轮一和皮带轮二通过皮带连接在一起；底盘前面左右对称的两个皮带轮二之间安装一级滚刷；一级滚刷由滚筒一及均匀设置在滚筒一四周的滚板一组成；滚筒一左右两端安装在带轮轴上；一级滚刷沿机器前进方向顺时针转动，将球形果实刷入一级倾斜传送通道实现球形果实的拾取；

所述传送机构包括传送电机、皮带轮一、皮带轮二、皮带、一级倾斜传送通道、二级倾斜传送通道、二级滚刷和半圆通道罩；传送电机安装在皮带轮一外侧的带轮轴上；一级传送倾斜传送通道位于一级滚刷后方，一级传送倾斜传送通道后端向下倾斜设置且与水平面形成锐角的夹角，果实能自动滚动到一级传送倾斜传送通道后端；一级传送倾斜传送通道位于一级滚刷和二级滚刷之间；二级倾斜传送通道位于一级传送倾斜传送通道后部的正上方；二级倾斜传送通道前端向下倾斜设置且与水平面形成锐角的夹角；二级滚刷由滚筒二及均匀设置在滚筒二四周的滚板二组成；滚筒二左右两端安装在带轮轴上；二级滚刷安装在底盘后方左右两侧的两个带轮一之间；半圆通道罩呈半圆形,安装在二级滚刷后部的底盘上；半圆通道罩上部与二级倾斜传送通道后端对接；半圆通道罩将一级倾斜传送通道后方和二级倾斜传送通道后端连通；传动电机通过皮带传动带动一级滚刷与二级滚刷的转动；

所述的储卸机构包括储仓、丝杆步进电机、推卸板、门板和前挡板；储仓位于二级倾斜传送通道前端；门板通过合页固定在储仓左侧壁上，门板能随合页轴左右自由转动；前挡板安装在储仓前端；推卸板竖立可活动安装在储仓右侧；丝杠步进电机通过电机固定板固定在储仓左侧，丝杆步进电机连接丝杆螺母，丝杠螺母另一端与推卸板连接，推卸板在丝杆步进电机的带动下能沿丝杆螺母左右移动，起到果实自动卸载的作用；当储仓内的球形果实收集满以后，丝杆螺母推动推卸板向左侧移动，门板向外侧转动,球形果实被推出储仓，实现球形果实的自动化卸载；

所述的数据采集处理机构包括单片机、CMOS图像传感器、红外线传感器一、红外线传感器二和重力传感器；单片机分别连接驱动电机、传送电机、丝杆步进电机、CMOS图像传感器、红外线传感器一、红外线传感器二和重力传感器；CMOS图像传感器固定在前挡板上，红外线传感器一固定在电机固定板上靠近前挡板的一端，重力传感器固定在储仓的底部，红外线传感器二固定在用于一级滚刷右侧壁，CMOS图像传感器、红外线传感器一和红外线传感器二用于球形果实位置的监测定位；当储仓内球形果实收集满后，重力传感器向单片机发送球满的信息，单片机控制传送电机停止工作，同时控制所述的丝杆步进电机转动，将球形果实推出储仓进行卸载；

所述的供能装置为可拆卸充电式锂电池，对整个系统的运行提供能量。

2.如权利要求1所述的一种基于麦克纳姆轮的双级滚刷捡拾类球形果实机器人，其特征在于：所述的行走机构中设有四个麦克纳姆轮，每一个麦克纳姆轮连接一个独立的驱动电机，通过分别控制每个麦克纳姆轮的旋转方向从而实现全方向移动。

3.如权利要求1所述的一种基于麦克纳姆轮的双级滚刷捡拾类球形果实机器人，其特征在于：所述滚筒一上设有四个互成90°的滚板一。

4.如权利要求1所述的一种基于麦克纳姆轮的双级滚刷捡拾类球形果实机器人，其特征在于：所述皮带轮一与皮带轮二的直径比为1：2，一级滚刷转速小于二级滚刷。

5.如权利要求1所述的一种基于麦克纳姆轮的双级滚刷捡拾类球形果实机器人，其特征在于：所述一级倾斜传送通道和二级倾斜传送通道与水平地面形成的倾角均为5°。

6.如权利要求1所述的一种基于麦克纳姆轮的双级滚刷捡拾类球形果实机器人，其特征在于：所述滚筒二上均匀设有六个弧形滚板二。

7.如权利要求1所述的一种基于麦克纳姆轮的双级滚刷捡拾类球形果实机器人，其特征在于：所述滚板一和滚板二均为塑性材料。

8.如权利要求1所述的果实机器人在捡拾类球形果实中的应用，其特征在于：步骤如下：

1)获取球形果实位置：CMOS图像传感器实时监测场地上球形果实的位置和集散程度，引导机器人首先选择从球形果实数量最多的地方进行清扫，红外传感器一和红外传感器二使机器人在运动过程中有效躲避障碍物，增强机器人本身应变环境的能力，实现球形果实位置的捕获；单片机驱动麦克纳姆轮，通过麦克纳姆轮的全向性使机体移动到球形果实附近；机体前端的外扩板使得尽可能多的球形果实汇集到一级滚刷前方，在一级滚刷的作用下，球形果实顺圆弧挡板被拨到一级倾斜传送通道，在重力分力的作用下，球体顺一级倾斜传送通道滑向二级滚刷，再经二级滚刷将球体抬升至二级倾斜传送通道，最终球形果实在重力分力的作用下顺二级倾斜传送通道的向下倾斜滑向储仓，完成球体的捡拾工作；

2)球体自动化卸载：当储仓内球形果实数量达到所能容纳的最大值后，重力传感器向单片机发送需要卸载球形果实的信号，单片机控制捡拾机构和传送机构停止工作，同时向储卸机构发送卸载指令，此时单片机首先驱动驱动电机带动机体到达指定卸载区域，单片机驱动丝杆步进电机，推卸板在丝杆步进电机的作用下顺丝杆方向移动将球形果实卸载推入指定区域，实现球形果实的自动化卸载工作。