CN109213160A - 一种田间除草施肥作业多轮足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种田间除草施肥作业多轮足机器人，包括上安装板、下安装板、机器人行走系统、田间作业执行系统和田间导航避障系统；机器人行走系统包括6个5自由度轮足机构、机器人运动主控器和陀螺仪；田间作业执行系统包括固定连接在上安装板上的对靶喷药执行机构、药箱和气泵，药箱上设置有加料口和出料口；田间导航避障系统包括超声波传感器和相机，相机内设有相机控制器。本发明能够适应田间各种复杂路面的行走，并且通过非接触式化学除草的方法可自主完成作业，无需人为干预，作业时间不受时间影响，可连续作业。

Description

一种田间除草施肥作业多轮足机器人

技术领域

本发明涉及现代农业装备技术领域，尤其涉及一种田间除草施肥作业多轮足机器人。

背景技术

近年来，我国不断加快推动农业机械化的步伐，致力提升现代农业水平，以缩小与发达国家在农业现代化方面的差距。随着农业机械化的快速发展，用于农业生产的特种机器人得以问世，并逐渐成为农业技术装备研发的重要内容。农用机器人的出现和应用，改变了传统的农业劳动方式，促进了现代农业的发展。

目前，在田间的除草或者施肥机器人，在农业机械领域也得到了快速的发展，技术也日益成熟，比如公开号为CN205124832U的专利文件公开了一种智能除草机器人，其整体设置在车体上，智能除草机器人的主刀具通过升降装置设置在车体下方；车体的前端设置有保护刀具铲片；车体的两侧设置有侧切装置，侧切装置的底端通过舵机铰接在车体上；车体上设置有药箱，药箱设置有药剂添加口，药箱与增压泵相连，药箱通过导管与喷雾口连通；车体的后端设置有草屑收集器；车体的前端设置有超声波传感器；车体上还设置有摄像头。该除草机器人有效的解决了以前人工除草施肥机械化程度低、智能化程度低、机械化效率低等问题。

上述的智能除草机器人虽然提高了田间除草施肥的机械化和智能化程度，但是还存在以下问题：1、该方案的轮子由轮子电机直接驱动，轮子并不能多个方向以及行走姿态的调整，对作业环境的适应性较差；2、该方案的导航避让模块只能对机器人前方的障碍物进行预警避让，作业时需要对机器人的运动路径进行规划，自主除草覆盖区域范围比较小，不能完全自主的完成整个田间的自主作业；3、机械式除草方式仅适用于重量较大、功率较大的平台车使用，因此对小型化机器人采用机械除草方式，无法获得好的除草效果，同时降低机器人续航能力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种田间除草施肥作业多轮足机器人，能够适应田间各种复杂路面的行走，并且通过非接触式化学除草的方法可自主完成作业，无需人为干预，作业时间不受时间影响，可连续作业。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

一种田间除草施肥作业多轮足机器人，包括上安装板、下安装板、机器人行走系统、田间作业执行系统和田间导航避障系统，所述机器人行走系统包括轮子，所述田间作业执行系统包括固定连接在上安装板上的药箱和气泵，所述药箱上设置有加料口、出料口和进气孔，所述田间导航避障系统包括超声波传感器和相机，所述下安装板上固定安装有电池，所述相机内设有相机控制器；

所述机器人行走系统包括6个5自由度轮足机构、机器人运动主控器和陀螺仪，所述机器人运动主控器和陀螺仪均固定安装在下安装板上，所述5自由度轮足机构的一端安装有第一轮足关节舵机连接板，所述第一轮足关节舵机连接板固定安装在上安装板和下安装板之间，所述轮子安装在5自由度轮足机构的另一端，所述机器人运动主控器、陀螺仪和5自由度轮足机构均与电池电连接，所述陀螺仪和5自由度轮足机构均与机器人运动主控器通讯连接；

所述田间作业执行系统包括对靶喷药执行机构，所述对靶喷药执行机构与出料口连通；所述上安装板上安装有元件集成板，所述元件集成板上电连接有第一场效应管模块和第二场效应管模块，所述进气口与气泵的气泵出气口连通，所述气泵与第一场效应管模块通讯连接，所述对靶喷药执行机构与第二场效应管模块通讯连接，所述第一场效应管模块和第二场效应管模块与相机控制器通讯连接，所述元件集成板、气压传感器和对靶喷药执行机构均与电池电连接；

所述田间导航避障系统还包括相机调节支架和两个超声波调节支架，所述相机调节支架固定连接在上安装板的中部，所述相机调节支架上固定连接有相机固定架，所述相机安装在相机固定架上，所述两个超声波调节支架分别固定连接在相机调节架两侧的上安装板上，所述超声波传感器安装在超声波调节支架上，所述相机控制器和超声波传感器均与机器人运动主控器通讯连接。

进一步，所述对靶喷药执行机构包括云台基座，所述云台基座固定连接在下安装板上，所述云台基座上转动连接有云台第一舵机，所述云台第一舵机上固定连接有云台第一舵机连接板，所述云台第一舵机连接板上转动连接有云台第二舵机，所述云台第二舵机上固定连接有云台第二舵机连接板，所述云台第二舵机连接板上固定连接有电磁阀，所述电磁阀与第二场效应管模块通讯连接，所述电磁阀包括电磁阀进口和电磁阀出口，所述电磁阀进口与药箱出料口之间连接有管路，所述云台第一舵机、云台第二舵机均与机器人运动主控器通讯连接。

进一步，所述5自由度轮足机构包括第一关节舵机，所述第一轮足关节舵机连接板固定安装在第一关节舵机的一端，所述第一关节舵机上转动连接有第二关节舵机，所述第二关节舵机上铰接有第一轮足关节舵机铰接板，所述第一轮足关节舵机铰接板远离第二关节舵机的一端固定连接有第三关节舵机，所述第三关节舵机铰接有第二轮足关节舵机铰接板，所述第二轮足关节舵机铰接板远离第三关节舵机的一端固定连接有轮姿态调整舵机，所述轮姿态调整舵机转动连接有轮驱动舵机，所述轮子转动连接在轮驱动舵机上。

进一步，所述进气口连通有三通管，所述气泵的气泵出气口与三通管的一端连通，所述三通管的另一端固定连通有气压传感器，所述气压传感器与相机控制器通讯连接。如此，在气泵向药箱内打气的时候，气压传感器可检测当前药箱内的压力，当压力小于设定压力阈值时，气泵开启，对药箱充气直至药箱内压力到达预设压力阈值。

进一步，所述超声波调节支架的上部开设有竖向的滑槽，所述滑槽内滑动连接有超声波安装板，所述超声波传感器安装在超声波安装板上，所述超声波安装板与滑槽之间螺纹连接有紧固螺钉。在使用时，可以通过松开紧固螺钉，上下滑动超声波安装板的高度以及旋转调节超声波安装板的角度，可以实现超声波传感器高度和角度的调节，可以适用田间不同高度农作物的除草或者施肥。

进一步，所述相机调节支架上设有环形滑槽和环形中心孔，所述相机固定在相机固定架上，所述相机固定架与相机调节支架上的环形槽和环形中心孔连接有紧固螺钉。在使用时，松开紧固螺钉，可使相机绕环形中心孔旋转，从而可调整相机在地面的视野。

进一步，所述电池上方的上安装板上开设有通槽，所述电池上方固定连接有电池隔板，所述相机调节支架下部固定有支架连接板，所述支架连接板和云台基座均固定安装在电池隔板上。上安装板上开的一个通槽，可避让对靶喷药执行机构，同时可起到运动限位的作用，将相机调节支架和云台基座均安装在电池隔板上，位于机器人的前部，可以使得电磁阀位于机器人前端，可降低电磁阀出口管路的长度，保证电磁阀在断电时的尽量少的漏液。

进一步，所述电磁阀管出口安装有单向阀。电磁阀管出口装有单向阀，可以进一步可保证电磁阀断电后，喷口无滴漏药液的情况。

本发明的有益效果：

(1)本发明在运动过程中通过机器人前端的相机识别杂草或作物，当需要除草作业时，药箱中装除草剂，根据相机识别出杂草的位置，控制对靶喷药执行机构的云台运动，使喷口对准杂草进行喷洒除草剂；当需要施肥作业时，药箱中装液体肥料，相机识别作物的位置，并控制对靶喷药执行机构的云台，使喷口对作物周围特定位置进行施肥，整个除草或者施肥过程可以自主完成作业，无需人为干预，作业时间不受时间影响，可连续作业；

(2)本发明的行走系统采用仿昆虫式的6足机构、5自由度腿部关节和腿部末端轮足设计，通过陀螺仪对机器人姿态采集，可以实现田间复杂路面的运动，也可以实现机器人多种行走姿态，增强不同环境的适应性，并且将轮代替足末端与地面接触，同时在平整路面运动时，可调整轮的姿态，构成6轮或4轮运动平台，提高运动速度，实现两种运动方式无缝切换；

(3)本发明在田间作业时采用足式运动方式，当触碰到作物时，足式作业平台比其他田间作业平台(如履带车、轮式车)对作物产生更小的伤害；

(4)本发明带有气压反馈的气压式喷药系统设计，可有效适应单次少量对靶喷药，相比直接采用水泵喷药，系统响应速度快，能保证每次喷药的压力均衡，喷出的液体距离和量保证恒定；

(5)基于图像识别的对靶喷药装置设计，通过图像对杂草识别定位，并设计了2自由度对靶喷药执行机构，可实现地平面内相机视野内任意点的对靶喷药；

(6)本发明通过相机和超声波传感器进行田间避障式导航，可实现最大覆盖非作物区域；

(7)本发明通过相机调节支架和超声波调节支架，针对不同大小、种类的作物可相应调整，增加机器人的适应能力；

(8)本发明采用非接触式的化学除草方法，可减少机械除草大功耗装置的使用，电池的续航能力更长，机器人的可连续作业的时间更长。

附图说明

图1是本发明一种田间除草施肥作业多轮足机器人的结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是图1去除相机保护壳和机器人外壳的示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是图1中5自由度轮足机构的示意图；

图6是图1中对靶喷药执行机构的示意图；

图7是对靶喷药执行机构喷药系统原理图；

图8是本发明在田间作业图。

其中，1、上安装板；2、下安装板；3、对靶喷药执行机构；4、5自由度轮足机构；5、机器人运动主控器；6、陀螺仪；7、超声波安装板；8、超声波传感器；9、超声波调节支架；10、相机调节支架；11、相机保护壳；12、支架连接板；13、支撑铜柱；14、限位铜柱；15、电池；16、机器人外壳；17、轮足链接板；18、电池隔板；19、固定柱；20、相机；21、相机固定架；22、元件集成板；23、气压传感器；24、第一场效应管模块、25、第二场效应管模块；26、药箱加料盖；27、进气口；28、出料口；29、气泵；30、气泵出气口；31、药箱；32、第一轮足关节舵机连接板；33、第一关节舵机；34、第二关节舵机；35、第一轮足关节舵机铰链板；36、第三关节舵机；37、轮姿态调整舵机；38、轮驱动舵机；39、轮子；40、电磁阀进口；41、电磁阀；42、电磁阀连接板；43、云台第二舵机连接板；44云台第二舵机；45、云台第一舵机连接板；46、云台第一舵机；47、云台基座；48、单向阀；49、环形滑槽。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明：

如图1-8所示：

一种田间除草施肥作业多轮足机器人，包括上安装板1、下安装板2、机器人行走系统、田间作业执行系统和田间导航避障系统，下安装板2上安装有电池15，电池15四周的下安装板2上通过螺钉固定有限制电池15移动的限位铜柱14，电池15的上部安装有电池隔板18，电池隔板18与下安装板2之间固定有支撑铜柱13；

机器人行走系统包括6个5自由度轮足机构4、机器人运动主控器5和陀螺仪6，机器人运动主控器5和陀螺仪6均通过紧固螺栓安装在下安装板2上，5自由度轮足机构4包括第一关节舵机33，第一关节舵机33的一端通过紧固螺栓固定有第一轮足关节舵机连接板32，第一关节舵机33的另一端上转动连接有第二轮足关节舵机连接板(附图未标出)，第二轮足关节舵机连接板通过螺钉固定连接在第二关节舵机34的侧面，第二关节舵机34上铰接有第一轮足关节舵机铰接板35，第一轮足关节舵机铰接板35通过紧固螺栓连接有第三轮足关节舵机连接板(附图未标出)，第三轮足关节舵机连接板通过紧固螺栓固定有第三关节舵机36，第三关节舵机36铰接有第二轮足关节舵机铰接板，第二轮足关节舵机铰接板的下端通过紧固螺栓垂直连接有第四轮足关节舵机连接板(附图未标出)，第四轮足关节舵机连接板通过紧固螺栓连接有轮姿态调整舵机37，轮姿态调整舵机37转动连接有第五轮足关节舵机连接板(附图未标出)，第五轮足关节舵机连接板通过紧固螺栓连接有轮驱动舵机38，轮子39转动连接在轮驱动舵机38上，机器人运动主控器5、陀螺仪6、第一关节舵机33、第一关节舵机33、第一关节舵机33、轮姿态调整舵机37和轮驱动舵机38均与电池15电连接，陀螺仪6、第一关节舵机33、第一关节舵机33、第一关节舵机33、轮姿态调整舵机37和轮驱动舵机38均与机器人运动主控器5通讯连接；

田间作业执行系统包括通过螺栓固定连接在上安装板1上的药箱31、气泵29、对靶喷药执行机构3，药箱31上设有加料口和出料口28，加料口上有药箱加料盖26，药箱加料盖26通过弹簧紧闭在加料口上，药箱加料盖26与加料口接触部分有密封圈，保证药箱31内部为封闭空间，对靶喷药执行机构3包括云台基座47，云台基座47通过螺栓固定安装在电池隔板18上，云台基座47上转动连接有云台第一舵机46，云台第一舵机46上通过紧固螺栓固定连接有云台第一舵机连接板45，云台第一舵机连接板45上转动连接有云台第二舵机44，云台第二舵机44上通过紧固螺栓固定连接有云台第二舵机连接板43，云台第二舵机连接板43上通过紧固螺栓固定连接有电磁阀41，电磁阀41包括电磁阀进口40和电磁阀出口，电磁阀进口40与药箱31的出料口28之间连接有管路，电磁阀出口安装有单向阀48，云台第一舵机46、云台第二舵机44均与机器人运动主控器5通讯连接；上安装板1上安装有元件集成板22，元件集成板22上电连接有第一场效应管模块24和第二场效应管模块25，药箱31顶部开设有进气口27，进气口27连通有三通管，气泵29的气泵29出气口与三通管的一端连通，三通管的另一端固定连通有气压传感器23，气泵29与第一场效应管模块24通讯连接，电磁阀41与第二场效应管模块25通讯连接，元件集成板22、气压传感器23和电磁阀41均与电池15电连接，上安装板1上通过螺钉固定连接有机器人外壳16，机器人外壳16将元件集成板22、气泵29和药箱31等笼罩在机器人外壳16进行保护；

田间导航避障系统包括超声波传感器8、相机20、相机调节支架10和两个超声波调节支架9，相机调节支架10下部焊接有支架连接板12，支架连接板12通过螺钉固定安装在电池隔板18上，相机20内设有相机控制器，气压传感器23、第一场效应管模块24和第二场效应管模块25与相机控制器通讯连接，相机调节支架10通过紧固螺栓固定连接在上安装板1的中部，相机调节支架10上通过螺钉固定有相机保护壳11，相机调节支架10上有环形滑槽49和环形滑槽中心孔，并通过紧固螺钉固定连接有相机固定架21，相机20通过紧定螺钉安装在相机固定架21上，两个超声波调节支架9分别固定连接在相机调节支架10两侧的上安装板1上，超声波调节支架9的上部开设有竖向的滑槽，滑槽内滑动连接有超声波安装板7，超声波传感器8通过螺钉固定安装在超声波安装板7上，超声波安装板7与滑槽之间螺纹连接有紧固螺母；相机控制器和超声波传感器8均与机器人运动主控器5通讯连接。

在使用本机器人对田间进行除草或者施肥时，在药箱31中装入除草剂或者液体肥料，通过松动紧固螺母，上下滑动以及旋转超声波安装板7，来调节好超声波传感器8的高度和角度。通过松动相机调节支架10上的紧固螺母，来调整相机20的角度，从而可调节相机20的视野范围。

以下实施例以除草为例进行说明。将本机器人布置在田间，机器人运动主控器5控制6个5自由度轮足机构4上第一关节舵机33、第二关节舵机34、第三关节舵机36、轮姿态调整舵机37、轮驱动舵机38和轮子39的运动实现整个机器人的行走，其运动姿态通过陀螺仪6进行采集，实现全地形运动控制以及多种行走姿态调整。

通过相机20和超声波传感器8进行田间导航避障，当相机20视野中出现作物时，说明前方有作物，机器人需要避让，当机器人一侧过于接近作物时，超声波传感器8可为机器人运动过程中躲避作物提供信息，信息由机器人运动主控器5接收后，控制6个5自由度轮足机构4，做出运动路线的调整。

当机器人的相机20识别到机器人前端区域地面上有杂草出现时，首先是对靶喷药执行机构3做出反应，机器人运动主控器5控制云台第一舵机46和云台第二舵机44旋转运动，使单向阀48对准杂草，然后相机控制器控制气泵29对药箱31内打气，同时气压传感器23可检测当前药箱31内的压力，药箱31上部的压力变大后，除草剂在上面气体压力的作用下通过出料口28和管路流向电磁阀进口40，电磁阀41开启，除草剂经过电磁阀41流向单向阀48，并从单向阀48另一端喷出，喷射到作业叶片表面。通过控制电磁阀41通断电时间可控制喷药量。因为该电磁阀41位于机器人前端，可降低电磁阀41出口管路的长度，保证电磁阀41在断电时的尽量少的漏液，同时电磁阀41出料口28装有单向阀48，进一步可保证电磁阀41断电后，喷口无滴漏药液的情况，药液从单向阀48喷出，将除草剂喷洒在杂草上。同时为保证药箱31内气体压力保持在恒定值范围，通过气压传感器23来检测药箱31内的压力，当压力小于设定压力阈值时，气泵29开启，对药箱31充气直至药箱31内压力到达预设压力阈值。

本机器人在整个除草或者施肥过程可以自主完成作业，无需人为干预，作业时间不受时间影响，可连续作业。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (8)

1.一种田间除草施肥作业多轮足机器人，包括上安装板、下安装板、机器人行走系统、田间作业执行系统和田间导航避障系统，所述机器人行走系统包括轮子，所述田间作业执行系统包括固定连接在上安装板上的药箱和气泵，所述药箱上设置有加料口、出料口和进气口，所述田间导航避障系统包括超声波传感器和相机，其特征在于：所述下安装板上固定安装有电池，所述相机内设有相机控制器；

所述机器人行走系统包括6个5自由度轮足机构、机器人运动主控器和陀螺仪，所述机器人运动主控器和陀螺仪均固定安装在下安装板上，所述5自由度轮足机构的一端安装有第一轮足关节舵机连接板，所述第一轮足关节舵机连接板固定安装在上安装板和下安装板之间，所述轮子转动安装在5自由度轮足机构的另一端，所述机器人运动主控器、陀螺仪和5自由度轮足机构均与电池电连接，所述陀螺仪和5自由度轮足机构均与机器人运动主控器通讯连接；

所述田间作业执行系统包括对靶喷药执行机构，所述对靶喷药执行机构与出料口连通；所述上安装板上安装有元件集成板，所述元件集成板上电连接有第一场效应管模块和第二场效应管模块，所述进气口与气泵的气泵出气口连通，所述气泵与第一场效应管模块通讯连接，所述对靶喷药执行机构与第二场效应管模块通讯连接，所述第一场效应管模块和第二场效应管模块与相机控制器通讯连接，所述元件集成板、气压传感器和对靶喷药执行机构均与电池电连接；

所述田间导航避障系统还包括相机调节支架和两个超声波调节支架，所述相机调节支架固定连接在上安装板的中部，所述相机调节支架上固定连接有相机固定架，所述相机安装在相机固定架上，所述两个超声波调节支架分别固定连接在相机调节架两侧的上安装板上，所述超声波传感器安装在超声波调节支架上，所述相机控制器和超声波传感器均与机器人运动主控器通讯连接。

2.根据权利要求1所述的一种田间除草施肥作业多轮足机器人，其特征在于：所述对靶喷药执行机构包括云台基座，所述云台基座固定连接在下安装板上，所述云台基座上转动连接有云台第一舵机，所述云台第一舵机上固定连接有云台第一舵机连接板，所述云台第一舵机连接板上转动连接有云台第二舵机，所述云台第二舵机上固定连接有云台第二舵机连接板，所述云台第二舵机连接板上固定连接有电磁阀，所述电磁阀与第二场效应管模块通讯连接，所述电磁阀包括电磁阀进口和电磁阀出口，所述电磁阀进口与药箱出料口之间连接有管路，所述云台第一舵机、云台第二舵机均与机器人运动主控器通讯连接。

3.根据权利要求2所述的一种田间除草施肥作业多轮足机器人，其特征在于：所述5自由度轮足机构包括第一关节舵机，所述第一轮足关节舵机连接板固定安装在第一关节舵机的一端，所述第一关节舵机上转动连接有第二关节舵机，所述第二关节舵机上铰接有第一轮足关节舵机铰接板，所述第一轮足关节舵机铰接板远离第二关节舵机的一端固定连接有第三关节舵机，所述第三关节舵机铰接有第二轮足关节舵机铰接板，所述第二轮足关节舵机铰接板远离第三关节舵机的一端固定连接有轮姿态调整舵机，所述轮姿态调整舵机转动连接有轮驱动舵机，所述轮子转动连接在轮驱动舵机上。

4.根据权利要求3所述的一种田间除草施肥作业多轮足机器人，其特征在于：所述进气口连通有三通管，所述气泵的出气口与三通管的一端连通，所述三通管的另一端固定连通有气压传感器，所述气压传感器与相机控制器通讯连接。

5.根据权利要求4所述的一种田间除草施肥作业多轮足机器人，其特征在于：所述超声波调节支架的上部开设有竖向的滑槽，所述滑槽内滑动连接有超声波安装板，所述超声波传感器安装在超声波安装板上，所述超声波安装板与滑槽之间螺纹连接有紧固螺钉。

6.根据权利要求5所述的一种田间除草施肥作业多轮足机器人，其特征在于：所述相机调节支架上设有环形滑槽和环形中心孔，所述相机固定在相机固定架上，所述相机固定架与相机调节支架上的环形槽和环形中心孔连接有紧固螺钉。

7.根据权利要求6所述的一种田间除草施肥作业多轮足机器人，其特征在于：所述电池上方的上安装板上开设有通槽，所述电池上方固定连接有电池隔板，所述相机调节支架下部固定有支架连接板，所述支架连接板和云台基座均固定安装在电池隔板上。

8.根据权利要求7所述的一种田间除草施肥作业多轮足机器人，其特征在于：所述电磁阀管出口安装有单向阀。