CN109451992A - 一种茶园采收机器人行走平衡的装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种茶园采收机器人防冲离的轨道装置，其特征在于包括控制箱、限位开关、轨道档板、行走机构、电池箱、光电式旋转编码器、轨道和车架；控制箱和电池箱设置在车架上，控制箱、光电式旋转编码器以及行走机构的电动机分别与电池箱连接，光电式旋转编码器设于行走机构的驱动轮上并与安装在控制箱内的PLC模块连接，轨道挡板设置于轨道的末端，限位开关设置于车架面向轨道挡板的前端。本发明运用旋转编码器定位机器人前进距离，可实时查看机器人作业进度；本发明用旋转编码器和限位开关两种方式共同防止机器人冲离轨道，安全可靠；本发明不影响机器人的正常作业，有利于推广使用。

Description

一种茶园采收机器人行走平衡的装置及控制方法

技术领域

本发明涉及机器人平衡控制领域，具体涉及一种茶园采收机器人行走平衡的装置及控制方法，适用于茶园单轨机器人行走的平衡控制。

背景技术

采茶是从茶树新梢上摘取茶叶，现有的采茶方式一般为三种，第一种是人工采摘，采茶工人通过手指挑选品质不同的茶叶并折断摘下置于采茶蓝中，虽能保证采摘茶叶的完整性，但是工作效率低，劳动强度大；第二种是割采，通过使用小铁刮刀、镰刀或采摘铗等工具进行采摘，虽然工作效率得到了一定的提高，但由于工具刀刃迟钝或采茶工人采割速度慢等原因，容易将枝条割裂而影响下轮新梢的萌发；第三种是利用茶园采收机器人为进行采摘，现有技术下的茶园采收机器人为一般都是通过设有的机械手来进行采摘。

现有的茶园采收机器人为采茶方便和节约土地资源，大多采用单轨轨道设置在茶园茶树之间，单轨轨道虽然能节约土地资源，但是对茶园采收机器人行进的平稳性要求严格：因茶叶新梢高度差小，故茶园采收机器人采收时需保证在水平上的平稳，否则对茶叶采收造成影响，尤其是茶园采收机器人收割刀的远端影响更大，一端低于行进水平面而对茶树枝条造成损伤，另一端高于行进水平面而遗漏对茶叶的采摘；同时，茶园采收机器人在单轨上进入弯道时，由于离心力的作用而会产生较大的倾斜进而影响茶园采收机器人的采摘，在速度大时甚至容易产生倾覆，若在转弯时降低新进速度来避免，则影响采摘效率且易对驱动和制动装置带来疲劳损伤，若在弯道采用外侧高于内侧的斜轨，则转外时茶园采收机器人将倾斜会损伤茶树和遗漏采摘茶叶，并且轨道的制作和安装难度也加大，不适合大规模使用。

发明内容

根据背景技术提出的问题，本发明提供一种茶园采收机器人行走平衡的装置及控制方法进行改进，接下来对本发明做进一步地阐述。

一种茶园采收机器人行走的平衡装置，其特征在于包括车架、控制箱、电池箱、电动机、驱动轮、驱动轮轴、行走轮、行走轮轴、车轨、距离探测器、紧急制动装置和自动平衡装置；控制箱、电池箱、电动机和自动平衡装置固定设置在车架上，控制箱设于车架前端，控制箱旁设置与之连接的电池箱，电池箱旁设置与之连接的电动机，电动机连接驱动轮；驱动轮通过驱动轮轴设置在车架上，行走轮通过行走轮轴设置在车架上，驱动轮与行走轮与轨道的啮合；车架上突出设有正对轨道侧壁中部的距离探测器；自动平衡装置包括设置在车架上的载重凸轮和设在载重凸轮上的电机，电机与距离探测器连接。

进一步的，车架上位于载重凸轮两侧各设有一个触发的压力开关。

进一步的，压力开关设置的位置为采收机器人倾斜角度5°所对应的载重凸轮的位置。

进一步的，车架上还设有紧急制动装置，包括驱动瓶、第一扣块、第二扣块和高压管路，驱动瓶设置在车架上，驱动瓶上设有与压力开关连接的电磁阀，驱动瓶通过高压管路连接第一扣块和第二扣块；第一扣块和第二扣块通过悬梁设置在车架的下方，并设置在轨道的两侧与之间隙配合，第一扣块和第二扣块通过复位弹簧连接悬梁；高压管路上设有泄压阀。

进一步的，第一扣块面向第二扣块的一侧设有凹槽，第二扣块面向第一扣块的一侧设有凸块；动作时，凹槽与凸块配合，提高第一扣块和第二扣块的连接紧密性。

进一步的，高压管路上还设有低泄高封阀；低泄高封阀在低压时能够排出泄漏的气体，在电磁阀打开时释放的大量高压气体的高压下却处于关闭状态，以此保证装置的安全性。

进一步的，紧急制动装置的电磁阀与控制箱连接；与控制箱连接与控制箱形成连锁控制，在外界人为控制下触发紧急制动装置动作，同时控制箱发出信号切断电池箱输出使得电动机停止动作。

一种茶园采收机器人行走平衡的控制方法，设置在车架下与轨道一侧中部正对设置的距离探测器将距离探测器于轨道之间的距离变换转为为电信号输出至自动平衡装置的电机，电机驱动载重凸轮转动。

进一步的，采收机器人向行进方向的左侧倾斜或右转弯时，距离探测器于轨道之间的距离增大，距离探测器输出正相信号，电机驱动载重凸轮顺时针转动；采收机器人向行进方向的右侧倾斜或左转弯时，距离探测器于轨道之间的距离减小，距离探测器输出负相信号，电机驱动载重凸轮逆时针转动。

进一步的，压力开关触发驱动瓶上的电磁阀打开，高压气体由高压管路推动第一扣块和第二扣块动作动作扣在轨道上，第一扣块和第二扣块通过凹槽和凸块在高压下紧密连接并死死抱死在轨道上，完成制动防止侧翻动作。

有益效果：与现有技术相比，本发明不改变单轨轨道行进方式，茶园采收机器人上加载的自动平衡装置进行自动调节装置的重心，保证装置始终在一个微小的范围内波动；本发明还联动有紧急制动装置，在偶然的倾覆危险出现时，紧急制动装置抱紧单轨轨道，防止倾覆危险的发生。

附图说明

图1：本发明的结构示意图；

图2：本发明自动平衡装置结构示意图；

图3：本发明紧急制动装置结构示意图；

图中：1-车架；2-控制箱；3-电池箱；4-电动机；5-驱动轮；6-驱动轮轴；7-行走轮；8-行走轮轴；9-车轨；10-距离探测器；11-紧急制动装置；111-驱动瓶；112-第一扣块；113-第二扣块；114-悬梁；115-电磁阀；116-低泄高封阀；117-高压管路；118-泄压阀；119-复位弹簧；12-自动平衡装置；121-载重凸轮；122-电机；123-压力开关。

具体实施方式

现结合附图1～3对本发明的一个具体实施例来详细地阐述。

一种茶园采收机器人行走的平衡装置，包括车架1、控制箱2、电池箱3、电动机4、驱动轮5、驱动轮轴6、行走轮7、行走轮轴8、车轨9、距离探测器10、紧急制动装置11 和自动平衡装置12。控制箱2、电池箱3、电动机4和自动平衡装置12固定设置在车架1上，控制箱2设于车架1前端，内设对装置的进行控制的控制系统，控制箱2旁设有与之连接提供电源的电池箱3，电池箱3旁设有与之连接的电动机4，电动机4的输出轴通过皮带传动连接驱动轮5并使得驱动轮5转动使得采收机器人前进或滑行；驱动轮5通过驱动轮轴6设置在突出的并固定设置在车架1上的驱动轮吊架上，行走轮7通过行走轮轴8设置在突出的并固定设置在车架1上的行走轮吊架上，驱动轮5与行走轮7通过与轨道9的啮合将车架设置于轨道9之上并按轨道的轨迹行进。

在采收机器人行进至轨道9的弯道处时，为使得采收机器人不减速或减速不大的情况下顺利完成弯道转弯并且采收机器人保持平衡而不影响采茶作业，本装置在车架上安装有自动平衡装置12，自动平衡装置12可根据采收机器人行走的速度以及转弯半径自动改变采收机器人的重心位置，使得重心位置不在位于轨道之上而位于轨道弯道内侧，此时采收机器人的重力与过弯时的离心力的竖向分力平衡，保证采收机器人过弯的平衡，不发生较大偏颇。

车架上突出有用于压茶树的压轮，压轮面向轨道9的一侧设有正对轨道侧壁中部的距离探测器10，用于探测与轨道9之间的行进距离的变化并转为电信号输出至与之连接的自动平衡装置12，自动平衡装置12根据电信号调节自动平衡装置12的重心转变以维持采收机器人的平稳。初始位置设置时，采收机器人重心位于轨道正中心，此时距离探测器10与轨道9 的距离为初始值，电信号为零值；当采收机器人行进或过弯时发生偏颇，此时距离探测器10 与轨道9的距离大于或小于初始值，并产生方向不同的电信号。在本实施例中，距离探测器 10设于采收机器人行进方向的左侧，若采收机器人向左倾斜或过向右过弯时，距离探测器10 与轨道9的距离增大，产生正相的输出电信号；若采收机器人向右倾斜或过向左过弯时，距离探测器10与轨道9的距离减小，产生负相的输出电信号。正相或负相电信号传递至自动平衡装置12。

参考附图2，自动平衡装置12，包括设置在车架1上的载重凸轮121和设在载重凸轮上并驱动载重凸轮转动的电机122，电机122与距离探测器10连接接收距离探测器的电信号，若电信号为正相，则电机122驱动载重凸轮121顺时针转动，使得采收机器人整体的重心位于轨道9的右侧；若电信号为负相，则电机122驱动载重凸轮121逆时针转动，使得采收机器人整体的重心位于轨道9的左侧。

自动平衡装置12可以独立于控制箱2作为一个单独的装置以联动方式保证采收机器人的行进稳定性；也可与控制箱2连接，将信号传输至控制箱，控制箱2对信号进行逻辑判断后再驱动自动平衡装置12动作，这种方式为连锁方式。

在实际中，单轨行进的稳定性不如双轨，在侧向只有驱动轮和行进轮的保护，缺乏足够的保证，在偶然的因素如强风或过弯时速度过大时，容易侧翻，本发明增加与自动平衡装置12联动的紧急制动装置11进行紧急保护，在车架1上位于载重凸轮121两侧各设有一个触发的压力开关123，本实施例中，极限位置为根据采收机器人发生倾斜的安全角度以及采收茶叶的效率而设置的倾斜角度5°的位置，在采收机器人倾斜超过5°时，触发紧急制动装置11，紧急制动装置抱死在轨道9上，保护采收机器人不发生侧翻。

参考附图3，紧急制动装置11，包括驱动瓶111、第一扣块112、第二扣块113和高压管路117，驱动瓶111设置在车架1上，驱动瓶111上设有与压力开关123电性连接的电磁阀115，驱动瓶111通过高压管路117连接第一扣块112和第二扣块113；第一扣块112和第二扣块113通过悬梁114设置在车架1的下方，并且第一扣块112和第二扣块113通过复位弹簧119连接悬梁114，第一扣块112和第二扣块设置在轨道9的两侧与之间隙配合；高压管路117上设有泄压阀118。

在危险出现时压力开关123动作触发电磁阀115打开，驱动瓶111内的高压气体通过高压管路117推动第一扣块112和第二扣块113动作扣在轨道9上，确保采收机器人不发生倾覆；在复位时，关闭电磁阀115并打开泄压阀118后，高压管路117泄压，第一扣块112 和第二扣块113在复位弹簧119的作用下复位，与轨道9脱离。

第一扣块112面向第二扣块113的一侧设有凹槽1131，第二扣块113面向第一扣块112的一侧设有凸块1121，在动作时，凹槽1131与凸块1121配合，提高第一扣块112和第二扣块113的连接紧密性。

高压管路117上还设有低泄高封阀116，放置的驱动瓶111可能由于泄漏而逐步向高压管路117内释放高压气体，累积后可能触发第一扣块112和第二扣块113动作而抱死轨道 9，干扰采收机器人查收茶叶。低泄高封阀在低压时能够排出泄漏的气体，在电磁阀115打开时释放的大量高压气体的高压下却处于关闭状态，以此保证装置的安全性。

紧急制动装置11与自动平衡装置12联动，同时，电磁阀也与控制箱2连接与控制箱2形成连锁控制，在外界人为控制下触发紧急制动装置11动作，同时控制箱2发出信号切断电池箱3输出使得电动机4停止动作。

一种茶园采收机器人行走平衡的控制方法，设置在车架1下与轨道9一侧中部正对设置的距离探测器10将距离探测器10于轨道9之间的距离变换转为为电信号输出至自动平衡装置12的电机122，电机122驱动载重凸轮121转动。

采收机器人向行进方向的左侧倾斜或右转弯时，距离探测器10于轨道9之间的距离增大，距离探测器10输出正相信号，电机122驱动载重凸轮121顺时针转动；采收机器人向行进方向的右侧倾斜或左转弯时，距离探测器10于轨道9之间的距离减小，距离探测器10输出负相信号，电机122驱动载重凸轮121逆时针转动。

采收机器人倾斜超过预设安全值即5°时，载重凸轮121触发压力开关122，压力开关122触发与之联动的紧急制动装置11，使得采收机器人抱死在轨道9上。

压力开关122触发驱动瓶111上的电磁阀115打开，高压气体由高压管路117推动第一扣块112和第二扣块动作113动作扣在轨道上，第一扣块112和第二扣块113通过凹槽1131和凸块1121在高压下紧密连接并死死抱死在轨道9上，完成制动防止侧翻动作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种茶园采收机器人行走的平衡装置，其特征在于包括车架、控制箱、电池箱、电动机、驱动轮、驱动轮轴、行走轮、行走轮轴、车轨、距离探测器、紧急制动装置和自动平衡装置；控制箱、电池箱、电动机和自动平衡装置固定设置在车架上，控制箱设于车架前端，控制箱旁设置与之连接的电池箱，电池箱旁设置与之连接的电动机，电动机连接驱动轮；驱动轮通过驱动轮轴设置在车架上，行走轮通过行走轮轴设置在车架上，驱动轮与行走轮与轨道的啮合；车架上突出设有正对轨道侧壁中部的距离探测器；自动平衡装置包括设置在车架上的载重凸轮和设在载重凸轮上的电机，电机与距离探测器连接。

2.根据权利要求1所述的一种茶园采收机器人行走的平衡装置，其特征在于：车架上位于载重凸轮两侧各设有一个触发的压力开关。

3.根据权利要求2所述的一种茶园采收机器人行走的平衡装置，其特征在于：压力开关设置的位置为采收机器人倾斜角度5°所对应的载重凸轮的位置。

4.根据权利要求1所述的一种茶园采收机器人行走的平衡装置，其特征在于：车架上还设有紧急制动装置，包括驱动瓶、第一扣块、第二扣块和高压管路，驱动瓶设置在车架上，驱动瓶上设有与压力开关连接的电磁阀，驱动瓶通过高压管路连接第一扣块和第二扣块；第一扣块和第二扣块通过悬梁设置在车架的下方，并设置在轨道的两侧与之间隙配合，第一扣块和第二扣块通过复位弹簧连接悬梁；高压管路上设有泄压阀。

5.根据权利要求4所述的一种茶园采收机器人行走的平衡装置，其特征在于：第一扣块面向第二扣块的一侧设有凹槽，第二扣块面向第一扣块的一侧设有凸块。

6.根据权利要求4所述的一种茶园采收机器人行走的平衡装置，其特征在于：高压管路上还设有低泄高封阀。

7.根据权利要求4所述的一种茶园采收机器人行走的平衡装置，其特征在于：紧急制动装置的电磁阀与控制箱连接。

8.一种茶园采收机器人行走平衡的控制方法，其特征在于：设置在车架下与轨道一侧中部正对设置的距离探测器将距离探测器于轨道之间的距离变换转为为电信号输出至自动平衡装置的电机，电机驱动载重凸轮转动。

9.根据权利要求8所述的一种茶园采收机器人行走平衡的控制方法，其特征在于：采收机器人向行进方向的左侧倾斜或右转弯时，距离探测器于轨道之间的距离增大，距离探测器输出正相信号，电机驱动载重凸轮顺时针转动；采收机器人向行进方向的右侧倾斜或左转弯时，距离探测器于轨道之间的距离减小，距离探测器输出负相信号，电机驱动载重凸轮逆时针转动。

10.根据权利要求8所述的一种茶园采收机器人行走平衡的控制方法，其特征在于：压力开关触发驱动瓶上的电磁阀打开，高压气体由高压管路推动第一扣块和第二扣块动作扣在轨道上，第一扣块和第二扣块通过凹槽和凸块在高压下紧密连接并死死抱死在轨道上，完成制动防止侧翻动作。