CN110199700A - 一种灌木修剪机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种灌木修剪机器人及其工作方法，其特征在于，包括顶板和可升降机架，所述顶板设置在所述可升降机架顶端，所述可升降机架中间架空，四角底端分别设置有行走轮，电池、控制器、导向传感器、机器视觉模块、激光雷达和修剪电机均设置在所述顶板上；所述修剪电机的输出轴向下伸出并连接修剪刀具，所述修剪刀具是可变形修剪刀具，且位于所述可升降机架的中间架空处。所述修剪刀具包括多段子刀片，所述子刀片通过相应的舵机依次连接形成可变形修剪刀具；所述各舵机与所述控制器连接。本发明操作简便、自动化程度高、节省成本及人力、续航时间长、转向灵活、修剪准确高效、适应性广、功能强大。

Description

一种灌木修剪机器人及其工作方法

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种灌木修剪机器人及其工作方法。

背景技术

目前，用作绿化的立体灌木前景非常广阔，但其修剪仍然严重依赖人工操作，而且需经常找专业人员进行修剪维护，不仅成本高昂，而且浪费人力、效率低下。

发明内容

本发明设计了一种灌木修剪机器人及其工作方法，目的在于解决现有技术中人工修剪灌木造成的成本高昂、浪费人力、效率低下等诸多问题。

为了实现上述目的，本发明一方面公开了：

一种灌木修剪机器人，包括顶板和可升降机架，所述顶板设置在所述可升降机架顶端，所述可升降机架中间架空，四角底端分别设置有行走轮，电池、控制器、导向传感器、机器视觉模块、激光雷达和修剪电机均设置在所述顶板上；所述修剪电机的输出轴向下伸出并连接修剪刀具，所述修剪刀具是可变形修剪刀具，且位于所述可升降机架的中间架空处。

进一步，所述修剪刀具包括多段子刀片，所述子刀片通过相应的舵机依次连接形成可变形修剪刀具；所述各舵机与所述控制器连接。

进一步，所述修剪电机通过修剪电机承载盘设置在所述顶板的中心处，且穿过所述顶板的中心圆孔向下延伸。

进一步，所述可升降机架包括四组支撑架，所述支撑架上端和所述顶板连接，所述支撑架下端通过升降机构与相应的车轮安装板连接。

进一步，所述升降机构包括丝杠及丝杠螺母，所述丝杠的下端通过轴承和相应的车轮安装板连接，所述丝杠的上端与丝杠电机连接，所述丝杠螺母的两侧分别固连有套管，所述套管与相应支撑架固连。

进一步，所述可升降机架的左右两侧还分别设置有侧连杆，所述侧连杆上还相对设置有激光雷达，该激光雷达与所述控制器连接以识别并确定待修剪灌木的位置。

进一步，所述行走轮有四个，前端两行走轮是万向轮，后端两行走轮是驱动轮；所述驱动轮的驱动电机和所述控制器连接，所述驱动电机上还设置有码盘。

进一步，所述电池包括太阳能电池板和锂电池，所述太阳能电池板架设在所述顶板的正上方。

进一步，所述控制器采用智能stm32芯片作为主控制器。

进一步，所述导向传感器采用九轴传感器，与所述控制器连接。

进一步，所述机器视觉模块采用OpenMV机器视觉模块，且通过舵机Ⅰ设置在所述顶板的右前方，对右前方的理想立体灌木样品拍摄不同角度的图片，从而识别出样品对应的立体灌木形状，并向所述控制器发送目标灌木形状信号。

进一步，所述顶板上的激光雷达设置在所述顶板前端的中部以检测待修剪灌木的高度和方位，该激光雷达与所述控制器连接。

进一步，还包括扬声器，所述扬声器设置在所述顶板上且与所述控制器连接。

进一步，所述顶板的中心开有中心圆孔，所述顶板的四角下方分别向外延伸有连接板以与所述升降机架连接。

为了实现上述目的，本发明另一方面公开了：

一种灌木修剪机器人的工作方法，包括上述任一所述的灌木修剪机器人，所述工作方法包括以下步骤：

S1，电源通电后，舵机Ⅰ转动不同角度，带动机器视觉模块对理想立体灌木样品拍摄不同角度的图片；所述机器视觉模块识别出理想立体灌木样品对应的立体灌木形状，并向控制器发送目标灌木形状信号；

S2，所述控制器根据所述目标灌木形状信号，控制修剪刀具上的各个舵机，进而控制所述修剪刀具调整为与所述目标灌木形状相对应的刀具形状；

S3，设置在顶板上的激光雷达识别并确定待修剪灌木的方位和高度并发送信号给所述控制器，所述控制器控制可升降机架调整为与目标灌木高度相对应的高度，并根据导向传感器的信息控制行走轮向待修剪灌木前进；

S4，固定在所述可升降机架左右两侧的侧连杆上的激光雷达识别并确定机器人到达待修剪灌木的修剪位置后，向所述控制器发送到达信号，所述控制器控制所述行走轮停止行走；所述控制器控制修剪电机以一定转速转动，从而带动所述修剪刀具旋转对机器人正下方的灌木进行修剪，将其修剪为目标形状；

S5，所述控制器控制机器人继续行进，对下一丛灌木进行修剪。

可选地，所述控制器，在一列灌木修剪完毕后，控制扬声器进行语音播报，播报内容为“此列灌木已修剪，祝您生活愉快！”。

具体地，上述S3中，所述控制器向丝杠电机发送相应pwm波，进而控制带支撑架将机器人调整为与目标灌木高度相对应的高度。

具体地，上述S4中，所述控制器控制所述修剪电机以一定转速转动两圈，带动所述修剪刀具旋转两圈，从而对机器人正下方的灌木进行修剪，将其修剪为目标形状。

该灌木修剪机器人及其工作方法具有以下有益效果：

（1）本发明中，整个机器人中间架空，为修剪灌木提供了空间，结构巧妙；修剪刀具形状可变，控制器可根据机器视觉模块识别结果将刀具调整为相应形状，从而可将灌木修剪为不同形状，显著提高了其修剪的多功能性和智能化程度。

（2）本发明中，机器人可根据激光雷达确定的待修剪灌木的高度升降到合适位置，从而实现对不同高度灌木的修剪，大大提高了该机器人对不同高度灌木修剪的适应性，进一步提高了其修剪的多功能性和智能化程度。

（3）本发明在具体应用过程中，智能stm32芯片保证了其智能性，锂电池+太阳能电池板供电保证了其续航时间，两个驱动轮+两个万向轮的设计保证了其转向前进的灵活性，九轴传感器保证了其行走路线的准确性，激光雷达保证了其修剪位置的准确性，步进电机搭载行星减速机的设计保证了驱动丝杠机构的力矩要求，丝杠机构保证了其对不同高度灌木修剪的适应性，OpenMV机器视觉模块及智能可变形灌木修剪刀具的设计保证了其修剪的多功能性，扬声器语音播报的功能保证了该产品的人性化的特点。整体来说，相比人工修剪的成本高昂、繁重劳累、低效率，本发明操作简便、自动化程度高、节省成本及人力、续航时间长、转向灵活、修剪准确高效、适应性广、功能强大。

附图说明

图1：本发明实施方式中灌木修剪机器人的结构示意图；

图2：本发明实施方式中灌木修剪机器人主视图；

图3：本发明实施方式中灌木修剪机器人的工作示意图；

图4：本发明实施方式中灌木修剪机器人的支架上下调节示意图；

图5：本发明实施方式中修剪刀具的变形示意图Ⅰ；

图6：本发明实施方式中修剪刀具的变形示意图Ⅱ。

附图标记说明：

1—电池；2—修剪电机承载盘；3—修剪电机；4—控制器；5—导向传感器；6—扬声器；7—顶板；8—机器视觉模块；9—舵机Ⅰ；10—修剪刀具；11—支架；12—侧连杆；13—激光雷达；14—驱动电机；15—车轮安装板；16—驱动轮；17—万向轮；18—丝杠电机；19—套管。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明：

图1至图6示出了本发明灌木修剪机器人及其工作方法的具体实施方式。图1和图2是本实施方式中灌木修剪机器人的结构示意图；图3是本实施方式中灌木修剪机器人的工作示意图；图4是本实施方式中支架上下调节示意图；图5和图6是本实施方式中修剪刀具的变形示意图。

如图1和图2所示，本实施方式中的灌木修剪机器人，包括顶板7和可升降机架，顶板7设置在所述可升降机架顶端，所述可升降机架中间架空，四角底端分别设置有行走轮，电池1、控制器4、导向传感器5、机器视觉模块8、激光雷达13和修剪电机3均设置在顶板7上；修剪电机3的输出轴向下伸出并连接修剪刀具10，修剪刀具10是可变形修剪刀具，且位于所述可升降机架的中间架空处。

优选地，修剪刀具10包括多段子刀片，各段子刀片通过相应的舵机依次连接形成可变形修剪刀具；所述各舵机与控制器4连接，如图1、图2、图5和图6所示，控制器4控制各舵机将修剪刀具10调整为与目标灌木形状相对应的刀具形状。

优选地，修剪电机3通过修剪电机承载盘2设置在顶板7的中心处，且穿过顶板7的中心圆孔向下延伸，如图1、图2、图5和图6所示。

优选地，所述可升降机架包括四组支撑架11，支撑架11上端和顶板7连接，支撑架11下端通过升降机构与相应的车轮安装板15连接，如图1、图2、图4、图5和图6所示。

优选地，所述升降机构包括丝杠及丝杠螺母，所述丝杠的下端通过轴承和相应的车轮安装板15连接，所述丝杠的上端与丝杠电机18连接，所述丝杠螺母的两侧分别固连有套管19，套管19与相应支撑架11固连，如图1、图2、图4、图5和图6所示。

优选地，所述可升降机架的左右两侧还分别设置有侧连杆12，侧连杆12上还相对设置有激光雷达13，该激光雷达13与控制器4连接以识别并确定待修剪灌木的位置，并向控制器4发送到达信号，如图1、图2、图5和图6所示。

优选地，所述行走轮有四个，前端两行走轮是万向轮17，后端两行走轮是驱动轮16；驱动轮16的驱动电机14和控制器4连接，驱动电机14上还设置有码盘，驱动电机14通过驱动电机托设置在相应的车轮安装板15上，如图1、图2、图5和图6所示，码盘测量轴转角计步。

优选地，电池1包括太阳能电池板和锂电池，所述太阳能电池板架设在顶板7的正上方，如图1、图2、图5和图6所示。

优选地，控制器4采用智能stm32芯片作为主控制器。

优选地，导向传感器5采用九轴传感器，且与控制器4连接。

优选地，机器视觉模块8采用OpenMV机器视觉模块，且通过舵机Ⅰ9设置在顶板7的右前方，对右前方的理想立体灌木样品拍摄不同角度的图片，从而识别出样品对应的立体灌木形状，并向控制器4发送目标灌木形状信号，如图1、图2、图5和图6所示。

优选地，顶板7上的激光雷达13设置在顶板7前端的中部以检测待修剪灌木的高度和方位，该激光雷达13与控制器4连接，如图1、图2、图5和图6所示。该激光雷达13识别出待修剪灌木高度后，控制器4向升降机构的丝杠电机18发送相应pwm波，进而控制支撑架11将机器人调整为与目标灌木高度相对应的高度，从而提高修剪的准确性。

优选地，还包括扬声器6，扬声器6设置在顶板7上且与控制器4连接。

优选地，顶板7的中心开有中心圆孔，顶板7的四角下方分别向外延伸有连接板以与所述升降机架的支撑架11连接，如图1、图2、图5和图6所示。本实施例中，所述太阳能电池板用螺栓联接固定在有中心圆孔的机器人顶板7的正上方；修剪电机承载盘2用螺栓联接固定在有中心圆孔的机器人顶板7的圆孔边缘处；修剪电机3固定在修剪电机承载盘2下方，穿过有中心圆孔的机器人顶板7的中心圆孔；修剪刀具10的上端固连在修剪电机3的主轴上；控制器4、导向传感器5、扬声器6分别固定在有中心圆孔的机器人顶板7上的修剪电机3附近处。

本实施例中，丝杠电机18采用搭载行星减速机的步进电机，驱动电机14采用38直流行星减速器电机，修剪电机3采用永磁直流电机。

本发明由智能stm32芯片作为主控制器；由锂电池+太阳能电池板作为电源；由橡胶车轮+直流电机+码盘来实现机器人行走，共使用橡胶车轮四个，即两个驱动轮和两个万向轮；由九轴传感器控制机器人导向；由激光雷达确定机器人进行灌木修剪的位置；由丝杠机构实现该产品的可升降功能，从而能够对不同高度的灌木进行修剪；由OpenMV机器视觉模块识别所要修剪的理想立体灌木样品；由形状可自行根据视觉识别结果进行调节的灌木修剪刀具显著提高产品多功能性，从而实现对立体灌木的精准修剪；由扬声器进行语音播报；具有操作简便、自动化程度高、节省成本及人力、续航时间长、转向灵活、修剪准确高效、适应性广、功能强大等诸多优点。

本实施方式中的灌木修剪机器人，工作时：

S1，电源通电后，舵机Ⅰ9转动不同角度，带动机器视觉模块8对理想立体灌木样品拍摄不同角度的图片；机器视觉模块8识别出理想立体灌木样品对应的立体灌木形状，并向控制器4发送目标灌木形状信号；

S2，控制器4根据所述目标灌木形状信号，控制修剪刀具10上的各个舵机，进而控制修剪刀具10调整为与所述目标灌木形状相对应的刀具形状；如图1、图5和图6所示，当然，刀具形状不局限于此；

S3，设置在顶板7上的激光雷达13识别并确定待修剪灌木的方位和高度并发送信号给控制器4，控制器4控制可升降机架调整为与目标灌木高度相对应的高度，并根据导向传感器5的信息控制行走轮向待修剪灌木前进；

S4，固定在所述可升降机架左右两侧的侧连杆12上的激光雷达13识别并确定机器人到达待修剪灌木的修剪位置后，向控制器4发送到达信号，控制器4控制所述行走轮停止行走；控制器4控制修剪电机3以一定转速转动，从而带动修剪刀具10旋转对机器人正下方的灌木进行修剪，将其修剪为目标形状，如图3所示；

S5，控制器4控制机器人继续行进，对下一丛灌木进行修剪。

可选地，控制器4，在一列灌木修剪完毕后，控制扬声器6进行语音播报，播报内容为“此列灌木已修剪，祝您生活愉快！”。

优选地，上述S3中，控制器4向丝杠电机18发送相应pwm波，进而控制带支撑架11将机器人调整为与目标灌木高度相对应的高度。

优选地，上述S4中，控制器4控制修剪电机3以一定转速转动两圈，带动所述修剪刀具10旋转两圈，从而对机器人正下方的灌木进行修剪，将其修剪为目标形状。

具体地，本实施例中，当电源通电后，舵机Ⅰ9转动不同角度，带动OpenMV机器视觉模块8对右前方的理想立体灌木样品拍摄不同角度的图片，从而识别出样品对应的立体灌木形状，然后向stm32控制器4发送目标灌木形状信号； stm32控制器4控制可变形灌木修剪刀具10上的各个舵机，进而控制可变形灌木修剪刀具10调整为与目标灌木形状相对应的刀具形状；固定在机器人顶板7正前方的激光雷达13向机器人正前方待修剪的灌木发送激光束，通过接收反射光束并经过一定信息处理后确定待修剪灌木高度和方位，然后向stm32控制器4发送目标灌木高度信号；stm32控制器4向升降机构的丝杠上端的丝杠电机18，发送相应pwm波，进而控制支撑架11升降将机器人调整为与目标灌木高度相对应的高度；stm32控制器4控制驱动电机14转动，进而控制驱动轮16转动驱动机器人前进，码盘16开始工作，测量轴转角计步；导向传感器5，也即九轴传感器，向stm32控制器4传输机器人加速度、姿态、运动方向等信息，随后stm32控制器4通过控制两个驱动电机14来控制两个驱动轮16差速或等速转动来控制机器人导向；固定在侧连杆12的激光雷达13识别并确定机器人到达灌木修剪的位置后，向stm32控制器4发送到达信号，随后stm32控制器4控制驱动电机14停止转动，机器人停止行走；stm32控制器4控制修剪电机3，以一定转速转动两圈，带动智能可变形灌木修剪刀具10旋转两圈，从而对机器人正下方的灌木进行修剪，将其修剪为目标形状，即完成一个工作循环；stm32控制器4控制机器人继续行进，对下一丛灌木进行修剪；stm32控制器4在一列灌木修剪完毕后控制扬声器6进行语音播报，内容为“此列灌木已修剪，祝您生活愉快！”。

本发明中，整个机器人中间架空，为修剪灌木提供了空间，结构巧妙；修剪刀具形状可变，控制器可根据机器视觉模块识别结果将刀具调整为相应形状，从而可将灌木修剪为不同形状，显著提高了其修剪的多功能性和智能化程度。

本发明中，机器人可根据激光雷达确定的待修剪灌木的高度升降到合适位置，从而实现对不同高度灌木的修剪，大大提高了该机器人对不同高度灌木修剪的适应性，进一步提高了其修剪的多功能性和智能化程度。

本发明在具体应用过程中，智能stm32芯片保证了其智能性，锂电池+太阳能电池板供电保证了其续航时间，两个驱动轮+两个万向轮的设计保证了其转向前进的灵活性，九轴传感器保证了其行走路线的准确性，激光雷达保证了其修剪位置的准确性，步进电机搭载行星减速机的设计保证了驱动丝杠机构的力矩要求，丝杠机构保证了其对不同高度灌木修剪的适应性，OpenMV机器视觉模块及智能可变形灌木修剪刀具的设计保证了其修剪的多功能性，扬声器语音播报的功能保证了该产品的人性化的特点。整体来说，相比人工修剪的成本高昂、繁重劳累、低效率，本发明操作简便、自动化程度高、节省成本及人力、续航时间长、转向灵活、修剪准确高效、适应性广、功能强大。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种灌木修剪机器人，其特征在于，包括顶板和可升降机架，所述顶板设置在所述可升降机架顶端，所述可升降机架中间架空，四角底端分别设置有行走轮，电池、控制器、导向传感器、机器视觉模块、激光雷达和修剪电机均设置在所述顶板上；所述修剪电机的输出轴向下伸出并连接修剪刀具，所述修剪刀具是可变形修剪刀具，且位于所述可升降机架的中间架空处。

2.根据权利要求1所述的灌木修剪机器人，其特征在于，所述修剪刀具包括多段子刀片，所述子刀片通过相应的舵机依次连接形成可变形修剪刀具；所述各舵机与所述控制器连接。

3.根据权利要求1或2所述的灌木修剪机器人，其特征在于，所述可升降机架包括四组支撑架，所述支撑架上端和所述顶板连接，所述支撑架下端通过升降机构与相应的车轮安装板连接。

4.根据权利要求1至3任一所述的灌木修剪机器人，其特征在于，所述可升降机架的左右两侧还分别设置有侧连杆，所述侧连杆上还相对设置有激光雷达，该激光雷达与所述控制器连接以识别并确定待修剪灌木的位置。

5.根据权利要求1至4任一所述的灌木修剪机器人，其特征在于，所述行走轮有四个，前端两行走轮是万向轮，后端两行走轮是驱动轮；所述驱动轮的驱动电机和所述控制器连接，所述驱动电机上还设置有码盘。

6.根据权利要求1至5任一所述的灌木修剪机器人，其特征在于，所述电池包括太阳能电池板和锂电池，所述太阳能电池板架设在所述顶板的正上方。

7.根据权利要求1至6任一所述的灌木修剪机器人，其特征在于，所述机器视觉模块采用OpenMV机器视觉模块，且通过舵机Ⅰ设置在所述顶板的右前方，对右前方的理想立体灌木样品拍摄不同角度的图片，从而识别出样品对应的立体灌木形状，并向所述控制器发送目标灌木形状信号。

8.根据权利要求1至7任一所述的灌木修剪机器人，其特征在于，所述顶板上的激光雷达设置在所述顶板前端的中部以检测待修剪灌木的高度和方位，该激光雷达与所述控制器连接。

9.一种灌木修剪机器人的工作方法，其特征在于，包括上述权利要求1至8任一所述的灌木修剪机器人，所述工作方法包括以下步骤：

S1，电源通电后，舵机Ⅰ转动不同角度，带动机器视觉模块对理想立体灌木样品拍摄不同角度的图片；所述机器视觉模块识别出理想立体灌木样品对应的立体灌木形状，并向控制器发送目标灌木形状信号；

S2，所述控制器根据所述目标灌木形状信号，控制修剪刀具上的各个舵机，进而控制所述修剪刀具调整为与所述目标灌木形状相对应的刀具形状；

S3，设置在顶板上的激光雷达识别并确定待修剪灌木的方位和高度并发送信号给所述控制器，所述控制器控制可升降机架调整为与目标灌木高度相对应的高度，并根据导向传感器的信息控制行走轮向待修剪灌木前进；

S4，固定在所述可升降机架左右两侧的侧连杆上的激光雷达识别并确定机器人到达待修剪灌木的修剪位置后，向所述控制器发送到达信号，所述控制器控制所述行走轮停止行走；所述控制器控制修剪电机以一定转速转动，从而带动所述修剪刀具旋转对机器人正下方的灌木进行修剪，将其修剪为目标形状；

S5，所述控制器控制机器人继续行进，对下一丛灌木进行修剪。

10.根据权利要求9所述的灌木修剪机器人的工作方法，其特征在于，扬声器设置在所述顶板上且与所述控制器连接；所述控制器，在一列灌木修剪完毕后，控制扬声器进行语音播报，播报内容为“此列灌木已修剪，祝您生活愉快！”。