CN111468455A - 一种猪场粪道清洗机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及猪场粪道清洗装置，尤其涉及一种猪场粪道清洗机器人。包括车体行走机构与喷水机构；车体行走机构为双履带式结构，包括车身基座、走行电机、驱动轮与履带，驱动轮安装在车身基座两侧，履带安装在驱动轮上，走行电机与驱动轮相连，并带动驱动轮旋转，进而带动机器人行走；喷水机构包括旋转支撑机构、俯仰机构与高压喷头，旋转支撑机构固定在车身基座上，俯仰机构固接在旋转支撑机构上，高压喷头固接在俯仰机构上，高压喷头与高压水管相连，旋转支撑机构带动喷头水平旋转，俯仰机构带动喷头做俯仰运动，实现高压喷头全方位无死角的运动。无需工作人员进入到粪道中，便可实现高压水向粪道侧壁和地面以及顶棚的全方位喷射清洗。
Description
技术领域
本发明涉及猪场粪道清洗装置，尤其涉及一种猪场粪道清洗机器人。
背景技术
规模化养猪，环境控制是关键。我们知道现在猪病产生的主要原因就是猪场卫生条件差，要想养好猪，每天都要保持猪舍的清洁，尤其是在炎热的夏天，如果一天不清理猪粪尿，猪舍内的氨气就会严重超标，导致猪只流眼泪、咳嗽，引起猪呼吸道疾病，增加养猪成本，因此，生猪养殖一定要搞好猪场卫生。
但是，目前大型猪场的产仔舍的水泡粪道通常都采用人工清粪。粪道的高度一般在70至90公分，长度一般15m，并且地面附着5公分的水泡粪。人工下到粪道清粪，需要长时间弯腰拖拽高压水管向四周冲洗，就会有工作环境差，劳动强度大，工作效率低等弊端，而且由于猪粪的长时间水泡，在人工拔掉露粪塞后会从下粪口冒出毒气致人中毒甚至死亡。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种猪场粪道清洗机器人。可拖拽高压水管进入粪道，在粪道中沿一定路线自动往复运动，在往复运动的同时，通过高压喷头的俯仰和水平转动，实现高压水的向粪道侧壁和地面以及顶棚的全方位喷射清洗；整个清洗过程中不需要工作人员进入到粪道中，避免了工作人员在粪道进行清洗消毒作业所产生的风险，保证了工作人员的人身安全和良好的工作体验。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种猪场粪道清洗机器人，包括车体行走机构与喷水机构；所述车体行走机构为双履带式结构，包括车身基座、走行电机、驱动轮与履带，驱动轮安装在车身基座两侧，走行电机与驱动轮相连，并带动驱动轮旋转，履带内齿与驱动轮外齿相啮合，并通过驱动轮带动其运行，进而带动机器人行走；喷水机构包括旋转支撑机构、俯仰机构与高压喷头，旋转支撑机构固定在车身基座上，俯仰机构固接在旋转支撑机构上，高压喷头固接在俯仰机构上，高压喷头与高压水管相连，旋转支撑机构带动高压喷头水平旋转，俯仰机构带动高压喷头做俯仰运动，通过旋转支撑机构与俯仰机构联合运动，实现高压喷头全方位无死角的运动。
所述履带上设有等间距分布的凸起，整个履带采用橡胶材料制作。
所述车身基座与车体行走机构的轴系均采用不锈钢材料制作。
所述车体行走机构还包括减速器、同步带轮、同步带、支重轮、涨紧轮、限位顶丝与自动涨紧机构；走行电机沿相反方向交错布置，固定于车身基座底部，通过两个同步带轮和同步带分别与车体两侧的驱动轮相连；支重轮通过侧连接支架固定在车身基座侧壁上；涨紧轮安装在车体前端，通过自动涨紧装置保证履带始终处于紧绷状态。
所述自动涨紧机构包括滑块、滑道、滑道连接板、弹簧避震器；滑块固定在车身基座的侧壁上，滑道一端连接涨紧轮、另一端通过滑道连接板与弹簧避震器相连，滑道通过滑块导向；弹簧避震器上的弹簧由于压缩，进而产生一定的推力，并通过滑道传递到涨紧轮，限制涨紧轮向后移动，从而使履带始终保持紧绷状态；车身基座侧壁上设有顶丝座，限位顶丝通过其保证与滑道同一高度，限制滑道向后的位移行程，为弹簧避震器提供过载保护。
所述喷水机构还包括弯头与高压软管；弯头固定在车身基座后方，高压水管与弯头相连，弯头与高压软管相连，高压软管与高压喷头相连。
所述俯仰机构包括负载盘、俯仰舵机、舵机固定支架、舵机摇摆支架、连接臂、旋转头与旋转头固定支架；俯仰舵机和旋转头分别通过舵机固定支架和旋转头固定支架与负载盘相连；俯仰舵机控制舵机摇摆支架摆动，经过连接臂拉动旋转头一端上下运动，旋转头与高压喷头相连，从而带动高压喷头做俯仰运动。
所述旋转支撑机构包括车体前盖板、水平舵机、舵盘与支撑座；水平舵机固定在车体前盖板上，水平舵机前端出轴带动舵盘360°全方位回转，支撑座一端固定在车体前盖板上，支撑座支撑舵盘。
还包括控制器、避障传感器、测距传感器、摄像头、无线数传图传发送模块、无线数传图传接收模块与锂电池；避障传感器安装在车身基座的前后两端，测距传感器安装在车身基座的侧面，摄像头安装在车身基座的前方顶部；伺服电机、避障传感器、水平舵机、俯仰舵机、测距传感器、无线数传图传发送模块、锂电池、控制器电气相连，控制器由锂电池供电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)分析粪道清洗机器人的工作状况，猪场通廊窄，限制机器人宽度；需要机器人完成低速前后运动，左右原地转向；拖拽高压水管行走，需要更大的驱动力。为满足以上要求，本发明选用了双履带式结构，整个基座采用不锈钢材料，在有限的车体空间内，传动设计采用双电机交错布置，并搭载减速器、传动同步带增加速比。
(2)本发明高压喷头与高压水管相连，清洗机器人拖拽高压水管进入粪道，在粪道中沿直线往复运动，在往复运动的同时，旋转支撑机构带动喷头水平旋转，俯仰机构带动喷头做俯仰运动，旋转机构与俯仰机构联合运动，实现高压喷头全方位无死角的运动，实现高压水的向粪道侧壁和地面以及顶棚的全方位喷射，实现行走过程中三维空间全方位清洗。整个清洗过程中不需要工作人员进入到粪道中，避免了工作人员在粪道进行清洗消毒作业所产生的风险，保证了工作人员的人身安全和良好的工作体验。
(3)本发明履带上设计有凸起的等间距分布的橡胶结构，进一步增加了机器人的越障能力和环境适应能力。
(4)本发明整个车身基座和轮子的轴系均采用不锈钢材料，增加了机器人对酸性液体环境适应能力。
(5)本发明高压软管与旋转头相连，旋转头与高压喷头相连，旋转头本身拥有两自由度，它由两个半体连接而成，俯仰运动时，高压软管接头处不动；旋转运动时，高压软管接头可沿旋转头另一半体轴向自由旋转，从而减小高压软管的摆动幅度，从而减小高压软管的损耗。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图；
图2为本发明结构示意主视图；
图3为本发明车体行走机构结构示意图；
图4为本发明旋转支撑机构结构示意图；
图5为本发明喷头与俯仰机构结构示意图；
图6为本发明电气原理框图；
图7为本发明的控制器主控MCU电路结构图；
图8为本发明的控制器CAN接口电路结构图；
图9为本发明的控制器数字输入接口电路和PWM输出接口电路结构图；
图10为本发明的控制器RS485接口电路结构图；
图11为本发明的控制器RS232接口电路结构图；
图12为本发明的控制器SBUS接口电路结构图；
图13为本发明的控制器5V电源电路结构图；
图14为本发明的控制器3.3V电源电路结构图。
图中：1-驱动轮，2-履带，3-车身基座，4-弯头，5-红外避障传感器，6-测距传感器，7-高压软管，8-高压水管，9-支重轮，10-侧连接支架，11-弹簧避震器，12-限位顶丝，13-顶丝座，14-不锈钢滑道，15-滑道连接板，16-涨紧轮，17-滑块，18-摄像头，19-走行电机，20-减速器，21-同步带轮，22-同步带，23-水平舵机，24-车体前盖板，25-支撑座，26-舵盘，27-负载盘，28-俯仰舵机，29-舵机固定支架，30-舵机摇摆支架，31-连接臂，32-旋转头，33-高压喷头，34-旋转头固定支架35-锂电池
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明，但不用来限制本发明的范围：
实施例：
如图1、图2所示，一种猪场粪道清洗机器人，包括车体行走机构与喷水机构。由于机器人所在的工作环境复杂，粪道地面不平整，有一定高度的有酸性稀粪残留，因此，车体行走机构选用了双履带式结构。分析猪场的布局和粪道的工作状况，需要机器人完成低速前后运动，左右原地转向。为满足以上要求，设计采用后驱动轮式结构，用电机驱动模块控制电机实现低速正反转。履带2上设计有凸起的等间距分布的橡胶结构，进一步增加了机器人的越障能力和环境适应能力。机器人在粪道行走时拖拽高压水管8一起行进，高压水经过固定在车身基座3后方的弯头4、高压软管7由高压喷头喷出，通过高压喷头的俯仰和水平转动，实现高压水的向粪道侧壁和地面以及顶棚的全方位喷射。
如图1-3所示，机器人的走行机构包括走行电机19、驱动轮1、支重轮9、履带2，涨紧轮16，走行电机19采用伺服电机。驱动轮1上的轮齿带动履带2正反转动，使机器人向前、后方行走。支重轮9通过侧连接支架10固定在车身基座3的侧壁上，起到支撑整个车体重量的作用。涨紧轮16安装在车体前端，通过自动涨紧装置保证履带始终处于紧绷状态。自动涨紧机构包括不锈钢滑道14、滑块17、滑道连接板15、弹簧避震器11，滑块14固定在车身基座3的侧壁上，滑道14一端连接涨紧轮16、另一端通过滑道连接板15与弹簧避震器11相连，滑道14通过滑块17导向，可在一定行程内前后移动。车身基座3侧壁上还设有顶丝座13，限位顶丝12通过顶丝座13保证与滑道14同一高度，同时限位顶丝12上有螺纹可调节其伸缩量。上述车身基座3和各轮的轴系均采用不锈钢材料，因为工作环境有一定高度的稀粪积液。
如图3所示，机器人的驱动力来源为车身基座内部的走行电机19，走行电机19与减速器20直连并沿相反方向交错布置，通过两个同步带轮21和同步带22分别与两侧的驱动轴相连，将动力分别传递到左右轮上，左右驱动轮带动整个履带的运动。
如图1、图2、图5所示，喷水机构包括旋转支撑机构、俯仰机构、高压喷头33、弯头4与高压软管7。弯头4固定在车身基座3后方，高压水管8与弯头4一端相连，弯头4另一端与高压软管7相连，高压软管7通过旋转头32与高压喷头33相连。高压水管8和高压软管7可承受最大使用压力为25MPa，优选使用压力为15～18MPa的高压水。
如图4所示，机器人的旋转支撑机构包括车体前盖板24、舵机23、舵盘26、支撑座25。车体前盖板24为了方便拆卸在其上设有螺栓孔，可通过连接螺栓将其固定与车身基座3上；舵机23通过螺栓固定在车体前盖板24上，舵机前端出轴带动舵盘26全方位回转，支撑座25一端固定在车体前盖板24上，并将舵盘支撑起一定高度，方便密封并预留螺栓螺母的安装空间。
如图5所示，俯仰机构包括负载盘27、俯仰舵机28、舵机固定支架29、舵机摇摆支架30、连接臂31、旋转头32、旋转头固定支架34。舵机28和旋转头32分别通过舵机固定支架29和旋转头固定支架34用螺栓连接在负载盘上；整个机构的俯仰是通过四连杆机构来实现的，俯仰舵机28控制舵机摇摆支架30在一定范围内摆动，经过连接臂31拉动旋转头32一端上下运动，高压喷头33与旋转头32相连，从而带动高压喷头33做俯仰运动。负载盘27承载整个俯仰机构重量，并通过螺栓连接到旋转支撑机构的舵盘26上。通过旋转机构和俯仰机构的联合运动，可实现高压喷头全方位无死角的运动。旋转头12本身拥有两自由度，它由两个半体连接而成，俯仰运动时，高压软管7接头处不动；旋转运动时，高压软管7接头可沿旋转头32另一半体轴向自由旋转，从而减小高压软管7的摆动幅度，从而减小高压软管7的损耗。
如图1-14所示，本发明控制系统包括：控制器、伺服电机(走行电机19)、红外避障传感器5、水平舵机23、俯仰舵机28、测距传感器6、摄像头18、无线数传图传发送模块、无线数传图传接收模块、锂电池35。红外避障传感器5安装在车身基座3的前后两端，测距传感器6安装在车身基座3的一个侧面，摄像头18安装在车身基座3前端顶部。
如图6-14所示，伺服电机、红外避障传感器5、水平舵机23、俯仰舵机28、测距传感器6、无线数传图传发送模块均与控制器连接，控制器由锂电池35供电。摄像头18与无线数传图传发送模块连接，无线数传图传接收模块用于接收无线数传图传发送模块的数据。控制器通过控制伺服电机转动速度来控制机器人的行走路线，根据接收红外避障传感器5的数据来控制机器人继续行走还是停止；控制器控制水平舵机23和俯仰舵机28完成粪道内的全方位清洗，测距传感器6将距离参数传给控制器，控制器根据距离偏差调整左右两个伺服电机的转动速度实现路线的精确控制。摄像头18的图像数据与控制器的上传数据通过无线数传图传发送模块发送到无线数传图传接收模块，此时无线接收模块通过数据线连接手机的app，用于显示粪道内的实时图像与机器人的状态参数。
控制器为单片机控制器，包括主控MCU、CAN接口电路、数字输入接口电路、PWM输出接口电路、RS485接口电路、SBUS接口电路、电源电路均与控MCU连接。CAN接口电路由TJA1050芯片组成，输入端与两个伺服电机的驱动接口相连接；数字输入接口电路由74HC245芯片组成，输入端与两个避障传感器相连接；PWM输出接口电路由74HC245芯片组成，输入端与水平舵机和俯仰舵机相连接；RS485接口电路由MAX485芯片组成，输入端与两个测距传感器相连接；RS232接口电路由SP232芯片组成，输入端与无线数传图传模块相连接；SBUS接口电路由74LVC2G240芯片组成，输入端与无线数传图传发送模块相连接；电源电路由URB_YMD_15WR3以及AMS1117-3.3V芯片组成，输入端与锂电池35相连接。
本发明不需要工作人员进入到粪道中，清洗机器人从指定位置进入粪道，机器人在粪道内自动行走，通过水平和俯仰舵机控制高压水喷头33进行全方位无死角冲洗。机器人采用双履带移动式走行机构设计，采用双减速电机加同步带轮驱动，使机器人在机身体积小的情况下可以输出高扭矩；通过特殊的旋转机构设计，在保证密封性的同时，在喷头的俯仰和水平运动中，与之连接的高压软管7仅产生小幅度位移，避免接头处因长期大范围的往复移动导致泄露的现象；整个车身基座3和轮子的轴系均采用不锈钢材料，增加了机器人对酸性液体环境适应能力。红外避障传感器5用于障碍物检测，测距传感器6用于在狭小空间的路线循迹，清洗完成后自动回到原点，摄像头18可将实时图像数据上传到与手机相连接的无线图传数传接收模块，手机APP端可实时观察粪道内的清洗情况。避免了工作人员在粪道进行清洗消毒作业所产生的风险，保证了工作人员的人身安全和良好的工作体验。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种猪场粪道清洗机器人，其特征在于：包括车体行走机构与喷水机构；所述车体行走机构为双履带式结构，包括车身基座、走行电机、驱动轮与履带，驱动轮安装在车身基座两侧，走行电机与驱动轮相连，并带动驱动轮旋转，履带内齿与驱动轮外齿相啮合，并通过驱动轮带动其运行，进而带动机器人行走；喷水机构包括旋转支撑机构、俯仰机构与高压喷头，旋转支撑机构固定在车身基座上，俯仰机构固接在旋转支撑机构上，高压喷头固接在俯仰机构上，高压喷头与高压水管相连，旋转支撑机构带动高压喷头水平旋转，俯仰机构带动高压喷头做俯仰运动，通过旋转支撑机构与俯仰机构联合运动，实现高压喷头全方位无死角的运动。
2.根据权利要求1所述的一种猪场粪道清洗机器人，其特征在于：所述履带上设有等间距分布的凸起，整个履带采用橡胶材料制作。
3.根据权利要求1所述的一种猪场粪道清洗机器人，其特征在于：所述车身基座与车体行走机构的轴系均采用不锈钢材料制作。
4.根据权利要求1所述的一种猪场粪道清洗机器人，其特征在于：所述车体行走机构还包括减速器、同步带轮、同步带、支重轮、涨紧轮、限位顶丝与自动涨紧机构；走行电机沿相反方向交错布置，固定于车身基座底部，通过两个同步带轮和同步带分别与两侧的驱动轮相连；支重轮通过侧连接支架固定在车身基座侧壁上；涨紧轮安装在车体前端，通过自动涨紧装置保证履带始终处于紧绷状态。
5.根据权利要求4所述的一种猪场粪道清洗机器人，其特征在于：所述自动涨紧机构包括滑块、滑道、滑道连接板、弹簧避震器；滑块固定在车体基座的侧壁上，滑道一端连接涨紧轮、另一端通过滑道连接板与弹簧避震器相连，滑道通过滑块导向；弹簧避震器上的弹簧由于压缩，进而产生推力，并通过滑道传递到涨紧轮，限制涨紧轮向后移动，从而使履带始终保持紧绷状态；车身基座侧壁上设有顶丝座，限位顶丝通过其保证与滑道同一高度，限制滑道向后的位移行程，为弹簧避震器提供过载保护。
6.根据权利要求1所述的一种猪场粪道清洗机器人，其特征在于：所述喷水机构还包括弯头与高压软管；弯头固定在车身基座后方，高压水管与弯头相连，弯头与高压软管相连。
7.根据权利要求6所述的一种猪场粪道清洗机器人，其特征在于：所述俯仰机构包括负载盘、俯仰舵机、舵机固定支架、舵机摇摆支架、连接臂、旋转头与旋转头固定支架；俯仰舵机和旋转头分别通过舵机固定支架和旋转头固定支架与负载盘相连；俯仰舵机控制舵机摇摆支架摆动，经过连接臂拉动旋转头一端上下运动，高压软管与旋转头相连，旋转头与高压喷头相连，从而带动高压喷头做俯仰运动。
8.根据权利要求1所述的一种猪场粪道清洗机器人，其特征在于：所述旋转支撑机构包括车体前盖板、水平舵机、舵盘与支撑座；水平舵机固定在车体前盖板上，水平舵机前端出轴带动舵盘360°全方位回转，支撑座一端固定在车体前盖板上，支撑座支撑舵盘。
9.根据权利要求1或7或8所述的一种猪场粪道清洗机器人，其特征在于：还包括控制器、避障传感器、测距传感器、摄像头、无线数传图传发送模块、无线数传图传接收模块与锂电池；避障传感器安装在车身基座的前后两端，测距传感器安装在车身基座的侧面，摄像头安装在车身基座的前方顶部；伺服电机、避障传感器、水平舵机、俯仰舵机、测距传感器、无线数传图传发送模块、锂电池、控制器电气相连，控制器由锂电池供电。
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