CN112623062B - 一种行走底盘及工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行走底盘及工程机械，行走底盘包括框架，所述框架设有可绕纵轴转动的关节I，所述关节I连接可绕横轴转动的支腿I，所述支腿I连接可绕横轴转动的支腿II，所述支腿II连接可绕横轴转动的脚板。上述行走底盘，可以兼顾多种农业机械作业方式，具有越障机动能力强和行走自由度高的特点。

Description

一种行走底盘及工程机械

技术领域

本发明涉及步履式底盘技术领域，特别涉及一种行走底盘。还涉及一种工程机械。

背景技术

农业机械的门类繁多，分为野外作业、场院作业、室内作业、水域作业、道路作业和航空作业等类型，地面行驶机械占绝大多数。

地面行驶机械的行驶方式包括轮式、履带式、爬行式和双足行走式等。其中，传统轮式底盘在野外田间通过性相对较弱，在设计过程中传统轮式车辆布局约束较多；履带式行驶方式对地形的适应能力强，可以翻越障碍、攀爬阶梯跨过壕沟，但是传动效率相对较低。

因此，如何能够提供一种兼顾多种农业机械作业方式、越障机动能力强、行走自由度高的行走底盘是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种行走底盘，可以兼顾多种农业机械作业方式，具有越障机动能力强和行走自由度高的特点。本发明的另一目的是提供一种工程机械。

为实现上述目的，本发明提供一种行走底盘，包括框架，所述框架设有可绕纵轴转动的关节I，所述关节I连接可绕横轴转动的支腿I，所述支腿I连接可绕横轴转动的支腿II，所述支腿II连接可绕横轴转动的脚板。

优选地，所述支腿I和所述支腿II通过关节II连接。

优选地，包括：设于所述框架且用于驱动所述关节I运动的油缸I，设于所述关节I且用于驱动所述支腿I运动的油缸II，设于所述关节II且用于驱动所述支腿II运动的油缸III和油缸IV，设于所述支腿II且用于驱动所述脚板运动的油缸V。

优选地，所述框架设有：供所述关节I连接的铰接点I，供所述油缸I的缸体连接的铰接点II；所述关节I设有：供所述支腿I连接的铰接点XI，供所述油缸II的缸体连接的铰接点XII，供所述油缸I的杆体连接的铰接点XIII；所述支腿I设有：供所述油缸III的缸体连接的铰接点IV，供所述油缸II的杆体连接的铰接点V；所述关节II设有：供所述油缸III的杆体连接的铰接点XIV，供所述油缸IV的缸体连接的铰接点XV，供所述支腿I和所述支腿II连接铰接点XVI；所述支腿II设有：供所述油缸IV的杆体连接的铰接点VI，供所述油缸V的缸体连接的铰接点VII；所述脚板设有：供所述支腿II连接的铰接点VIII，供所述油缸V的杆体连接的铰接点IX。

优选地，包括控制器以及设于所述框架的动力系统和液压系统，所述液压系统具有液压泵和液压伺服电磁阀，所述控制器连接所述液压伺服电磁阀，所述液压伺服电磁阀连接所述油缸I、所述油缸II、所述油缸III、所述油缸IV和所述油缸V。

优选地，包括与所述控制器连接的陀螺仪传感器、压力传感器、位置测距传感器和角度传感器，所述陀螺仪传感器设于所述框架，所述压力传感器设于所述脚板，所述位置测距传感器设于所述框架1、所述支腿I、所述支腿II和所述脚板，所述角度传感器设于所述关节I、所述支腿I、所述支腿II和所述脚板。

优选地，所述框架的外形为倒梯台，所述框架的内部为安装腔。

优选地，所述关节I对称设于所述框架的四个边角处。

本发明还提供一种工程机械，具体为青贮收获机械，包括如上述任一项所述的行走底盘，还包括驾驶室和具有青贮割台、喂入系统、切碎系统、籽粒破碎系统和抛送系统的物料流系统。

本发明还提供一种工程机械，具体为采棉机械，包括如上述任一项所述的行走底盘，还包括驾驶室、棉花采头系统、风送系统和采棉箱。

相对于上述背景技术，本发明所提供的行走底盘包括框架，框架设置并连接关节I，关节I可绕纵轴转动；关节I设置并连接支腿I，支腿I可绕横轴转动；支腿I设置并连接支腿II，支腿II可绕横轴转动；支腿II设置并连接脚板，脚板可绕横轴转动。该行走底盘通过关节I、支腿I、支腿II以及脚板组成一条独立的行走腿，具有四个自由度；在此基础上，在框架的周侧设置多组成对或不成对的行走腿，以构成步履式的行走底盘；该行走底盘具有通用性，可设置不同的农业设备组成不同的农业机械，兼顾多种农业机械作业方式，还具有越障机动能力强和行走自由度高的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的行走底盘的结构示意图；

图2为本发明第一种实施例提供的工程机械的结构示意图；

图3为本发明第二种实施例提供的工程机械的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的行走底盘的控制流程图。

其中：

1-框架、2-支腿、3-脚板、5-关节I、6-关节II、7-动力系统、8-液压系统、9-物料流系统、10-驾驶室、11-棉花采头系统、12-风送系统、13-采棉箱、21-支腿I、22-支腿II、91-青贮割台、92-喂入系统、93-切碎系统、94-籽粒破碎系统、95-抛送系统、101-铰接点I、102-铰接点II、201-铰接点III、202-铰接点IV、203-铰接点V、204-铰接点VI、205-铰接点VII、301-铰接点VIII、302-铰接点IX、401-油缸I、402-油缸II、403-油缸III、404-油缸IV、405-油缸V、501-铰接点X、502-铰接点XI、503-铰接点XII、504-铰接点XIII、601-铰接点XIV、602-铰接点XV、603-铰接点XVI。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图4，其中，图1为本发明实施例提供的行走底盘的结构示意图，图2为本发明实施例提供的青贮收获机械的结构示意图，图3为本发明实施例提供的采棉机械的结构示意图，图4为本发明实施例提供的行走底盘的控制流程图。

在第一种具体的实施方式中，本发明所提供的行走底盘包括框架1，框架1作为行走底盘的主体结构，在主体结构的两侧设置多组成对或不成对的行走腿。其中，行走腿主要包括关节部件、支腿部件和脚部件，关节部件包括关节I5，关节I5具体为两自由度关节，支腿部件为支腿2，支腿2包括支腿I21和支腿II22，脚部件为脚板3。

具体而言，框架1转动连接关节I5，关节I5可绕纵轴转动；关节I5转动连接支腿I21，支腿I21可绕横轴转动；支腿I21转动连接支腿II22，支腿II22可绕横轴转动；支腿II22转动连接脚板3，脚板3可绕横轴转动。

在本实施例中，框架1与支腿2的连接处具有两个自由度，分别为关节I5与框架1之间的纵轴转动以及关节I5与支腿I21之间的横轴转动；支腿2自身具有一个自由度，为支腿I21与支腿II22之间的横轴转动；支腿2与脚板3的连接处具有一个自由度，为支腿2与脚板3之间的横轴转动。综上，该行走底盘的每一个行走腿具有四个自由度，在此基础上，框架1与多组行走腿构成步履式的行走底盘，控制多组行走腿即可实现该行走底盘的行走；该行走底盘具有通用性，可设置不同的农业设备组成不同的农业机械，兼顾多种农业机械作业方式，还具有越障机动能力强和行走自由度高的特点。

在此基础上，为了提高行走腿的运动稳定性和连接可靠性，在支腿2中设置连接支腿I21和支腿II22的关节，也就是说，关节部件还包括膝盖关节，膝盖关节具体为与支腿I21和支腿II22同轴转动连接的关节II6。

需要说明的是，上述行走底盘的行走驱动方式有多种，包括但不限于电力驱动或液压驱动。

在一种具体的实施方式中，该行走底盘采用液压驱动，通过液压驱动油缸，再由油缸驱动上述部件，从而实现上述部件的运动。

具体而言，油缸包括：设于框架1且用于驱动关节I5运动的油缸I401，设于关节I5且用于驱动支腿I21运动的油缸II402，设于支腿II22且用于驱动脚板3运动的油缸V405。

其中，还包括用于驱动支腿II22运动的油缸；为了更好的技术效果，具体包括设于关节II6的油缸III403和油缸IV404，油缸III403和油缸IV404分别连接支腿I21和支腿II22，油缸III403和油缸IV404相互配合，一同为支腿II22提供运动动力，可以提高支腿I21和支腿II22之间的相对驱动角度增大，提高支腿2的活动范围。

更具体的，框架1设有：供关节I5连接的铰接点I101，供油缸I401的缸体连接的铰接点II102；关节I5设有：供框架1连接的铰接点X501（与铰接点I101重合），供支腿I21连接的铰接点XI502，供油缸II402的缸体连接的铰接点XII503，供油缸I401的杆体连接的铰接点XIII504；支腿I21设有：供关节I5连接的铰接点III201（与铰接点XI502重合），供油缸III403的缸体连接的铰接点IV202，供油缸II402的杆体连接的铰接点V203；关节II6设有：供油缸III403的杆体连接的铰接点XIV601，供油缸IV404的缸体连接的铰接点XV602，供支腿I21和支腿II22连接铰接点XVI603；支腿II22设有：供油缸IV404的杆体连接的铰接点VI204，供油缸V405的缸体连接的铰接点VII205；脚板3设有：供支腿II22连接的铰接点VIII301，供油缸V405的杆体连接的铰接点IX302。

在本实施例中，油缸I401为关节I5和支腿2提供整体绕铰接点I101（纵轴或X轴）旋转的动力，油缸II402提供支腿2绕铰接点III201或铰接点XI502（横轴或Y轴）旋转的动力，油缸III403和油缸IV404相互配合并对支腿II22提供绕铰接点XVI603旋转的动力，油缸V405为脚板3提供绕铰接点VIII301旋转的动力。其中，脚板3与地面接触部分布置防滑耐磨材料，提高整机抓地力；脚板3在多自由度的行走腿的带动下具有主动能力，可以主动仿形地面状态，提高整机地面适应能力。

在一种具体的实施方式中，包括控制器以及设于框架1的动力系统7和液压系统8，动力系统7包括发动机总成、散热总成、动力分配总成等，液压系统8包括液压泵、液压储能器、液压伺服电磁阀等，动力系统7和液压系统8的布置位置可以根据不同作业方式采取不同形式。其中，液压系统8具有液压泵和液压伺服电磁阀，控制器连接液压伺服电磁阀，液压伺服电磁阀连接油缸I401、油缸II402、油缸III403、油缸IV404和油缸V405。

具体而言，包括与控制器连接的陀螺仪传感器、压力传感器、位置测距传感器和角度传感器。其中，陀螺仪传感器设于框架1，陀螺仪传感器获取框架1的姿态，包括空间三坐标系中各轴的相对转角，以及各轴向位移、速度等信息；压力传感器设于脚板3，压力传感器感知脚板3与地面的接触力；位置测距传感器设于框架1、支腿I21、支腿II22和脚板3，位置测距传感器获取相应的部件相对框架1的位置信息；角度传感器设于关节I5、支腿I21、支腿II22和脚板3，各铰接点设置的角度传感器读取四自由度上的实时角度信息。

除此以外，油缸I401、油缸II402、油缸III403、油缸IV404和油缸V405均可通过油液压力传感器采集实时压力。

其中，框架1的外形为倒梯台，其外形形状可综合多款机械所需空间调整，框架1的内部为安装腔，其内部空间可供多款机械的设备安装；示例性的，框架1的整体采用钢管材料焊接，内部形成腔体，框架1的结构内允许添加安装接口，根据机型所需空间布置接口形式，安装接口用于布置对应机型部件、系统等。

示例性的，框架1内置并固定陀螺仪传感器和位置测距传感器，陀螺仪传感器和位置测距传感器可固定在框架1的任意位置；在行走腿的四个自由度上设置角度传感器和位置测距传感器，角度传感器的测量轴与相应自由度的铰接轴重合，具体为铰接点I101、铰接点III201、接点XVI603和铰接点VIII301，当然，也可在更多的铰接位置设置角度传感器，同应属于本实施例的说明范围。

在控制方式中，硬件包括具体为Raspberry Pi（RPi）的控制器、角度传感器、位置测距传感器和陀螺仪传感器等，它们的位置相对集中在一起，可任意布置在车身恰当的位置。软件包括存储于控制器中的程序，该程序为虚拟环境中训练完成的网络模型，为深度强化学习网络。

如图4所示，在控制过程中，多种传感器获取信息并输入网络模型，由网络模型根据实时信息以及处理算法，输出控制油缸I401、油缸II402、油缸III403、油缸IV404和油缸V405动作的执行信息。

更具体的，输入信息包括：四个行走腿上四个自由度的实时角度信息（角度传感器），四个脚板3的实时地面压力信息（压力传感器）；框架1的质心在世界坐标系中的三个方向的位移信息、速度信息和相对角位移和角速度信息（陀螺仪传感器）；四个行走支腿2上的脚板3相对框架1的位置信息；四个行走腿中五个油缸现在时刻t1的压力值（油液压力传感器）；整车行驶目标的世界坐标位置，此位置可以是二维平面坐标，亦可以是三维空间坐标。以上66（二维时）或67（三维时）个变量组成的高维向量信息组作为网络模型的输入量。

在此基础上，网络模型的输出为四个行走腿中五个油缸的下一时刻t2时刻的压力值，来控制系统完成网络模型预训练时所得到的实时决策。实时决策通过硬件RaspberryPi48控制全部二十个油缸的伺服电磁阀，从而控制油缸的t2时刻的真实压力，以达到网络模型的相应输出。

简单地说，网络模型所需的66（67）维向量的高维输入，由对应传感器采集，信号由RaspberryPi48进行处理。RaspberryPi48内置处理网络模型所需要的数据结构形式的预处理算法。同时RaspberryPi48也内置处理网络模型输出数据的后处理算法，旨在将网络模型输出的数据整理为二十个油缸的执行器所需的执行信息。执行信息通过硬件RaspberryPi48发送至二十个油缸的伺服电磁阀，来驱动油缸进而驱动整机运动。

网络模型，其构建思路源自如下：

@inproceedings{

RoboImitationPeng20,

author={Peng,XueandCoumans,ErwinandZhang,TingnanandLee,Tsang-WeiEdwardandTan,JieandLevine,Sergey},

booktitle={Robotics:ScienceandSystems},

year={2020},

month={07},

title={LearningAgileRoboticLocomotionSkillsbyImitatingAnimals},

doi={10.15607/RSS.2020.XVI.064}

}

网络模型的仿生运动学习训练的参考如下：

@article{

2018-TOG-SFV,

author={Peng,XueBinandKanazawa,AngjooandMalik,JitendraandAbbeel,PieterandLevine,Sergey},

title={SFV:ReinforcementLearningofPhysicalSkillsfromVideos},

journal={ACMTrans.Graph.},

volume={37},

number={6},

month=nov,

year={2018},

articleno={178},

numpages={14},

publisher={ACM},

address={NewYork,NY,USA},

keywords={physics-basedcharacteranimation,computervision,videoimitation,reinforcementlearning,motionreconstruction}

}

可以使用源自一段自然界中爬行动物的运动视频，通过SFV技术提取运动骨架数据，根据实际情况设置行走底盘的尺寸与整机重量。在物理引擎中进行训练时，模型参考运动骨架数据，使网络模型具备自然运动的决策能力。

对于不同类型的农业机械，如青贮收获机械和采棉机械，二者对应的网络模型，不尽相同，也可合二为一。其中的关键因素是：假设作为通用平台的行走底盘上各种机型的整体布局之间质心位置相对距离较小，此时影响网络模型训练结果的因素在于整车重量。通用的网络模型需要在其训练过程中将整体质量设为随机变化值，随机变化值得的取值范围取在通用平台上各种机型总质量的最大值和最小值之间。若网络模型无需通用，即可将整机重量设为对应机型的常量重量，如此，将会降低网络模型训练的成本，提高训练的收敛性。

需要说明的是，本实施例中的行走底盘为地形自适应的通用行走底盘，不仅具有兼顾多种农业机械的通用性和步履式的越障机动性，同时具备仿生运动能力，来提高步履式行驶方式的行驶速度，即一种自适应步履行走的通用底盘。

仿生行走的越障能力相对较高；动力用于提供前进推力，无需克服滚动阻尼；承载能力受制约条件相对较少；行走自由度相对较高，可以沿地面二维空间任意方向行驶，其机动性较高；可以主动调整机体姿态，如保持机体在一定倾斜面上的水平姿态；可兼容道路行驶，如为脚板3与地面接触部分加装耐磨橡胶材料。

除此以外，本发明方案涉及的网络模型为自主寻踪行走，也可将行走底盘定义为手动操作模式。手动操作模式将分为两类：完全自由操控每个行走腿；通过人为调整网络模型目标坐标，来达到整机行驶目标转移的效果，即目标坐标牵引整车行驶方向。

在一种具体的实施方式中，关节I5对称设于框架1的四个边角处，也就是说，行走腿的数量为四个且在框架1的行驶方向的两侧前后设置。

本发明还提供一种工程机械，包括上述行走底盘，应具有上述行走底盘的全部有益效果，这里不再一一赘述。

示例性的，具体为青贮收获机械，包括上述行走底盘，还包括驾驶室10和具有青贮割台91、喂入系统92、切碎系统93、籽粒破碎系统94和抛送系统95的物料流系统9，其布置位置可以根据不同作业方式采取不同形式。

具体而言，物料流系统9悬挂于行走底盘下方；动力系统7和液压系统8置于行走底盘内，位于物料流系统9上方；驾驶室10置于前方，安装于行走底盘前端；燃油箱等可布置于行走底盘后端。

示例性的，具体为采棉机械，包括上述行走底盘，还包括驾驶室10、棉花采头系统11、风送系统12和采棉箱13，其布置位置可以根据不同作业方式采取不同形式。

具体而言，棉花采头系统11悬挂于行走底盘下方；采棉箱13置于行走底盘后方；动力系统7和液压系统8统置于棉花采头系统11上部、采棉箱13前部；驾驶室10置于动力系统7和液压系统8前部、行走底盘前端；风送系统12布置在棉花采头系统11和采棉箱13之间；其他结构如消防系统、燃油箱、水箱等可布置于采棉箱13下方。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的行走底盘及工程机械进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种行走底盘，其特征在于，包括框架（1），所述框架（1）设有可绕纵轴转动的关节I（5），所述关节I（5）连接可绕横轴转动的支腿I（21），所述支腿I（21）连接可绕横轴转动的支腿II（22），所述支腿II（22）连接可绕横轴转动的脚板（3）；所述支腿I（21）和所述支腿II（22）通过关节II（6）连接；还包括：设于所述框架（1）且用于驱动所述关节I（5）运动的油缸I（401），设于所述关节I（5）且用于驱动所述支腿I（21）运动的油缸II（402），设于所述关节II（6）且用于驱动所述支腿II（22）运动的油缸III（403）和油缸IV（404），设于所述支腿II（22）且用于驱动所述脚板（3）运动的油缸V（405）；所述框架（1）设有：供所述关节I（5）连接的铰接点I（101），供所述油缸I（401）的缸体连接的铰接点II（102）；所述关节I（5）设有：供所述支腿I（21）连接的铰接点XI（502），供所述油缸II（402）的缸体连接的铰接点XII（503），供所述油缸I（401）的杆体连接的铰接点XIII（504）；所述支腿I（21）设有：供所述油缸III（403）的缸体连接的铰接点IV（202），供所述油缸II（402）的杆体连接的铰接点V（203）；所述关节II（6）设有：供所述油缸III（403）的杆体连接的铰接点XIV（601），供所述油缸IV（404）的缸体连接的铰接点XV（602），供所述支腿I（21）和所述支腿II（22）连接铰接点XVI（603）；所述支腿II（22）设有：供所述油缸IV（404）的杆体连接的铰接点VI（204），供所述油缸V（405）的缸体连接的铰接点VII（205）；所述脚板（3）设有：供所述支腿II（22）连接的铰接点VIII（301），供所述油缸V（405）的杆体连接的铰接点IX（302）。

2.根据权利要求1所述的行走底盘，其特征在于，包括控制器以及设于所述框架（1）的动力系统（7）和液压系统（8），所述液压系统（8）具有液压泵和液压伺服电磁阀，所述控制器连接所述液压伺服电磁阀，所述液压伺服电磁阀连接所述油缸I（401）、所述油缸II（402）、所述油缸III（403）、所述油缸IV（404）和所述油缸V（405）。

3.根据权利要求2所述的行走底盘，其特征在于，包括与所述控制器连接的陀螺仪传感器、压力传感器、位置测距传感器和角度传感器，所述陀螺仪传感器设于所述框架（1），所述压力传感器设于所述脚板（3），所述位置测距传感器设于所述框架（1）、所述支腿I（21）、所述支腿II（22）和所述脚板（3），所述角度传感器设于所述关节I（5）、所述支腿I（21）、所述支腿II（22）和所述脚板（3）。

4.根据权利要求1至3任一项所述的行走底盘，其特征在于，所述框架（1）的外形为倒梯台，所述框架（1）的内部为安装腔。

5.根据权利要求1至3任一项所述的行走底盘，其特征在于，所述关节I（5）对称设于所述框架（1）的四个边角处。

6.一种工程机械，其特征在于，具体为青贮收获机械，包括如权利要求1至5任一项所述的行走底盘，还包括驾驶室（10）和具有青贮割台（91）、喂入系统（92）、切碎系统（93）、籽粒破碎系统（94）和抛送系统（95）的物料流系统（9）。

7.一种工程机械，其特征在于，具体为采棉机械，包括如权利要求1至5任一项所述的行走底盘，还包括驾驶室（10）、棉花采头系统（11）、风送系统（12）和采棉箱（13）。

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