CN113331161B - 一种具有蛇形臂的农用精准对靶喷雾机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有蛇形臂的农用精准对靶喷雾机器人，包括履带小车、喷雾机构、蛇形臂和升降机构。喷雾机构包括药箱和水泵，水泵由电信号控制实现自动喷雾；蛇形臂机构由蛇形臂控制箱、后肘、前肘、腕部构成。履带小车的顶面左侧安装一个药箱，喷头通过软管连接于药箱上；履带小车上表面右侧固定安装一个蛇形臂控制箱，蛇形臂控制箱的前侧面安装有蛇形臂；通过不同电机的联动控制拉索的拉紧和放松，可使蛇形臂完成空间内任意位置的精准定点，蛇形臂的末端安装有变流量喷头，实现农药的精准喷雾；升降机构包括工业相机及电动丝杠升降器，工业相机固定于电动丝杠升降器。该工业相机可对植株进行整体扫描，提高病虫害发生位置的识别精准度。本发明适于条播作物、喷药效果好。

Description

一种具有蛇形臂的农用精准对靶喷雾机器人

技术领域

本发明涉及农业喷雾技术领域，具体涉及一种具有蛇形臂的农用精准对靶喷雾机器人。

背景技术

传统的农药喷洒是种植农作物过程中一道重要但对环境造成重大污染的工序，因为病虫细菌等往往藏匿于繁叶之间，农民如采用传统的大剂量覆盖式喷洒的打药方式，不仅会造成环境污染，影响土壤的结构，威胁农业生产的可持续发展，还会使蔬菜瓜果农药残留超标，也提高了农民的种植成本，对种植的植株的枝叶中藏匿的害虫也起不到良好的杀虫效果，因此很难实现在减少农药用量的同时有效地杀害病虫。

精准农药喷雾技术涉及到使用机械臂来移动喷头，对准病害点进行靶向喷雾，因此要求机械臂能水平平移、垂直升降及摆动微调，并还要克服果园地形崎岖、果实常被树枝、树叶遮蔽覆盖，枝叶层叠交错的问题，因此需要柔性机械臂来实现，在喷雾过程中可以避开树枝、树叶，实现对果实的精准喷雾；但现有的柔性臂的技术方案有CN107322583B公布的蛇形臂、CN106926223A公布的一种蛇形机器人，以上方案中虽然蛇形臂采用万向节方式连接各个关节，蛇形臂足够灵巧，但存在以下问题：1.每个关节均需要四根拉索通过不同的牵引机构控制，控制机构多，控制方式复杂，虽然可以借助计算机技术实现蛇形臂的灵巧控制，但明显不适用于农用机械领域，借助计算机技术实现蛇形臂的控制无疑大幅增加设备的造价，在无计算机的协助下农民无法分析判断不同牵引机构对蛇形臂曲展方向的影响，难以控制蛇形臂避开树枝、树叶，实现对果实的精准喷雾；2.若通过少量的拉索，如四根拉索控制整个蛇形臂的动作，在使蛇形臂抬高时由于关节之间没有弹簧，拉索的应力集中于最末端的关节，只能使最末端的关节弯曲90°，不能使末端与始端之间的多个关节弯曲，因此蛇形臂抬高高度不足；3.即使在相邻关节间安装弹簧后，蛇形臂也只能在四根拉索的控制下弯曲成月牙形，不能弯曲成S形，无法实现对果实的水平喷雾，只能垂直喷雾，因此不能准确对病害区喷雾，若增加拉索控制远端的蛇形臂关节拟使蛇形臂弯曲成S形，该拉索的牵拉会使已弯曲成月牙形的蛇形臂段具有拉直的趋势；4.若在该蛇形臂远端相邻的关节之间安装旋转基盘，可以使远端关节相互转动，使蛇形臂弯曲成S形，但步进电机的自重较大，且蛇形臂自身也有自重，当总体自重过大、蛇形臂较长时，使用拉索驱动蛇形臂有较大的困难。

适用于农药喷洒的蛇形臂需能弯曲成S形，并自重轻，控制方式简单易识别，适合农民操作。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种蛇形臂，能弯曲成S形，并自重轻，控制方式简单易识别，适合农民操作。为提供农业精准对靶喷雾机器人，使喷雾喷头到达指定位置，进行精准喷药。节约农药用量，保护环境，同时也杀害藏匿于繁叶中的害虫，提升农药的利用率。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：一种具有蛇形臂的农用精准对靶喷雾机器人，包括安装在履带小车上的喷雾机构、蛇形臂、升降机构，喷雾机构包括被软管连通的药箱、水泵、喷头，水泵、药箱安装在履带小车上；

所述蛇形臂包括顺次串接而成的后肘、前肘、腕部，后肘和前肘均由多个连杆串接而成，后肘内相邻连杆之间通过第一旋转关节活动连接，前肘内相邻连杆之间通过第二旋转关节活动连接，后肘末端的连杆和前肘始端的连杆之间通过第二旋转关节衔接；

第一旋转关节和第二旋转关节均包括后底座、前底座及之间相互铰接的节叉和耳板，及位于第一旋转关节、第二旋转关节转动平面内连接后底座、前底座的弹簧，安装在第一旋转关节和第二旋转关节的节叉上的铰接轴相互垂直，所述后底座、前底座对应设有环绕节叉均匀布置的四个通孔；

腕部包括前末端底座、后末端底座、及两端分别与前末端底座和后末端底座连接的弹簧，所述前末端底座和后末端底座中心设有驱动通孔，其中后末端底座与前肘末端的连杆通过第二旋转关节活动连接，所述连杆、后末端底座、后底座、前底座具有贯通其前后端面的通道，后末端底座通过四根第三拉索沿蛇形臂的纵向延伸方向，穿过前末端底座和蛇形臂的所有通道连接至对应的四个驱动单元，四根第三拉索环绕驱动通孔的中轴均匀布置；后肘的所有后底座、前底座通过两根第一拉索分别沿后肘的纵向延伸方向，穿过所有第一旋转关节的耳板左右两侧等高的通孔连接至对应的两个驱动单元，前末端底座、前肘和后肘的所有后底座、前底座通过两根第二拉索分别沿蛇形臂的纵向延伸方向，穿过所有第二旋转关节和第一旋转关节的耳板上下侧的通孔连接至对应的两个组驱动单元；

通过八个驱动单元对第一、第二、第三拉索的牵拉，控制后肘内相邻连杆可在水平面内相对转动，控制前肘内相邻连杆可在竖直面内相对转动，控制前末端底座和后末端底座之间的弹簧被偏压缩，以控制蛇形臂的多维运动；

所述喷头安装在所述蛇形臂的前末端底座上，所述蛇形臂的蛇形臂控制箱安装在履带小车上。

进一步地，所述地蛇形臂，还包括蛇形臂控制箱，蛇形臂控制箱的侧棱面与蛇形臂后肘的始端连杆连接，该侧棱面设有与后肘的始端后底座上通孔同心的四个穿绳孔、与后肘的始端连杆上通道同心的穿绳通道，穿过穿绳通道后在蛇形臂控制箱内的第一、第二、第三拉索相互平行，每个驱动单元包括相互平行的滑轮轴和线盘轴、滑轮轴上可旋转的滑轮、随线盘轴旋转的线盘、驱动线盘轴转动的步进电机，每个驱动单元内的线盘与滑轮位于同一平面内，八个驱动单元两两成对布置在穿绳通道中轴两侧，每个线盘轴均位于滑轮轴背向穿绳通道中轴的一侧；第一、第二、第三拉索分别与对应的驱动单元上的滑轮的圆周面相切，并绕过对应的滑轮后缠绕在八个线盘上。

优选地，所述的各驱动单元的滑轮轴和线盘轴竖直布置，各滑轮、线盘与其对应的第一、第二、第三拉索等高。

后肘可在第一拉索的收缩过程中使后肘在水平面内弯曲成月牙形；前肘可在第二拉索收缩过程中使前肘在竖直平面内弯曲成月牙形；腕部可在第三拉索收缩过程中在空间中弯曲成月牙形，前肘和后肘分别在两个正交平面内弯曲，腕部是类球铰链结构可在三维空间内任意转动。驱动腕部的第三拉索，从前肘、后肘的中心通道穿过连接至驱动机构，因此在腕部弯曲时，其第三拉索不对前肘、后肘施加拉直前肘、后肘的力，驱动前肘的第二拉索在收缩时无法使后肘在竖直平面内弯曲，因此腕部、前肘、后肘组成的蛇形臂可弯曲成S形，使蛇形臂能避开树枝、树叶，实现对果实进行水平精准喷雾。此外腕部的结构简单，仅包括前末端底座、后末端底座、弹簧，前肘、后肘的结构简单，仅包括连杆、后底座、前底座、铰接的节叉和耳板，总体自重轻，容易通过三种拉索进行控制；更具有优势的，第一、第二、第三拉索分别对后肘、前肘、腕部进行弯曲控制，仅需使对称的拉索一收一放即可，便于农民根据蛇形臂的结构判断该收放哪根拉索，无需计算机辅助控制实现蛇形臂按特定形状弯曲。

且本申请中后肘不能与前肘对调位置，若前肘与后肘对调位置，前肘在竖直平面内弯曲后，后肘也只能在非水平面弯曲，不能实现蛇形臂的在水平面上弯曲足够的距离绕开树枝、树叶。

药箱通过软管连接到水泵入水口，水泵的出水口固定连接一根细软管的一端，细软管的另一端穿过前末端底座连通在腕部的喷头，腕部的前末端底座中心位置固定安装一个变流量喷头。蛇形臂控制箱右侧的履带小车平台上面固定安装有一个电动蜗轮蜗杆升降器，电动蜗轮蜗杆升降器可驱动顶部的工业相机升降。

本申请的蛇形臂解决了在狭小空间中机械臂自由度不足导致在喷雾工作时不能满足操作要求的问题。提出设计一种连续性冗余自由度的蛇形臂，本申请的冗余自由度蛇形臂是由多个运动副组成的开环运动链结构，是一种万向节型仿蛇形机器臂。此机械臂分为三组，前后肘进行大体定位；腕部由四台步进电机分别控制四根第三拉索驱动，进行精密定位。

与现有技术相比，本发明的有益效果和优点在于：

1、本发明根据实际现有果园药物喷洒技术分析，果园的喷雾工作之所以难以实现高效率、低消耗，与喷雾机的机械臂结构有很大关系。果园地形崎岖、工作环境复杂，果实常被树枝、树叶遮蔽覆盖，枝叶层叠交错，难以实现高效率、低消耗的精准喷雾，针对果园的这种特点，本申请设计基于正交关节的柔性蛇形臂。该柔性蛇形臂能有效实现避障、越障，在喷雾过程中可以避开树枝、树叶，实现对果实的精准喷雾，且能通过视觉系统分析果实病因更换药剂，采用该喷雾机器人，可以大大提高喷雾的有效利用率。

2、本发明的蛇形臂采用柔性关节构成，通过对柔性关节长度的设计、连接方式的优化以及驱动方式的选取，可达到末端喷雾机构按照给定路径运动。该方案采用柔性关节构成蛇形臂，使得机械结构更加灵巧，可根据工作需要增加或减少关节的数目从而增加或减小蛇形臂的长度，减少了刚性蛇形臂工作范围受限的缺点。

3、本发明为保证末端喷雾机构的运动精度，采用多臂段线驱动，前后肘分别由两个电机驱动，实现大体定位，腕部由四个电机驱动，进行精准定位，此设计可确保蛇形臂的末端以多姿态到达空间的任意一个位置。

4、本发明设计了视觉系统，包括工业相机及电动丝杠升降器，工业相机固定于电动丝杠升降器，以实时获取植物的需要进行喷雾的枝叶花果的信息，视觉系统可根据需要改变各组关节姿态，进而实现对不同位置果实的对靶喷雾提高了蛇形的自动化，保证喷雾工作人员的安全。

5、履带小车上安装有红外线测距装置，以实时获取喷雾机器人与周边环境各障碍的距离，确保喷雾机器人不会发生碰撞。

附图说明

图1为农业精准对靶喷雾机器人的结构示意图。

图2为图1的主视图；

图3为图1的俯视图；

图4为图1的左视图；

图5为蛇形臂的侧视装配图；

图6为蛇形臂的俯视装配图；

图7为蛇形臂的其中节段的放大示意图；

图8为蛇形臂控制箱的侧视图；

图9为蛇形臂控制箱的左视图；

图10为蛇形臂控制箱的俯视图；

图11为蛇形臂控制箱正对蛇形臂的侧棱面的视图；

其中，1-履带小车、2-药箱、3-水泵、4-蛇形臂控制箱、5-升降机构、6-蛇形臂、7-软管、11-后肘、12-前肘、13-腕部、401-把手、402-合页、403-步进电驱动器、404-角铁、405-滑轮轴、406-滑轮法兰、407-步进电机、408-线盘限位环、409-散热风扇、410-线盘连轴器、411-线盘轴、412-线盘、413-滑轮、414-电机安装版、415-右侧壁、416-左侧壁、417-后侧壁、418-蛇形臂安装版、419-底侧壁、501-工业相机、502-工业相机转向器、503-升降器、504-升降器安装台、505-工业相机连轴器、506-转接法兰盘、507-丝杠、508-升降器驱动电机、601-后底座、602-前底座、603-连杆、604-第一旋转关节、605-第二旋转关节、606-节叉、607-耳板、608-弹簧，609-铰接轴、610-前末端底座、611-后末端底座、612-第三拉索、613-第一拉索、614-第二拉索、615-变流量喷头、616-套管、701-通孔、702-通道、703-驱动通孔、704-穿绳孔、705-穿绳通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提供的精准对靶喷雾机器人的结构如图1、图2、图3和图4所示，精准对靶喷雾机器人包括履带小车1、喷雾机构、蛇形臂和升降机构5。喷雾机构包括药箱2和水泵3；蛇形臂6由蛇形臂控制箱4、后肘11、前肘12、腕部13构成。履带小车1的顶面左侧安装一个药箱2，水泵3通过软管7连接于药箱2上；履带小车1上表面右侧固定安装一个蛇形臂控制箱4，后肘11通过螺栓固定安装于蛇形臂控制箱4的前部侧棱面；通过蛇形臂控制箱4内不同步进电机的联动控制不同的拉索的拉紧和放松，可使后肘11、前肘12、腕部13完成空间内任意位置的精准定点，腕部13的末端安装有变流量喷头615，实现农药的精准喷雾；升降机构5顶部安装工业相机501，工业相机501通过螺栓固定于升降机构5顶部，升降机构5为电动丝杠升降器。

如图5～图7，后肘11、前肘12均由多个连杆603串接而成，后肘11内相邻连杆603之间通过第一旋转关节604活动连接，前肘12内相邻连杆603之间通过第二旋转关节605活动连接，后肘11末端的连杆603和前肘11始端的连杆603之间通过第二旋转关节605衔接；

第一旋转关节604和第二旋转关节605均包括后底座601、前底座602，及之间相互铰接的节叉606和耳板607，及位于第一旋转关节604、第二旋转关节605转动平面内连接后底座601、前底座602的弹簧608，安装在第一旋转关节604和第二旋转关节605的节叉606上的铰接轴609相互垂直，后底座601、前底座602对应设有环绕节叉606均匀布置的四个通孔701。

腕部13包括前末端底座610、后末端底座611、及两端分别与前末端底座610和后末端底座611连接的弹簧608，前末端底座610和后末端底座611中心设有驱动通孔703，其中后末端底座611与前肘末端的连杆603通过第二旋转关节605活动连接，连杆603、后末端底座611、后底座601、前底座602具有贯通其前后端面的通道702，后末端底座611通过四根第三拉索612沿蛇形臂的纵向延伸方向，穿过前末端底座610和蛇形臂的所有通道702连接至对应的四个驱动单元，四根第三拉索612环绕驱动通孔703的中轴均匀布置；后肘11的所有后底座601、前底座602通过两根第一拉索613分别沿后肘11的纵向延伸方向，穿过所有第一旋转关节604的耳板607左右两侧等高的通孔701连接至对应的两个驱动单元，前末端底座610、前肘12和后肘11的所有后底座601、前底座602通过两根第二拉索614分别沿蛇形臂的纵向延伸方向，穿过所有第二旋转关节605和第一旋转关节604的耳板607上下侧的通孔701连接至对应的两个组驱动单元；通过八个驱动单元对第一、第二、第三拉索的牵拉，控制后肘11内相邻连杆603可在水平面内相对转动，控制前肘12内相邻连杆603可在竖直面内相对转动，控制前末端底座610和后末端底座611之间的弹簧608被偏压缩，以控制蛇形臂的多维运动。

如图8～图11，蛇形臂控制箱4的侧棱面与蛇形臂后肘11的始端连杆603连接，该侧棱面设有与后肘11的始端后底座601上通孔701同心的四个穿绳孔704、与后肘11的始端连杆603上通道702同心的穿绳通道705，穿过穿绳通道后在蛇形臂控制箱内的第一、第二、第三拉索相互平行，每个驱动单元包括相互平行的滑轮轴405和线盘轴411、滑轮轴405上可旋转的滑轮413、随线盘轴411旋转的线盘412、驱动线盘轴411转动的步进电机403，每个驱动单元内的线盘412与滑轮413位于同一平面内，八个驱动单元两两成对布置在穿绳通道705中轴两侧，每个线盘轴411均位于滑轮轴405背向穿绳通道中轴的一侧；第一、第二、第三拉索分别与对应的驱动单元上的滑轮413的圆周面相切，并绕过对应的滑轮413后缠绕在八个线盘411上。各驱动单元的滑轮轴405和线盘轴411竖直布置，各滑轮413、线盘412与其对应的第一、第二、第三拉索等高。

前末端底座610和后末端底座611相向的一面设有套管616，弹簧608两端套在套管616外，使弹簧608不易偏离开前末端底座610和后末端底座611。

上述的精准对靶喷雾机器人工作原理如下：

1、遥控精准对靶喷雾机器人行驶到作业位置，开始喷雾机器人启动开关，喷雾机器人自动行驶到需要进行喷雾作业果树的附近位置，工业相机对果树进行整体拍摄，通过图像处理，确定果树需要喷药的位置，并将此分析结果反馈给微机系统。

2、微机系统将喷药目标点的坐标转化为电信号，控制步进电机进行联动，步进电机转动带动同轴的线盘转动，线盘拉动第一、第二、第三拉索，钢丝绳驱动蛇形臂到达指定位置。

3、微机系统控制启动喷药水泵，使药箱中的药液通过水管流向变流量喷头，进行喷雾作业。

4、喷雾作业结束，工业像机、蛇形臂自动复位，为下次喷雾作业做准备。

Claims (3)

1.一种具有蛇形臂的农用精准对靶喷雾机器人，其特征在于，包括安装在履带小车上的喷雾机构、蛇形臂、升降机构，喷雾机构包括被软管连通的药箱、水泵、喷头，水泵、药箱安装在履带小车上；

所述蛇形臂包括顺次串接而成的后肘、前肘、腕部，后肘和前肘均由多个连杆串接而成，后肘内相邻连杆之间通过第一旋转关节活动连接，前肘内相邻连杆之间通过第二旋转关节活动连接，后肘末端的连杆和前肘始端的连杆之间通过第二旋转关节衔接；

第一旋转关节和第二旋转关节均包括后底座、前底座及之间相互铰接的节叉和耳板，及位于第一旋转关节、第二旋转关节转动平面内连接后底座、前底座的弹簧，安装在第一旋转关节和第二旋转关节的节叉上的铰接轴相互垂直，所述后底座、前底座对应设有环绕节叉均匀布置的四个通孔；

腕部包括前末端底座、后末端底座、及两端分别与前末端底座和后末端底座连接的弹簧，所述前末端底座和后末端底座中心设有驱动通孔，其中后末端底座与前肘末端的连杆通过第二旋转关节活动连接，所述连杆、后末端底座、后底座、前底座具有贯通其前后端面的通道，后末端底座通过四根第三拉索沿蛇形臂的纵向延伸方向，穿过前末端底座和蛇形臂的所有通道连接至对应的四个驱动单元，四根第三拉索环绕驱动通孔的中轴均匀布置；后肘的所有后底座、前底座通过两根第一拉索分别沿后肘的纵向延伸方向，穿过所有第一旋转关节的耳板左右两侧等高的通孔连接至对应的两个驱动单元，前末端底座、前肘和后肘的所有后底座、前底座通过两根第二拉索分别沿蛇形臂的纵向延伸方向，穿过所有第二旋转关节和第一旋转关节的耳板上下侧的通孔连接至对应的两个组驱动单元；

通过八个驱动单元对第一、第二、第三拉索的牵拉，控制后肘内相邻连杆可在水平面内相对转动，控制前肘内相邻连杆可在竖直面内相对转动，控制前末端底座和后末端底座之间的弹簧被偏压缩，以控制蛇形臂的多维运动；

所述喷头安装在所述蛇形臂的前末端底座上，所述蛇形臂的蛇形臂控制箱安装在履带小车上。

2.根据权利要求1所述的具有蛇形臂的农用精准对靶喷雾机器人，其特征在于，还包括蛇形臂控制箱，蛇形臂控制箱的侧棱面与蛇形臂后肘的始端连杆连接，该侧棱面设有与后肘的始端后底座上通孔同心的四个穿绳孔、与后肘的始端连杆上通道同心的穿绳通道，穿过穿绳通道后在蛇形臂控制箱内的第一、第二、第三拉索相互平行，每个驱动单元包括相互平行的滑轮轴和线盘轴、滑轮轴上可旋转的滑轮、随线盘轴旋转的线盘、驱动线盘轴转动的步进电机，每个驱动单元内的线盘与滑轮位于同一平面内，八个驱动单元两两成对布置在穿绳通道中轴两侧，每个线盘轴均位于滑轮轴背向穿绳通道中轴的一侧；第一、第二、第三拉索分别与对应的驱动单元上的滑轮的圆周面相切，并绕过对应的滑轮后缠绕在八个线盘上。

3.根据权利要求2所述的具有蛇形臂的农用精准对靶喷雾机器人，其特征在于，所述的各驱动单元的滑轮轴和线盘轴竖直布置，各滑轮、线盘与其对应的第一、第二、第三拉索等高。

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