CN114158433A - 一种自定位草皮铺设装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自定位草皮铺设装置，包括机架、存储架、运输机构、铺设机构、走行机构、激光雷达和工控机，激光雷达安装于机架的前端并与工控机连接，工控机与走行机构上的驱动电机连接；存储架安装于机架的后部并沿机架的竖直方向上下移动，运输机构水平连接于机架上，运输机构上安装有机械手，铺设机构包括承重单元和直角限位板，承重单元包括旋转轴总成和承重板，旋转轴总成往复旋转并带动承重板往复旋转，草皮下落至同一层的承重板时，同一层的承重板处于最靠近状态。该草皮铺设装置能够自定位并完成草皮的自动铺设，草皮铺设位置准确，草皮破损少，且降低了人工的需求量，人工劳动强度低。

Description

一种自定位草皮铺设装置

技术领域

本发明涉及草坪铺设技术领域，尤其涉及一种自定位草皮铺设装置。

背景技术

土地荒漠化是我国当前最为严重的生态问题之一，土地荒漠化造成了生态环境的恶化，并且破坏生存环境，加剧自然灾害的发生，给我国国民经济发展和社会发展造成了极大的危害。造成土地荒漠化的一个主要原因为荒漠生态系统的人为破坏，过度放牧和乱砍滥伐加速了土壤的沙化。目前可以通过退耕还林还草、植树种草等对土地荒漠化进行治理。随着人们对生态环境工程的重视，在各个城市也在进行绿化覆盖，修复城市生态系统。

目前种草一般采用铺栽法，具体为在草源地将草皮铲成方块状，再在种植地铺栽草皮，形成草坪，该方法便于草皮的铺设，也便于栽后的管理。但现有草皮铺栽时，一般通过人工进行手动搬运和手动铺设，对人工的需求大，而且草皮铺设时，工人需要蹲着铺设，劳动强度大。

发明内容

本发明提供了一种自定位草皮铺设装置，该草皮铺设装置通过激光雷达技术实现自定位，并通过存储架、机械手和铺设机构完成草皮的自动铺设，草皮铺设位置准确，草皮破损少，且降低了人工的需求量，人工劳动强度低。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种自定位草皮铺设装置，至少包括机架、位于机架上的存储架、运输机构和铺设机构以及连接于机架下方的走行机构，所述铺设装置还包括激光雷达和工控机，激光雷达安装于机架的前端并与工控机连接，工控机与走行机构上的驱动电机连接并控制走行机构走行；所述存储架安装于机架的后部并沿机架的竖直方向上下移动，运输机构水平连接于机架顶部或靠近顶部的前后端，运输机构上安装有机械手，机械手沿运输机构在机架上方前后移动，所述铺设机构包括机架前部对角处设置的两组承重单元以及竖直连接于机架前部另一对角处的直角限位板，承重单元与直角限位板围成与草皮形状相匹配的方框型结构，机架在方框形结构对应处的底部为开口结构，两组承重单元结构一致，均包括旋转轴总成和承重板，其中旋转轴总成竖直活动安装于机架上，承重板呈扇形并在旋转轴总成上由上至下分布连接有一层以上，旋转轴总成往复旋转并带动承重板往复旋转，两组承重单元同步往复旋转使同一层的承重板在方框形结构内相互靠近或者相互远离，机械手将草皮运输至铺设机构上方后松开草皮，草皮下落至同一层的承重板时，同一层的承重板处于最靠近状态，同一层承重板往复运动并相互远离，使草皮下落，承重单元往复旋转使草皮下落至下一层的承重板时，下一层的承重板处于最靠近状态，草皮依次下落，直至落入机架底部的开口结构，完成草皮的铺设。

所述承重板的扇形圆心角小于90°，上、下层承重板之间呈直角且间隔交错分布，两组旋转轴总成均往复90°旋转并带动所有承重板往复90°旋转，草皮从上一层承重板掉落到邻近的下一层承重板的时间是承重板往复旋转半个周期所需时间的整数倍。

所述机架上连接设置有草皮承接板，草皮承接板位于存储架和铺设机构之间并位于运输机构的下方，使得机械手抓取草皮时，草皮从草皮承接板上拖过。

所述旋转轴总成包括旋转轴、轴承座、轴承、圆锥齿轮一、圆锥齿轮二和轴步进电机，其中圆锥齿轮一固定固定套设于旋转轴上，旋转轴通过轴承座和轴承竖直活动连接于机架上，轴步进电机与圆锥齿轮二安装连接，圆锥齿轮二位于圆锥齿轮一的一侧并与圆锥齿轮一啮合，轴步进电机与工控机连接并通过工控机控制驱动圆锥齿轮二，从而带动圆锥齿轮一和旋转轴往复旋转。

所述旋转轴和承重板均为中空结构，承重板与旋转轴的连接处均设置有通气口，通气口连通旋转轴和承重板的内部，承重板的上表面均匀分布有出气孔，旋转轴上设置有进气口，所述进气口上连接有进气机。

所述承重板位于扇形圆心角的一端连接有轴连接件，承重板通过轴连接件套装于旋转轴上，且旋转轴上位于轴连接件的顶部和底部均套装有弹性挡圈，从而将承重板固定安装于旋转轴上，使承重板随旋转轴旋转。

所述存储架通过后丝杠总成安装于机架上，后丝杠总成连接于机架的底部和顶部之间，存储架连接于后丝杠总成上，存储架随后丝杠总成沿机架的竖直方向上下移动；后丝杠总成包括后步进电机和后滚珠丝杠，其中后步进电机与工控机连接并通过工控机控制驱动，后步进电机连接于后滚珠丝杠的一端并驱动后滚珠丝杠作直线运动。

所述运输机构包括上丝杠总成，上丝杠总成包括上步进电机和上滚珠丝杠，其中上步进电机与工控机连接并通过工控机控制驱动，上步进电机连接于上滚珠丝杠的一端并驱动上滚珠丝杠作直线运动，上滚珠丝杠连接于机架的前后端，机械手安装于上滚珠丝杠上并随上滚珠丝杠在机架上方前后移动。

所述机械手沿上丝杠总成对称分布，包括两个手爪，手爪通过与工控机连接的液压控制系统抓取和放置草皮。

所述机架整体呈框架型结构，机架包括底架、后架和前架，其中后架和前架分别连接于底架的上后方和上前方，所述存储架位于后架内，铺设机构安装于前架上。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案有以下优点：1、本发明中提供的草皮铺设装置通过激光雷达技术进行自定位，草皮铺设位置准确，减少人工需求。

2、本发明中提供的草皮铺设装置通过存储架、机械手和铺设机构完成草皮的自动铺设，只需要人工对草皮进行存储，人工需求小且劳动强度低，而且通过后丝杠总成能够实现存储架在铺设过程中的实时进料，通过上丝杠总成和机械手完成草皮的运输，结构简单，运输稳定。

3、本发明中通过两组扇形的承重板往复旋转，使两组承重板相互靠近和远离，实现草皮下落过程中的缓冲托举，解决了草皮在下落时易破损的难题；同时设置有直角限位板，避免草皮随往复旋转的承重板偏移，使得草皮能够从机架底部开口结构下落铺设，铺设位置准确；而且承重板上还设置有出气孔，排出空气，使草皮在下落过程中进一步缓冲，还减小了草皮与承重板之间的摩擦，进一步减小了草皮破损的可能性。

4、本发明中在存储架和铺设机构之间设置有草皮承接板，机械手从两侧抓取草皮运输时，草皮从草皮承接板上拖过，草皮承接板能够在草皮运输时起到支撑托起的作用，避免草皮的破损。

附图说明

图1为本发明提供的自定位草皮铺设装置的结构示意图；

图2为本发明中存储架安装于后架上的结构示意图；

图3为本发明中铺设机构中最上层承重板处于最靠近状态时的立体图；

图4为本发明中铺设机构中最上层承重板处于最靠近状态时的俯视图；

图5为本发明中承重板安装于旋转轴上时的局部结构示意图；

图中：11-底架，12-后架，13-前架，2-存储架，3-后丝杠总成，31-后步进电机，32-后滚珠丝杠，4-机械手，5-上丝杠总成，6-草皮承接板，7-直角限位板，8-旋转轴总成，81-旋转轴，82-轴承座，83-圆锥齿轮一，84-圆锥齿轮二，85-驱动电机，9-承重板，91-轴连接件，92-弹性挡圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。

本实施例提供的自定位草皮铺设装置的结构如图1所示，至少包括机架、位于机架上的存储架2、运输机构和铺设机构以及连接于机架下方的走行机构(走行机构图中未画出)。本实施例中机架整体呈框架型结构，实现整个草皮铺设装置的减重化。机架包括底架11、后架12和前架13，其中后架和前架分别连接于底架的上后方和上前方。

本实施例中铺设装置还包括激光雷达和工控机，激光雷达安装于机架的前端并与工控机连接，工控机与走行机构上的驱动电机连接并控制走行机构走行。激光雷达扫描机架和已铺设草皮的边线并获得机架与铺设位置的相对位置信息，工控机接收边线和位置信息并控制驱动电机将机架移动到铺设位置，从而实现铺设装置的定位功能，装置铺设草皮时，无需人工移动铺设装置，自动化程度高。其中整个定位过程中所采用的算法为可采用本领域的常规算法，如中国专利CN112767490A中公开的一种基于激光雷达的室外三维同步定位与建图方法，CN113418525A中公开的一种基于激光雷达成像的自主定位装置及定位方法，CN111240331A中公开的基于激光雷达和里程计SLAM的智能小车定位导航方法及系统，CN111664842A中公开的一种无人扫地机的即时定位与地图构建系统，CN110063157A中公开的一种矮化密植枣树修剪、环割机器人。

存储架2安装于机架的后部并沿机架的竖直方向上下移动，具体地，存储架存储架通过后丝杠总成3安装于机架上后架内，后丝杠总成连接于机架的底部和顶部之间，存储架连接于后丝杠总成上，存储架随后丝杠总成沿机架的竖直方向上下移动，如图2所示。本实施例中存储架为平板型结构，具体地存储架的结构还可以为盒状、架状等结构。后丝杠总成包括后步进电机31和后滚珠丝杠32，后步进电机与工控机连接，并通过工控机控制后步进电机的驱动，后步进电机连接于后滚珠丝杠的一端并驱动后滚珠丝杠作直线运动。具体地，本实施例中后丝杠总成位于后架前端的中间位置，使存储架位于后架内的中间位置。工作前，控制后步进电机使存储架下移到后架的底部，通过人工将准备铺设的草皮摞置于存储架上，后期工作时，机械爪抓取最上层的草皮，并将草皮运输至铺设机构进行铺设，此时，控制后步进电机使存储架上移一块草皮的厚度，以满足机械手抓取下一块草皮，通过存储架实现待铺设草皮的存储，并通过后丝杠总成实时满足草皮的进料。

运输机构水平连接于机架顶部或靠近顶部的前后端，运输机构上安装有机械手4，机械手沿运输机构在机架上方前后移动。具体地，运输机构包括上丝杠总成5，上丝杠总成包括上步进电机和上滚珠丝杠，其中上步进电机与工控机连接并通过工控机控制驱动，上步进电机连接于上滚珠丝杠的一端并驱动上滚珠丝杠作直线运动，上滚珠丝杠水平连接于机架的前后端，机械手安装于上滚珠丝杠上并随上滚珠丝杠在机架上方前后移动。本实施例中上丝杠总成位于后架和前架上方的中间位置，机械手沿上丝杠总成对称分布，保证整个机械爪位于中间位置，机械爪包括两个手爪，手爪通过与工控机连接的液压控制系统从两侧抓取和放置草皮手爪，保证草皮运输的稳定性。机械手将草皮从存储架依次运输至铺设机构上方。具体地，以机械手抓取草皮到放置草皮前为半个运输周期，则手爪的液压控制系统每隔半个运输周期工作一次，依次对应手爪的抓紧和松开；后步进电机每隔一个运输周期驱动一次，每次驱动带动存储架上移一块草皮的厚度，一块草皮运输完成后，机械爪连续不断地进行下一块草皮的抓取。

具体地，机架上连接设置有草皮承接板6，草皮承接板位于存储架和铺设机构之间并位于运输机构的下方，本实施例中草皮承接板连接于前架和后架之间。草皮承接板与上丝杠总成之间的距离能够满足机械手从两侧抓取草皮运输时，草皮从草皮承接板上拖过，草皮承接板能够在草皮运输时起到支撑托起的作用，避免草皮的破损。

本实施例中铺设机构安装于机架前部的前架上，铺设机构包括机架前部(本实施例中为前架)对角处设置的两组承重单元以及竖直连接于机架前部另一对角处的直角限位板7，承重单元与直角限位板围成与草皮形状相匹配的方框型结构，机架(本实施例中为底架)在方框形结构对应处的底部为开口结构，草皮通过机械爪运输至铺设机构，经承重单元从机架底部的开口结构处落下，从而完成草皮的铺设。整个装置在自定位时，工控机控制驱动电机移动铺设装置，使开口结构正对需要铺设的位置。

具体地，两组承重单元结构一致，均包括旋转轴总成8和承重板9，如图3所示。其中旋转轴总成竖直活动安装于机架上，本实施例中旋转轴总成包括旋转轴81、轴承座82、轴承、圆锥齿轮一83、圆锥齿轮二84和轴步进电机85(见图1，图3中未画出)，其中圆锥齿轮一固定套设于旋转轴上，旋转轴通过轴承座和轴承竖直活动连接于机架上，轴承位于轴承座内部，轴步进电机与圆锥齿轮二安装连接，圆锥齿轮二位于圆锥齿轮一的一侧并与圆锥齿轮一啮合，轴步进电机与工控机连接并通过工控机控制驱动圆锥齿轮二，从而带动圆锥齿轮一和旋转轴往复旋转。

承重板呈扇形并在旋转轴总成上由上至下分布连接有一层以上，具体地承重板位于扇形圆心角的一端连接有轴连接件91，承重板通过轴连接件套装于旋转轴上，且旋转轴上位于轴连接件的顶部和底部均套装有弹性挡圈92，如图5所示，从而将承重板固定安装于旋转轴上，旋转轴总成往复旋转并带动承重板往复旋转。

两组承重单元同步往复旋转使同一层的承重板在方框形结构内相互靠近或者相互远离，机械手将草皮运输至铺设机构上方后松开草皮，草皮下落至同一层的承重板时，同一层的承重板处于最靠近状态，如图4所示，同一层承重板往复运动并相互远离，使草皮下落，承重单元往复旋转使草皮下落至下一层的承重板时，下一层的承重板处于最靠近状态，草皮依次下落，直至落入机架底部的开口结构，完成草皮的铺设。具体地，机械爪将草皮运输至铺设机构的上方并松开，草皮掉落至最上层的承重板，此时，需要确保两组承重单元的最上层承重板往复旋转至最靠近的状态，即此时两组承重单元的最上层承重板之间形成一个近似的方形结构，从而将草皮拖住，承重单元连续往复旋转，此时最上层承重板之间开始相互远离，由于直角限位板的设置，草皮会从最上层承重板落入下一层的承重板上，当草皮刚好掉落到下一层的承重板上时，需要确保下一层的两块承重板往复旋转至最靠近的状态，依照该方法草皮逐级下落，最终从机架底部的开口结构处落下，从而完成草皮的铺设。若以最上层承重板最靠近的状态为初始状态，需要控制机械爪抓取草皮、运输草皮、草皮掉落到最上层承重板的时间总和为承重板往复旋转一个周期所需时间的整数倍。若初始状态为其他，也可以进行调整以满足每次草皮掉落到最上层承重板时，最上层承重板处于最靠近状态。

每层承重板之间的距离(与草皮下落的时间相关)以及承重板的层数可以根据轴步进电机往复旋转的速度(与承重板往复旋转一个周期所需时间有关)进行调整。本实施例中每组承重单元的旋转轴总成上设置有三层承重板。承重板的扇形圆心角小于90°，上、下层承重板之间呈直角且间隔交错分布，两组旋转轴总成均往复90°旋转并带动所有承重板往复90°旋转，此时若以最上层承重板最靠近的状态为初始状态，草皮从上一层承重板掉落到邻近的下一层承重板的时间是承重板往复旋转半个周期所需时间的整数倍。当承重板均朝一个方向设置时，若以最上层承重板最靠近的状态为初始状态，则草皮从上一层承重板掉落到邻近的下一层承重板的时间是承重板往复旋转一个周期所需时间的整数倍。具体地，无论承重板怎样排布，只需要保证草皮落入该层承重板时，需要确保该层承重板处于最靠近的状态。根据草皮从上一层承重板掉落到邻近的下一层承重板的时间设置每层承重板之间的距离以及轴步进电机往复旋转的速度。

另外，草皮从上一层承重板掉落到邻近的下一层承重板的时间为草皮从落入上一层承重板到草皮从上一层承重板开始下落的这一段时间与草皮自由落体的时间之和。其中关于草皮从落入上一层承重板到草皮从上一层承重板开始下落的这一段时间可以根据现场测试确认。

为了进一步减少草皮破损的可能性，本实施例中旋转轴和承重板均为中空结构，承重板与旋转轴的连接处均设置有通气口，通气口连通旋转轴和承重板的内部，承重板的上表面均匀分布有出气孔(图中未画出)，旋转轴上设置有进气口，所述进气口上连接有进气机，具体的，进气机可以为空气压缩机和充气机等，空气从进气口进入旋转轴，并经通气口进入各层承重板，最后从出气孔中排出，排出的空气会在承重板上方形成一个缓冲的气流并减小草皮与承重板的摩擦，有效减少草皮的破损。

铺设完一块草皮后，激光雷达扫描已铺设草皮的边线，铺设装置继续向前移动到下一块铺设位置，与此同时，机械爪将下一块草皮运输至铺设机构上，从而实现铺设装置连续定位和铺设工作。

Claims (10)

1.一种自定位草皮铺设装置，至少包括机架、位于机架上的存储架、运输机构和铺设机构以及连接于机架下方的走行机构，其特征在于：所述铺设装置还包括激光雷达和工控机，激光雷达安装于机架的前端并与工控机连接，工控机与走行机构上的驱动电机连接并控制走行机构走行；所述存储架安装于机架的后部并沿机架的竖直方向上下移动，运输机构水平连接于机架顶部或靠近顶部的前后端，运输机构上安装有机械手，机械手沿运输机构在机架上方前后移动，所述铺设机构包括机架前部对角处设置的两组承重单元以及竖直连接于机架前部另一对角处的直角限位板，承重单元与直角限位板围成与草皮形状相匹配的方框型结构，机架在方框形结构对应处的底部为开口结构，两组承重单元结构一致，均包括旋转轴总成和承重板，其中旋转轴总成竖直活动安装于机架上，承重板呈扇形并在旋转轴总成上由上至下分布连接有一层以上，旋转轴总成往复旋转并带动承重板往复旋转，两组承重单元同步往复旋转使同一层的承重板在方框形结构内相互靠近或者相互远离，机械手将草皮运输至铺设机构上方后松开草皮，草皮下落至同一层的承重板时，同一层的承重板处于最靠近状态，同一层承重板往复运动并相互远离，使草皮下落，承重单元往复旋转使草皮下落至下一层的承重板时，下一层的承重板处于最靠近状态，草皮依次下落，直至落入机架底部的开口结构，完成草皮的铺设。

2.根据权利要求1所述的自定位草皮铺设装置，其特征在于：所述承重板的扇形圆心角小于90°，上、下层承重板之间呈直角且间隔交错分布，两组旋转轴总成均往复90°旋转并带动所有承重板往复90°旋转，草皮从上一层承重板掉落到邻近的下一层承重板的时间是承重板往复旋转半个周期所需时间的整数倍。

3.根据权利要求1所述的自定位草皮铺设装置，其特征在于：所述机架上连接设置有草皮承接板，草皮承接板位于存储架和铺设机构之间并位于运输机构的下方，使得机械手抓取草皮时，草皮从草皮承接板上拖过。

4.根据权利要求1所述的自定位草皮铺设装置，其特征在于：所述旋转轴总成包括旋转轴、轴承座、轴承、圆锥齿轮一、圆锥齿轮二和轴步进电机，其中圆锥齿轮一固定固定套设于旋转轴上，旋转轴通过轴承座和轴承竖直活动连接于机架上，轴步进电机与圆锥齿轮二安装连接，圆锥齿轮二位于圆锥齿轮一的一侧并与圆锥齿轮一啮合，轴步进电机与工控机连接并通过工控机控制驱动圆锥齿轮二，从而带动圆锥齿轮一和旋转轴往复旋转。

5.根据权利要求4所述的自定位草皮铺设装置，其特征在于：所述旋转轴和承重板均为中空结构，承重板与旋转轴的连接处均设置有通气口，通气口连通旋转轴和承重板的内部，承重板的上表面均匀分布有出气孔，旋转轴上设置有进气口，所述进气口上连接有进气机。

6.根据权利要求1所述的自定位草皮铺设装置，其特征在于：所述承重板位于扇形圆心角的一端连接有轴连接件，承重板通过轴连接件套装于旋转轴上，且旋转轴上位于轴连接件的顶部和底部均套装有弹性挡圈，从而将承重板固定安装于旋转轴上，使承重板随旋转轴旋转。

7.根据权利要求1所述的自定位草皮铺设装置，其特征在于：所述存储架通过后丝杠总成安装于机架上，后丝杠总成连接于机架的底部和顶部之间，存储架连接于后丝杠总成上，存储架随后丝杠总成沿机架的竖直方向上下移动；后丝杠总成包括后步进电机和后滚珠丝杠，其中后步进电机与工控机连接并通过工控机控制驱动，后步进电机连接于后滚珠丝杠的一端并驱动后滚珠丝杠作直线运动。

8.根据权利要求1所述的自定位草皮铺设装置，其特征在于：所述运输机构包括上丝杠总成，上丝杠总成包括上步进电机和上滚珠丝杠，其中上步进电机与工控机连接并通过工控机控制驱动，上步进电机连接于上滚珠丝杠的一端并驱动上滚珠丝杠作直线运动，上滚珠丝杠连接于机架的前后端，机械手安装于上滚珠丝杠上并随上滚珠丝杠在机架上方前后移动。

9.根据权利要求8所述的自定位草皮铺设装置，其特征在于：所述机械手沿上丝杠总成对称分布，包括两个手爪，手爪通过与工控机连接的液压控制系统抓取和放置草皮。

10.根据权利要求1所述的自定位草皮铺设装置，其特征在于：所述机架整体呈框架型结构，机架包括底架、后架和前架，其中后架和前架分别连接于底架的上后方和上前方，所述存储架位于后架内，铺设机构安装于前架上。

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