CN115071857B - 一种四轮腿式全地形农业机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种四轮腿式全地形农业机器人，包括机器人本体，机器人本体上设有传感系统，机器人本体的前后两侧分别设有两个机器人轮腿；机器人轮腿包括步态行走机构和转向机构，转向机构上端通过步态行走机构与机器人本体连接，转向机构下端与驱动轮连接。本发明产生的有益效果是：本发明采用轮腿机构，具有适应性强、机动性能好等优点，在精准农业、智慧农业等领域有得天多厚的优势，该轮腿式农业机器人兼具轮式与腿式机器人的双重优点，即能保证工作效率又能避免对农作物的干扰。相比于传统农业机器人，本发明没有采用关节电机，而是将直线作动器布置在远离关节处进行姿态控制，避免出现关节处载荷集中、行驶不稳、负载能力差等问题。
Description
技术领域
本发明涉及农业机器人技术领域，特别是指一种四轮腿式全地形农业机器人。
背景技术
随着人工智能技术的不断进步，我国农业机器人市场发展迅速，市场规模不断增加。同时在“智慧农业”政策的持续推动下，市场发展态势持续向好。依据新的产业环境，机器人自主进行农业作业不能再局限于理想的农田环境，复杂环境下的非结构性农田作业是未来农业机器人的发展趋势，这对农业机器人的设计提出了新的挑战和要求。
由于农田地形的不确定性、工作环境的复杂性以及系统参数的时变性与非线性，机器人的姿态（俯仰角、侧倾角、横摆角、离地间隙）与行驶平顺性不可避免发生改变。导致各系统之间的合作协调能力大为降低，手臂协调、手眼协调、身眼协调等性能下降，作业精度难以保证。如何以理想的姿态角实现农业机器人在大滑移率与摩擦力分布不均匀等复杂农田工况下的姿态控制是该领域研究热点之一，如何以更加主动、积极的方式去干预车身姿态与行驶平顺性是本领域的研究难点。因此在保持机动能力与低环境足迹能力（减少对农作物的干扰）的前提下，寻求具有稳定姿态控制能力与良好行驶平顺性的新型农业机器人仍是该领域亟待解决的关键问题之一。
发明内容
本发明提出一种四轮腿式全地形农业机器人，解决了现有技术中农业机器人在复杂环境下的非结构性农田作业时，机器人姿态与行驶平顺性发生改变的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种四轮腿式全地形农业机器人，包括机器人本体，机器人本体上设有传感系统，机器人本体的前后两侧分别设有两个机器人轮腿；机器人轮腿包括步态行走机构和转向机构，转向机构上端通过步态行走机构与机器人本体连接，转向机构下端与驱动轮连接。通过传感系统反馈的姿态角实现主动姿态控制，提高机器人的协调能力；在复杂地形时机器人可以采用步态行走方式进行移动，在平坦地形时可以采用轮式进行高速行驶，使机器人能够适用多种地形的高速移动，提高机动性和工作效率。
所述步态行走机构包括竖向执行机构和横向执行机构，竖向执行机构的上端与机器人本体铰接，竖向执行机构的下端通过减震机构与横向执行机构连接。竖向执行机构和横向执行机构均为伸缩杆结构，竖向执行机构伸缩控制轮腿的抬起或放下，横向执行机构伸缩控制轮腿相对机器人本体的前后移动，竖向执行机构和横向执行机构配合实现机器人本体的步态行走，减震机构降低机器人本体在移动过程的震动，保证机器人移动的平稳性。
所述减震机构包括上连杆和下连杆，上连杆和下连杆的尾端均与机器人本体铰接，上连杆和下连杆的前端通过竖向布置的阻尼弹簧连接，且上连杆位于下连杆的上方，上连杆、下连杆及阻尼弹簧成三角形结构设置。机器人本体移动时产生的震动通过上连杆和下连杆传递到阻尼弹簧上，阻尼弹簧伸缩运动消除震动，保证机器人本体移动平稳。
所述竖向执行机构为竖向布置的直线动作器Ⅰ，直线动作器Ⅰ的上端与机器人本体铰接，直线动作器Ⅰ的下端与上连杆的前端铰接。直线动作器Ⅰ伸缩控制轮腿的抬起或放下。
所述横向执行机构为横向布置的直线动作器Ⅱ，直线动作器Ⅱ的尾端与机器人本体铰接，直线动作器Ⅱ的前端与竖向布置的连接腿的下端铰接，连接腿的上端与下连杆的前端铰接。直线动作器Ⅱ的伸缩控制驱动轮相对机器人本体的前后移动。
所述连接腿为圆弧曲线杆，连接腿、下连杆及直线动作器Ⅱ成三角形结构设置。在面对极端非结构农田时，通过自身的适当弯曲可进一步分担地面冲击，降低对关节、作动器、机载设备以及脆弱果实（例如草莓、桑葚等）的冲击。
所述上连杆和下连杆均为三角形结构杆。三角形结构杆保证上连杆和下连杆的结构稳定性，保证轮腿与机器人本体的连接稳定。
所述转向机构包括转向电机和转向立柱，连接腿的下端通过转向电机与转向立柱的上端连接，转向立柱的下端与驱动轮转动连接。转向电机通过转向立柱带动驱动轮左右偏转，进而实现机器人移动方向的调整。
所述驱动轮上设有驱动电机，驱动电机与转向立柱连接。驱动电机带动驱动轮转动，进而实现在平坦地面时机器人本体的移动。
所述传感系统为陀螺仪，且陀螺仪设置在机器人本体的中心位置。当在复杂地形行驶时，可根据陀螺仪反馈的姿态角实现主动姿态控制，提高机器人的手臂协调、手眼协调、身眼协调等能力，进而提高作业精度。
本发明产生的有益效果是：本发明采用轮腿机构，具有适应性强、机动性能好等优点，在精准农业、智慧农业等领域有得天多厚的优势，该轮腿式农业机器人兼具轮式与腿式机器人的双重优点，即能保证工作效率又能避免对农作物的干扰。相比于传统农业机器人，本发明涉及机器人没有采用关节电机，而是将直线作动器布置在远离关节处进行姿态控制，这样可以避免关节处载荷集中、行驶不稳、负载能力差等问题。
本发明的转向系统采用差速转向与四轮独立转向相结合的方式，能够实现360度无死角转向。当行驶方向遇到无法逾越障碍且深陷其中时，可随意切换行驶方向摆脱障碍，提高机器人在非结构农田的脱困能力；并且本发明能够实现机器人在农田的姿态控制与隔振，当在复杂地形行驶时，可根据陀螺仪反馈的姿态角实现主动姿态控制，提高机器人的手臂协调、手眼协调、身眼协调等能力，进而提高作业精度。同时利用本身特有的弹簧-阻尼系统可保证较好的行驶平顺性与隔振能力，避免关节力集中，损坏机载设备；作动器与弹簧-阻尼系统串联，在实现姿态控制的同时能够保证良好的行驶平顺性（隔振性能）。
该轮腿机器人每条腿有5个自由度，可实现步态行走模式与轮式行驶模式，根据不同的地形可实现不同模式切换。连接腿未采用传统农业机器人的直线型设计，而采用圆弧曲线设计，在面对极端非结构农田时，通过自身的适当弯曲可进一步分担地面冲击，降低对关节、作动器、机载设备以及脆弱果实（例如草莓、桑葚等）的冲击。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种四轮腿式全地形农业机器人结构示意图。
图2为机器人轮腿的结构示意图。
图中：1-机器人本体，2-陀螺仪，3-机器人轮腿，31-直线动作器Ⅰ，32-上连杆，33-阻尼弹簧，34-下连杆，35-连接腿，36-直线动作器Ⅱ，37-转向电机，38-转向立柱，39-驱动轮。
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付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。
实施例1，如图1、图2所示，一种四轮腿式全地形农业机器人，包括机器人本体1，机器人本体1上设有传感系统，本实施例中，传感系统为陀螺仪2，且陀螺仪2设置在机器人本体1的中心位置，陀螺仪2可以对机器人本体1的姿态角进行监测，便于机器人本体1进行姿态调整，使机器人本体1移动更加平稳，并且机器人本体1中设有电池及控制模块，电池对机器人的用电设备进行供电，控制模块对机器人的各个机构进行控制；机器人本体1的前后两侧分别设有两个机器人轮腿3；机器人轮腿3包括步态行走机构和转向机构，转向机构上端通过步态行走机构与机器人本体1连接，转向机构下端与驱动轮39连接。在复杂地形行驶时，机器人本体1采用步态行走和轮腿复合模式进行越障，保证机器人本体1在复杂地形能够快速移动；在平坦地形行驶时，机器人本体1可采用轮腿模式进行高速行驶，提高机器人的机动性和工作效率，机器人兼具轮式与腿式机器人的双重优点，即能保证工作效率又能避免对农作物的干扰，有效增强机器人的适用性。
进一步，步态行走机构包括竖向执行机构和横向执行机构，竖向执行机构的上端与机器人本体1铰接，竖向执行机构的下端通过减震机构与横向执行机构连接。竖向执行机构和横向执行机构均为伸缩杆结构，竖向执行机构伸缩控制轮腿3的抬起或放下，横向执行机构伸缩控制驱动轮29相对机器人本体1前后移动，竖向执行机构和横向执行机构配合实现机器人的步态行走。在本实施例中，竖向执行机构和横向执行机构不是完全的竖直或水平，在竖向执行机构和横向执行机构伸缩过程中，竖向执行机构和横向执行机构会发生一定程度的角度偏移。
实施例2，一种四轮腿式全地形农业机器人，减震机构包括上连杆32和下连杆34，上连杆32和下连杆34的尾端均与机器人本体1铰接，上连杆32和下连杆34的前端通过竖向布置的阻尼弹簧33连接，且上连杆32位于下连杆34的上方，上连杆32、下连杆34及阻尼弹簧33成三角形结构设置。阻尼弹簧33与竖向执行机构串联，在实现姿态控制的同时能够保证良好的行驶平顺性。本实施例中，上连杆32和下连杆34均为三角形结构杆，三角形结构杆具有良好的稳定性，使轮腿3不会发生左右偏离的情况，保证轮腿3移动过程中的平稳。
进一步，竖向执行机构为竖向布置的直线动作器Ⅰ31，直线动作器Ⅰ31的上端与机器人本体1铰接，直线动作器Ⅰ31的下端与上连杆32的前端铰接。铰接有利于直线动作器Ⅰ31伸缩的正常进行，避免出现干涉情况；具体的，在直线动作器Ⅰ31收缩时，上连杆32向上摆动，上连杆32的前端通过阻尼弹簧33带动驱动轮39抬起；在直线动作器Ⅰ31伸长时，上连杆32向下摆动，上连杆32的前端通过阻尼弹簧33带动驱动轮39放下。
进一步，横向执行机构为横向布置的直线动作器Ⅱ36，直线动作器Ⅱ36的尾端与机器人本体1铰接，直线动作器Ⅱ36的前端与竖向布置的连接腿35的下端铰接，连接腿35的上端与下连杆34的前端铰接。具体的，在直线动作器Ⅱ36收缩时，连接腿35向后摆动，连接腿35的下端带动驱动轮39向后移动；在直线动作器Ⅱ36伸长时，连接腿35向前摆动，连接腿35的下端带动驱动轮39向前移动。
进一步，连接腿35为圆弧曲线杆，连接腿35、下连杆34及直线动作器Ⅱ36成三角形结构设置。连接腿35采用圆弧曲线设计，在面对极端非结构农田时，通过自身的适当弯曲可进一步分担地面冲击，降低对关节、作动器、机载设备以及脆弱果实（例如草莓、桑葚等）的冲击。
其他结构与实施例1的结构相同。
实施例3，一种四轮腿式全地形农业机器人，转向机构包括转向电机37和转向立柱38，连接腿35的下端通过转向电机37与转向立柱38的上端连接，转向立柱38的下端与驱动轮39转动连接。驱动轮39上设有驱动电机，驱动电机与转向立柱38连接。具体的，转向电机37转动带动转向立柱38沿其轴线转动，进而带动驱动轮39进行摆动，实现机器人本体1移动方向的调整；驱动电机带动驱动轮39转动，进而实现机器人本体1的轮式移动。本实施例中，机器人本体1的四个轮腿3独立运行，使机器人本体1能够采用差速转向与四轮独立转向相结合的方式进行转向，能够实现360度无死角转向。当行驶方向遇到无法逾越障碍且深陷其中时，可随意切换行驶方向摆脱障碍，提高机器人在非结构农田的脱困能力。
其他结构与实施例1或实施例2的结构相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种四轮腿式全地形农业机器人，包括机器人本体（1），其特征在于，机器人本体（1）上设有传感系统，机器人本体（1）的前后两侧分别设有两个机器人轮腿（3）；机器人轮腿（3）包括步态行走机构和转向机构，转向机构上端通过步态行走机构与机器人本体（1）连接，转向机构下端与驱动轮（39）连接；
步态行走机构包括竖向执行机构和横向执行机构，竖向执行机构的上端与机器人本体（1）铰接，竖向执行机构的下端通过减震机构与横向执行机构连接；
减震机构包括上连杆（32）和下连杆（34），上连杆（32）的尾端和下连杆（34）的尾端均与机器人本体（1）铰接，上连杆（32）的前端和下连杆（34）的前端通过竖向布置的阻尼弹簧（33）连接，且上连杆（32）位于下连杆（34）的上方，上连杆（32）、下连杆（34）及阻尼弹簧（33）成三角形结构设置；
竖向执行机构为竖向布置的直线动作器Ⅰ（31），直线动作器Ⅰ（31）的上端与机器人本体（1）铰接，直线动作器Ⅰ（31）的下端与上连杆（32）的前端铰接；
横向执行机构为横向布置的直线动作器Ⅱ（36），直线动作器Ⅱ（36）的尾端与机器人本体（1）铰接，直线动作器Ⅱ（36）的前端与竖向布置的连接腿（35）的下端铰接，连接腿（35）的上端与下连杆（34）的前端铰接；
连接腿（35）为圆弧曲线杆，连接腿（35）、下连杆（34）及直线动作器Ⅱ（36）成三角形结构设置。
2.根据权利要求1所述的四轮腿式全地形农业机器人，其特征在于，上连杆（32）和下连杆（34）均为三角形结构杆。
3.根据权利要求2所述的四轮腿式全地形农业机器人，其特征在于，转向机构包括转向电机（37）和转向立柱（38），连接腿（35）的下端通过转向电机（37）与转向立柱（38）的上端连接，转向立柱（38）的下端与驱动轮（39）转动连接。
4.根据权利要求3所述的四轮腿式全地形农业机器人，其特征在于，驱动轮（39）上设有驱动电机，驱动电机与转向立柱（38）连接。
5.根据权利要求1或4所述的四轮腿式全地形农业机器人，其特征在于，传感系统为陀螺仪（2），且陀螺仪（2）设置在机器人本体（1）的中心位置。
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| 具有悬架系统的全地形机器人位姿控制;马芳武;倪利伟;魏路路;徐广健;葛林鹤;聂家弘;吴量;;吉林大学学报(工学版)(第04期);全文 * |
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| CN115071857A (zh) | 2022-09-20 |
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Application publication date: 20220920 Assignee: Henan Sanqi Agricultural Technology Co.,Ltd. Assignor: HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING Contract record no.: X2024980000494 Denomination of invention: A four wheeled legged all terrain agricultural robot Granted publication date: 20230505 License type: Common License Record date: 20240111 |
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