CN117581718A - 一种棉花激光打顶机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种棉花激光打顶机器人，包括驱动机构、转向机构、保护罩、连接架和控制盒，连接架外侧固定安装保护罩，连接架底部通过转向机构连接驱动机构，连接架上固定安装控制盒，控制盒内安装激光器和蓄电池，连接架与转向机构之间设置减震机构。本发明结构设计科学合理，识别准确，转向平稳精准，激光打顶平稳，误伤率低，打顶效率高，可推广使用。
Description
技术领域
本发明属于农用装备技术领域，具体涉及一种棉花激光打顶机器人。
背景技术
近年来，我国的棉花种植模式基本为一膜三垄六行，外侧两行普遍长势较矮，中间四行高低也不同，现有的机械化棉花打顶装置无法实时识别棉花高度，打顶精确性低，常常造成漏刀、过切等问题。打顶的刀具常采用旋转的刀片，容易破坏棉株上的其它叶片和芽孢，影响棉花产量。
现有的打顶方式打顶精度较低，不能很好地适应机械抖动以及地形不平整的变化，导致最终打顶质量较差，效率低、误伤率高，存在系统性误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种棉花激光打顶机器人，结构设计科学合理，识别准确，转向平稳精准，激光打顶平稳，误伤率低，打顶效率高，可推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种棉花激光打顶机器人，其特征在于，包括驱动机构、转向机构、保护罩、连接架和控制盒，所述连接架外侧固定安装保护罩，所述连接架底部通过转向机构连接驱动机构，所述连接架上固定安装控制盒，所述控制盒内安装激光器和蓄电池，所述连接架与转向机构之间设置减震机构；
所述转向机构包括支撑板、减速器、步进电机和转向块，所述支撑板连接减震机构，所述支撑板上固定安装步进电机，步进电机与蜗轮蜗杆减速器通过螺栓紧固件进行连接，蜗轮蜗杆减速器输出法兰使用螺钉将其固定在固定块上，回转支撑轴承将固定块与转向块连接起来，固定块和回转支撑轴承为中空结构，转向块中间开一键槽与减速器输出轴进行连接，同时在上方使用螺钉将角位移安装架固定在蜗轮蜗杆减速器上方，该角位移安装架形状为U形，方便安装与放置联轴器，并下面两侧延伸出两个小肩，使其方便固定在减速器上方，在角位移安装架上方打孔利用螺钉将角位移传感器固定在其上方，并利用联轴器将角位移传感器和减速器输出轴进行连接，来测量转弯时的角度。当减速器输出轴转动时，带动转向块进行转动，而转向块与平叉板通过螺钉进行连接，从而达到转向功能四个步进电机实现四轮独立转向，提升打顶机器人的灵活性。
所述控制盒对称设置两个，一个控制盒内安装激光器，另一盒控制盒内设置蓄电池和控制器。
优选的，所述减震机构包括腿部安装板、连杆和减震器，腿部安装板中间镂空方向空位，用于设备走线和减重，在一侧边缘打一些方形孔，同时连杆安装板上侧凸出小矩形与腿部安装板构成榫卯结构，并在周围进行焊接。连杆连接板外形为U形状，在中间留出圆形孔位和方形孔位，圆形孔位用于与支撑板进行连接，利用螺栓紧固件进行连接，方形孔位是用于走线和减轻整机重量的作用。并在U形侧翼打上安装孔，利用螺栓紧固件分别与两块减震安装板进行安装固定。连杆一端利用螺栓紧固件与连杆安装板连接，另一端同样与减震安装板连接，而且连杆两侧头部内侧配置有深沟球轴承，可以自由以孔位中心进行旋转。减震器安装为竖直安装，减震器上方利用一对减震器安装座进行固定，在下方利用螺栓紧固件，将其固定在减震安装板上，而且减震器两侧头部内侧安装套筒，可以围绕其中心进行旋转。当打顶机上下抖动时，减震器会伸出和压缩，连杆围绕中心进行旋转，转化为减震器安装座的上下平移，来抑制打顶机的抖动，提高打顶精度。
优选的，所述驱动机构包括行走轮、轮毂电机、车轴和平叉板，所述平叉板顶部固定连接所述转向块，所述平叉板下部通过车轴连接行走轮，所述行走轮上安装有驱动车轴转动的轮毂电机。
优选的，所述减速器的输出法兰固定连接有固定块，所述固定块通过回转支撑轴承连接转向块，所述转向块与减速器输出轴键连接，所述角位移传感器通过角位移安装架固定安装在减速器上，所述角位移安装架为U型架，所述角位移传感器通过联轴器与减速器输出轴同轴固定连接。
优选的，所述连接架包括上车架和下车架，所述上车架通过车架连接杆固定连接下车架，所述上车架与下车架之间还固定连接有辅助安装板，所述辅助安装板与腿部安装板固定连接。
优选的，所述保护罩包括侧面边角挡板、侧面中心挡板、边角罩体、框架和顶柜，所述侧面边角挡板与所述下车架连接，所述所述边角罩体与上车架连接，所述侧面中心挡板设置在两个侧面边角挡板之间，所述侧面边角挡板嵌合固定在框架内，框架上固定设置顶柜。
优选的，所述控制盒内设置有安装激光器的安装平台，所述安装平台通过激光器支撑杆固定连接诶在上车架上，所述框架上设置有充电小门，所述充电小门内设置有与蓄电池连接的充电口，所述控制盒上还设置有显示屏，所述蓄电池通过电池支撑杆固定安装在控制盒内，所述蓄电池上设置有电池压板，所述保护罩上还设置有急停开关和启停开关，所述控制器的电源端口连接蓄电池，控制器的控制信号输出端口连接激光器、步进电机和轮毂电机，所述控制器还与角位移传感器连接，所述保护罩前端设置有机器视觉摄像头，所述机器视觉摄像头连接控制器。机器视觉摄像头使用双目摄像头，机器视觉摄像头分别安转在打顶保护罩的前端两侧，机器视觉摄像头与Jetson orin NX视觉计算模块连接，处理摄像头采集的图像，识别棉花顶芽的空间位置坐标。Jetson orin NX视觉计算模块集成在控制器上。每台激光打顶机器人安装两台双目摄像机和六组激光器，适应一膜三垄六行的棉花种植模式。
优选的，激光器采用波长为455nm功率为100W的蓝光激光器。激光器包括激光发生器和激光振镜系统两部分。通过控制器调节激光发生器的功率和激光振镜的偏转角度，使激光准确的作用在棉花顶芽的位置。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明用轮毂电机独立驱动四个行走轮，结构紧凑，转弯半径小，驱动力大，能满足田间使用要求，安全可靠，转向灵活。
2、本发明设计了减震机构，可以大大减轻棉花打顶机作业时的机械震动，防止地面颠簸影响激光器的稳定，提高打顶质量，避免误伤。
3、本发明在一台机器人上并行设置多台激光器，大大增加了作业面积，有效提高工作效率。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明的整体立体结构示意图。
图2是本发明中驱动机构的结构示意图。
图3是本发明中转向机构的结构示意图。
图4是本发明中保护罩的结构示意图。
图5是本发明中减震机构的结构示意图。
图6是本发明中连接架的结构示意图。
图7是本发明中控制盒内的结构示意图。
附图标记说明：
1—驱动机构； 2—转向机构； 3—保护罩；
4—减震机构； 5—连接架； 6—控制盒；
101—车轴； 102—轮毂电机； 103—行走轮；
104—平叉板； 201—支撑板； 202—减速器；
203—步进电机； 204—固定块； 205—转向块；
206—回转支撑轴承； 207—角位移安装架； 208—联轴器；
209—角位移传感器； 301—侧面边角挡板； 302—侧面中心挡板；
303—边角罩体； 304—框架； 305—顶柜；
401—腿部安装板； 402—连杆； 403—连杆安装板；
404—连杆连接板； 405—减震安装板； 406—减震器；
407—减震器安装座； 501—辅助安装板； 502—上车架；
503—车架连接杆； 504—下车架； 601—激光器；
602—安装平台； 603—激光器支撑杆； 604—充电小门；
605—电池压板； 606—蓄电池； 607—启停开关；
608—电池支撑杆； 609—显示屏； 610—控制器；
611—急停开关。
具体实施方式
如图1至图7所示，本发明包括驱动机构1、转向机构2、保护罩3、连接架5和控制盒6，所述连接架5外侧固定安装保护罩3，所述连接架5底部通过转向机构2连接驱动机构1，所述连接架5上固定安装控制盒6，所述控制盒6内安装激光器601和蓄电池606，所述连接架5与转向机构之间2设置减震机构4；
所述转向机构2包括支撑板201、减速器202、步进电机203和转向块205，所述支撑板201连接减震机构4，所述支撑板201上固定安装步进电机203，所述步进电机203连接减速器202，所述减速器202驱动连接转向块205，所述减速器202上安装有角位移传感器209，所述转向块205连接驱动机构1；四个步进电机实现四轮独立转向，提升打顶机器人的灵活性。
所述控制盒6对称设置两个，一个控制盒6内安装激光器601，另一盒控制盒6内设置蓄电池606和控制器610。
优选的，所述减震机构4包括腿部安装板401、连杆402和减震器406，所述腿部安装板401上端面固定连接连接架5，所述腿部安装板401下端面内侧对称安装两个连杆安装板403，所述支撑板201上固定连接呈U型槽状的连杆连接板404，所述连杆连接板404固定连接减震安装板405，所述减震安装板405与连杆安装板403之间铰接连杆402，所述减震器406的顶部通过减震器安装座407与腿部安装板401底端面连接，减震器406的底部连接减震安装板405，所述减震器406的两端安装端头旋转套筒。所述连接架5采用方钢焊接而成的矩形框架，在连接架5的四个角上分别安装四组减震机构4，保证打顶机器人在田间行走作业时的稳定性，提升棉花打顶的质量。
优选的，所述驱动机构1包括行走轮103、轮毂电机102、车轴101和平叉板104，所述平叉板104顶部固定连接所述转向块205，所述平叉板104下部通过车轴101连接行走轮103，所述行走轮103上安装有驱动车轴104转动的轮毂电机102。
优选的，所述减速器202的输出法兰固定连接有固定块204，所述固定块204通过回转支撑轴承206连接转向块205，所述转向块205与减速器202输出轴键连接，所述角位移传感器209通过角位移安装架207固定安装在减速器202上，所述角位移安装架207为U型架，所述角位移传感器209通过联轴器208与减速器202输出轴同轴固定连接。
优选的，所述连接架5包括上车架502和下车架504，所述上车架502通过车架连接杆503固定连接下车架504，所述上车架502与下车架504之间还固定连接有辅助安装板501，所述辅助安装板501与腿部安装板401固定连接。
优选的，所述保护罩3包括侧面边角挡板301、侧面中心挡板302、边角罩体303、框架304和顶柜305，所述侧面边角挡板301与所述下车架504连接，所述所述边角罩体303与上车架502连接，所述侧面中心挡板302设置在两个侧面边角挡板301之间，所述侧面边角挡板301嵌合固定在框架304内，框架304上固定设置顶柜305。
优选的，所述控制盒6内设置有安装激光器601的安装平台602，所述安装平台602通过激光器支撑杆603固定连接诶在上车架502上，所述框架304上设置有充电小门604，所述充电小门604内设置有与蓄电池606连接的充电口，所述控制盒6上还设置有显示屏609，所述蓄电池606通过电池支撑杆608固定安装在控制盒6内，所述蓄电池606上设置有电池压板605，所述保护罩3上还设置有急停开关611和启停开关607，所述控制器610的电源端口连接蓄电池606，控制器610的控制信号输出端口连接激光器601、步进电机203和轮毂电机102，所述控制器610还与角位移传感器209连接，所述保护罩3前端设置有机器视觉摄像头，所述机器视觉摄像头连接控制器610。机器视觉摄像头使用双目摄像头，机器视觉摄像头分别安转在打顶保护罩3的前端两侧，机器视觉摄像头与Jetson orin NX视觉计算模块连接，处理摄像头采集的图像，识别棉花顶芽的空间位置坐标。Jetson orin NX视觉计算模块集成在控制器610上。每台激光打顶机器人安装两台双目摄像机和六组激光器，适应一膜三垄六行的棉花种植模式。
优选的，激光器601采用波长为455nm功率为100W的蓝光激光器。激光器包括激光发生器和激光振镜系统两部分。通过控制器610调节激光发生器的功率和激光振镜的偏转角度，使激光准确的作用在棉花顶芽的位置。
使用过程为：
行走过程：由机器视觉摄像头进行扫描，建立前面路面路况，由控制器610规划路线，然后发出信号给轮毂电机102，控制轮毂电机102旋转来实现行走轮行走。
转弯过程：由机器视觉摄像头扫描，发送给控制器610判断是否需要转弯，需要转弯时，发送给步进电机203转向信号，控制步进电机203旋转，来实现行走轮103的转向，同时减速器207上方的角位移传感器208采集转过角度通过控制器610反馈给步进电机203来修正行走轮103转过的角度。
减震过程：机器人行走在凹凸不平的路面上时，驱动机构1会上下抖动，减震器406同时也会伸长和压缩，抑制底盘的抖动，提高打顶精度。
打顶过程：激光器601进行打顶工作，在打顶过程中，机器视觉相机先识别该范围内棉花顶尖的数量及空间位置信息，发送给控制器610来控制轮毂电机102的转速，当棉花顶芽数量较多时，行进速度较慢，反之加快行进速度，且该打顶机底盘配置三台激光器601，在打顶过程中，由三台激光器601并行处理棉花顶芽烧蚀任务，提高作业速度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种棉花激光打顶机器人，其特征在于，包括驱动机构(1)、转向机构(2)、保护罩(3)、连接架(5)和控制盒(6)，所述连接架(5)外侧固定安装保护罩(3)，所述连接架(5)底部通过转向机构(2)连接驱动机构(1)，所述连接架(5)上固定安装控制盒(6)，所述控制盒(6)内安装激光器(601)和蓄电池(606)，所述连接架(5)与转向机构之间(2)设置减震机构(4)；
所述转向机构(2)包括支撑板(201)、减速器(202)、步进电机(203)和转向块(205)，所述支撑板(201)连接减震机构(4)，所述支撑板(201)上固定安装步进电机(203)，所述步进电机(203)连接减速器(202)，所述减速器(202)驱动连接转向块(205)，所述减速器(202)上安装有角位移传感器(209)，所述转向块(205)连接驱动机构(1)；
所述控制盒(6)内安装激光器(601)、蓄电池(606)和控制器(610)。
2.根据权利要求1所述的一种棉花激光打顶机器人，其特征在于，所述减震机构(4)包括腿部安装板(401)、连杆(402)和减震器(406)，所述腿部安装板(401)上端面固定连接连接架(5)，所述腿部安装板(401)下端面内侧对称安装两个连杆安装板(403)，所述支撑板(201)上固定连接呈U型槽状的连杆连接板(404)，所述连杆连接板(404)固定连接减震安装板(405)，所述减震安装板(405)与连杆安装板(403)之间铰接连杆(402)，所述减震器(406)的顶部通过减震器安装座(407)与腿部安装板(401)底端面连接，减震器(406)的底部连接减震安装板(405)，所述减震器(406)的两端安装端头旋转套筒。
3.根据权利要求1所述的一种棉花激光打顶机器人，其特征在于，所述驱动机构(1)包括行走轮(103)、轮毂电机(102)、车轴(101)和平叉板(104)，所述平叉板(104)顶部固定连接所述转向块(205)，所述平叉板(104)下部通过车轴(101)连接行走轮(103)，所述行走轮(103)上安装有驱动车轴(104)转动的轮毂电机(102)。
4.根据权利要求1所述的一种棉花激光打顶机器人，其特征在于，所述减速器(202)的输出法兰固定连接有固定块(204)，所述固定块(204)通过回转支撑轴承(206)连接转向块(205)，所述转向块(205)与减速器(202)输出轴键连接，所述角位移传感器(209)通过角位移安装架(207)固定安装在减速器(202)上，所述角位移安装架(207)为U型架，所述角位移传感器(209)通过联轴器(208)与减速器(202)输出轴同轴固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种棉花激光打顶机器人，其特征在于，所述连接架(5)包括上车架(502)和下车架(504)，所述上车架(502)通过车架连接杆(503)固定连接下车架(504)，所述上车架(502)与下车架(504)之间还固定连接有辅助安装板(501)，所述辅助安装板(501)与腿部安装板(401)固定连接。
6.根据权利要求5所述的一种棉花激光打顶机器人，其特征在于，所述保护罩(3)包括侧面边角挡板(301)、侧面中心挡板(302)、边角罩体(303)、框架(304)和顶柜(305)，所述侧面边角挡板(301)与所述下车架(504)连接，所述所述边角罩体(303)与上车架(502)连接，所述侧面中心挡板(302)设置在两个侧面边角挡板(301)之间，所述侧面边角挡板(301)嵌合固定在框架(304)内，框架(304)上固定设置顶柜(305)。
7.根据权利要求6所述的一种棉花激光打顶机器人，其特征在于，所述控制盒(6)内设置有安装激光器(601)的安装平台(602)，所述安装平台(602)通过激光器支撑杆(603)固定连接诶在上车架(502)上，所述框架(304)上设置有充电小门(604)，所述充电小门(604)内设置有与蓄电池(606)连接的充电口，所述控制盒(6)上还设置有显示屏(609)，所述蓄电池(606)通过电池支撑杆(608)固定安装在控制盒(6)内，所述蓄电池(606)上设置有电池压板(605)，所述保护罩(3)上还设置有急停开关(611)和启停开关(607)，所述控制器(610)的电源端口连接蓄电池(606)，控制器(610)的控制信号输出端口连接激光器(601)、步进电机(203)和轮毂电机(102)，所述控制器(610)还与角位移传感器(209)连接，所述保护罩(3)前端设置有机器视觉摄像头，所述机器视觉摄像头连接控制器(610)。
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| CN117581718A true CN117581718A (zh) | 2024-02-23 |
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2023
- 2023-12-28 CN CN202311835606.2A patent/CN117581718A/zh active Pending
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