CN204697536U - 智能农业机器人移动平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种智能农业机器人移动平台，尤其是涉及一种基于机器视觉技术的适应于农田或是果园环境的移动机器人平台。包括四轮后驱移动平台和嵌入式自动控制系统。嵌入式自动控制系统控制可同时控制后驱行走机构前进，前置转向机构转向，抓取机构抓取目标。所述的四轮后驱移动平台包括载体车厢、后驱行走机构、前置转向机构和前端抓取机构。本实用新型不仅可做教学实验平台，更为设施农业智能机械的研发提供切实可行的实施方案和性能分析，为加快设施农业的发展提供更多可能性。

Description

智能农业机器人移动平台

一、技术领域

本发明涉及智能机器人技术领域，尤其是涉及一种基于机器视觉技术的适应于农田或是果园环境的移动机器人平台。

二、背景技术

随着科技的进步，自动化程度日益提高，涉及农业领域的机器人智能化程度也在不断提高。农业机器人属于机器人范畴，是融合检测传感技术、自动控制技术、信息处理技术、伺服驱动技术、计算机技术和精密机械技术等多种技术于一体的交叉学科。农业机器人推动了农业向自动化，智能化方向发展，随着设施农业的发展如果园采摘，农田喷雾，温湿度检测等等，极大的推动了带有GPS定位导航功能的智能农业机械的发展。“农业的根本出路在于机械化”，研制适合于我国农业国情的农业机器人利于改善农业生产模式，缓解劳动力压力，对发展精准农业、绿色农业，提高农业生产效率，推进农业科技创新具有重要意义。根据作业工种不同，农业机器人又可分为锄草机器人、施药施肥机器人、釆摘机器人等，每一种机器人都有各自的特点和任务要求。本发明正是基于改善农业生产过程中作业人员的操作性，舒适性，提高作业效率，以及胜任一些极端恶劣的农田环境而研究制造的一款满足多作业要求的多功能智能移动农业机器人平台。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种智能农业机器人移动平台，该平台不仅可做教学实验平台，更为设施农业智能机械的研发提供切实可行的实施方案和性能分析，为加快设施农业的发展发挥重要作用。

一种智能农业机器人移动平台，包括四轮后驱移动平台和嵌入式自动控制系统。嵌入式自动控制系统控制可同时控制后驱行走机构前进，前置转向机构转向，抓取机构抓取目标。

所述的四轮后驱移动平台包括载体车厢、后驱行走机构、前置转向机构和前端抓取机构。

所述的后驱行走机构由安装在载体车厢底面后部骨架上的两个完全相同的对称配置的行走驱动总成构成；所述的行走驱动总成包括安装在骨架上的固定支架、安装在固定支架上的伺服电机、安装在固定支架下部的车轮和安装在固定支架转动轴上的链传动机构；所述的前置转向机构由安装在载体车厢底面前部固定钢板上的两个完全相同对称配置的转向驱动总成构成；所述转向驱动总成包括安装在固定钢板上的转向支架、安装在转向支架上部的伺服电机(减速比100比1)、安装在转向支架下部的车轮和安装在转向支架上的带张紧轮的链传动机构；

所述载体车厢底面前部安装有固定钢板用于固定前置转向机构；载体车厢底面后部安装有固定骨架用于固定后驱行走机构；

所述前端抓取机构包括安装在载体车厢前端由同步带驱动的机械臂转盘和安装在机械臂转盘上的三段式机械臂以及安装在三段式机械臂末端的四自由度机械手爪；机械臂转盘和机械手爪通过伺服电机驱动。

所述的嵌入式自动控制系统包括安装在载体车厢内的工控机、机械臂末端的单目摄像头、载体车厢顶部分居两侧的双目摄像头；工控机包括以stm32F103zet6为核心的控制板以及通过CAN总线分别与控制板连接的伺服电机驱动器、GPS接收机和图像信息采集卡；图像信息采集卡通过RS232与上述机械臂末端的单目摄像头、载体车厢上部分居两侧的双目摄像头连接并采集其图像信息上传给工控机，GPS接收机将当前移动平台的GPS信息通过CAN总线上传给工控机，工控机将得到的图像信息与GPS信息综合分析后通过各伺服电机对应的伺服驱动器分别向后轮驱动伺服电机、前轮转向伺服电机、机械臂转动伺服电机和机械手抓取机构伺服电机发送不同的PWM脉冲，并根据伺服电机的反馈信号实时调整最终实现整个移动平台各机构的协同作业以达到设定运行轨迹进行农田作业；此外，工控机与各伺服电机均由安装在载体车厢内60V50AH的蓄电池通过电缆供电，其中工控机通过降压模块将电压由60V降为5V间接供电。

四、附图说明

图1农业机器人移动平台整体配置示意图

图2后轮驱动系统

图3前轮转向系统

图4抓取机构系统

图5控制系统

图中：

1.固定架 2.带座轴承安装台a 3.带座轴承a 4.套筒a 5.链轮 6.链条 7.法兰套筒

8.轮轴轴承 9.销轴a 10.链轮 11.后轮轮轴 12.伺服电机a 13后轮 14.阶梯轴

15.同步带轮a 16.深沟球轴承 17.转向支架固定件 18.转向支架固定件b

19.卡簧环形凹槽 20.推力球轴承 21.转向支架 22.套筒b 23.轮轴 24.前轮 25.同步带a

26.同步带张紧轮 27.同步带张紧轮固定座 28.套筒c 29.带座轴承b 30.带座轴承安装台b

31.同步带轮b 32.载体车厢底部前端固定板 33伺服电机b 34.伺服电机c 35.同步带轮c

36.同步带c 37.同步带转盘 38.机械臂安装底座 39.机械臂a 40.大U型连接件a

41.伺服电机d 42.套筒d 43.带座轴承c 44.小U型连接件a 45.机械臂b

46.大U型连接件b 47.带座轴承d 48.伺服电机e 49.小U型连接件b 50.机械臂c

51.单目摄像头 52.机械手爪

五、具体实施方式

如图2给出的后轮驱动系统安装示意图所示，固定架(1)上部通过螺栓连接固定到载体车厢底面骨架上，伺服电机a(12)也是由螺栓连接横向水平安装到固定架(1)中部，一侧开有键槽的套筒a(4)与伺服电机a(12)之间通过键链接，套筒a(4)另一侧通过紧定螺钉与带座轴承a(3)周向固定，带座轴承a(3)则通过螺栓连接安装到固定架(1)的带座轴承安装台a(2)上，这样就保证了套筒a(4)转动的平稳性，确保无挠动，套筒a(4)中部安装链轮(5)，链轮(5)与套筒a(4)上开螺纹孔，这样其周向固定通过紧定螺钉实现。后轮(13)通过螺栓与后轮轮轴(11)固定，轮轴轴承(8)内圈通过过盈连接安装到后轮轮轴(11)上，轮轴轴承(8)外圈以相同的连接方式安装到法兰套筒(7)内侧，法兰套筒(7)则通过螺栓安装到固定架(1)上，轮轴上装有链轮(10)，周向固定通过销轴(9)旋入螺纹孔内实现。链轮(5)与链轮(10)保持在同一垂直面内，二者通过链条(6)构成链传动机构，由此伺服电机将动力输送到后驱动车轮。伺服电机电源线与控制线通过固定架上部中空的圆筒通道分别连接到载体车厢内的蓄电池电源接口，伺服驱动器的RS232接口。

如图3前轮转向系统的安装示意图所示，转向支架上部阶梯轴(14)上套有(20)，套在阶梯轴(14)上的转向支架固定件a(17)用螺栓安装到载体车厢底部前端固定板(32)上，其中阶梯轴(14)上部开有卡簧环形凹糟(19)，由卡簧防止转向支架(8)的上下浮动，转向支架固定件(4)内嵌轴承(3)，由此保证前轮转向支架(21)转动时保持竖直无偏斜，转向支架阶梯轴(14)最上部通过紧定螺钉安装同步带轮(15)，前轮(24)通过轮轴(23)，套筒b(22),螺栓安装到前轮转向支架(21)上，控制转向的伺服电机b(33)通过螺栓安装到载体车厢底面前端固定板(32)上，开有键槽的套筒c(28)通过键连接伺服电机c(33)的输出轴来传递转向驱动力，深沟球轴承(16)安装在载体车厢底部固定板上的转向支架固定件b(17)上，套筒c(28)中部同样用紧定螺钉安装同步带轮b(31)，可调节的同步带张紧轮机构(26)(27)通过螺栓安装到载体车厢底部前端固定板(32)上。籍此，伺服电机b(33)实现控制前轮转向，采用同步带(25)传动可避免链传动的挠动，失位及噪声。

如图4抓取机构安装示意图所示，底部同步带转盘(37)通过螺栓连接安装到载体车厢前部固定架上，同步带另一端安装有同步带轮c(35)，同步带轮c与伺服电机(34)通过键连接实现伺服电机(34)驱动同步带转盘(37)，上部三段式机械臂分别采用三种不同尺寸规格的工业铝型材制造，机械臂a(39)通过工业铝型材专用的四个T型螺栓安装到大U型连接件a(40)上，伺服电机d(41)通过螺栓连接安装到大U型连接件a(40)一侧的螺柱上，另一侧装有带座轴承c(43),套筒d(42)与伺服电机d(41)之间通过键连接，套筒d(42)与小U型连接件a(44)的前端套筒通过二者中部螺纹孔内的紧定螺钉实现周向固定,小U型连接件a(44)上安装机械臂b(45)，藉此，伺服电机d(41)实现同步驱动机械臂b(45)的功能,同样的方式实现机械臂b(45)机械臂c(50)之间的连接与传动，机械臂c(50)末端装有机械手爪(52)，机械臂前端单目摄像头(51)安装在机械臂c的末端，自此6自由度抓取机构组成完毕，该机构具有自由度大，伺服电机d(41)和伺服电机e(48)分两侧安装，结构合理，机械手无死角抓取的优点。

如图5控制系统示意图所示，整个控制系统由60V50AH的高容量蓄电池供电，具有续航能力强，满足田间作业的要求，工控机机内的运动图像采集卡采集处理摄像头的实时监控信息通过图像采集卡的RS232上传到工控机，同时工控机结合当前的GPS接收器确定的位置信息及所有伺服电机反馈回来的各项动力状态，综合处理后通过CAN总线发送给各伺服电机相应的脉冲信号，驱动整个移动平台协调运作以实现预先设定位姿，进行作业，其中工控机是基于stm32 F103 zet6芯片的控制系统，其内存大，具有信息处理速度快，具有多任务同时工作的特点，可更好的满足农田环境下的作业要求。

本实用新型有以下几个创新点：

(1)采用前轮转向，后轮驱动方式，使移动平台灵活性高，又避免了四轮驱动的动力冗余及转向驱动力重复等特点，充分满足农田作业要求；

(2)全部采用伺服电机驱动，闭环控制，精确度更高，且功率选型为400w，输出扭矩大，可负载能力高，满足农田作业(喷洒农药，施肥，采摘果实等)要求。

(3)拥有GPS导航，机器视觉，距离传感器等保证了移动平台路径的最优性与安全性。

(4)拥有6自由度机械手，可胜任各种农田作业要求，可扩展性强。

(5)全程在工控机控制下全程自主作业，降低劳动力，劳动生产率大大提高。

(6)由于开源性强，为同领域人员拓展研究提供可行性。

本智能农业机器人移动平台最大的特点在于平台本身完全模块化设计，各构件皆可拆卸更换，为平台后续更新升级提供可能性，可结合具体教学或实验要求改装加装外设，具有相当的灵活性，更为适应各类农田作业要求增置外设提供更多可能性，可扩展性强，为实现各类农田作业机器人以及相关科研提供平台，采用高强度，质量轻的工业铝型材，使整个平台具有质量较小，强度高的特点，采用60V50AH的高容量蓄电池供电，具有续航能力强，满足田间作业的要求，控制系统以stm32 F103 zet6为核心，充分满足信息处理容量大，速度快，多任务并行的要求，为农业机器人移动平台的智能化提供了更多可能性。

Claims (1)

1.一种智能农业机器人移动平台，其特征在于包括四轮后驱移动平台和嵌入式自动控制系统；嵌入式自动控制系统控制同时控制后驱行走机构前进、前置转向机构转向和抓取机构抓取目标；

所述的四轮后驱移动平台包括载体车厢、后驱行走机构、前置转向机构和前端抓取机构；

所述的后驱行走机构由安装在载体车厢底面后部骨架上的两个完全相同的对称配置的行走驱动总成构成；所述的行走驱动总成包括安装在骨架上的固定支架、安装在固定支架上的伺服电机、安装在固定支架下部的车轮和安装在固定支架转动轴上的链传动机构；所述的前置转向机构由安装在载体车厢底面前部固定钢板上的两个完全相同对称配置的转向驱动总成构成；所述转向驱动总成包括安装在固定钢板上的转向支架、安装在转向支架上部的伺服电机、安装在转向支架下部的车轮和安装在转向支架上的带张紧轮的链传动机构；

所述载体车厢底面前部安装有固定钢板用于固定前置转向机构；载体车厢底面后部安装有固定骨架用于固定后驱行走机构；

所述前端抓取机构包括安装在载体车厢前端由同步带驱动的机械臂转盘和安装在机械臂转盘上的三段式机械臂以及安装在三段式机械臂末端的四自由度机械手爪；机械臂转盘和机械手爪通过伺服电机驱动；

所述的嵌入式自动控制系统包括安装在载体车厢内的工控机、机械臂末端的单目摄像头、载体车厢顶部分居两侧的双目摄像头；工控机包括以stm32F103zet6为核心的控制板以及通过CAN总线分别与控制板连接的伺服电机驱动器、GPS接收机和图像信息采集卡；图像信息采集卡通过RS232与上述机械臂末端的单目摄像头、载体车厢上部分居两侧的双目摄像头连接，GPS接收机将当前移动平台的GPS信息通过CAN总线上传给工控机，工控机通过各伺服电机对应的伺服驱动器分别向后轮驱动伺服电机、前轮转向伺服电机、机械臂转动伺服电机和机械手抓取机构伺服电机发送不同的PWM脉冲；工控机与各伺服电机均由安装在载体车厢内60V50AH的蓄电池通过电缆供电，其中工控机通过降压模块将电压由60V降为5V间接供电。