CN101091428A - 一种自动割草机器人 - Google Patents

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丛明
金立刚
房波
杜宇
沈宝宏
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Abstract

本发明属于机器人应用技术领域，涉及一种户外移动机器人，特别涉及一种能自主执行草坪修剪任务的自动割草机器人。其特征是该自动割草机器人包括机器人车体、割草机构、控制***和传感单元等部分。控制***通过自主识别或下载的方式获得割草机器人的工作地图信息，通过传感单元实时采集割草机器人的内部和外部的动态信息，依照特定的控制策略和路径规划算法对割草机构和机器人车体进行无人工干预的自动控制。本发明的效果和益处是实现了草坪修剪工作的智能自动化，操作简单，成本低廉，清洁环保，解决了人工作业时劳动强度大、时间消耗高、工作重复枯燥及噪音污染和空气污染等缺点。

Description

一种自动割草机器人
技术领域
本发明属于机器人应用领域，涉及一种户外移动机器人，特别是涉及一种一种能自主执行草坪修剪任务的自动割草机器人。
背景技术
随着经济的增长，城市建设步伐逐渐加快，随之也带动了绿化行业的繁荣发展。在城市中，草坪具有吸尘、降噪、保湿、施工周期短和保持水土等诸多优点，在各种绿化工程中的到了广泛应用。目前，草坪业已成为了一种新兴的产业。
在各种草坪维护作业中，草坪修剪的工作最为繁重，该工作不仅劳动强度高、劳动密集度大，并且有很强的重复性；在采用内燃机割草机进行作业的时还会带来噪音污染和空气污染，将严重影响从业人员的健康及周边的环境。如能设计一种能自动执行草坪修剪工作的智能设备，必然能节省大量的劳动力和资源。
最近几年，半导体技术、信息技术和机械电子技术得到了长足的进步，这使机器人走入日常应用成为可能，目前已经成功上市的吸尘机器人既是最有利的说明。自2000年以来，中国草坪业更是开始了迅猛的发展阶段，大量的公园绿地、高尔夫球场绿地、体育场绿地均需要进行日常修剪；自动割草机器人有着劳动力消耗少、安全性高、自动化程度高等特点，在未来的几年内必然会有广泛应用。
自动割草机器人是一种带有特殊割草机构的户外移动型机器人。一些大型公司已对自动割草机器人的进行了初步研究，并推出了部分自动割草机器人产品，如Friendly Machines公司的Robomow、Zucchetti公司的AmbrigioRobo-Lawnmower和Electrolux公司的Husqvarna Auto Mower等。这些自动割草机器人虽然能够自主地在特定工作区域内执行割草任务，能自动避障，但是它们大都采用无序不规则运动的方式实现遍历，效率比较低，而且存在死角。专利US5974347提供了一种带有旋转天线的四轮自动割草机器人，该机器人能通过三个固定在工作区域外的基站定位，能实现初步的遍历，但是它采用了类似汽车的四轮驱动结构，转弯半径比较大，不能实现零半径转弯，在作业的时候容易留下未切割区域；旋转的天线也增加了机构的复杂性，容易带来偏差。
如何实现割草机器人在特定工作区域内的全覆盖是割草机器人的研究重点和难点，专利US6885912提供了一种适合于移动机器人的全区域覆盖方法，特点是在工作区域边界和固定障碍物边界埋藏金属导线，移动机器人通过这些导线对自己在工作区域的位置进行识别，当遇到工作区域边界和固定障碍物边界时机器人执行特定的转向命令，以往复的行进路线实现工作区域的遍历，未知障碍物和移动物体通过机器人上的传感器识别，并依照策略执行避让。这种全区域覆盖的路径规划算法运算量低，但是智能性比较差，缺少外界的标定基准，容易产生遗漏区域。专利CN2510249Y则着重介绍了一种针对室内清洁的机器人原型，差动传动的驱动方式灵活性强，但该专利没有深入讨论适合于割草作业的机器人结构，也没有实现智能无人作业。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种以电力为能源、具有安全保护机制、能在特定区域内自主执行草坪修剪任务的自动割草机器人。
本发明的技术方案是：一种自动割草机器人，包括机器人车体、割草机构、控制***和传感单元等部分，其特征在于：机器人车体为自动割草机器人的本体，割草机构、控制***和传感单元均安装于其上；割草机构是自动割草机器人的执行部分，用于承担割草的任务，能带动刀盘以不同的转速和不同的割草高度下运行；传感单元能监测自动割草机器人的内外部信息，并对该信息进行初步的处理，为控制***提供更简单，更易于处理的反馈信号；控制***是自动割草机器人的控制核心，控制***根据预先获得或者学习到的地图，依靠一定的策略和路径规划算法，参照传感单元传输的反馈信号对机器人车体和割草机构进行相应的控制。
自动割草机器人的机器人车体包括机器人车体底盘、直流减速电机、减速箱、电机驱动板、驱动车轮和导向轮。
自动割草机器人的机器人车体中的减速箱包括同步齿型带轮小轮、同步齿型带、同步齿型带轮大轮和驱动车轮轮轴。
自动割草机器人的割草机构包括割草机构电机外套、割草机构电机、割草机构电机和刀盘连接件、刀盘和刀片。
自动割草机器人的传感单元包括内红外传感器、外红外传感器、超声波传感器、接触传感器、温度传感器、人体热释传感器和传感单元核心处理器。
自动割草机器人的控制***包括核心控制器、扩展存储芯片和通讯模块。在自动割草机器人的控制***中，还包括了运动控制策略，安全策略和路径规划算法。
本发明的有益效果：由于采用了带有减速箱的差速驱动方式，输出转矩大，能实现自动割草机器人零工作半径转弯，使得路径控制更容易，转弯更灵活；割草机构电机安置在了特殊的割草机构电机外套内，能调节刀盘的高度，使得自动割草机器人能适应不同的割草高度要求；采用了复合的传感单元，能综合监测自动割草机器人的内外部信息，智能化比较高；控制***搭载了扩展存储芯片，能实现大量地图信息和更复杂路径规划算法的存储，使得自动割草机器人自主运动的能力增强，能实现割草机器人工作区域的全区域覆盖。
附图说明
图1是本自动割草机器人的结构框图。
图2是本自动割草机器人的结构图
图3是本自动割草机器人的机器人车体图。
图4为自动割草机器人车体中的减速箱图。
图5为自动割草机器人的割草机构。
图6为自动割草机器人工作过程框图。
图7为子区域划分示例以及子区间遍历方式。
图8为不同形状子区域采用的不同工作路径。
a为螺旋型路径；b为轮廓跟踪型路径；
c为往复型路径；d为随机型路径。
图中：
1.机器人车体              2.割草机构
3.控制***                4.传感单元
5.驱动车轮                6.减速箱
7.内红外传感器            8.直流减速电机
9.电机驱动卡              10.自动割草机器人车体底盘
11.万向导向轮             12.超声波传感器
13.人体热释传感器         14.电池组
15.碰撞传感器             16.刀片
17.刀盘                   18.外红外传感器
19.同步齿形带带轮小轮     20.同步齿形带
21.同步齿形带带轮大轮     22.驱动车轮轮轴轴承
23.驱动轮轴               24.轮轴轴承外盖
25.驱动车轮轮轴轴承       26.轮轴轴承外盖
27.割草电机外套           28.割草电机
29.驱动车轮轮轴轴承
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式：
自动割草机器人开机后，首先完成内部硬件和软件的检测，将所有的随机存储单元清零。当自动割草机器人各个部分复位后开始询问用户执行方式。执行方式分为两种，一种为手动控制，用户通过遥控器对割草机器人进行操纵；另一种方式为自动控制，即自动割草机器人自主进行工作。当选择手动控制时，自动割草机器人控制***将开启遥控接口，并保持到待机状态，随时准备接收运动指令。当选择为自动控制模式时，自动割草机器人开始根据控制器内的信息为自己的工作做出计划。值得说明的是，无论是在手动控制模式下还是在自动控制模式下，自动割草机器人的避障指令、危险情况紧急关机和人员距离过近警告等安全相关的控制命令始终对自动割草机器人的控制享有优先权，以尽可能地避免潜在的危险。
如选择自动模式运行，割草机器人将查询自身存储器上的地图信息，以安排相应的工作计划。当工作区域内障物比较小的时候，自动割草机器人会采用避让的方法进行工作；当工作区域内障碍物比较大的时候，自动割草机器人将把工作区域划分成若干个内部不含有障碍物的子区域，如图6所示，然后自动割草机器人根据子区域的外型特征选择合适的遍历方法，通常的原则是：圆形子区域采用如图8a所示的螺旋型路径，矩形和外轮廓不复杂的子区域采用如图8b所示的轮廓跟踪型路径，规则的大面积子区域采用如图8c所示的往复型路径，对于无法判断的特殊子区域采用随机型路径，如图8d所示。
自动割草机器人采用了差速轮的驱动方式，主要的原理是利用两驱动轮5不同的转速来实现机器人的运动。直流电机7输出的转距传递到同步齿型带轮小轮19上，经由同步齿型带20传递至同步齿型带轮大轮21上，进而带动驱动轮轴23运动，最终运动由驱动轮轴带动的驱动轮5实现。自动割草机器人的两驱动轮5通过电机控制卡8上的2路L298晶片同步控制，并根据PWM原理利用脉冲调节速度。
在运行时，超声波传感器12用于检测距离自动割草机器人2m～15cm之间的障碍物，本发明实施中的自动割草机器人在前端安装了3个指向不同角度的超声波传感器12，它们共享一个通道为传感单元的核心处理器传输障碍物信息；在每两个超声波传感器之间，还安装了2个外部红外传感器18，红外线传感器的探测范围为15cm～10mm，可用于补偿超声波传感器12不能检测近距离障碍的缺陷；在自动割草机器人车体周围均布了若干接触式碰撞传感器15，用来检测产生的碰撞；这些外部环境信息传感器通过一条总线为传感单元的核心处理器传输数据，传感器核心处理器对这些数据进行初步的分析和处理，为自动割草机器人的控制***提供外界信息。在机器人内部，还包含3个内红外传感器9，一个用于割草机转速的检测，另两个用于车轮转速的检测，这些数据自动割草机器人传感单元的核心处理器并不处理，仅进行增益后作为状态信息反馈到自动割草机器人的控制***。
本发明采用的直流调速电机的转速比为1/270，输出转距为20Kg.cm，同步齿型带轮和带为梯形齿，有利于传递高转距，控制***采用了C51兼容的开发板，在片上提供了足够的I/O口进行数据采集和输出。机器人的机械本体采用高强度铝合金和高强度工程塑料制造，具有重量轻，强度高的特点。

Claims (3)

1、一种自动割草机器人，包括机器人车体(1)、割草机构(2)、控制***(3)和传感单元(4)，其特征在于
机器人车体(1)包括机器人车体底盘(10)、直流减速电机(7)、直流电机驱动板(8)、减速箱(6)、驱动车轮(5)和万向的导向轮(11)；
减速箱(6)包括同步齿型带轮小轮(19)、同步齿型带(20)、同步齿型带轮大轮(21)和驱动车轮轮轴(23)；
割草机构(2)包括割草机构电机外套(27)、割草机构电机(28)、电机刀盘联接件(29)、刀盘(17)和刀片(16)。
2、根据权利要求1所述的自动割草机器人，其特征还在于所述的控制***(4)包括核心控制器、扩展存储芯片和通讯模块。
3、根据权利要求1所述的自动割草机器人，其特征还在于所述的传感单元(4)包括内红外传感器(9)、外红外传感器(18)、超声波传感器(12)、碰撞传感器(15)、人体热释传感器(13)、温度传感器和传感单元核心处理器。
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