CN104709196A - 一种用于田间作业机器人的电动升降底盘 - Google Patents

一种用于田间作业机器人的电动升降底盘 Download PDF

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Abstract

一种用于田间作业机器人的电动升降底盘，包括主机架及安装在该主机架上的电源、控制器、行走机构、转向机构和升降机构，该控制器分别与该电源、行走机构、转向机构和升降机构连接，该行走机构、转向机构和升降机构分别与该电源连接，该行走机构包括多个车轮及驱动力矩电机，该驱动力矩电机的内转子与车轮的车轮轴连接，该控制器与该驱动力矩电机连接，该控制器根据设定的车速换算出该驱动力矩电机的输出转速并控制该驱动力矩电机的内转子的转动以带动该车轮旋转，该驱动力矩电机内置有第一编码器，该第一编码器与该控制器连接，该控制器根据该第一编码器反馈的速度信号调节该驱动力矩电机的内转子的转速以实现精准行走。

Description

一种用于田间作业机器人的电动升降底盘
技术领域
本发明涉及一种电动升降底盘，特别是一种用于田间作业机器人的四轮独立驱动与转向的可调轮距的电动升降底盘。
背景技术
目前，小型田间作业机器人技术已成为国内外研究热点，机器人底盘作为田间数据采集、数据处理的主体，主要用来搭载多种传感器实现机器人的导航、路径规划，完成特定的田间作业任务。但是由于田间工况复杂，对机器人底盘驱动能力、转向能力有着极高要求，针对不同的农作物进行作业时，需要根据作物高度进行底盘的自动调整，而且我国农作物种植标准不一，导致农作物行距变化较大，同样也需要机器人对不同的行距进行自动调整。在目前的国内外电动底盘中，尚未有对于四轮独立驱动与转向的可调轮距的电动升降底盘的技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于田间作业机器人的电动升降底盘，可以实现四轮独立驱动与转向且轮距可调。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于田间作业机器人的电动升降底盘，包括主机架及安装在所述主机架上的电源、控制器、行走机构、转向机构和升降机构，所述控制器分别与所述电源、行走机构、转向机构和升降机构连接，所述行走机构、转向机构和升降机构分别与所述电源连接，其中，所述行走机构包括多个车轮及对应于每个所述车轮设置的驱动力矩电机，所述驱动力矩电机的内转子与所述车轮的车轮轴连接，所述控制器与所述驱动力矩电机连接，所述控制器根据设定的车速换算出所述驱动力矩电机的输出转速并直接控制所述驱动力矩电机的内转子的转动以带动所述车轮旋转，所述驱动力矩电机内置有用于进行速度反馈的第一编码器，所述第一编码器与所述控制器连接，所述控制器根据所述第一编码器反馈的速度信号调节所述驱动力矩电机的内转子的转速以实现精准行走。
上述的电动升降底盘，其中，所述转向机构与所述行走机构连接，所述转向机构包括转向盘和转向力矩电机，所述转向盘包括互相连接的侧面和上平面，所述转向盘的侧面与所述驱动力矩电机的定子连接，所述转向盘的上平面与所述转向力矩电机的内转子连接，所述控制器与所述转向力矩电机连接，所述控制器根据设定的转向角度换算出所述转向力矩电机的输出转速并直接控制所述转向力矩电机的内转子转动以带动所述转向盘旋转，使安装在所述转向盘上的所述驱动力矩电机带动所述车轮一起转动以实现转向。
上述的电动升降底盘，其中，所述转向力矩电机内置有用于进行转向大小反馈的第二编码器，所述第二编码器与所述控制器连接，所述控制器根据所述第二编码器反馈的转向信号调节所述转向力矩电机的内转子的转速以实现精准转向。
上述的电动升降底盘，其中，所述升降机构分别与所述主机架和所述转向机构连接，所述升降机构包括车轮支撑杆、机架支撑轴、上升降臂、下升降臂和电动推杆，所述车轮支撑杆、机架支撑轴、上升降臂和所述下升降臂组成一平行四边形机构，所述电动推杆分别与所述控制器及所述电源连接，所述车轮支撑杆固定于所述转向力矩电机的定子上，所述机架支撑轴固定于所述主机架上，所述控制器根据设定的升降高度换算出所述电动推杆的位移量并直接控制所述电动推杆的伸缩以调整所述平行四边形机构实现升降。
上述的电动升降底盘，其中，所述电动推杆内置有用于反馈伸缩量大小的电位计，所述电位计与所述控制器连接，所述控制器根据所述电位计反馈的伸缩量信号调节所述电动推杆的位移量以实现精准升降。
上述的电动升降底盘，其中，还包括轮距调节机构，所述轮距调节机构包括制动器和锥轴承，所述机架支撑轴的上端通过所述锥轴承与所述制动器连接，所述锥轴承通过轴承座安装在所述主机架上，所述控制器根据设定的轮距换算所述机架支撑轴的旋转角度并控制所述制动器通电或断电，所述制动器断电时，所述机架支撑轴锁死，所述制动器通电时，所述机架支撑轴能自由转动至所述旋转角度以调节轮距。
上述的电动升降底盘，其中，所述轮距调节机构还包括第三编码器，所述第三编码器分别与所述机架支撑轴及所述控制器连接，所述控制器根据所述第三编码器的轮距反馈信息调节所述旋转角度以实现轮距的整体调节。
上述的电动升降底盘，其中，所述下升降臂的两端分别通过车轮支撑杆下轴承及机架支撑轴下轴承与所述车轮支撑杆及所述机架支撑轴连接，所述上升降臂的两端分别通过车轮支撑杆上轴承及机架支撑轴上轴承与所述车轮支撑杆及所述机架支撑轴连接。
本发明的技术效果在于：本发明作为田间作业机器人底盘可以实现四轮独立驱动及精准行走、转向及升降运动，轮距可调，方便配合机器人精确采集田间数据采集及数据处理，完成特定的田间作业任务。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明一实施例的电动升降底盘主视图；
图2为图1的左视图；
图3为图1的俯视图。
其中，附图标记
1  主机架
2  电源
3  控制器
4  行走机构
41  车轮
42  驱动力矩电机
5  转向机构
51  转向盘
511  侧面
512  上平面
52  转向力矩电机
6  升降机构
61  车轮支撑杆
62  机架支撑轴
63  上升降臂
64  下升降臂
65  电动推杆
66  车轮支撑杆上轴承
67  车轮支撑杆下轴承
68  机架支撑轴上轴承
69  机架支撑轴下轴承
7  轮距调节机构
71  制动器
72  锥轴承
73  第三编码器
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
参见图1、图2及图3，图1为本发明一实施例的电动升降底盘主视图，图2为图1的左视图，图3为图1的俯视图。本发明的用于田间作业机器人的电动升降底盘，包括主机架1及安装在所述主机架1上的电源2、控制器3、行走机构4、转向机构5和升降机构6，其中所述电源2优选为48V电池组，所述控制器3分别与所述电源2、行走机构4、转向机构5和升降机构6连接，所述行走机构4、转向机构5和升降机构6分别与所述电源2连接，其中，所述行走机构4包括多个车轮41及对应于每个所述车轮41设置的驱动力矩电机42，所述车轮41优选为四个，所述驱动力矩电机42的内转子与所述车轮41的车轮41轴连接，所述控制器3与所述驱动力矩电机42连接，所述控制器3根据设定的车速换算出所述驱动力矩电机42的输出转速并通过所述控制器3内部的自带电机驱动器直接输出驱动命令控制所述驱动力矩电机42的内转子的转动以带动所述车轮41旋转，所述驱动力矩电机42内置有用于进行速度反馈的第一编码器（图未示），所述第一编码器用于检测转速，所述第一编码器与所述控制器3连接，所述控制器3根据所述第一编码器反馈的速度信号进行速度反馈控制，从而调节所述驱动力矩电机42的内转子的转速以实现精准行走，所述第一编码器通过联轴器与所述驱动力矩电机42的内转子相连接，可实时监测所述驱动力矩电机42的转速输出情况，若所述第一编码器检测的输出转速与设定的车速不一致，则可通过所述控制器3自动调节所述驱动力矩电机42的输出转速，从而到达输出与输入的一致，保证机器人底盘按照设定的车速行走。
所述转向机构5与所述行走机构4连接，所述转向机构5包括转向盘51和转向力矩电机52，所述转向盘51包括互相连接的侧面511和上平面512，所述转向盘51的侧面511与所述驱动力矩电机42的定子连接，所述转向盘51的上平面512与所述转向力矩电机52的内转子连接，所述控制器3与所述转向力矩电机52连接，所述控制器3根据设定的转向角度换算出所述转向力矩电机52的输出转速并通过所述控制器3内部的自带电机驱动器直接输出驱动命令控制所述转向力矩电机52的内转子转动以带动所述转向盘51旋转，使安装在所述转向盘51上的所述驱动力矩电机42带动所述车轮41一起转动以实现转向。
其中，所述转向力矩电机52内置有用于进行转向大小反馈的第二编码器（图未示），所述第二编码器与所述控制器3连接，所述控制器3根据所述第二编码器反馈的转向信号调节所述转向力矩电机52的内转子的转速以实现精准转向，所述第二编码器通过联轴器与所述转向力矩电机52的内转子相连接，可实时监测所述转向力矩电机52的转角输出情况，若所述第二编码器检测的输出角度与设定的转向角度不一致，则可通过所述控制器3自动调节所述转向力矩电机52的输入角度，从而到达输出与输入的一致，保证机器人底盘按照设定的转角转向。所述升降机构6分别与所述主机架1和所述转向机构5连接，所述升降机构6包括车轮支撑杆61、机架支撑轴62、上升降臂63、下升降臂64和电动推杆65，所述车轮支撑杆61、机架支撑轴62、上升降臂63和所述下升降臂64组成一平行四边形机构，所述下升降臂64的两端分别通过车轮支撑杆下轴承67及机架支撑轴下轴承69与所述车轮支撑杆61及所述机架支撑轴62连接，所述上升降臂63的两端分别通过车轮支撑杆上轴承66及机架支撑轴上轴承68与所述车轮支撑杆61及所述机架支撑轴62连接。所述电动推杆65的尾部与所述机架支撑轴上轴承68连接，所述电动推杆65的头部与所述车轮支撑杆下轴承67连接。所述电动推杆65分别与所述控制器3及所述电源2连接，所述车轮支撑杆61固定于所述转向力矩电机52的定子上，所述机架支撑轴62固定于所述主机架1上，所述控制器3根据设定的升降高度换算出所述电动推杆65的位移量并直接控制所述电动推杆65的伸缩以调整所述平行四边形机构实现升降。当所述电动推杆65伸长时，所述平行四边形机构将围绕所述机架支撑轴上轴承68与所述机架支撑轴下轴承69产生顺时针旋转，从而迫使所述主机架1向上运动，实现机器人底盘的上升。当所述电动推杆65缩短时，所述平行四边形机构将围绕所述机架支撑轴上轴承68与所述机架支撑轴下轴承69产生逆时针旋转，从而迫使所述主机架1向下运动，实现机器人底盘的下降。
本实施例中，所述电动推杆65内置有用于反馈伸缩量大小的电位计（图未示），所述电位计用于检测所述电动推杆65的位移，所述电位计与所述控制器3连接，所述控制器3根据所述电位计反馈的伸缩量信号调节所述电动推杆65的位移量以实现精准升降。所述电位计可实时监测所述电动推杆65的位移情况，若所述电位计检测的输出位移与设定的输入位移不一致，则可通过所述控制器3自动调节所述电动推杆65的输入位移，从而到达输出与输入的一致，保证机器人底盘按照设定的高度升降。
本实施例中，该电动升降底盘还可包括轮距调节机构7，所述轮距调节机构7包括制动器71和锥轴承72，所述机架支撑轴62的上端通过所述锥轴承72与所述制动器71连接，所述锥轴承72通过轴承座安装在所述主机架1上，所述控制器3根据设定的轮距换算所述机架支撑轴62的旋转角度并控制所述制动器71通电或断电，所述制动器71断电时，所述机架支撑轴62锁死，所述制动器71通电时，所述机架支撑轴62能自由转动至所述旋转角度以调节轮距。当需要调节轮距时，首先在所述控制器3中输入轮距的大小，然后通过所述转向力矩电机52将所述转向机构5旋转90°，再通过所述驱动力矩电机42驱动所述车轮41旋转，从而依靠所述车轮41与地面的摩擦力带动所述轮距调节机构7旋转，实现轮距的调节。其中，所述轮距调节机构7还可包括第三编码器73，所述第三编码器73用于检测轮距转角大小，所述第三编码器73分别与所述机架支撑轴62及所述控制器3连接，所述控制器3根据所述第三编码器73的轮距反馈信息调节所述旋转角度以实现轮距的整体调节。所述第三编码器73可实时监测所述机架支撑轴62的旋转情况，若述第三编码器73检测的输出角度与设定的输入轮距不一致，则可通过上述方法自动调节轮距，从而到达输出与输入的一致，保证机器人底盘按照设定的轮距工作。
本发明的电动升降底盘可以轴线为中心左右对称设置，也可根据需要做中心对称设置，作为田间作业机器人底盘，可方便地实现车轮独立驱动、车轮独立转向、车轮距独立可调以及平台自动升降等功能，方便配合机器人精确采集田间数据采集及数据处理，完成特定的田间作业任务。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于田间作业机器人的电动升降底盘，包括主机架及安装在所述主机架上的电源、控制器、行走机构、转向机构和升降机构，所述控制器分别与所述电源、行走机构、转向机构和升降机构连接，所述行走机构、转向机构和升降机构分别与所述电源连接，其特征在于，所述行走机构包括多个车轮及对应于每个所述车轮设置的驱动力矩电机，所述驱动力矩电机的内转子与所述车轮的车轮轴连接，所述控制器与所述驱动力矩电机连接，所述控制器根据设定的车速换算出所述驱动力矩电机的输出转速并直接控制所述驱动力矩电机的内转子的转动以带动所述车轮旋转，所述驱动力矩电机内置有用于进行速度反馈的第一编码器，所述第一编码器与所述控制器连接，所述控制器根据所述第一编码器反馈的速度信号调节所述驱动力矩电机的内转子的转速以实现精准行走。
2.如权利要求1所述的电动升降底盘，其特征在于，所述转向机构与所述行走机构连接，所述转向机构包括转向盘和转向力矩电机，所述转向盘包括互相连接的侧面和上平面，所述转向盘的侧面与所述驱动力矩电机的定子连接，所述转向盘的上平面与所述转向力矩电机的内转子连接，所述控制器与所述转向力矩电机连接，所述控制器根据设定的转向角度换算出所述转向力矩电机的输出转速并直接控制所述转向力矩电机的内转子转动以带动所述转向盘旋转，使安装在所述转向盘上的所述驱动力矩电机带动所述车轮一起转动以实现转向。
3.如权利要求2所述的电动升降底盘，其特征在于，所述转向力矩电机内置有用于进行转向大小反馈的第二编码器，所述第二编码器与所述控制器连接，所述控制器根据所述第二编码器反馈的转向信号调节所述转向力矩电机的内转子的转速以实现精准转向。
4.如权利要求2或3所述的电动升降底盘，其特征在于，所述升降机构分别与所述主机架和所述转向机构连接，所述升降机构包括车轮支撑杆、机架支撑轴、上升降臂、下升降臂和电动推杆，所述车轮支撑杆、机架支撑轴、上升降臂和所述下升降臂组成一平行四边形机构，所述电动推杆分别与所述控制器及所述电源连接，所述车轮支撑杆固定于所述转向力矩电机的定子上，所述机架支撑轴固定于所述主机架上，所述控制器根据设定的升降高度换算出所述电动推杆的位移量并直接控制所述电动推杆的伸缩以调整所述平行四边形机构实现升降。
5.如权利要求4所述的电动升降底盘，其特征在于，所述电动推杆内置有用于反馈伸缩量大小的电位计，所述电位计与所述控制器连接，所述控制器根据所述电位计反馈的伸缩量信号调节所述电动推杆的位移量以实现精准升降。
6.如权利要求1、2、3或5所述的电动升降底盘，其特征在于，还包括轮距调节机构，所述轮距调节机构包括制动器和锥轴承，所述机架支撑轴的上端通过所述锥轴承与所述制动器连接，所述锥轴承通过轴承座安装在所述主机架上，所述控制器根据设定的轮距换算所述机架支撑轴的旋转角度并控制所述制动器通电或断电，所述制动器断电时，所述机架支撑轴锁死，所述制动器通电时，所述机架支撑轴能自由转动至所述旋转角度以调节轮距。
7.如权利要求4所述的电动升降底盘，其特征在于，还包括轮距调节机构，所述轮距调节机构包括制动器和锥轴承，所述机架支撑轴的上端通过所述锥轴承与所述制动器连接，所述锥轴承通过轴承座安装在所述主机架上，所述控制器根据设定的轮距换算所述机架支撑轴的旋转角度并控制所述制动器通电或断电，所述制动器断电时，所述机架支撑轴锁死，所述制动器通电时，所述机架支撑轴能自由转动至所述旋转角度以调节轮距。
8.如权利要求6所述的电动升降底盘，其特征在于，所述轮距调节机构还包括第三编码器，所述第三编码器分别与所述机架支撑轴及所述控制器连接，所述控制器根据所述第三编码器的轮距反馈信息调节所述旋转角度以实现轮距的整体调节。
9.如权利要求7所述的电动升降底盘，其特征在于，所述轮距调节机构还包括第三编码器，所述第三编码器分别与所述机架支撑轴及所述控制器连接，所述控制器根据所述第三编码器的轮距反馈信息调节所述旋转角度以实现轮距的整体调节。
10.如权利要求4所述的电动升降底盘，其特征在于，所述下升降臂的两端分别通过车轮支撑杆下轴承及机架支撑轴下轴承与所述车轮支撑杆及所述机架支撑轴连接，所述上升降臂的两端分别通过车轮支撑杆上轴承及机架支撑轴上轴承与所述车轮支撑杆及所述机架支撑轴连接。
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