CN109367636A - 一种水田播种农用机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水田播种农用机器人，包括行走模块、提升机构和播种施肥模块，所述行走模块包括前底盘、后桥、控制器、驱动装置和转向装置，前底盘底部设有两个驱动前轮，后桥底部设有两个无动力后轮，前底盘和后桥通过竖直方向的折腰联接销相连，使得后桥可以相对于前底盘转动，两个驱动前轮通过驱动装置驱动运动，所述转向装置用于驱动两个驱动前轮转向；所述播种施肥模块包括施肥机构和播种机构，所述施肥机构或播种机构通过提升机构安装在后桥中部，通过转向装置使得驱动前轮转向，然后通过差速转向和折腰机构使得行走模块转向半径大大减小，将农用机器人适用范围扩大到广大丘陵地带，极大提高了农业机器化作业水平。

Description

一种水田播种农用机器人
技术领域
本发明属于农业设备领域，涉及一种农用机器人，具体涉及一种水田播种农用机器人。
背景技术
目前的水田的机械化种植还存在着劳动强度大，对驾驶员要求高等问题，针对上述情况，设计了一种用于南方水田的水稻播种机器人，该机器人采用蓄电池驱动，纯电力，无污染，具有环境友好性。通过电池给驱动电机、转向电机、控制箱、电机驱动、播种模块供电，保证水田播种机的正常工作，由于南方水田的泥角深度较大以及南方丘陵地块较小，这就对水田播种机的转向半径提出了要求，目前现有技术中农用机器人难以满足要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中缺陷，提出一种一种水田播种农用机器人，解决现有技术中农用机器人转弯半径大，对小面积水田适应困难的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种水田播种农用机器人，包括行走模块、提升机构和播种施肥模块，其特征在于：所述行走模块包括前底盘、后桥、控制器、驱动装置和转向装置，所述前底盘底部设有两个驱动前轮，后桥底部设有两个无动力后轮，前底盘和后桥通过竖直方向的折腰联接销相连，使得后桥可以相对于前底盘转动，两个驱动前轮通过驱动装置驱动运动，所述转向装置用于驱动两个驱动前轮转向；所述播种施肥模块包括施肥机构和播种机构，所述施肥机构或播种机构通过提升机构安装在后桥中部。
作为改进，所述驱动装置包括两个驱动电机和用于供电的蓄电池组，两个驱动电机分别通过动力传动装置与相应的驱动前轮相连，通过控制器可以控制两个驱动电机的转速，从而实现差速转向，所述转向装置包括转向电机、方向机，转向电机通过方向机控制两个驱动前轮进行转向，然后通过两个驱动前轮的差速进一步减少转弯半径。
作为改进，所述前底盘上还设有无线通讯模块，通过遥控器和无线通讯模块可以与行走模块进行控制通讯。
作为改进，所述提升机构为平行四边形机构，具体包括提升机构固定座、提升座、工作部件安装座、上支架、下支架和电动推杆，所述提升机构固定座固定安装在后桥上，提升机构固定座、提升座、上支架和下支架通过销轴依次铰接相连组成平行四边形机构，所述电动推杆的本体铰接安装在提升机构固定座的上部，电动推杆的自由伸缩端通过连接杆与靠近提升座的下支架铰接相连，所述工作部件安装座固定安装在提升座上，工作部件安装座用于安装连接施肥机构或者播种机构。
作为改进，所述驱动前轮通过加高驱动臂安装在前底盘上，所述方向机包括转向耳板和转向拉杆，转向耳板安装在高驱动臂上，所述转向拉杆一端转向电机，另一端连接转向耳板，通过转向电机带动转向拉杆，转向拉杆拉动转向耳板，从而实现驱动前轮转向。
作为改进，所述加高驱动臂包括转向座、动力轴一、动力轴二、动力轴三、齿轮室和驱动臂套，所述齿轮室为中空结构，齿轮室固定安装在前底盘的车架上，驱动臂套顶部与齿轮室底部通过轴承相连，转向座通过轴承套装在齿轮室顶部，并与驱动臂套固定相连，驱动前轮安装在驱动臂套底部，动力轴一通过轴承安装在齿轮室内，动力轴二和动力轴三依次通过轴承安装在驱动臂套内，动力轴一的一端与设于车架上的驱动电机相连，另一端与动力轴二通过设于齿轮室内部的锥齿轮啮合相连，动力轴三顶部与动力轴二通过电子离合器相连，动力轴三底部通过齿轮啮合与驱动前轮动力传动相连，转向耳板固定安装在转向座上。
作为改进，所述驱动臂套内还设有套装在动力轴三上的霍尔测速传感器，通过霍尔测速传感器测得动力轴三转速，通过计算获得相应驱动前轮的转速。
作为改进，所述动力轴一通过联轴器与蜗轮蜗杆减速器的输出端相连，蜗轮蜗杆减速器的输入端与驱动电机相连。
本发明有益效果是：
本发明水田播种农用机器人在转向上采用方向机、差速转向、折腰转向三者相结合的方式，减小水田播种的转向所需要半径，能大大减小机器人的转弯半径，适应小面积水田作业。通过加高驱动臂提升机器人离地间隙，以满足机器人作业通过性要求，从而扩大农用机器人适用范围，提高了农业生产自动化水平。
附图说明
图1为本发明水田播种农用机器人整体结构示意图；
图2为本发明行走模块示意图；
图3为本发明提升机构示意图；
图4为本发明转向机构前视图；
图5为本发明单侧转向机构示意图；
图6为本发明加高驱动臂结构示意图；
图7为本发明播种施肥模块结构示意图；
图8为本发明水田播种农用机器人在水田边界行走路径示意图；
图9为本发明水田播种农用机器人在水田内路径规划示意图。
Ⅰ-行走模块，Ⅱ-播种施肥模块，Ⅲ-提升机构，1-驱动前轮，2-加高驱动臂，3-转向耳板，4-车架，5-驱动电机，6-转向电机，7-方向机，8-转向拉杆，9-蓄电池组，10-控制箱，11-折腰联接销，12-折腰机构，13-后桥，14-提升装置联接杆，15-无动力后轮，16-下支架，17-提升机构固定座，18-上支架，19-电动推杆，20-连接固定杆，21-提升座，22-工作部件安装座，23-蜗轮蜗杆减速器，24-联轴器，25-动力轴一，26-动力轴三，27-转向座，28-锥齿轮一，29-齿轮室，30-锥齿轮二，31-驱动臂套，32-动力轴二，33-锥齿轮三，34-锥齿轮四，35-轮轴，36-电子离合器，37-霍尔测速传感器。
具体实施方式
如图1至图6所示，一种水田播种农用机器人，主要由行走模块Ⅰ和播种施肥模块Ⅱ两部分组成，在使用的过程中，在行走模块Ⅰ上设置无线通讯模块，操作者可利用手持遥控设备对播种机器人进行运动控制，水稻的播种施肥控制，利用嵌入在控制器中的程序可以实现水田播种机器人在水田里的无人化自主作业。下面分别从水田播种机器人的底盘行走机构、提升机构Ⅲ、施肥机构、播种机构、蓄电池组总成、控制***等几个方面阐述水田播种机器人组成以及播种功能的实现过程。
如图2所示，所述行走模块Ⅰ包括前底盘、后桥13、控制器、驱动装置和转向装置，所述前底盘底部设有两个驱动前轮1，后桥13底部设有两个无动力后轮15，前底盘和后桥13通过竖直方向的折腰联接销11相连，使得后桥13可以相对于前底盘绕着折腰联接销11转动，极大减小行走模块Ⅰ转弯半径，两个驱动前轮1通过驱动装置驱动运动，所述转向装置用于驱动两个驱动前轮1转向；所述播种施肥模块Ⅱ包括施肥机构和播种机构，所述施肥机构或播种机构通过提升机构Ⅲ安装在后桥13中部。
所述前底盘上设有蓄电池组9、控制器和无线通讯模块，
底盘行走总成：如图2至图3所示，主要由驱动前轮1、加高驱动臂2、转向耳板3、车架4、驱动电机5、转向电机6、方向机7、转向拉杆8、蓄电池组9、控制箱10、折腰联接销11、折腰机构12、后桥13、提升装置联接杆14和无动力后轮15。
两个驱动前轮1分别通过两个加高驱动臂2安装在前底盘的车架4前端两侧，转向耳板3安装在加高驱动臂2上，转向电机6和驱动电机5均为直流电机，安装在前底盘的车架4上，转向电机6通过转向拉杆8与两个转向耳板3相连，转向电机6的转动通过转向拉杆8带动转向耳板3绕着加高驱动臂2的轴线转动，从而带动前驱动轮转向，驱动电机5为两个直流电机，两个直流电机分别与两个前驱动轮动力传动相连，通过两个直流电机还可以控制两个前驱动轮的转速，实现差速转向，从而获得更小转弯半径。
蓄电池组9总成：由5组铅酸电池组成，输出电压为60V，为机器人提供电力。
水田播种机器人的动力来源为蓄电池组9，两只驱动电机5直接用60v电压驱动，利用直流DC-DC电压转换模块为转向电机6和控制箱10(内设有控制器)提供所需的额定电压；底盘电机的工作原理：驱动直流电机输出的动力经过蜗轮蜗杆减速器23减速再经过加高驱动臂2内的轴传动输出到驱动前轮1上，驱动行走模块Ⅰ运动。行走模块Ⅰ的转向是由三部分组成：左右驱动前轮1的差速运动、控制驱动前轮1方向的方向机7、折腰机构12。转弯时，首先通过方向机7控制行走模块Ⅰ的前驱动轮转向，然后利用左右前驱动轮的差速、后面的折腰机构12的共同作用之下，使得转弯半径最小。转向时，首先由转向电机6驱动方向机7，利用方向机7上的转向拉杆8拉动行走模块Ⅰ的前驱动轮产生车轮转向摆角，在转向的过程之中，利用前驱动轮为双独立驱动的特点，使得两轮子的运动速度为差速运动，在和折腰机构12的共同作用下是的转向半径最小。采用加高驱动臂2来提行走模块Ⅰ的离地间隙，加高驱动臂2的驱动臂套31起到支撑作用，通过驱动臂套31内部的齿轮和轴将驱动电机5的驱动力传递给前驱动轮。
提升机构Ⅲ：如图3所示，所述提升机构Ⅲ为平行四边形机构，具体包括提升机构固定座17、提升座21、工作部件安装座22、上支架18、下支架16和电动推杆19，所述提升机构固定座17固定安装在后桥13上，提升机构固定座17、提升座21、上支架18和下支架16通过销轴依次铰接相连组成平行四边形机构，所述电动推杆19的本体通过提升装置联接杆14铰接安装在提升机构固定座17的上部，电动推杆19的自由伸缩端通过连接固定杆20与靠近提升座21的下支架16铰接相连，铰接点靠近提升座21处时，提升机构的提升效果最佳，所述工作部件安装座22固定安装在提升座21上，工作部件安装座22用于安装连接施肥机构或者播种机构。
提升机构Ⅲ工作时，依靠电动推杆19的伸缩来完成工作部件的提升和下降，如图所示：作业部分由两部分组成，施肥机构、播种机构。作业方式可以自行选择，施肥模式，播种模式，施肥兼播种模式，本发明实施例中施肥机构和播种机构可以选择现有技术中的施肥机构和播种机构挂置在提升机构Ⅲ的工作部件安装座22上即可，比如专利一种株距可调的电动微型播种机(申请号201720685150.X)中公开的播种机构作为本发明的播种机构。
所述驱动前轮1通过加高驱动臂2安装在前底盘上，所述方向机7包括转向耳板3和转向拉杆8，转向耳板3安装在高驱动臂上，所述转向拉杆8一端转向电机6，另一端连接转向耳板3，通过转向电机6带动转向拉杆8，转向拉杆8拉动转向耳板3，从而实现驱动前轮1转向。
如图5和图6所示，所述加高驱动臂2包括转向座27、动力轴一25、动力轴二32、动力轴三26、电子离合器36、霍尔测速传感器37、锥齿轮一28、锥齿轮二30、锥齿轮三33、锥齿轮四34、齿轮室29和驱动臂套31，所述齿轮室29为中空结构，齿轮室29固定安装在前底盘的车架4上，驱动臂套31顶部与齿轮室29底部通过轴承相连，转向座27通过轴承套装在齿轮室29顶部，并与驱动臂套31固定相连，转向座27和驱动臂套31可以一起围绕齿轮室29转动，转向耳板3固定安装在驱动臂套31上，驱动前轮1安装在驱动臂套31底部，动力轴一25通过轴承安装在齿轮室29内，动力轴二32和动力轴三26通过轴承安装在驱动臂套31内，驱动电机5和蜗轮蜗杆减速器23的输入端连接在一起，然后一起固定在前底盘的车架4上，蜗轮蜗杆减速器23的输出轴通过联轴器24和动力轴一25连接，动力轴一25的另外一端和加高驱动臂2的齿轮室29内锥齿轮一28紧固连接，锥齿轮二30紧固在动力轴二32顶部，且与锥齿轮一28啮合安装，动力轴二32底部通过电子离合器36与动力轴三26顶部相连，动力轴三26从霍尔测速传感器37中间穿过，底部紧固连接有锥齿轮三33，驱动前轮1通过轮轴35安装在驱动臂套31底部，锥齿轮四34紧固安装在轮轴35端部，且与锥齿轮三33啮合安装。通过这样的齿轮结构传动，驱动电机5就能驱动前驱动轮行走，霍尔测速传感器37固定安装在驱动臂套31内，通过霍尔测速传感器37测得动力轴三26转速，根据动力轴三26与轮轴35的传动比计算获得相应驱动前轮的转速，由于水田播种的工作环境较为恶劣，多水，多泥的环境，驱动臂套31的内部环境相对良好，利于传感器的稳定工作，工作时，动力的传输都是依靠轴连接传递的，电子离合器36的作用就是在动力不需要传输的时候将动力断开，防止驱动电机过载，霍尔测速传感器37测量轴的转动速度，从而推断出每个车轮的速度，车轮速度进行差速转向。
作为一种更优的实施例，还可以在驱动臂套31或者转向座27上设置角度传感器，检测驱动臂套31和转向座27相对于齿轮室29的旋转角度。
工作时：转向电机6带动转向拉杆8，利用电机的正反转使得转向拉杆8向左或向右运动，从而拉动转向耳板3，带动加高驱动臂2旋转完成转向。转向拉杆8运动时会带动角度传感器的上部杆件，从而测得角度车轮摆动的角度。
控制***：水田播种农用机器人的各项功能的实现必须依靠控制***才可以实现，控制***包括：各电机的控制驱动、电源监测模块、RTK-GPS IMU组合导航模块、远程通信模块、遥控模块等。
自主作业实现过程：如图8和图9所示首先水田播种农用机器人的操作人员先通过遥控的方式控制机器人在水田沿着水田的边界进行行驶，RTK-GPS会测定并记录当前水田的边界，当完成水田的边界测定时，控制***会生成一套基于该地块的工作路径规划，并依据该路径控制水田机器人依照该工作路径工作。随后可以进入全自动的播种作业模式，在作业的过程之中，主要由两部分构成:作业部分(播种、施肥等)、行走部分。为了保证水田的播种效果，水田播种机的姿态的测定和控制就显得尤为重要，控制***将会实时地进行监测和控制，保证水田播种机器人按照规定的工作路径行驶。在作业部分，主要依靠提升机构Ⅲ将工作部件组向下降至工作位置，然后控制***控制作业部分进行播种施肥作业。

Claims (8)

1.一种水田播种农用机器人，包括行走模块、提升机构和播种施肥模块，其特征在于：所述行走模块包括前底盘、后桥、控制器、驱动装置和转向装置，所述前底盘底部设有两个驱动前轮，后桥底部设有两个无动力后轮，前底盘和后桥通过竖直方向的折腰联接销相连，使得后桥可以相对于前底盘转动，两个驱动前轮通过驱动装置驱动运动，所述转向装置用于驱动两个驱动前轮转向；所述播种施肥模块包括施肥机构和播种机构，所述施肥机构或播种机构通过提升机构安装在后桥中部。
2.如权利要求1所述一种水田播种农用机器人，其特征在于：所述驱动装置包括两个驱动电机和用于供电的蓄电池组，两个驱动电机分别通过动力传动装置与相应的驱动前轮相连，通过控制器可以控制两个驱动电机的转速，从而实现差速转向，所述转向装置包括转向电机、方向机，转向电机通过方向机控制两个驱动前轮进行转向，然后通过两个驱动前轮的差速进一步减少转弯半径。
3.如权利要求2所述一种水田播种农用机器人，其特征在于：所述前底盘上还设有无线通讯模块，通过遥控器和无线通讯模块可以与行走模块进行控制通讯。
4.如权利要求3所述一种水田播种农用机器人，其特征在于：所述提升机构为平行四边形机构，具体包括提升机构固定座、提升座、工作部件安装座、上支架、下支架和电动推杆，所述提升机构固定座固定安装在后桥上，提升机构固定座、提升座、上支架和下支架通过销轴依次铰接相连组成平行四边形机构，所述电动推杆的本体铰接安装在提升机构固定座的上部，电动推杆的自由伸缩端通过连接杆与靠近提升座的下支架铰接相连，所述工作部件安装座固定安装在提升座上，工作部件安装座用于安装连接施肥机构或者播种机构。
5.如权利要求3所述一种水田播种农用机器人，其特征在于：所述驱动前轮通过加高驱动臂安装在前底盘上，所述方向机包括转向耳板和转向拉杆，转向耳板安装在高驱动臂上，所述转向拉杆一端转向电机，另一端连接转向耳板，通过转向电机带动转向拉杆，转向拉杆拉动转向耳板，从而实现驱动前轮转向。
6.如权利要求5所述一种水田播种农用机器人，其特征在于：所述加高驱动臂包括转向座、动力轴一、动力轴二、动力轴三、齿轮室和驱动臂套，所述齿轮室为中空结构，齿轮室固定安装在前底盘的车架上，驱动臂套顶部与齿轮室底部通过轴承相连，转向座通过轴承套装在齿轮室顶部，并与驱动臂套固定相连，驱动前轮安装在驱动臂套底部，动力轴一通过轴承安装在齿轮室内，动力轴二和动力轴三依次通过轴承安装在驱动臂套内，动力轴一的一端与设于车架上的驱动电机相连，另一端与动力轴二通过设于齿轮室内部的锥齿轮啮合相连，动力轴三顶部与动力轴二通过电子离合器相连，动力轴三底部通过齿轮啮合与驱动前轮动力传动相连，转向耳板固定安装在转向座上。
7.如权利要求6所述一种水田播种农用机器人，其特征在于：所述驱动臂套内还设有套装在动力轴三上的霍尔测速传感器，通过霍尔测速传感器测得动力轴三转速，通过计算获得相应驱动前轮的转速。
8.如权利要求6所述一种水田播种农用机器人，其特征在于：所述动力轴一通过联轴器与蜗轮蜗杆减速器的输出端相连，蜗轮蜗杆减速器的输入端与驱动电机相连。
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