CN109484514A - 一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台 - Google Patents

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李亚军
林洁雯
熊瑛
胡正方
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Abstract

本发明公开了一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台，由机架、机架连接机构、宽度调节机构、转向行走组件和运动控制***组成。机架为可伸缩分体式机架，包括上架和对称设置在上架两侧的2个侧架。机架连接机构、宽度调节机构、车轮组件和运动控制***安装在上架上，机架连接机构采用可伸缩式连接结构，分别与两侧侧架连接，宽度调节机构与机架连接机构相连接，驱动机架连接机构伸缩。转向行走组件为4套，分别安装在侧架的前端与后端，4套转向行走组件采用独立转向和行走控制并采用伸缩式结构实现机器人平台高度调节。与现有技术相比，本发明能满足不同田间作业环境需求，具有稳定性好，运动调节灵活方便的优点。

Description

一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台
技术领域
本发明涉及农业田间作业机器人技术，尤其涉及一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台。
背景技术
田间作业机器人是在计算机软件***控制下，能够适应农业生产环境和农作物种类，具有感知和自主决策等功能，进行田间信息采集、植保作业、果蔬采摘、作物打顶等农业生产作业的机电一体自动化设备，在国内外农业生产上得到广泛应用。田间作业机器人提高了农业生产力，改变了农业生产模式，缓解了劳动力不足，初步改善了农业生产环境，为农业工厂化生产提供了条件。
针对不同田间条件、不同作物、不同种植模式和不同作业要求，往往需要对田间作业机器人的工作幅宽（轮距）和工作高度进行调整。现有的田间作业机器人平台中，虽有轮距和高度可调的机器人平台，但多是强制性将车轮向两边张开，调节过程由于车轮方向与调节方向不同，需要将车架举起或者强行调节；也有通过旋转轮臂进行宽度调节的技术，且调节过程控制车轮方向使与调节方向相同，但是轮距调节也同时会造成机器人前后轮轴距发生改变，从而影响机器人的工作参数和工作性能。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于避免现有技术的不足，提供一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台，以实现在不改变前后轮轴距的情况下平稳进行机架宽度、高度调节，满足不同田间作业要求。
为实现本发明的目的，本发明采取以下技术方案：一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台，由机架、机架连接机构、宽度调节机构、转向行走组件和运动控制***组成。机架为可伸缩分体式机架，包括上架和侧架，所述侧架为两个，对称设置在上架两侧。所述机架连接机构、宽度调节机构和运动控制模块安装在上架上，所述机架连接机构为两套，采用可伸缩式连接结构，分别与两侧侧架连接，所述宽度调节机构与机架连接机构相连接，驱动机架连接机构伸缩，从而带动两侧侧架，实现宽度调节。其中所述转向行走组件为4套，分别安装在两侧侧架的前端与后端。
所述机架的上架和侧架长度一致，顶面在同一平面。当宽度调节机构处于最小宽度状态时，上架和两侧侧架可形成一个整体，当宽度调节机构运行将宽度调大后，上架和两侧侧架分离，之间由机架连接机构连接维持机架的稳定。
所述两套机架连接机构，采用多组直线导轨模组实现上架与侧架的连接，所述直线导轨模组包括直线轴承滑块、光轴和立式支撑座，直线轴承滑块固定在上架上，光轴一端通过立式支撑座固定在侧架上，另一端穿过直线轴承滑块并可在上架上进行水平移动。
所述宽度调节机构，包括电机、正反向丝杆、两个不同螺旋方向的法兰螺母，两个法兰螺母分别与两侧的机架连接机构的其中一根光轴相连接，所述电机与正反向丝杆相连，驱动正反向丝杆转动，正反向丝杆两侧螺纹分别与两个法兰螺母配合，驱动两个法兰螺母反向直线运动从而驱动相应机架连接机构的光轴移动，进而驱动两侧侧架移动，实现宽度调节。
所述四套转向行走组件，每一套转向行走组件包括舵机、转向轴组件、减震机构和车轮，所述转向轴组件竖直设置，采用伸缩式结构以实现机器人平台高度调节，所述舵机安装在转向轴组件顶部，所述减震机构安装在转向轴组件底部，所述车轮的车轴用两个立式支撑座固定在减震机构底部。
所述转向轴组件，包括空心轴、上端实心轴和下端实心轴，所述上端实心轴和下端实心轴嵌套在空心轴内，上端实心轴与舵机相连，并用紧定螺钉与空心轴固定；下端实心轴可在空心轴内移动实现伸缩，且空心轴设置有紧定螺钉用于固定下端实心轴位置。为便用操作，用于固定下端实心轴的紧定螺钉采用梅花手柄螺丝。
所述转向轴组件可实现对机器人高度的调节，调松四套转向轴组件上用于固定下端实心轴的下端紧定螺钉，然后抬起或放低机架，下端实心轴和空心轴发生相对移动，在保证四套转向轴组件高度调节量一致后，拧紧四套转向轴组件上用于固定下端实心轴的下端紧定螺钉，完成高度调节。
所述宽度调节机构与所述转向行走组件按照一定的步骤组合动作完成机器人宽度调节。所述一定的步骤包括：S1.宽度调节前，运动控制***控制四组转向行走组件上的四个舵机旋转，与舵机相连的转向轴组件带动底部的减震机构旋转，由于车轮固定在减震机构底部，所以车轮同步摆动。当舵机旋转90度后停止运动，此时车轮摆动90度与行进方向垂直；S2.进行宽度调节时，运动控制***控制宽度调节机构中的电机旋转，驱动正反向丝杆转动，与正反向丝杆配合的两个法兰螺母沿正反向丝杆反向直线运动，带动与两个法兰螺母连接的机架连接机构光轴相应移动，从而驱动两侧侧架反向直线移动，实现宽度调节；S3.宽度调节完成后，运动控制***控制舵机反向旋转90度，转向行走组件同步旋转，车轮摆动恢复到行进方向。
与现有技术相比，本发明的有益效果是，本发明采用可伸缩分体式机架结构，通过宽度调节机构与转向行走组件协同动作的方式完成宽度调节，在车轮与行进方向垂直后，推动两侧侧架反向直线移动实现宽度调节，宽度调节过程平滑，可在田间实时在线进行，且宽度调节过程不改变机器人前后轮轴距。同时本发明还可以实现高度调节、四轮独立驱动和四轮独立转向，具有运动调节灵活方便的优点，以便于适应田间复杂环境，为不同作业执行机构提供载体。
附图说明
图1所示为本发明一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台结构示意图。
图2所示为本发明一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台去外板俯视图。
图3所示为本发明一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台局部剖视图。
图中：1、外板，2、机架，21、上架，22、侧架，3、宽度调节机构，31、电机，32、联轴器，33、正反向丝杆，34、正旋法兰螺母，35、反旋法兰螺母，36、立式轴承座，4、机架连接机构，41、直线轴承滑块，42、光轴，43、立式支撑座，5、转向行走组件，51、舵机，52、舵机固定板，53、上轴承座，54、下轴承座，55、转向轴组件，56、减震机构，57、车轮，6、卧式支撑座，7、连接板，8、运动控制***， 551、上端紧定螺钉，552、上端实心轴，553、空心轴，554、下端紧定螺钉，555、下端实心轴，561、卧式固定座，562、固定板，563、直线轴承，564、活动板，565、立式支撑座，566、底部限位螺母，567、带压缩弹簧的导向轴，568、直线轴承座，569顶部限位螺母。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1至图3所示，本发明一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台，由机架2、宽度调节机构3、机架连接机构4、转向行走组件5和运动控制***8组成，所述机架2为可伸缩分体式机架，包括上架21和侧架22，所述侧架22为两个，对称设置在上架21两侧。宽度调节机构3、机架连接机构4和运动控制***8安装在上架上，所述转向行走组件5为4套，分别安装在两侧侧架22的前端与后端。
宽度调节机构3由电机31、联轴器32、正反向丝杆33、正旋法兰螺母34、反旋法兰螺母35和立式轴承座36组成；机架连接机构4为两套，采用可伸缩式连接结构，由多组直线轴承滑块41、光轴42和立式支撑座43组成。宽度调节机构3中正旋法兰螺母34和反旋法兰螺母35通过卧式支撑座6和连接板7，分别与两侧机架连接机构4中光轴42相连接，机架连接机构4中直线轴承滑块41固定在上架21上，光轴42穿过立式支撑座43分别与两侧侧架22连接。当电机31驱动正反向丝杆33转动时，两个法兰螺母在正反向丝杆33上做反向直线运动，从而带动光轴42移动进而驱动机架连接机构4伸缩。
每套转向行走组件5包括舵机51、转向轴组件55、减震机构56、车轮57。所述转向轴组件55竖直设置，通过上轴承座53和下轴承座54轴向固定在侧架22上，转向轴组件55包括空心轴553、上端实心轴552和下端实心轴555，上端实心轴552和下端实心轴555嵌套在空心轴553内，且下端实心轴555可以在空心轴553内移动进行伸缩，以实现机器人平台高度调节，所述空心轴553设置有下端紧定螺钉554用于固定下端实心轴555位置。所述舵机51通过舵机固定板52安装在侧架22上，与转向轴组件55的上端实心轴552通过上端紧定螺钉551固定；所述减震机构56由卧式固定座561、固定板562、直线轴承563、活动板564、立式支撑座565、以及两套底部限位螺母566、带压缩弹簧的导向轴567、直线轴承座568和顶部限位螺母569组成，安装在转向轴组件55底部，且下端实心轴555穿过减震机构56；所述车轮57为内嵌轮毂电机式车轮，用2个的立式支撑座565固定在减震机构56底部，且立式支撑座564中间穿过下端实心轴555。当舵机51旋转时，舵机51将扭矩传递给上端实心轴552，由于上端实心轴552、空心轴553、下端实心轴555相互嵌套并用下端紧定螺钉554固定，所以减震机构56相应旋转，固定在减震机构56底部的车轮57也相应摆动，实现转向控制。
本发明中一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台进行高度调节方法，步骤包括：调松四套转向行走组件5上用于固定下端实心轴555的下端紧定螺钉554；抬起或放低机架2，下端实心轴555和空心轴553发生相对移动；在保证四套转向行走组件5高度调节量一致后，拧紧四套转向行走组件5上的下端紧定螺钉554，完成高度调节。
本发明中四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台进行宽度调节方法，通过宽度调节机构3与转向行走组件5按照一定的步骤组合动作完成。步骤包括：S1.宽度调节前，运动控制***8控制两侧侧架22上四个舵机51旋转，与舵机51相连的转向轴组件55带动底部的减震机构56旋转，由于车轮57固定在减震机构56底部，所以车轮57同步摆动，当舵机51旋转90度后停止运动，此时车轮57与行进方向垂直；S2.进行宽度调节时，运动控制***8控制宽度调节机构3中的电机31旋转，驱动正反向丝杆33转动，正旋法兰螺母34和反旋法兰螺母35沿正反向丝杆33两侧螺纹反向直线运动，带动与正旋法兰螺母34和反旋法兰螺母35连接的机架连接机构4上的光轴42相应移动，从而驱动两侧侧架22反向直线移动，实现宽度调节；S3.宽度调节完成后，运动控制***8控制舵机51反向旋转90度，转向行走组件5同步旋转，车轮57恢复到行进方向。
虽然结合附图描述了本发明的实时方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台，其特征在于：由机架、机架连接机构、宽度调节机构、转向行走组件和运动控制***组成，所述机架为可伸缩分体式机架，包括上架和侧架，所述侧架为两个，对称设置在上架两侧，所述机架连接机构、宽度调节机构和运动控制***安装在上架上，所述机架连接机构为两套，采用可伸缩式连接结构，分别与两侧侧架连接，所述宽度调节机构与机架连接机构相连接，驱动机架连接机构伸缩实现宽度调节，所述转向行走组件为4套，分别安装在两侧侧架的前端与后端，每套转向行走组件包括舵机、转向轴组件、减震机构、车轮，所述转向轴组件竖直设置，采用伸缩式结构以实现机器人平台高度调节，所述舵机安装在转向轴组件顶部，所述减震机构安装在转向轴组件底部，所述车轮与减震机构相连接，所述车轮为内嵌轮毂电机式车轮。
2.根据权利要求1所述一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台，其特征在于：所述上架和侧架长度一致，顶面在同一平面。
3.根据权利要求1所述一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台，其特征在于：所述机架连接机构采用直线导轨模组。
4.根据权利要求1所述一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台，其特征在于：所述宽度调节机构包括电机、正反向丝杆、两个不同螺旋方向的法兰螺母，两个法兰螺母分别与两侧机架连接机构相连接，所述电机与正反向丝杆相连，驱动正反向丝杆转动，正反向丝杆两侧螺纹分别与两个法兰螺母连接，驱动两个法兰螺母反向直线运动。
5.根据权利要求1所述一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台，其特征在于：所述转向轴组件包括空心轴和实心轴，所述实心轴嵌套在空心轴内，并可以在空心轴内移动实现伸缩，所述空心轴设置有紧定螺钉用于固定实心轴位置。
6.根据权利要求1所述一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台，其特征在于：所述车轮车轴用2个立式支撑座固定在减震机构底部。
7.根据权利要求1所述一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台，其特征在于：所述宽度调节机构与所述转向行走组件按照一定的步骤组合动作完成机器人宽度调节。
8.根据权利要求7所述一种四轮独立转向驱动的伸缩式田间作业机器人平台，其特征在于：所述一定的步骤包括：
S1.宽度调节前，4组转向行走组件在舵机控制下旋转90度，使车轮与行进方向垂直；
S2.进行宽度调节时，宽度调节机构中的电机旋转，驱动正反向丝杆带动两个反向法兰螺母和相连接的机架连接机构，从而驱动两侧侧架反向直线移动，实现宽度调节；
S3.宽度调节完成后，转向行走组件在舵机控制下反向旋转90度，车轮恢复到行进方向。
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