CN115214820A - 一种作物表型获取机器人及其底盘及轮距和地隙调节方法 - Google Patents

Abstract

一种作物表型获取机器人及其底盘及轮距和地隙调节方法，该作物表型获取机器人包括底盘，并采用本发明提供的底盘轮距调节方法及地隙调节方法进行底盘轮距和地隙的自适应调节，该底盘包括：机箱；轮距调节机构，包括左、右平推架和调节机构，调节机构分别与左、右平推架连接，左、右平推架分别与导轨安装架连接；地隙升降机构，分别对称安装在左、右平推架上，包括导轨支撑架、升降机构和驱动机构，升降机构安装在导轨支撑架上，导轨支撑架与对应的左/右平推架连接，驱动机构与升降机构连接，并安装在对应的左/右平推架上；转向机构，分别对称设置在左/右平推架的下方，并分别与对应的导轨支撑架的下部连接；以及行走机构，分别与转向机构连接。

Description

一种作物表型获取机器人及其底盘及轮距和地隙调节方法

技术领域

本发明涉及农业机械，特别是一种轮距与地隙自适应调控的作物表型获取机器人及其底盘及轮距和地隙调节方法。

背景技术

培育优良品种实现作物高产是农业生产关注的主要问题，表型鉴定是基因-环境-表型关系解析和突破新品种培育的关键，对于精确农业监测和加快育种进程具有重要的意义。采用智能移动机器人进行作物表征的获取，符合精细农业对信息全面、实时、快速的要求。底盘是机器人的重要组成部分，底盘的性能好坏严重影响机器人作业效率。

目前作物表型检测机器人底盘形式有：履带式、足式和轮式。履带式机器人底盘可以很好的适应松软地面，行驶平稳，牵引动力大，具有较强的越野能力，然而履带式机器人的离地间隙小，无法满足常见作物的高度要求，带轮宽度较大，行间行走时易碾压作物。足式机器人底盘越障性能良好，灵活性高，但行进速度慢，且由于行进过程晃动较大，容易侧翻。轮式机器人底盘具有质量轻、速度快、易转向、轮胎对田间路面和作物的损害较小等优点。

由于田间作业环境复杂，种植模式存在差异，作物表征检测机器人底盘在完成作物信息采集作业任务时，必须能够适应农作物变化情况。现有的作物表征获取机器人底盘难以实现轮距调节和升降同步调节，难以满足不同作物和不同行距作业条件、作物全生长周期表征获取作业需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种轮距与地隙自适应调控的作物表型获取机器人及其底盘及轮距和地隙调节方法，能够自动进行轮距和离地间隙的调节，更好地实现农业生产作业。

为了实现上述目的，本发明提供了一种作物表型获取机器人的底盘，其中，包括：

机箱，安装在车体上；

轮距调节机构，包括左、右平推架和调节机构，所述调节机构分别与所述左、右平推架连接，所述左、右平推架分别通过导向导轨与所述车体上的导轨安装架连接，所述调节机构用于自适应调整所述左、右平推架之间的距离以调整底盘轮距；

地隙升降机构，分别对称安装在所述左、右平推架上，所述地隙升降机构包括导轨支撑架、升降机构和驱动机构，所述升降机构安装在所述导轨支撑架上，所述导轨支撑架与对应的所述左、右平推架连接，所述驱动机构与所述升降机构连接，并安装在对应的所述左、右平推架上，所述驱动机构驱动所述升降机构以自适应调节底盘地隙；

转向机构，分别对称设置在所述左、右平推架的下方，并分别与对应的所述导轨支撑架的下部连接；以及

行走机构，分别与所述转向机构连接。

上述的作物表型获取机器人的底盘，其中，所述升降机构包括：升降导轨、滚珠丝杠、丝杠母座和滑块，所述升降导轨安装在所述导轨支撑架上，所述导轨支撑架安装在所述左、右平推架的下方，所述滚珠丝杠通过丝杠母座安装在所述导轨支撑架上，并与所述升降导轨平行设置，所述滑块安装在所述升降导轨上。

上述的作物表型获取机器人的底盘，其中，所述驱动机构包括：伺服电机、第一锥形减速器、第二锥形减速器和第三锥形减速器，所述伺服电机安装在对应的所述左、右平推架上，并通过主联轴器与所述第一锥形减速器连接，所述第一锥形减速器分别与所述第二锥形减速器和第三锥形减速器连接，所述第二锥形减速器和第三锥形减速器分别与所述滚珠丝杠连接。

上述的作物表型获取机器人的底盘，其中，所述调节机构包括交叉调节杆、电动推杆和直线导轨，所述左平推架和右平推架上分别设置有所述电动推杆和直线导轨，同侧的所述电动推杆和直线导轨上的滑块连接，所述交叉调节杆通过中间销钉铰接为X型转动副，所述交叉调节杆的一端分别与左平推架和右平推架铰接，所述交叉调节杆的另一端分别与对应的所述直线导轨上的滑块连接，所述电动推杆驱动所述交叉调节杆实现底盘轮距的同步调节。

上述的作物表型获取机器人的底盘，其中，所述转向机构包括电机固定架和安装在所述电机固定架上的步进电机、减速机、传动轴和轴承座，所述电机固定架与所述升降机构连接，所述步进电机与所述减速机连接，所述减速机和所述传动轴连接并同轴设置，所述传动轴与所述行走机构连接，所述步进电机通过所述减速机将转矩传到传动轴，以带动所述行走机构转动实现车轮独立转向。

上述的作物表型获取机器人的底盘，其中，所述行走机构包括车叉和安装在所述车叉上的无刷直流电机、车轮和传动机构，所述传动轴通过轴承座与所述车叉连接，所述无刷直流电机通过所述传动机构与所述车轮连接，所述传动机构包括上链轮、下链轮和链条，所述无刷直流电机的输出轴与所述上链轮连接，所述车轮的车轴与所述下链轮连接，所述上链轮和下链轮通过所述链条连接，所述无刷直流电机、上链轮、下链轮和链条位于所述车轮的外侧，通过所述无刷直流电机正反转控制所述车轮正反转，以带动整个底盘前进和后退。

上述的作物表型获取机器人的底盘，其中，所述机箱内部设置有驱动器、电池和监测装置，所述导轨安装架安装在所述车体下方，所述车体的两侧对称设置有U型槽，以实现无干涉底盘轮距调节。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种作物表型获取机器人的底盘轮距调节方法，其中，包括如下步骤：

S100、在控制器中输入目标值，通过步进电机使转向机构旋转90°，由无刷电机驱动两组车轮相对反向旋转；以及

S200、所述控制器控制电动推杆伸长或缩短，带动交叉调节杆在直线导轨上做直线运动，进而推动左、右平推架向两侧移动，实现轮距的调节。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种作物表型获取机器人的底盘地隙调节方法，其中，包括如下步骤：

S100、伺服电机通过联轴器带动第一锥形减速器运转，通过联轴器分别带动第二锥形减速器和第三锥形减速器运转；

S200、第二锥形减速器和第三锥形减速器分别带动相应的滚珠丝杠旋转；以及

S300、所述滚珠丝杠驱动升降机构的滑块上下运动，带动车轮和车体同步上下运动，从而实现地隙的同步升高或者降低。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种作物表型获取机器人，其中，包括上述的底盘，并采用上述的底盘轮距调节方法，及上述的底盘地隙调节方法进行底盘轮距和地隙的自适应调节。

本发明的技术效果在于：

本发明可实现四轮驱动和四轮转向，减小了转弯半径，提高车体灵活性；融合轮距及地隙可调功能，实现了轮距可调及地隙可调一体化设计，可适用于不同高度及行距的农作物，增加了机器人作业范围，提高作业效率；可有效提高底盘对于不同作物作业条件的适应性，极大降低了作业表型信息获取时对作物的破坏，避免了不必要的经济损失，同时可有效提高底盘强度。

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底盘结构示意图；

图2为本发明一实施例的俯视图；

图3为本发明一实施例的车体结构示意图；

图4为本发明一实施例的地隙升降机构结构示意图；

图5为本发明一实施例的转向机构结构示意图；

图6为本发明一实施例的行走机构结构示意图；

图7为本发明一实施例的轮距调节机构结构示意图。

其中，附图标记

1机箱

11车体

12U型槽

13导轨安装架

2地隙升降机构

21驱动机构

211伺服电机

212主联轴器

213联轴器

214第一锥形减速器

215第二锥形减速器

216第三锥形减速器

217连接轴

22升降机构

221升降导轨

222滚珠丝杠

223丝杠母座

224滑块

23导轨支撑架

24导轨连接件

3转向机构

31传动轴

32减速机

33电机固定架

34轴承座

35步进电机

36连接板

4行走机构

41车叉

42无刷直流电机

43车轮

44卧式轴承

45车轴

46链条

47输出轴

48上链轮

49下链轮

5轮距调节机构

51导向导轨

52直线导轨

53右平推架

54交叉调节杆

55中间销钉

56螺柱

57电动推杆

58左平推架

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：

本发明的作物表型获取机器人及底盘，可采用底盘轮距调节方法及底盘地隙调节方法，实现轮距与地隙自适应调控。该作物表型获取机器人其他部分的组成、结构、相互位置关系、连接关系及其功用等均为较成熟的现有技术，故在此不做赘述，下面仅对本发明的作物表型获取机器人的底盘及其底盘轮距调节方法及底盘地隙调节方法予以详细说明。

参见图1及图2，图1为本发明一实施例的底盘结构示意图，图2为本发明一实施例的俯视图。本发明的作物表型获取机器人的底盘，包括：机箱1，安装在车体11上；轮距调节机构5，包括左平推架58、右平推架53和调节机构，所述调节机构分别与所述左平推架58、右平推架53连接，所述左、右平推架53分别通过导向导轨51与所述车体11上的导轨安装架13连接，所述调节机构用于自适应调整所述左平推架58、右平推架53之间的距离以调整底盘轮距；地隙升降机构2，分别对称安装在所述左平推架58、右平推架53上，所述地隙升降机构2包括导轨支撑架23、升降机构22和驱动机构21，所述升降机构22安装在所述导轨支撑架23上，所述导轨支撑架23与对应的所述左平推架58和右平推架53连接，所述驱动机构21与所述升降机构22连接，并安装在对应的所述左平推架58和右平推架53上，所述驱动机构21驱动所述升降机构22以自适应调节底盘地隙；转向机构3，分别对称设置在所述左平推架58和右平推架53的下方，并分别与对应的所述导轨支撑架23的下部连接；以及行走机构4，分别与所述转向机构3连接。

参见图3，图3为本发明一实施例的车体11结构示意图。所述机箱1内部设置有驱动器、电池和监测装置，所述导轨安装架13安装在所述车体11下方，所述车体11的两侧对称设置有U型槽12，以实现无干涉底盘轮距调节。

参见图4，图4为本发明一实施例的地隙升降机构2结构示意图。所述升降机构22包括：升降导轨221、滚珠丝杠222、丝杠母座223和滑块224，所述升降导轨221安装在所述导轨支撑架23上，所述导轨支撑架23分别安装在所述左平推架58和右平推架53的下方，所述滚珠丝杠222通过丝杠母座223安装在所述导轨支撑架23上，并与所述升降导轨221平行设置，所述滑块224安装在所述升降导轨221上。导轨连接件24与滑块224相连接。导轨支撑架23为矩形，左前方导轨支撑架23与左后方导轨支撑架23通过加强杆焊接在一起，形成稳定矩形结构。滚珠丝杠222包括竖直设置的丝杆和套在丝杆上的螺母。本实施例的升降机构22有四个，四个升降机构22分别固定在左平推架58、右平推架53的左前方、左后方、右前方、右后方，四个转向机构3通过导轨连接件24分别对应与四个丝杠母座223连接。

本实施例中，所述驱动机构21包括：伺服电机211、第一锥形减速器214、第二锥形减速器215和第三锥形减速器216，所述伺服电机211分别安装在对应的所述左平推架58和右平推架53上，并通过主联轴器212与所述第一锥形减速器214连接，所述第一锥形减速器214分别通过联轴器213和连接轴217与所述第二锥形减速器215和第三锥形减速器216连接，所述第二锥形减速器215和第三锥形减速器216分别与所述滚珠丝杠222连接。

参见图5，图5为本发明一实施例的转向机构3结构示意图。所述转向机构3包括电机固定架33和安装在所述电机固定架33上的步进电机35、减速机32、传动轴31和轴承座34，所述电机固定架33通过连接板36与所述升降机构22连接，所述步进电机35与所述减速机32直连，所述减速机32和所述传动轴31连接并同轴设置，通过轴承座34固装于车叉41上，分布于车体11左前方、左后方、右前方、右后方，所述传动轴31与所述行走机构4连接，所述步进电机35通过所述减速机32将转矩传到传动轴31，以带动所述行走机构4转动实现车轮43独立转向。

参见图6，图6为本发明一实施例的行走机构4结构示意图。所述行走机构4包括车叉41和安装在所述车叉41上的无刷直流电机42、车轮43和传动机构，所述传动轴31通过轴承座34与所述车叉41连接，所述无刷直流电机42通过所述传动机构与所述车轮43连接，所述传动机构包括上链轮48、下链轮49和链条46，所述无刷直流电机42的输出轴47与所述上链轮48连接，所述车轮43通过卧式轴承44与车轴45连接，车轴45与所述下链轮49连接，所述上链轮48和下链轮49通过所述链条46连接，所述无刷直流电机42、上链轮48、下链轮49和链条46位于所述车轮43的外侧，无刷直流电机42位于上链轮48和链条46上方，无刷直流电机42通过上链轮48、下链轮49和链条46将动力最终传递于车轮43，通过所述无刷直流电机42正反转控制所述车轮43正反转，以带动整个底盘前进和后退。

参见图7，图7为本发明一实施例的轮距调节机构5结构示意图。本实施例的所述调节机构包括交叉调节杆54、电动推杆57和直线导轨52，所述左平推架58和右平推架53上分别设置有所述电动推杆57和直线导轨52，左、右平推架53通过导向导轨51与车体11上的导轨安装架13连接，同侧的所述电动推杆57和直线导轨52上的滑块连接，所述交叉调节杆54通过中间销钉55铰接为X型转动副，所述交叉调节杆54的一端分别通过螺柱56与左平推架58和右平推架53铰接，所述交叉调节杆54的另一端分别与对应的所述直线导轨52上的滑块连接，所述电动推杆57驱动所述交叉调节杆54实现底盘轮距的同步调节。左平推架58、右平推架53上分别焊接两个导向导轨51，与车体11上的导轨安装架13相配合，通过电动推杆57的驱动，实现轮距的同步调节。

工作时，微控制器发出信号给驱动器，驱动器带动无刷直流电机42运转，通过编码器将信号反馈给微控制器，从而形成单闭环控制***。无刷直流电机42的输出轴47通过上链轮48、下链轮49和链条46将动力传递于车轴45，最终通过无刷直流电机42的正反转使车轮43正反转，进而带动整个平台前进和后退。步进电机35的驱动器将当前电机需要转动角度所对应的脉冲数发送给步进电机35，驱动步进电机35转动，步进电机35输出相应的转矩，由减速机32将转矩传到传动轴31，带动整个转向机构3转动，实现车轮43左右转向。控制平台升降高度的伺服电机211，将自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈与目标值进行比较，调整转子角度的运转，一侧的伺服电机211运转，通过联轴器213带动第一锥形减速器214运转，通过联轴器213分别带动第二锥形减速器215和第三锥形减速器216运转，第二锥形减速器215和第三锥形减速器216旋转分别带动前侧和后侧的滚珠丝杠222旋转，滚珠丝杠222旋转则驱动丝杠母座223上下运动，丝杠母座223的上下运动，使得车轮43相对车体11进行上下运动，另一侧伺服电机211同步完成以上过程，使得另一侧的车轮43相对车体11同步进行上下运动，而车轮43始终与地面接触，因此车体11可以上下运动，从而实现地隙的同步升高或者降低。轮距调节时，通过步进电机35将转向机构3旋转90°，由无刷直流电机42驱动两组车轮43相对反向旋转，再通过电动推杆57的伸缩，带动交叉调节杆54在直线导轨52上做直线运动，进而使左平推架58和右平推架53同步向两侧移动，实现轮距调节。

本发明的底盘轮距调节方法，包括如下步骤：

步骤S100、在控制器中输入目标值，通过步进电机35使转向机构3旋转90°，由无刷电机驱动两组车轮43相对反向旋转；以及

步骤S200、所述控制器控制电动推杆57伸长或缩短，带动交叉调节杆54在直线导轨52上做直线运动，进而推动左、右平推架53向两侧移动，实现轮距的调节。

本实施例中，轮距调节时，首先在控制器中输入目标值，通过步进电机35将转向机构3旋转90°，由无刷电机驱动两组车轮43相对反向旋转，控制器控制电动推杆57的伸长/缩短，带动交叉调节杆54在直线导轨52上做直线运动，进而推动左、右平推架53向两侧移动，实现轮距的调节，轮距调节范围0.6-1.1m。

本发明的底盘地隙调节方法，包括如下步骤：

步骤S100、伺服电机211通过联轴器213带动第一锥形减速器214运转，通过联轴器213分别带动第二锥形减速器215和第三锥形减速器216运转；

步骤S200、第二锥形减速器215和第三锥形减速器216分别带动相应的滚珠丝杠222旋转；以及

步骤S300、所述滚珠丝杠222驱动升降机构22的滑块224上下运动，带动车轮43和车体11同步上下运动，从而实现地隙的同步升高或者降低。

本实施例中，可控制平台升降高度的伺服电机211，将自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈与目标值进行比较，调整转子角度的运转，左平推架58上伺服电机211运转，通过联轴器213带动第一锥形减速器214运转，通过联轴器213分别带动第二、第三锥形减速器215、216运转，第二、第三锥形减速器215、216旋转分别带动前侧和后侧的滚珠丝杠222旋转，滚珠丝杠222旋转则驱动丝杠母座223上下运动，丝杠母座223的上下运动，使得车轮43相对车体11进行上下运动，右平推架53上伺服电机211同步完成以上过程。使得车轮43相对车体11进行上下运动，而车轮43始终与地面接触，因此车体11可以上下运动，从而实现地隙的同步升高或者降低，地隙调节范围1-1.5m。

本发明可实现变轮距调节和底盘的高精度自动升降调节，自动化程度高，田间适用性强。可实现四轮驱动和四轮转向，减小了转弯半径，提高了灵活性。融合轮距及地隙可调功能，实现了轮距可调及地隙可调一体化，可适用于不同高度及行距的农作物，增加了机器人作业范围，提高作业效率。可有效提高底盘对于不同作物作业条件的适应性，极大降低了作业表型信息获取时对作物的破坏，避免不必要的经济损失，同时可有效提高底盘强度。

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)

1.一种作物表型获取机器人的底盘，其特征在于，包括：

机箱，安装在车体上；

轮距调节机构，包括左、右平推架和调节机构，所述调节机构分别与所述左、右平推架连接，所述左、右平推架分别通过导向导轨与所述车体上的导轨安装架连接，所述调节机构用于自适应调整所述左、右平推架之间的距离以调整底盘轮距；

地隙升降机构，分别对称安装在所述左、右平推架上，所述地隙升降机构包括导轨支撑架、升降机构和驱动机构，所述升降机构安装在所述导轨支撑架上，所述导轨支撑架与对应的所述左、右平推架连接，所述驱动机构与所述升降机构连接，并安装在对应的所述左、右平推架上，所述驱动机构驱动所述升降机构以自适应调节底盘地隙；

转向机构，分别对称设置在所述左、右平推架的下方，并分别与对应的所述导轨支撑架的下部连接；以及

行走机构，分别与所述转向机构连接。

2.根据权利要求1所述的作物表型获取机器人的底盘，其特征在于，所述升降机构包括：升降导轨、滚珠丝杠、丝杠母座和滑块，所述升降导轨安装在所述导轨支撑架上，所述导轨支撑架安装在所述左、右平推架的下方，所述滚珠丝杠通过丝杠母座安装在所述导轨支撑架上，并与所述升降导轨平行设置，所述滑块安装在所述升降导轨上。

3.根据权利要求2所述的作物表型获取机器人的底盘，其特征在于，所述驱动机构包括：伺服电机、第一锥形减速器、第二锥形减速器和第三锥形减速器，所述伺服电机安装在对应的所述左、右平推架上，并通过主联轴器与所述第一锥形减速器连接，所述第一锥形减速器分别与所述第二锥形减速器和第三锥形减速器连接，所述第二锥形减速器和第三锥形减速器分别与所述滚珠丝杠连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的作物表型获取机器人的底盘，其特征在于，所述调节机构包括交叉调节杆、电动推杆和直线导轨，所述左平推架和右平推架上分别设置有所述电动推杆和直线导轨，同侧的所述电动推杆和直线导轨上的滑块连接，所述交叉调节杆通过中间销钉铰接为X型转动副，所述交叉调节杆的一端分别与左平推架和右平推架铰接，所述交叉调节杆的另一端分别与对应的所述直线导轨上的滑块连接，所述电动推杆驱动所述交叉调节杆实现底盘轮距的同步调节。

5.根据权利要求1、2或3所述的作物表型获取机器人的底盘，其特征在于，所述转向机构包括电机固定架和安装在所述电机固定架上的步进电机、减速机、传动轴和轴承座，所述电机固定架与所述升降机构连接，所述步进电机与所述减速机连接，所述减速机和所述传动轴连接并同轴设置，所述传动轴与所述行走机构连接，所述步进电机通过所述减速机将转矩传到传动轴，以带动所述行走机构转动实现车轮独立转向。

6.根据权利要求5所述的作物表型获取机器人的底盘，其特征在于，所述行走机构包括车叉和安装在所述车叉上的无刷直流电机、车轮和传动机构，所述传动轴通过轴承座与所述车叉连接，所述无刷直流电机通过所述传动机构与所述车轮连接，所述传动机构包括上链轮、下链轮和链条，所述无刷直流电机的输出轴与所述上链轮连接，所述车轮的车轴与所述下链轮连接，所述上链轮和下链轮通过所述链条连接，所述无刷直流电机、上链轮、下链轮和链条位于所述车轮的外侧，通过所述无刷直流电机正反转控制所述车轮正反转，以带动整个底盘前进和后退。

7.根据权利要求1、2或3所述的作物表型获取机器人的底盘，其特征在于，所述机箱内部设置有驱动器、电池和监测装置，所述导轨安装架安装在所述车体下方，所述车体的两侧对称设置有U型槽，以实现无干涉底盘轮距调节。

8.一种作物表型获取机器人的底盘轮距调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100、在控制器中输入目标值，通过步进电机使转向机构旋转90°，由无刷电机驱动两组车轮相对反向旋转；以及

S200、所述控制器控制电动推杆伸长或缩短，带动交叉调节杆在直线导轨上做直线运动，进而推动左、右平推架向两侧移动，实现轮距的调节。

9.一种作物表型获取机器人的底盘地隙调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100、伺服电机通过联轴器带动第一锥形减速器运转，通过联轴器分别带动第二锥形减速器和第三锥形减速器运转；

S200、第二锥形减速器和第三锥形减速器分别带动相应的滚珠丝杠旋转；以及

S300、所述滚珠丝杠驱动升降机构的滑块上下运动，带动车轮和车体同步上下运动，从而实现地隙的同步升高或者降低。

10.一种作物表型获取机器人，其特征在于，包括上述权利要求1-7中任意一项所述的底盘，并采用上述权利要求8所述的底盘轮距调节方法，及上述权利要求9所述的底盘地隙调节方法进行底盘轮距和地隙的自适应调节。

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