CN218805174U - 一种车轮结构及具有该车轮结构的四轮四转农业机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种车轮结构，包括动力组固定框、车轮、动力机构、转向组固定框、转向机构以及动力电池，动力组固定框的后端底部两侧向下延伸形成固定板，动力组固定框的底板向后延伸形成支撑板；车轮设置在两个固定板之间，且车轮通过车轮法兰固定在转轴上，转轴的两端与两个固定板转动连接，在转轴上设置有从动链轮；动力机构设置在支撑板上，用于驱动车轮转动；转向组固定框设置在动力组固定框上方；转向机构设置在转向组固定框内，转向机构的执行轴竖直向下穿插过转向组固定框并与动力组固定框的顶部固定连接；动力电池设置在动力组固定框内，用于为动力机构、转向机构供电。本实用新型还公开了一种具有该车轮结构的四轮四转农业机器人。

Description

一种车轮结构及具有该车轮结构的四轮四转农业机器人

技术领域

本实用新型涉及一种车轮结构及具有该车轮结构的四轮四转农业机器人，属于农业机器人技术领域。

背景技术

农业生产离不开农业机械的参与。农机的介入相比人工劳作提高了工作效率，但是农机的作业范围有限，只适合较大地块；近年来出现的农业机器人具有多种形式，但普遍处在研发验证阶段，使用上也具有很强的特定性和局限性。

传统农机和目前农业机器人普遍存在如下三大类问题：

1.高杆作物农田作业问题。

如：制种玉米抽雄作业。传统农机离地间隙有限，最大只有1米左右，而高杆作物可长到2-3米的高度，普通农机无法进入田中作业。高杆作物田间作业的理想车体结构应是车体中空的龙门式车身结构或拱形车身结构，但是传统农机需要驾驶室空间、发动机空间、转向结构的空间，不可能设计成龙门式有人驾驶农机；

市面上如玉米抽雄机价格昂贵，性价比低，维护成本高，使用难度大，作业效果不够完美，现阶段不具有大规模推广的意义。

目前农业机器人并未见到龙门式车身构型，大多数体积小，底盘低，多用于果园喷药或采摘等工种。

2.农业机器人扭矩小的问题。

农业机器人普遍由电机直驱，扭矩较小，或是用履带式、轨道式设计来弥补动力供给的不足。而在轮式农业机器人领域还未见到低转速、大扭矩的农业机器人。

传统农机虽然马力大，但大多为两轮驱动，且自身重量过重，而农田土壤松软，承重力低，容易造成农机车轮沉陷、打滑或被杂质阻挡。

3.目前的农业机器人没有四轮四转功能。

没有四轮四转功能的农机换垄作业转弯半径大。有的农业机器人轮子不可转向，通过差速转向实现转弯，但差速转向易损坏农田的地膜。

传统农机为两轮驱动，转向方式较为单一，转弯半径大，作业时的换垄掉头不够灵活。部分有人驾驶农机具有四轮转向功能，但是这种转向方式是按照阿克曼形式的前后轮同时转向，依然需要一定的转弯半径。而有些地形复杂的地头需要原地转向且不损坏地膜，所以需要设计能够四轮原地转向的农业机器人。

目前农业机器人可实现原地转向，但是大多没有转向机构，依靠车轮转速调节实现差速转向，可控度较差，精度有限，与地面摩擦力较大，行进调节方向和转向时，极易损坏农田地膜，造成损失。并且农作物种植较密集，限制了农业机械的行进方向、转向空间和活动范围，由于差速转向的可控度较差，还有可能使该类农业机器人误伤农作物植杆，造成农作物减损，影响作业效率。

农田地块边界(俗称“地头”)的地形通常较为复杂。以玉米田为例，标准化玉米田较少，大部分玉米田地头普遍杂草丛生或大树等障碍物遮挡，不利于农业机械进行大半径的转弯掉头。所以实际作业中，需要在往返作业间隙掉头时，能够在地头转弯占地空间小，甚至可以原地转向，才能尽最大可能减小对整体作业效率的影响。行进时，如果采用差速调节方向，也会对地面形成摩擦，容易损坏地膜。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本实用新型提供一种车轮结构及具有该车轮结构的四轮四转农业机器人。

本实用新型所采用的技术方案为：

一种车轮结构，包括：

动力组固定框，动力组固定框的后端底部两侧向下延伸形成固定板，动力组固定框的底板向后延伸形成支撑板；

车轮，通过转轴转动设置在两个固定板之间，在转轴上设置有从动链轮；

动力机构，设置在支撑板上，用于驱动车轮转动；

转向组固定框，设置在动力组固定框上方；

转向机构，设置在转向组固定框内，转向机构的执行轴竖直向下穿插过转向组固定框并与动力组固定框的顶部固定连接；

动力电池，设置在动力组固定框内，用于为动力机构、转向机构供电。

作为本实用新型的一种优选，动力机构包括：

动力减速机，设置在支撑板上且动力减速机的前端***动力组固定框内；

动力伺服电机，设置在动力减速机后端顶部并与动力减速机传动连接；

传动链条，环绕设置在动力减速机的主动链轮和转轴上的从动链轮上；

动力伺服电机驱动动力减速机动作以带动动力减速机上的主动链轮转动，继而通过传动链条带动从动链轮转动以带动车轮转动。

作为本实用新型的一种优选，车轮通过车轮法兰固定在转轴上。

作为本实用新型的一种优选，在动力组固定框以及支撑板上开设有供传动链条穿插过的槽口。

作为本实用新型的一种优选，转向机构包括：

转向轴，竖直设置在转向组固定框内，且底端穿插过转向组固定框并与动力组固定框的顶部固定连接，转向轴与转向组固定框转动连接；

转向减速机，设置在转向组固定框内，且执行轴通过联轴器与转向轴的顶端固定连接；

转向伺服电机，水平设置在转向减速机的前端并与转向减速机传动连接；

编码器，通过固定件固定在转向减速机顶部；

转向伺服电机驱动转向减速机动作以带动转向减速机的执行轴转动，继而通过联轴器带动转向轴转动以带动车轮转向。

作为本实用新型的一种优选，转向轴外套设有转向轴套，在转向组固定框内还水平设置有用于固定转向轴套的支板，转向轴套穿插过支板。

作为本实用新型的一种优选，在动力组固定框的顶部设置有用于与转向轴底端固定的固定圈。

作为本实用新型的一种优选，在转向组固定框的顶板设置有用于与农业机器人车架上的执行轴向下的升降装置末端连接的升降支架套筒。

一种四轮四转农业机器人，用于高杆作物作业，包括四组上述的车轮结构。

本实用新型的有益效果在于：

1.低速、高扭矩四轮驱动，适用于农田作业环境。

通过转向机构和动力机构提供一种低转速、大扭矩的动力传输方案，解决农田土壤、坡地、沟坑、土坎中农业机器人行进困难的问题；

2.四轮转向，利于换垄，相比差速转向不会损伤地膜。

四轮四转可实现多种转向和行进方式，能够解决换垄转弯问题，四轮转向对地膜损伤很小，对轮胎损耗也很小，能够避免碾压农作物和地膜。

3.高度可调，适应高杆作物作业需求。

对于高杆作物具有更强的任务执行能力和更好的环境适应能力，能够解决高杆作物农田中运动的通过性问题。

附图说明

图1为本实用新型提供的车轮结构处立体图；

图2为本实用新型提供的车轮结构处另一立体图；

图3为具有本实用新型提供的车轮结构的四转四轮机器人后侧视立体示意图；

图4为四转四轮机器人前进和后退时四轮状态示意图；

图5为四转四轮机器人前轮左转和前轮右转时四轮状态示意图；

图6为四转四轮机器人后轮左转和后轮右转时四轮状态示意图；

图7为四转四轮机器人向左前方平移行进和右前方平移行进时四轮状态示意图；

图8为四转四轮机器人四轮左转和四轮右转时四轮状态示意图；

图9为四转四轮机器人左侧平移行进和右侧平移行进时四轮状态示意图；

图10为四转四轮机器人顺(逆)时针转向或驻车时四轮状态示意图；

图11为四转四轮机器人驻车模式下四轮状态示意图；

图中主要附图标记含义如下：

1、动力组固定框，2、固定板，3、支撑板，4、车轮，5、车轮法兰，6、转轴，7、从动链轮，8、转向组固定框，9、动力电池，10、动力减速机，11、动力伺服电机，12、传动链条，13、槽口，14、主动链轮，15、转向轴，16、转向减速机，17、转向伺服电机，18、编码器，19、支板，20、固定圈，21、联轴器，22、固定件，23、升降支架套筒，24、转向轴套。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做具体的介绍。

如图1-11所示：本实施例是一种车轮结构，包括动力组固定框1、车轮4、动力机构、转向组固定框8、转向机构以及动力电池9，动力组固定框1的后端底部两侧向下延伸形成固定板2，动力组固定框1的底板向后延伸形成支撑板3；车轮4设置在两个固定板2之间，且车轮4通过车轮法兰5固定在转轴6上，转轴6的两端与两个固定板2转动连接，在转轴6上设置有从动链轮7；动力机构设置在支撑板3上，用于驱动车轮4转动；转向组固定框8设置在动力组固定框1上方；转向机构设置在转向组固定框8内，转向机构的执行轴竖直向下穿插过转向组固定框8并与动力组固定框1的顶部固定连接；动力电池9设置在动力组固定框1内，用于为动力机构、转向机构供电。

动力机构包括动力减速机10、动力伺服电机11以及传动链条12，动力减速机10设置在支撑板3上且动力减速机10的前端***动力组固定框1内；动力伺服电机11设置在动力减速机10后端顶部并与动力减速机10传动连接；在动力组固定框1以及支撑板3上开设有供传动链条12穿插过的槽口13，传动链条12环绕设置在动力减速机10的主动链轮14和转轴6上的从动链轮7上；动力伺服电机11驱动动力减速机10动作以带动动力减速机10上的主动链轮14转动，继而通过传动链条12带动从动链轮7转动以带动车轮4转动。

转向机构包括转向轴15、转向减速机16、转向伺服电机17以及编码器18，转向轴15竖直设置在转向组固定框8内，转向轴15外套设有转向轴套24，在转向组固定框8内水平设置有用于固定转向轴套24的支板19，转向轴套24穿插过支板19，在动力组固定框1的顶部设置有固定圈20，转向轴15的底端穿插过转向组固定框8并***至固定圈20内然后通过螺钉固定连接，转向轴15与转向组固定框8转动连接；转向减速机16设置在转向组固定框8内，且执行轴通过联轴器21与转向轴15的顶端固定连接；转向伺服电机17水平设置在转向减速机16的前端并与转向减速机16传动连接；编码器18通过固定件22固定在转向减速机16顶部，用于将旋转位移转换成数字脉冲信号以用于控制角位移，在实际应用时，编码器18与农业机器人的主控***电性连接，可将从发射端接受到的控制信号，转化为车轮转向角度的绝对值，从而精确控制车体在农作物田地中狭小间隙的位置控制和稳定行进的操控；转向伺服电机17驱动转向减速机16动作以带动转向减速机16的执行轴转动，继而通过联轴器21带动转向轴15转动以带动车轮4转向。

在转向组固定框8的顶板设置有用于与农业机器人车架上的执行轴向下的升降装置末端连接的升降支架套筒23。

本实施例还提供了一种四轮四转农业机器人，用于高杆作物作业，包括四组上述的车轮结构，可参见图3所示；本方案中提供的一种四轮四转农业机器人与申请人于2022年4月8日申请，公开号为CN114868480A，专利名称为一种多用途农业智能机器人相比，除车轮结构、车轮结构中动设备的供电方式以及未设置分禾器外，其他结构以及控制原理均相同，此处不再赘述。

传统农机的动力和转向部分设计在车辆底盘上，且安装在和车轮4相似的高度，所以农机车辆通过更换大尺寸轮胎加大离地间隙，此种方法提升车辆离地间隙高度有限，一般在1米左右，而高杆作物如玉米、向日葵等高度普遍在2米左右，部分达3米，因此传统农机无法适应高杆作物作业需求，如玉米的抽雄作业、玉米和向日葵等高杆作物的农药喷雾防治等作业。

通过四轮四转农业机器人车架上的升降装置对车架的高度进行调节，使其可轻易通过2米左右高度种植区域，完成玉米抽雄、精准喷药、果实采摘等任务。

在实际应用时，动力机构以及转向机构均可由主控***中的车辆控制单元控制动作，转向机构选用伺服电机和大减速比NMRV蜗轮蜗杆减速机组合，输出扭矩大，工作平稳，适应在地面状况不佳的地形下转向。动力机构选用伺服电机、大减速比的NMRV蜗轮蜗杆减速机，用链轮链条连接传动，比皮带传动的动力损失更小；相比轴传动，设计成本、加工成本更低。

经实测，本方案提供的四轮四转农业机器人的样机可从静止状态启动，轻松爬升30°斜坡而不用外加助力。较无刷直驱电机方案具有以下优势：

(1)结构成熟，采用标准件设计；

(2)运行平稳，启动和制动效果好；

(3)价格低，技术成熟，部件供应可选来源广泛；

(4)响应速度快，起动扭矩大。

另外，本方案提供的四轮四转农业机器人通过车轮结构中的减速机实现的“低转速”的特点，使其能够适用于农田作业环境或对速度要求不是特别高的场景；通过机械原理可知，低转速可以换来大扭矩，故本方案适用于农田作业环境。

四轮差速转向的农业机器人容易损伤地膜，本方案四轮转向采用非差速转向的四轮四转形式，对地膜损伤很小，对轮胎损耗也很小。

农业机器人到达地头换垄时，可采用转向、旋转、平移等方式进行换垄前的车身调整和位置与姿态对齐，图4-11提供了四轮四转农业机器人的行进、转向方式以及驻车等情况下四轮状态示意图，其中转向方式兼容阿克曼转向原理，图10中行进状态下则为原地转向模式，停止状态则为驻车模式，原地转向时，四轮沿圆周运动，车身旋转到指定角度后，四轮停转；相比传统农机，转弯半径更小，调节方式更多。能够避免碾压农作物、损伤地膜，也能绕开障碍物，避免碰撞。

以上所述仅是本实用新型专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种车轮结构，其特征在于，包括：

动力组固定框，动力组固定框的后端底部两侧向下延伸形成固定板，动力组固定框的底板向后延伸形成支撑板；

车轮，通过转轴转动设置在两个固定板之间，在转轴上设置有从动链轮；

动力机构，设置在支撑板上，用于驱动车轮转动；

转向组固定框，设置在动力组固定框上方；

转向机构，设置在转向组固定框内，转向机构的执行轴竖直向下穿插过转向组固定框并与动力组固定框的顶部固定连接；

动力电池，设置在动力组固定框内，用于为动力机构、转向机构供电。

2.根据权利要求1所述的一种车轮结构，其特征在于，动力机构包括：

动力减速机，设置在支撑板上且动力减速机的前端***动力组固定框内；

动力伺服电机，设置在动力减速机后端顶部并与动力减速机传动连接；

传动链条，环绕设置在动力减速机的主动链轮和转轴上的从动链轮上；

动力伺服电机驱动动力减速机动作以带动动力减速机上的主动链轮转动，继而通过传动链条带动从动链轮转动以带动车轮转动。

3.根据权利要求2所述的一种车轮结构，其特征在于，车轮通过车轮法兰固定在转轴上。

4.根据权利要求2所述的一种车轮结构，其特征在于，在动力组固定框以及支撑板上开设有供传动链条穿插过的槽口。

5.根据权利要求1所述的一种车轮结构，其特征在于，转向机构包括：

转向轴，竖直设置在转向组固定框内，且底端穿插过转向组固定框并与动力组固定框的顶部固定连接，转向轴与转向组固定框转动连接；

转向减速机，设置在转向组固定框内，且执行轴通过联轴器与转向轴的顶端固定连接；

转向伺服电机，水平设置在转向减速机的前端并与转向减速机传动连接；

编码器，通过固定件固定在转向减速机顶部；

转向伺服电机驱动转向减速机动作以带动转向减速机的执行轴转动，继而通过联轴器带动转向轴转动以带动车轮转向。

6.根据权利要求5所述的一种车轮结构，其特征在于，转向轴外套设有转向轴套，在转向组固定框内还水平设置有用于固定转向轴套的支板，转向轴套穿插过支板。

7.根据权利要求5所述的一种车轮结构，其特征在于，在动力组固定框的顶部设置有用于与转向轴底端固定的固定圈。

8.根据权利要求1所述的一种车轮结构，其特征在于，在转向组固定框的顶板设置有升降支架套筒。

9.一种四轮四转农业机器人，用于高杆作物作业，其特征在于，包括四组如权利要求1-8任一所述的车轮结构。

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