技术领域
[0001] 本
发明属于农用机器领域，涉及一种
农业机器人，具体涉及一种棚室旋耕播种株间除草的模块化多功能农业机器人。
背景技术
[0002] 现阶段广泛使用的棚室内蔬菜种植机械，多是大田种植机械的简单移植版本，使用过程中存在诸多问题，如排放污染严重，噪音大；因棚室空间狭小导致转向不便，微耕机易漏耕,操作人员劳动强度大以及农机使用率不高等。农业机器人的出现为解决上述问题提供了新的方法，但因农业机器人所涉及的专业技术复杂、制造成本过高以及功能单一使其推广应用受到了极大的限制。
发明内容
[0003] 本发明的目的是针对上述情况，提出一种面向棚室旋耕、
施肥、播种和株间除草作业于一体的遥控电动模块化多功能农业机器人，使其在较好适应棚室作业环境的同时，具备多台农机的功能，有效提高农业机器人利用率。如图1所示，该农业机器人采用模块化设计，以
履带底盘共用模块作为其他各功能模块的承载部件，旋耕、播种及株间除草功能模块均可更换，方便快捷地使农业机器人执行机构从旋耕作业机具转换为播种作业或株间除草作业机具，真正做到农业机器人的一机多用。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0005] 一种棚室旋耕播种株间除草的模块化多功能农业机器人，包括
机架和作为行走动
力的履带底盘，所述机架固定在履带底盘上，其特征在于：所述机架上设有提升机构、施肥机构以及可拆卸的旋耕机构、
播种机构和株间除草机构，所述施肥机构安装于机架前端，用于给耕地或
农作物施肥；所述提升机构安装于机架中部，提升机构的滑块可拆卸的连接旋耕机构或播种机构；所述株间除草机构可拆卸的安装在机架后部。
[0006] 作为改进，所述提升机构主要由提升
电机、电机座、滑块和
丝杠组成，所述丝杠竖直的安装在机架上，丝杠上设有通过
螺纹配合的
螺母，机架上还设有与丝杠平行的
导轨，所述滑块安装在导轨上，并且与螺母固定相连，所述提升电机通过电机座安装在机架上，提升电机的
输出轴与丝杠轴连接，滑块上设有与旋耕机构或播种机构相连的楔形槽，楔形槽上方的滑块上设有连接孔。
[0007] 作为改进，所述施肥机构包括主要由肥箱、肥盒、排肥轮和
传动轴组成，所述肥箱固定安装在机架上，所述肥盒有多个，成一列安装在肥箱底部并且与肥箱内连通，每个肥盒内均设有一个排肥轮，所有排肥轮通过传动轴固定
串联，转动轴通过设于肥箱上的施肥电机驱动旋转，所述肥箱下方设有与传动轴平行的横向拉杆，每个肥盒下方设有一个施肥开沟
犁，施肥开沟犁通过连接件安装在横向拉杆上，每个肥盒底部出肥口设有一个排肥软管，所述排肥软管伸入到施肥开沟犁底部的凹槽内。
[0008] 作为改进，所述连接件包括
压板和U型卡箍，所述U型卡箍套在横向拉杆上，穿过压板后通过螺母紧固，施肥开沟犁与压板固定相连，松开紧固螺母，即可调节施肥开沟犁在横向拉杆上的
位置。
[0009] 作为改进，所述旋耕机构包括旋耕
基座、旋耕刀片、旋耕刀轴和旋耕电机，所述旋耕刀轴通过
轴承安装在旋耕基座底部，旋耕电机安装在旋耕基座上，并与旋耕刀轴动力传动相连，旋耕刀片固定安装在旋耕刀轴上，所述旋耕基座上设有连接板，连接板上设有与提升机构滑块上楔形槽相配合安装的楔形块。
[0010] 作为改进，所述旋耕电机下方的旋耕基座上设有四周向下倾斜的
挡泥板。
[0011] 作为改进，所述播种机构包括种箱、播种基座和播种电机，所述种箱通过种箱安装机构安装在播种基座上，播种基座也设有连接板，连接板上设有与提升机构滑块上楔形槽相配合安装的楔形块；所述种箱安装机构包括两个种箱
固定板、将两个种箱固定板固定相连的连接块以及两个平行安装在播种基座上的安装轴，所述种箱固定安装在种箱固定板上，种箱固定板前后两端分别设有能卡在两个安装轴上的C型缺口，至少一个C型缺口上设有顶紧在安装轴上的
锁紧
螺栓，所述种箱有多个，每个种箱底部设有排种口，所述排种口内设有排种轮，所述排种轮设有与之固定相连的从动
齿轮，从动齿轮上设有一个与之
啮合相连的主动齿轮，种箱底部的主动齿轮固定安装在同一根传动轴上，所述传动轴与播种电机动力传动相连。
[0012] 作为改进，所述种箱排种口下方设有播种开沟犁，所述播种开沟犁由两块平行的板前端靠拢形成V字型结构组成，排种口正对两块平行的板之间，两块平行的板尾部设有倾斜安装的覆土板。
[0013] 作为改进，所述株间除草机构包括除草电机、除草刀、除草刀盘、
水平滑台和竖直滑台，所述水平滑台和竖直滑台均为
同步带型直线滑台，竖直滑台通过连接件安装在机架后端，所述水平滑台固定安装在竖直滑台的滑块上，除草电机固定安装在水平滑台的滑块上，除草刀通过除草刀盘安装在草电机的输出轴上。
[0014] 作为改进，所述竖直滑台有两个，水平滑台的两端分别安装在两个竖直滑台的滑块上，两个竖直滑台的动力
输入轴通过同一根传动轴相连，该传动轴通过竖直滑台电机驱动旋转。
[0015] 本发明有益效果是：
[0016] 本发明以履带底盘共用模块作为其他各功能模块的承载部件，旋耕、播种及株间除草功能模块均可更换，方便快捷地使农业机器人执行机构从旋耕作业机具转换为播种作业或株间除草作业机具，真正做到农业机器人的一机多用，本发明使得无需常备多种耕作功能的机械，有效的降低了农业生产成本，提高了农业生产效率。
附图说明
[0017] 图1为本发明模块化多功能农业机器人各功能模块转换关系图；
[0018] 图2为本发明模块化多功能农业机器人共用模块结构图；
[0019] 图3为提升机构结构图；
[0020] 图4为施肥机构结构示意；
[0021] 图5为旋耕机构结构图；
[0022] 图6为播种机构结构图；
[0023] 图7为单个播种装置结构图；
[0024] 图8为株间除草机构结构图；
[0025] 图9为株间除草机构及相机安装位置图；
[0026] 图10为大棚芹菜株间除草作业除草刀运动轨迹；
[0027] 图11为安装播种机构的履带底盘结构示意图；
[0028] 图12为旋耕机构的连接板与提升机构的滑块安装示意图。
[0029] 1机架；2
蓄电池组；3提升机构；4涨紧轮；5履带；6底盘
支架；7支重轮；8施肥机构；9控制箱；10履带底盘；11行走电机；12-相机；13镇压轮；15株间除草机构；1-1提升电机；1-2电机座；1-3滑块；1-4丝杠；2-1肥箱；2-2轴承座；2-3肥盒；2-4横向拉杆；2-5压板；2-6 U型卡箍；2-7排肥轮；2-8施肥开沟犁；3-1旋耕刀片；3-2旋耕电机；3-3挡泥板；3-4减速器；3-5旋耕刀轴；3-6连接板；3-7-旋耕基座；4-1夹持块；4-2种箱固定板；4-3从动齿轮；4-4主动齿轮4-5种箱；4-6覆土板；4-7播种开沟犁；4-8小同步带轮；4-9大同步带轮；4-10播种电机；4-11连接板；4-12行距调节块；4-13连接块；4-14播种基座；4-15播种电机座；5-1竖直滑台电机；5-2同步带；5-3大带轮；5-4水平滑台；5-5传动轴；5-6除草电机；5-7除草刀；5-8除草刀盘；5-9水平滑台电机；5-10同步带；5-11竖直滑台。
具体实施方式
[0030] 以下从该农业机器人的共用模块、旋耕机构、播种机构、株间除草机构、以及控制系统等方面阐述其机械结构组成和各功能实现过程。
[0031] 共用模块：主要由履带底盘、机架、提升机构和施肥机构、电源等几大部分组成，其共用模块结构图如图2所示。
[0032] 履带底盘：采用常规结构，用于为整个装置提供行走动力，主要由蓄
电池组2、涨紧轮4、履带5、底盘支架6、支重轮7、控制箱9、
驱动轮10、行走电机11组成。行走电机11动力经减速器减速增扭后传递给驱动轮10，驱动轮10
外齿与履带5内齿啮合，带动履带底盘运动。
[0033] 提升机构：如图3所示，主要由提升电机1-1、电机座1-2、滑块1-3、丝杠1-4组成。提升机构3固定在机架1相应位置(本
实施例为中部)，旋耕机构或播种机构通过连接板安装在提升机构3的滑块1-3上，通过控制系统控制提升电机1-1使滑块1-3沿丝杠1-4升降，可调节安装在滑块1-3上的各功能模块
末端执行器(即旋耕机构或播种机构)离地间距。如图12所示为旋耕机构连接板与提升机构滑块连接示意图(播种机构连接板与图12所示旋耕机构连接板结构相同)，为确保丝杠螺母上滑块1-3与旋耕机构或播种机构的可靠联接，滑块1-3前端面上有楔形槽，同样旋耕机构连接板3-6(播种机构的连接板4-11)上也有与之相配合的楔形块。滑块1-3上端开有两个通孔，旋耕机构连接板3-6(播种机构连接板4-11)上的楔形块上端有两个
螺纹孔，通过螺栓联接滑块1-3与旋耕机构连接板3-6(或播种机构连接板4-11)。由于楔形的作用，使联接螺栓的受力在工作过程中基本保持不变，从而不会因为作业过程中的振动而失效。
[0034] 施肥机构：如图4所示，主要由肥箱2-1、轴承座2-2、肥盒2-3、横向拉杆2-4、压板2-5、U型卡箍2-6、排肥轮2-7、施肥开沟犁2-8、导肥板2-9、施肥电机2-10等组成。
[0035] 整个施肥机构通过螺栓固定在机架1前端(具体为肥箱2-1通过螺栓固定在机架1上)，所述肥箱2-1底部设有多个作为出肥通道的肥盒2-3，每个肥盒2-3内均设有一个排肥轮2-7，所述排肥轮2-7为表面带凹槽的
转轮，所有排肥轮通过一根传动轴固定串联，转动轴通过设于肥箱上的施肥电机驱动旋转，肥箱2-1左侧的轴承座2-2用于固定穿过肥盒2-3中部排肥轮2-7的传动轴一端，施肥电机2-10为电机减速器一体结构，通过减速器上相应螺栓孔将施肥电机2-10固定在肥箱2-1右侧，传动轴另一端穿过施肥电机2-10减速器轴孔固定，在施肥电机2-10驱动下，传动轴带动排肥轮2-7旋转，实现排种动作，需要指出的是本实施例中排肥轮2-7也可以采用
现有技术中用于下料的旋转下料
阀。作为一种更好实施例，所述肥盒2-3内设有倾斜的导肥板2-9，所述导肥板2-9位于肥盒2-3内部排肥轮2-7两侧，用于将农肥引导至排肥轮2-7凹槽内，使得农肥均通过排肥轮2-7流向肥盒2-3的出肥口，调整施肥电机2-10转速可改变单位时间内的排肥量。每个肥盒底部对应的设有一个施肥开沟犁2-8，施肥开沟犁2-8可以选用现有技术中常规的三
角形开沟犁，施肥开沟犁2-8通过压板2-5、U型卡箍2-6固定在横向拉杆2-4相应位置，所述U型卡箍套在横向拉杆2-4上，穿过压板2-5后通过螺母紧固，施肥开沟犁2-8与压板2-5固定相连，松开紧固螺母，即可调节施肥开沟犁2-8在横向拉杆2-4上的位置；肥盒2-3下端出肥口处接有塑料排肥管(即伸缩软管，具体可为塑料软管或者
波纹管)，排肥管下部沿竖直方向内嵌于施肥开沟犁2-8凹槽内，一直延伸到施肥开沟犁2-8后方底部凹槽内，由于排肥管良好的塑性，针对不同行距排肥作业时，只需调整横向拉杆2-4上各施肥开沟犁2-8间距即可，无需改变肥盒2-3安装位置。施肥作业实现过程：操作者按作物行距要求，调节好各施肥开沟犁2-8间距为避免农肥烧死种苗，肥沟和种沟一般为不同的沟，相互之间错开一定距离。及入土深度，在机器人沿作物行行进的过程中，施肥开沟犁2-8入土开出一定深度肥沟，农肥经排肥轮2-7从肥盒2-3的出肥口排出，并沿排肥管排入肥沟。
[0036] 电源：该机器人工作所需
电能均来自于
蓄电池组2，通过DC-DC
电压转换模块将蓄电池组2电压转化为机器人各用电设备工作所需额定电压。
[0037] 旋耕机构：如图5所示，主要由旋耕刀片3-1、旋耕电机3-2、挡泥板3-3、减速器3-4、旋耕刀轴3-5、连接板3-6等组成。所述旋耕刀轴3-5通过轴承安装在旋耕基座3-7底部，旋耕电机3-2安装在旋耕基座3-7上，并与旋耕刀轴3-5动力传动相连，旋耕刀片3-1固定安装在旋耕刀轴上3-5，所述旋耕基座3-7上设有连接板3-6，连接板3-6上设有与提升机构的滑块1-3上楔形槽相配合安装的楔形块。
[0038] 旋耕电机3-2输出
扭矩经减速器3-4减速增扭后传递至旋耕刀轴3-5，带动旋耕刀片3-1转动。旋耕机构通过连接板3-6安装在提升机构3的滑块1-3上，控制提升机构3的滑块1-3升降可调整旋耕刀片3-1入土深度。旋耕作业时：机器人以一定速度在待耕作田内直线行走，旋耕电机3-2以一定转速带动旋耕刀片3-1旋转，旋耕刀3-1入土深度的精确调节依据：已知提升机构3的丝杠1-4
螺距和提升电机1-1控制脉冲
频率，可计算出每分钟提升机构
3的滑块1-3沿竖直方向移动距离。即提升机构3的滑块1-3移动速度已经确定，如需按规定耕深作业，只需确定出旋耕刀具3-1此时到达
指定耕深需移动距离，便可在相应时间内控制滑块1-3下移使刀具到达指定入土深度，本实施例中的旋耕刀3-1采用现有技术中常规的旋耕刀。
[0039] 播种机构：如图6和图7所示，主要由夹持块4-1、种箱固定板4-2、传动齿轮4-3、主动齿轮4-4、种箱4-5、覆土板4-6、播种开沟犁4-7、小带轮4-8、大带轮4-9、播种电机4-10、连接板4-11、行距调节块4-12、连接块4-13、播种基座4-14等组成。
[0040] 夹持块4-1用于夹持在机架1相应位置导柱上，起到升降导向和降低播种机构作业过程中振动的作用。
[0041] 该播种机构可根据不同行距要求，播种四至六行作物，单个排种装置如图7所示，播种机构通过连接板4-11安装于提升机构3滑块1-3上，通过调节滑块1-3竖直高度可调整播种机构播种开沟犁4-7离地间距，具体为：播种基座4-14上设有连接板4-11，连接板4-11上设有与提升机构3的滑块1-3上楔形槽相配合安装的楔形块；所述种箱4-5通过种箱安装机构安装在播种基座4-14上，所述种箱安装机构包括两个种箱固定板4-2、将两个种箱固定板4-2固定相连的连接块4-13以及两个平行安装在播种基座4-14上的安装轴，种箱4-5通过短销安装在两种箱固定板4-2之间；种箱固定板4-2为长方形结构，前后两端开有卡槽固定在安装轴上，连接块4-13位于两种箱固定板4-2之间，用于将三者连接起来。行距调节块4-12安装在种箱固定板4-2外侧且与连接块4-13在同一端，通过短螺栓将行距调节块4-12、种箱固定板4-2及连接块4-13连接起来，种箱固定板4-2后端设有能卡在后侧安装轴上的C型缺口，行距调节块4-12前端设有能卡在前侧安装轴上的C型缺口，其中种箱固定板4-2后端的C型缺口竖直向下，行距调节块4-12前端的C型缺口为水平方向，并在行距调节块4-12前端设有能拧入C型缺口内的锁紧螺栓，当锁紧螺栓拧紧时，其前端顶紧在安装轴上即可固定种箱固定板4-2在安装轴上的相对位置，因此当调整好种箱4-5在安装轴上的相对位置后，通过拧紧锁紧螺栓即可将种箱4-5相对位置固定。
[0042] 所述种箱4-5有多个，每个种箱4-5底部设有排种口，所述排种口内设有排种轮，所述排种轮设有与之固定相连的从动齿轮4-3，从动齿轮4-3上设有一个与之啮合相连的主动齿轮4-4，种箱4-5底部的主动齿轮4-4固定安装在同一根传动轴上，该传动轴与播种电机动力传动相连，具体为该传动轴上设有与之固定相连的大同步带轮4-9，播种电机4-10上设有与其输出轴固定相连的小同步带轮4-8，小同步带轮4-8和大同步带轮4-9之间通过同步带相连，播种电机4-10固定安装在播种基座4-14上。
[0043] 所述种箱4-5的排种口下方设有播种开沟犁4-7，所述播种开沟犁4-7由两块平行的板前端靠拢形成V字型结构组成，排种口正对两块平行的板之间，两块平行的板尾部设有倾斜安装的覆土板4-6。
[0044] 播种动力传递：播种电机4-10输出扭矩经小同步带轮4-8传递至大同步带轮4-9，带动传动轴上的主动齿轮4-4旋转，位于种箱4-5一侧的从动齿轮4-3与种箱4-5内排种轮通过短轴相连，从动齿轮4-3与主动齿轮4-4啮合带动同轴的排种轮旋转，完成排种动作，所有播种器的主动齿轮4-4均安装在一根传动轴上，并与各播种器的排种轮轴上的从动齿轮4-3啮合。播种开沟犁4-7前端长轴穿过连接块4-13中部轴孔固定，调整长轴竖直位移可调节播种开沟犁4-7入土深度，覆土板4-6安装于播种开沟犁4-7末端，覆土力来自其固定短销上安装的
螺旋弹簧。行距调节块4-12、种箱固定板4-2、连接块4-13、种箱4-5、传动齿轮4-3、主动齿轮4-4、覆土板4-6、播种开沟犁4-7等零件构成了一组排种装置，如图6所示该播种机构此时共有四组排种装置，在作业过程中可同时播种四行作物，播种行距调节是通过调整行距调节块4-12上的锁紧螺栓，改变各组排种装置之间的轴向间距实现的。
[0045] 需要指出的本实施例中的排种轮可采用现有技术中的排种轮，也可以采用旋转下料阀或者表面带凹槽的滚轮。
[0046] 另外需要指出的是本实施例中，播种电机4-10固定在播种电机座4-15上，播种电机座4-15通过升降装置安装在机架1后端，该升降装置可以调整播种电机4-10高度，从而调整小同步带轮4-8与大同步带轮4-9之间同步带张紧程度，本实施例中该升降装置为一组螺栓，通过一组螺栓调节播种电机座4-15高度，从而调节播种电机4-10高度，从而达到张紧同步带的目的，另外还可以在机架1的尾端或者播种基座4-14的尾端设置镇压轮13，播种完后，立即用镇压轮13进行覆土
压实，可有效的保证
种子发芽生出率。
[0047] 另外需要指出的是：本实施例中，提升机构滑块上楔形槽结构与播种机构或旋耕机构上相应楔形块，通过斜边保证两者之间牢固的连接。
[0048] 株间除草机构：如图8所示，主要由竖直滑台电机5-1、同步带5-2、大带轮5-3、水平滑台5-4、传动轴5-5、除草电机5-6、除草刀5-7、除草刀盘5-8、水平滑台电机5-9、同步带5-10、竖直滑台5-11等组成。
[0049] 所述水平滑台5-4和竖直滑台5-11均为同步带型直线滑台，株间除草机构通过竖直滑台5-11背面连接块(图中未画出)固定在机架1相应位置(机架尾端)，所述竖直滑台5-4有两个，水平滑台的两端分别安装在两个竖直滑台5-4的滑块上，两个竖直滑台的动力输入轴通过同一根传动轴5-5相连，传动轴5-5通过竖直滑台电机5-1驱动旋转，具体为：传动轴5-5上设有固定相连的大带轮5-3，竖直滑台电机5-1的输出轴上设有固定相连的小带轮，大带轮5-3和小带轮之间通过同步带5-2相连，除草电机5-6固定安装在水平滑台5-11的滑块上，除草刀5-7通过除草刀盘5-8安装在草电机5-6的输出轴上；竖直滑台电机5-1动力经同步带5-2传递至大带轮5-3，电机动力传递至大带轮5-3左侧竖直滑台5-11的同时，通过传动轴5-5将动力传递至大带轮5-3右侧竖直滑台5-11，该结构使两侧竖直滑台5-1同时接收到相等的传动力，保证了水平滑台5-4两侧安装位置能够同步升降即保证了水平滑台5-4的水平度。水平及竖直滑台内部均为同步带传动形式，在
控制器控制下，通过除草机器人行走及水平滑台5-4、竖直滑台5-11相互配合运动，能够使除草刀5-7精确
定位到株间
杂草所在位置，在除草电机5-6驱动下，除草刀盘5-8带动除草刀5-7旋转，进行株间杂草的清除，本实施例中除草刀5-7为现有技术中常规的旋转型除草刀，通过除草刀盘5-8带动刀片旋转来将杂草割断，达到除草目的。
[0050] 控制系统：为了实现自动化，本发明还可以引入控制系统，机器人的各项功能在控制系统的统一调度及协调自动完成。控制系统包括：各电机控
制模块、
图像采集及处理模块、电源监测模块、通信模块及远程遥控模块等。控制系统主要功能包括：
[0051] 1.底盘行走控制：实现农业机器人前进、后退、左右转向等机器人行走功能，以及机器人直线自主行走控制。
[0052] 2.旋耕、播种、施肥、株间除草作业控制：旋耕作业时，实现旋耕电机和提升电机控制。播种作业时，实现播种电机启停和速度控制。施肥作业时，实现排肥电机启停控制。株间除草作业时，实现水平滑台电机、竖直滑台电机控制，以及除草电机启停控制。
[0053] 3.图像采集及处理模块：控制相机采集田间作物图像并进行
图像处理，从而确定株间除草作业时除草刀的位置。
[0054] 4.电源监测模块：对电源电量进行实时监测，对蓄电池组进行实时监测，当电压或电量值低于设定值后，立刻进行报警提示，提醒工作人员电源电量不足需要及时充电。
[0055] 5.通信模块：通过无线接收模块，接收来自远程遥控控制器发出的控制指令
信号。
[0056] 6.远程遥控模块：接收来自遥控器按键的指令信号，并将其通过无线发射模块发送给多功能机器人。
[0057] 株间除草处理流程：如图9所示，由相机获取田块图像，经过现有技术中图像处理确定出相邻两株作物的中心位置(也可采用照片上参照物比对法确定)。除草过程中，机器人沿作物行纵向直线行走，除草刀旋转中心在到达两株作物中间位置时，机器人停止前进，启动除草刀旋转并控制竖直滑台电机下放除草刀至一定入土深度，当旋转的除草刀从水平滑台最左侧移动至最右侧后，机器人完成一次横向作物的株间除草作业，停止除草刀旋转并将其提升，机器人继续沿作物行纵向直线行走，当除草刀旋转中心再次到达两株作物中间位置，启动除草刀旋转并下放除草刀至一定入土深度，使其从滑台最右端向最左端运动进行株间除草。此后重复上述除草过程，直至机器人到达田间地头。
[0058] 如图10所示，以大棚内种植的芹菜为例，行距为20cm，株距15cm。选用旋转直径为10cm的除草刀，以作物行横向为x轴，作物行纵向为y轴，建立平面直角
坐标系xoy，整个株间除草过程除草刀的运动轨迹如图9所示，图中黑色加粗线段表示除草刀旋转中心运动轨迹。
运用此方法除草，只需根据不同株距作物更换相应直径除草刀即可最大限度清除株间杂草。
