自平衡与自适应地垄的蔬菜自动移栽机器人 |
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| 申请号 | CN202221505166.5 | 申请日 | 2022-06-16 | 公开(公告)号 | CN217608314U | 公开(公告)日 | 2022-10-21 |
| 申请人 | 浙江理工大学; | 发明人 | 俞高红; 李成虎; 诸奇杰; 王磊; 赵雄; | ||||
| 摘要 | 本实用新型公开了自平衡与自适应地垄的蔬菜自动移栽 机器人 ，包括移动底盘、秧箱组件、取苗机构、植苗机构、传动箱机构和行走机构；移动底盘的前部固定有摄像机，中部固定有倾 角 传感器 ；行走机构中，步进 电机 经减速机与 轮毂 支撑 杆一端固定；轮毂支撑杆另一端与 车轮 铰接；车轮由轮毂电机驱动；四个行走机构阵列排布；传动箱机构由 伺服电机 驱动，并驱动植苗机构、秧箱组件和取苗机构；秧箱组件横向和纵向送苗；取苗机构从秧箱组件取苗以及向植苗机构推苗；植苗机构从取苗机构接苗，并将苗植入地垄。本实用新型对于各种不同地垄工况，均能保证在移动底盘处于 水 平且与地垄保持预设距离状态下进行移栽作业，保证 幼苗 移栽后的高直立度。 | ||||||
| 权利要求 | 1.自平衡与自适应地垄的蔬菜自动移栽机器人，包括移动底盘、秧箱组件和取苗机构，其特征在于：还包括植苗机构、传动箱机构和行走机构；所述移动底盘的前部固定有摄像机，中部固定有倾角传感器；摄像机和倾角传感器的信号输出端均与控制器连接；所述的行走机构包括步进电机、减速机、轮毂支撑杆和车轮；步进电机和减速机的底座均固定在移动底盘底部；步进电机的输出轴与减速机的输入轴固定，减速机的输出轴与轮毂支撑杆一端固定；轮毂支撑杆另一端与车轮铰接；所述的车轮由轮毂电机驱动；步进电机和轮毂电机均由控制器控制；四个行走机构阵列排布；所述的传动箱机构由伺服电机驱动，并驱动植苗机构、秧箱组件和取苗机构；所述的秧箱组件实现横向和纵向送苗；所述的取苗机构实现从秧箱组件取苗以及向植苗机构推苗；植苗机构从取苗机构接苗，并将苗植入地垄。 |
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| 说明书全文 | 自平衡与自适应地垄的蔬菜自动移栽机器人技术领域[0001] 本实用新型属于农业机械领域，具体涉及一种自平衡与自适应地垄的蔬菜自动移栽机器人。 背景技术[0002] 蔬菜种植是提高农民收入的支柱产业，是人民生活的必需品。我国蔬菜种植已发展为主要产业，种植面积迅速扩大。但蔬菜种植费工费时，人工劳动强度极大，而且效率不高。 [0003] 近几年研制的单行和双行全自动移栽机，试验效果良好，移栽效率明显提高，但现有移栽机智能化水平仍然不高，远远不能满足农民的需求，需要发明一种蔬菜自主移栽机器人，使其能够通过智能导航、图像识别、自适应垄高变化以及电动控制整套移栽机器人的运转，实现蔬菜移栽的自主移栽工作。 发明内容[0005] 本实用新型自平衡与自适应地垄的蔬菜自动移栽机器人，包括移动底盘、秧箱组件、取苗机构、植苗机构、传动箱机构和行走机构；所述移动底盘的前部固定有摄像机，中部固定有倾角传感器；摄像机和倾角传感器的信号输出端均与控制器连接；所述的行走机构包括步进电机、减速机、轮毂支撑杆和车轮；步进电机和减速机的底座均固定在移动底盘底部；步进电机的输出轴与减速机的输入轴固定，减速机的输出轴与轮毂支撑杆一端固定；轮毂支撑杆另一端与车轮铰接；所述的车轮由轮毂电机驱动；步进电机和轮毂电机均由控制器控制；四个行走机构阵列排布；所述的传动箱机构由伺服电机驱动，并驱动植苗机构、秧箱组件和取苗机构；所述的秧箱组件实现横向和纵向送苗；所述的取苗机构实现从秧箱组件取苗以及向植苗机构推苗；植苗机构从取苗机构接苗，并将苗植入地垄。 [0006] 优选地，所述的传动箱机构包括传动箱、从动锥齿轮三、从动锥齿轮二、传动箱机构传动轴、主动锥齿轮、从动锥齿轮一和从动锥齿轮四；所述的传动箱固定在移动底盘上；所述的主传动轴与传动箱构成转动副，并与伺服电机的输出轴固定；伺服电机的底座固定在传动箱上；伺服电机由控制器控制；主传动轴上固定有两个主动锥齿轮；其中一个主动锥齿轮与从动锥齿轮一啮合，另一个主动锥齿轮与从动锥齿轮四啮合；从动锥齿轮一驱动植苗机构，从动锥齿轮四驱动秧箱组件；所述的秧箱组件实现横向和纵向送苗；所述的传动箱机构传动轴与传动箱构成转动副，两端均固定有从动锥齿轮三，其中一个从动锥齿轮三与从动锥齿轮二啮合，另一个从动锥齿轮三与从动锥齿轮一啮合；从动锥齿轮二将动力传至取苗机构。 [0007] 优选地，所述的控制器与上位机通讯。 [0008] 优选地，所述的移动底盘包括底盘机架和底盘支撑板；所述的底盘支撑板固定在底盘机架上；行走机构的步进电机固定在底盘支撑板底部，秧箱组件的机架组件固定在底盘机架上，传动箱机构的传动箱固定在移动底盘上。 [0009] 优选地，所述减速机的输出轴与轮毂电机支撑杆通过联轴器连接。 [0010] 更优选地，所述的轮毂电机支撑杆设有两根。 [0011] 优选地，所述的传动箱可拆卸连接有盖体。 [0012] 优选地，所述的植苗机构包括行星轮系传动机构和鸭嘴形植苗器；所述的行星轮系传动机构驱动鸭嘴形植苗器的旋转和开合。 [0013] 更优选地，所述的行星轮系传动机构包括箱体和非圆齿轮行星轮系；所述的非圆齿轮行星轮系包括太阳轮、第一中间轮、第二中间轮、行星轮、输入轴和行星轴；所述的输入轴由传动箱机构驱动；所述的箱体与输入轴固定；所述的太阳轮空套在输入轴上，并与传动箱通过牙嵌固定；所述的第一中间轮与第二中间轮固定构成双联齿轮；两个双联齿轮分设在太阳轮两侧，且均与箱体铰接；太阳轮与两个双联齿轮的第一中间轮同时啮合；两根行星轴铰接在箱体两端，两根行星轴上均固定有行星轮；两个行星轮与双联齿轮的第二中间轮分别啮合；所述的鸭嘴形植苗器包括鸭嘴、鸭嘴支撑板、植苗凸轮和植苗旋转板；两个鸭嘴顶部与两块鸭嘴支撑板分别固定，且两个鸭嘴的中部通过弹簧连接；两块鸭嘴支撑板均与植苗旋转板铰接；所述的植苗旋转板上固定有植苗法兰；铰接在其中一块鸭嘴支撑板上的滚子与植苗凸轮构成凸轮副；鸭嘴形植苗器有分设在箱体两端的两个，两个鸭嘴形植苗器的植苗凸轮分别空套在行星轮系传动机构对应的一根行星轴上，且均与行星轮系传动机构的箱体固定；两个鸭嘴形植苗器的植苗法兰分别与行星轮系传动机构对应的一根行星轴固定。 [0014] 本实用新型具有的有益效果： [0015] 本实用新型能实现自动导航、移动底盘自动调平以及自动移栽一体化功能，从而在实现精确取苗、高效移栽基础上，对于有坡度的丘陵地区地垄、各种不同地垄宽度、相邻地垄间距工况，也均能保证在移动底盘处于水平且与地垄保持预设距离状态下进行移栽作业，从而保证了本实用新型在各种地垄工况下幼苗移栽后的高直立度，降低了移栽过程中幼苗的损伤率，降低了人工成本，拓宽了单台固定尺寸移栽机器人的适用范围。其中，四个行走机构单独行走，单独调整高度，控制器根据倾角传感器的反馈信号，协调处理调平移动底盘所需控制的行走机构，使得移动底盘处于水平状态且与地垄保持预设距离；摄像机实现移栽机器人的准确定位，从而实现沿着地垄或轨迹路径直线行走。附图说明 [0016] 图1为本实用新型的整体结构示意图； [0017] 图2为本实用新型中秧箱组件在移动底盘上位置示意图； [0018] 图3为本实用新型中秧箱组件及其驱动示意图； [0019] 图4为本实用新型中传动箱机构、取苗机构和植苗机构的结构示意图； [0020] 图5为本实用新型中植苗机构的结构示意图； [0021] 图6为本实用新型中传动箱机构的动力传输示意图； [0022] 图7为本实用新型中行走机构的结构示意图。 具体实施方式[0023] 下面结合附图进一步阐述本实用新型。 [0024] 如图1所示，自平衡与自适应地垄的蔬菜自动移栽机器人，包括移动底盘1、秧箱组件2、取苗机构3、植苗机构4、传动箱机构5和行走机构6；移动底盘1前部固定有摄像机9，中部固定有倾角传感器8；摄像机9和倾角传感器的信号输出端均与控制器连接；如图7所示，行走机构6包括步进电机61、减速机62、轮毂支撑杆63和车轮64；步进电机61和减速机62的底座均固定在移动底盘1底部；步进电机61的输出轴与减速机62的输入轴固定，减速机62的输出轴与轮毂支撑杆63一端固定；轮毂支撑杆63另一端与车轮64铰接；车轮64由轮毂电机驱动；步进电机61和轮毂电机均由控制器7控制；四个行走机构6阵列排布，针对不同垄高，四个行走机构6可协同实现移动底盘1自主调平与行驶。传动箱机构5由伺服电机21驱动，并驱动植苗机构4、秧箱组件2和取苗机构；秧箱组件实现横向和纵向送苗；取苗机构实现从秧箱组件取苗以及向植苗机构4推苗；植苗机构4从取苗机构接苗，并将苗植入地垄。 [0025] 作为一个优选实施例，如图3、图4和图6所示，传动箱机构5包括传动箱51、从动锥齿轮三53、从动锥齿轮二54、传动箱机构传动轴55、主动锥齿轮56、从动锥齿轮一57和从动锥齿轮四510；传动箱51固定在移动底盘1上；主传动轴22与传动箱51构成转动副，并与伺服电机21的输出轴固定；伺服电机21的底座固定在传动箱51上；伺服电机21由控制器控制；主传动轴22上固定有两个主动锥齿轮56；其中一个主动锥齿轮56与从动锥齿轮一57啮合，另一个主动锥齿轮56与从动锥齿轮四510啮合；从动锥齿轮一57驱动植苗机构4，从动锥齿轮四510驱动秧箱组件2；传动箱机构传动轴55与传动箱51构成转动副，两端均固定有从动锥齿轮三53，其中一个从动锥齿轮三53与固定在取苗机构的中心轴31上的从动锥齿轮二54啮合，另一个从动锥齿轮三53与从动锥齿轮一57啮合；从动锥齿轮二54将动力传至取苗机构3；取苗机构3可以采用申请号为201610118642.0的专利公开的组合式不完全偏心圆—非圆齿轮行星轮系蔬菜取苗机构，从动锥齿轮二54固定在取苗机构3的中心轴31上，取苗机构3的中心轴31通过轴承一52支承在传动箱51上；取苗机构3的中心不完全偏心圆齿轮3与作为取苗机构3机架的传动箱51固定。 [0026] 如图3所示，秧箱组件2可以采用申请号为201520027965.X的专利公开的一种单行蔬菜自动移栽机的秧箱装置，包括机架组件14、横向移箱组件、苗箱组件23和纵向送苗组件；横向移箱组件中从动小链轮与传动箱机构5的从动锥齿轮四510固定，由从动锥齿轮四510驱动；注意，应将从动锥齿轮四510以及横向移箱组件中从动小链轮和间歇运动机构放置在横向移箱组件中双螺旋轴靠近主动锥齿轮56的那端位置处；横向移箱组件带动苗箱组件、纵向送苗组件和置于苗箱组件上的钵苗盘同步水平横移，并间歇性驱动纵向送苗组件纵向输送钵苗盘，以配合取苗机构不断夹取钵苗盘各穴口里的幼苗；其中，横向移箱组件中主动轴与机架组件14构成转动副，机架组件14固定在移动底盘1上，机架组件14上设有前导轨12和后导轨，使得苗箱组件顺利水平横移。 [0027] 作为一个优选实施例，控制器与上位机通讯。 [0028] 作为一个优选实施例，如图2所示，移动底盘1包括底盘机架11和底盘支撑板13；底盘支撑板13固定在底盘机架11上；行走机构6的步进电机61固定在底盘支撑板13底部，秧箱组件2的机架组件14固定在底盘机架11上，传动箱机构5的传动箱51固定在移动底盘1上。 [0029] 作为一个优选实施例，如图7所示，减速机62的输出轴与轮毂电机支撑杆63通过联轴器65连接。 [0030] 作为一个更优选实施例，轮毂电机支撑杆63设有两根。 [0031] 作为一个优选实施例，如图4所示，传动箱51可拆卸连接有盖体41，方便安装。 [0032] 作为一个优选实施例，如图4所示，植苗机构4包括行星轮系传动机构43和鸭嘴形植苗器；行星轮系传动机构43驱动鸭嘴形植苗器的旋转和开合。 [0033] 作为一个更优选实施例，如图5所示，行星轮系传动机构43包括箱体431和非圆齿轮行星轮系；非圆齿轮行星轮系431包括太阳轮432、第一中间轮433、第二中间轮435、行星轮434、输入轴42和行星轴49；输入轴42由传动箱机构5驱动(通过轴承二59支承在传动箱机构5的传动箱51上，并与传动箱机构5的从动锥齿轮一57固定)；箱体431与输入轴42固定；太阳轮432空套在输入轴42上，并与传动箱51通过牙嵌58固定；第一中间轮433与第二中间轮435固定构成双联齿轮；两个双联齿轮分设在太阳轮432两侧，且均与箱体铰接；太阳轮432与两个双联齿轮的第一中间轮433同时啮合；两根行星轴49铰接在箱体431两端，两根行星轴49上均固定有行星轮434；两个行星轮434与双联齿轮的第二中间轮435分别啮合；如图4所示，鸭嘴形植苗器包括鸭嘴47、鸭嘴支撑板46、植苗凸轮44和植苗旋转板45；两个鸭嘴47顶部与两块鸭嘴支撑板46分别固定，且两个鸭嘴47的中部通过弹簧连接；两块鸭嘴支撑板 46均与植苗旋转板45铰接；植苗旋转板45上固定有植苗法兰48；铰接在其中一块鸭嘴支撑板46上的滚子与植苗凸轮44构成凸轮副；鸭嘴形植苗器有分设在箱体431两端的两个，两个鸭嘴形植苗器的植苗凸轮44分别空套在行星轮系传动机构对应的一根行星轴49上，且均与行星轮系传动机构的箱体431固定；两个鸭嘴形植苗器的植苗法兰48分别与行星轮系传动机构对应的一根行星轴49固定。行星轴49带动植苗旋转板45、鸭嘴支撑板46和鸭嘴47旋转，鸭嘴支撑板46上的滚子与植苗凸轮44作用实现两个鸭嘴47的前后开合。 [0034] 本实用新型自平衡与自适应地垄的蔬菜自动移栽机器人，工作原理如下： [0035] 控制器6控制四个行走机构6的轮毂电机驱动车轮，带动移动底盘1运动，并配合摄像机9实现自主导航；移动底盘1运动到待移栽地垄位置时，控制器6根据摄像机9拍摄的地垄图像，在移动底盘1宽度大于地垄宽度且小于相邻地垄间距与地垄宽度之和时控制两侧行走机构6在单个地垄两侧行走，在移动底盘1宽度小于地垄宽度时控制两侧行走机构6在地垄上行走，或控制一侧行走机构6在地垄下面行走，另一侧行走机构6在地垄上行走，在移动底盘1宽度大于相邻地垄间距的两倍与地垄宽度之和控制两侧行走机构6在两个相邻地垄上行走；且行走过程中，控制器6根据倾角传感器的反馈信号控制各行走机构6对移动底盘1进行调平，使移动底盘1处于水平状态且与地垄保持预设距离后再进行移栽作业。可见，本实用新型针对各种不同地垄宽度、相邻地垄不同间距、地垄两侧地面有坡度以及不同地垄高度工况，均可保证移动底盘1处于水平且与地垄保持预设距离状态下进行移栽作业，拓宽了单台固定尺寸移栽机器人的适用范围。 [0036] 其中，各行走机构6对移动底盘1进行调平的过程具体为：控制器根据倾角传感器的反馈信号，判断调平移动底盘1所需控制的行走机构6，使受控行走机构6中步进电机61的动力经减速机62驱动轮毂支撑杆63摆动，从而使得移动底盘1处于水平状态且与地垄保持预设距离。 [0037] 移栽作业的具体过程如下： [0038] 各行走机构6的轮毂电机驱动车轮滚动，使移动底盘1前进；伺服电机21驱动主传动轴22和两个主动锥齿轮56旋转，从而带动从动锥齿轮一57和从动锥齿轮四510旋转；从动锥齿轮一57的部分动力驱动植苗机构4的行星轮系传动机构43，另一部分动力经两个从动锥齿轮三53和传动箱机构传动轴55传给从动锥齿轮二54，从动锥齿轮二54再驱动取苗机构3；而从动锥齿轮四510的动力驱动秧箱组件2。当取苗机构3的取苗爪转动到秧箱组件2上钵苗盘穴口位置时，取苗爪夹取幼苗，当取苗机构3的取苗爪转动到推苗位置时，植苗机构4的鸭嘴形植苗器也在行星轮系传动机构43驱动下到达取苗爪正下方位置，取苗爪将幼苗推入鸭嘴形植苗器内。而在取苗机构3的取苗爪从秧箱组件2夹取一次幼苗后，秧箱组件2的横向移箱组件便带动苗箱组件、纵向送苗组件和置于苗箱组件上的钵苗盘同步水平横移一个穴口位置，等待取苗机构3的取苗爪下一次夹取幼苗；在横向移箱组件沿一个方向横移到位后，钵苗盘的一行穴口内幼苗均被夹取完，此时，纵向送苗组件中摆杆在横向移箱组件中凸轮作用下，使纵向送苗组件带动钵苗盘下移一行，之后横向移箱组件反向带动苗箱组件、纵向送苗组件和置于苗箱组件上的钵苗盘水平横移，如此反复直到取苗机构取完钵苗盘里的幼苗。 [0039] 其中，植苗机构3工作过程具体如下：输入轴42由从动锥齿轮一57驱动旋转，带动箱体431和鸭嘴形植苗器的植苗凸轮44旋转，且使得第一中间轮433与太阳轮432啮合传动，将动力经第二中间轮435、行星轮434和行星轴49传给鸭嘴形植苗器的植苗法兰48和植苗旋转板45，植苗旋转板45带动鸭嘴支撑板46以及鸭嘴47相对箱体51变速转动；当鸭嘴形植苗器运动到取苗爪正下方的接苗位置时，取苗爪向两个鸭嘴47之间推入幼苗，当鸭嘴形植苗器运动到植苗位置时，通过鸭嘴形植苗器相对箱体51的变速转动保证鸭嘴形植苗器植苗时的直立姿态，且此时铰接在其中一块鸭嘴支撑板46上的滚子与植苗凸轮44的推程段作用，两个鸭嘴47嵌入土里并张开挖出穴孔，使幼苗落入穴孔里以完成植苗；而在鸭嘴形植苗器从植苗位置运动到接苗位置过程中，滚子逐渐变为与植苗凸轮44的回程段作用，弹簧回复力使两个鸭嘴47闭合。 |
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