一种拔取式萝卜收获机器人的制作方法

本发明涉及农业装备技术领域，具体涉及一种拔取式萝卜收获机器人。

背景技术：

一个国家的经济、科技水平与自然条件将直接影响其农业机械化水平。我国农业正面临劳动力短缺和人力成本不断上涨的困境，智能化作业装备成为我国农机装备技术研究中急需解决的问题。我国的萝卜、大蒜、莴苣、白菜等作物的种植面积大、收获机械化率非常低，收获装备技术不能满足实际生产作业的需求，仍然以传统的人工收获方式为主。虽然少数地区使用萝卜收获机进行采收，但是现有的萝卜采收机几乎只能在我国极少数地区进行胡萝卜的收获作业，很难对白萝卜这类作物进行有效收获。而且，这类装备大多需要外部提供动力，即使像久保田胡萝卜收获机这类自走式装备，仍然需要操作人员持续操纵装备，以对准作物植株行进行采收作业，其操作难度大，漏收率和破损率较高，收获效率不高。依赖人工进行收获作业这种现状，将严重影响种植户的经济效益，从而制约我国萝卜产业的健康发展。

而现有的机械化收获技术主要存在如下几个方面的不足：

首先，大多数收获装备为侧挂式收获机械，需要外部提供动力，外部动力多由拖拉机来提供，拖拉机的重量较大，会对土壤形成巨大压力，破坏土壤结构，不利于作物生长。

其次，无论是侧挂式还是自走式收获机械，都需要操作人员时刻操纵拖拉机或收获机以对准收获对象进行采收作业，加大了操作难度，而且也增加了操作员的劳动强度。尤其在长期作业时，不仅会使得操作人员倍感疲劳，而且，也容易导致收获机械漏收和损伤率上升。鉴于此，一些农机企业和研究机构试图通过研制无人驾驶拖拉机来应对，显然，问题的关键不在于外部动力的自动化，而在于收获机械的自动化。

第三，现有采收装备多为挖掘式收获机械。采用挖掘的方法进行萝卜的收获，必将对动力提出很高的要求，特别对白萝卜这类扎入土壤很深的作物，需要非常强大的动力才能将其从土壤中挖掘出来，即使一些从垄旁进行挖掘的改进方法，仍然需要强大的动力。而且，这种方法还存在易伤作物的内在局限性。

最后，现有装备几乎为不可变形的固定式采收机构。我国种植萝卜的农艺不够规范，垄宽、株距不标准、不一致，作物植株露出地面部分长短不一、随机偏离垄中心，萝卜扎入地下的深度不一致，土壤的松软状况存在很大差别，萝卜的拔取难度与气温、收获时间、品种、生长时间等存在较大关联，等等。面对这些实际生产作业条件，固定式、不可动态变化的机械将无法进行高效收获。

技术实现要素：

为解决现有技术中的上述不足问题，本发明提出了一种无需挖掘辅助的单纯拔取式萝卜收获机器人。

其包括主框架和分别与主框架连接的行走机构、拔取机构、传输机构、切叶机构、感知机构、驱动机构、控制机构和电池箱，所述行走机构设置在主框架的下端用以支撑机器人行走，所述拔取机构设置在主框架前端且与传输机构相邻设置，所述传输机构设置在主框架内，且所述传输机构为自下向上倾斜设置，所述切叶机构设置在传输机构后端，所述感知机构设置在所述拔取机构前端，所述驱动机构包含设置在不同机构中的多个驱动电机，所述控制机构用于控制机器人动作，所述电池箱用于给机器人供电。

所述行走机构包括行走支撑板、行走动力电机、减速机、行走主动轮、导向轮、支重轮、履带、前端支撑件和后端支撑件，前端支撑件下端固定连接于行走支撑板，前端支撑件的上端与主框架固定连接，后端支撑件下端与行走支撑板固定连接，后端支撑件上端与主框架固定连接，行走动力电机的轴与减速机连接，减速机的出轴上连接有行走主动链轮，行走主动链轮下端设有行走从动链轮，并且行走主动链轮和行走从动链轮上套设有动力链条，行走主动轮固定在行走支撑板后端上方，导向轮固定在行走支撑板前端上方，支重轮安装在行走支撑板下方，履带套设在行走主动轮、导向轮和支重轮上。

所述拔取机构包括两只拔取臂，与拔取臂对应的拔取执行器，以及拔取固定架；所述拔取臂包括大臂和小臂，大臂套设在小臂外，大臂上设有用于驱动小臂移动的小臂驱动电机，所述拔取执行器与拔取小臂下端连接，所述大臂可滑动设置在所述拔取固定架中间，所述拔取固定架两端分别设有拔取驱动电机，所述拔取驱动电机的轴套设有拔取主动轮，所述拔取驱动电机下端设有拔取从动轮，所述拔取主动轮和拔取从动轮上套设有拔取传输皮带，且两只拔取臂的相背一侧通过拔取滚珠丝杆分别连接拔取从动轮；所述执行器支架为前低后高的结构，使得拔取执行器前端离底面低而后端离底面高。

所述传输机构包括传输夹持机构、两个相同且相对设置的连接机构、左右移动机构和上下移动机构；所述连接机构的下端分别与传输夹持机构的两端上部连接，所述连接机构的上端分别与上下移动机构两侧连接；所述左右移动机构设置在与传输夹持机构两端上部连接的两个连接机构之间的上部，并与连接机构和上下移动机构连接。

所述切叶机构包括可伸缩的左夹持传送机构和右夹持传送机构，以及切叶装置，切叶装置设置在右夹持传送机构上，所述切叶装置包括锯片、架臂、第一主动轮和第一从动轮，所述锯片、架臂的一端和第一从动轮通过轮轴依次贯穿连接，第一主动轮和第一从动轮上套设有切叶皮带，所述第一主动轮下端设有与第一主动轮的轴连接的第一驱动电机，所述第一驱动电机固定在右夹持机构上，所述架臂的另一端固定在右夹持传送机构上。

所述感知机构包括分别设置在主框架前端两侧的激光扫描仪和前端视觉传感器，以及安装于主框架后端的后端视觉传感器和计算模块。

本发明的有益效果是：本发明将拔取与传输环节分离，重点强化了拔取机构的夹持能力和拔取效果，实现了无需挖掘辅助情况下的单纯拔取式萝卜采收，从而大幅降低了收获装备的总能耗。

其次，拔取与传输机构可动态调整其空间位置，重点强化了拔取机构的形态可变能力，实现了自动调整拔取机构的左右、上下位置及开合状态，不仅能够自动对准植株进行动态拔取，而且，还能动态调整拔取方式和着力点，进一步提升了拔取能力。这种能力实现了拔取机构的动态变形，大幅提升了对多种农艺的适应能力。

第三，本发明实现了自主行走。不再需要外部动力，大大减轻了收获装备的总重量，既有效节约了能耗，又减少了收获装备对土壤的破坏。

第四，本发明对萝卜实现了自动拔取操作和自动跟随植株行的能力，从而大幅降低操作人员的劳动强度，解放了操作人员的双手，实现了萝卜收获的自动化。

具体的说，本发明具备自动拔取能力、空间和视觉感知能力，自主规划、决策能力与自主控制能力，因此，它能够根据实际作业环境，自主选择合适的拔取方式，并自动进行动态自适应的拔取作业，不仅无需操作人员操纵拔取机构对准植株进行采收，而且，还会根据植株行的实际走向自适应地跟随植株行自主行进，能够有效适应萝卜的生长环境、收获条件和多变的种植情况。在几乎无需人工干预的情况下，本发明能够准确、高效、连续地自动进行萝卜收获作业，适应我国根茎或块茎类作物的高效自动化收获需求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图一；

图2是本发明的结构示意图二；

图3是本发明的结构示意图三；

图4是本发明的拔取机构的结构示意图一；

图5是本发明的拔取机构的结构示意图二；

图6是本发明的行走机构的结构示意图一；

图7是本发明的行走机构的结构示意图二；

图8是本发明的传输机构的结构示意图一；

图9是本发明的传输机构的结构示意图二；

图10是本发明的切叶机构的结构示意图一；

图11是本发明的切叶机构的结构示意图二

图12是本发明的切叶机构的结构示意图三；

图13是实施例的萝卜收获流程示意图；

图14是实施例的左右调整流程示意图；

图15是实施例的上下调整流程示意图；

图16是实施例的开合调整流程示意图；

其中，主框架1、行走机构2、拔取机构3、传输机构4、切叶机构5、感知机构6、驱动机构7、控制机构8、电池箱9；

行走支撑板20、行走动力电机21、减速机22、行走主动轮23、导向轮24、支重轮25、履带26、前端支撑件27、后端支撑件28、行走主动链轮29、行走从动链轮210、动力链条211；

大臂31、小臂32、执行上支撑板33、执行从动轮34、执行下支撑板35、执行电机36、执行器支架37、执行主动轮38、涡轮蜗杆39、拔取固定块310、拔取滑块311、拔取滑轨312、拔取固定架313、拔取主动轮314、拔取驱动电机315、拔取传输皮带316、拔取从动轮317、拔取滚珠丝杆318、小臂驱动电机319、顶柱320；

传输夹持机构41、第一传输连杆42、第二传输连杆43、传输固定块44、传输滑块45、传输滑轨46、横梁47、固定框架48、第一链轮驱动电机49、移动滑轨410、移动滑块411、第一主动链轮412、第二链轮驱动电机413、移动固定块414、第一链条415、第一从动链轮416、移动定位块417、第二主动链轮418、第二链条419、第二从动链轮420；

左夹持传送机构51、右夹持传送机构52、第一连接板53、第二连接板54、第三连接板55、第四连接板56、第一连杆511、第一滑轨512、第一滑块513、第一固定板514、左传送装置515、第二主动轮516、第二从动轮517、切叶皮带518、第一隔板519、第二驱动电机520、第一滚珠丝杆521、第二滚珠丝杆522、第二丝杆套523、第三驱动电机524、第二隔板525、架臂526、第一主动轮527、第一从动轮528、锯片529、右传送装置530、第一丝杆套531、第三连杆532、第三滑轨533、第三滑块534、第三固定板535、第一驱动电机536、第二滑块537、第二滑轨538、第二连杆539、第二固定板540、第四连杆541、第四滑轨542、第四滑块543、第四固定板544；

激光扫描仪601、视觉传感器602。

具体实施方式

以上是本发明的技术方案内容，现对本发明的方案做如下具体说明：

参阅图1~图16，实施例公布了一种拔取式萝卜收获机器人，包括主框架1和分别与主框架1连接的行走机构2、拔取机构3、传输机构4、切叶机构5、感知机构6、驱动机构7、控制机构8和电池箱9，所述行走机构2设置在主框架1的下端用以支撑机器人行走，所述拔取机构3设置在主框架1前端且与传输机构4相邻设置，所述传输机构4设置在主框架1内，且所述传输机构4为自下向上倾斜设置，所述切叶机构5设置在传输机构4后端，所述感知机构6设置在所述拔取机构3前端，所述驱动机构7包含设置在不同机构中的多个驱动电机，所述控制机构8用于控制机器人动作，所述电池箱9用于给机器人供电。

所述行走机构2包括行走支撑板20、行走动力电机21、减速机22、行走主动轮23、导向轮24、支重轮25、履带26、前端支撑件27和后端支撑件28，前端支撑件27下端固定连接于行走支撑板20，前端支撑件27的上端与主框架1固定连接，后端支撑件28下端与行走支撑板20固定连接，后端支撑件28上端与主框架1固定连接，行走动力电机21的轴与减速机22连接，减速机22的出轴上连接有行走主动链轮29，行走主动链轮29下端设有行走从动链轮210，并且行走主动链轮29和行走从动链轮210上套设有动力链条211，行走主动轮23固定在行走支撑板20后端上方，导向轮24固定在行走支撑板20前端上方，支重轮25安装在行走支撑板20下方，履带26套设在行走主动轮23、导向轮24和支重轮25上。

所述拔取机构3包括两只拔取臂，与拔取臂对应的拔取执行器，以及拔取固定架313；所述拔取臂包括大臂31和小臂32，大臂31套设在小臂32外，大臂31上设有用于驱动小臂32移动的小臂驱动电机319，所述拔取执行器与拔取小臂32下端连接，所述大臂31可滑动设置在所述拔取固定架313中间，所述拔取固定架313两端分别设有拔取驱动电机315，所述拔取驱动电机315的轴套设有拔取主动轮314，所述拔取驱动电机315下端设有拔取从动轮317，所述拔取主动轮314和拔取从动轮317上套设有拔取传输皮带316，且两只拔取臂的相背一侧通过拔取滚珠丝杆318分别连接拔取从动轮317；所述执行器支架37为前低后高的结构，使得拔取执行器前端离底面低而后端离底面高。

所述拔取执行器包括执行器支架37、执行器电机和执行传输夹持装置，所述执行器支架37上端与小臂32连接，下端与执行传输夹持装置连接，所述执行器支架37下端设有执行电机36，所述执行电机36的轴连接有涡轮蜗杆39，涡轮蜗杆39固定在执行器支架37前侧；所述执行传输夹持装置包括执行主动轮38和执行从动轮34，所述执行主动轮38和执行从动轮34上下两端分别设有执行上支撑板33和执行下支撑板35，所述执行主动轮38和执行从动轮34上套设有执行传输皮带，所述执行主动轮38和执行从动轮34之间靠内一侧还设有可转动的顶柱320，所述执行传输皮带设置在顶柱320外侧，涡轮蜗杆39的下端与执行主动轮38连接。所述拔取固定架313上设有分别铺设于大臂31前后两侧的拔取滑轨312，所述拔取滑轨312上设有拔取滑块311，所述拔取滑块311上固定有拔取固定块310，所述拔取固定块310与大臂31固定。所述执行器支架37为前低后高的结构，使得拔取执行器前端离底面低而后端离底面高。

所述传输机构4包括传输夹持机构41、两个相同且相对设置的连接机构、左右移动机构和上下移动机构；所述连接机构的下端分别与传输夹持机构41的两端上部连接，所述连接机构的上端分别与上下移动机构两侧连接；所述左右移动机构设置在与传输夹持机构41两端上部连接的两个连接机构之间的上部，并与连接机构和上下移动机构连接。

连接机构包括第一传输连杆42和第二传输连杆43，第二传输连杆43的下端固定在两个相对设置的第一传输连杆42上部之间，所述第二传输连杆43上设有传输滑轨46，所述传输滑轨46上设有传输滑块45，所述传输滑块45与传输支架固定，所述传输支架包括横梁47和传输固定块44，所述传输固定块44固定在横梁47下部两端并与横梁47垂直。

所述左右移动机构包括固定框架48和链轮传动组件，所述链轮传动组件固定在固定框架48上并与传送夹持机构在空间位置上垂直，链轮传动组件包括第一主动链轮412和第一从动链轮416，以及套设在第一主动链轮412和第一从动链轮416上的第一链条415和驱动第一主动链轮412旋转的第一链轮驱动电机49，所述横梁47与第一链条415固定；所述固定框架48设有两条平行的移动滑轨410，所述移动滑轨410上设有移动滑块411，移动滑块411上部与横梁47固定。

所述上下移动机构包括上下传动组件和移动定位块417，所述上下传动组件包括第二主动链轮418和第二从动链轮420，所述第二主动链轮418和第二从动链轮420上套设有第二链条419，所述第二链条419与移动定位块417固定，所述移动定位块417与第二传输连杆43连接，所述第二主动链轮418连接有用于驱动第二主动链轮418的第二链轮驱动电机413。

所述切叶机构5包括可伸缩的左夹持传送机构51和右夹持传送机构52，以及切叶装置，切叶装置设置在右夹持传送机构52上，所述切叶装置包括锯片529、架臂526、第一主动轮527和第一从动轮528，所述锯片529、架臂526的一端和第一从动轮528通过轮轴依次贯穿连接，第一主动轮527和第一从动轮528上套设有切叶皮带518，所述第一主动轮527下端设有与第一主动轮527的轴连接的第一驱动电机536，所述第一驱动电机536固定在右夹持机构上，所述架臂526的另一端固定在右夹持传送机构52上，所述锯片529为圆形锯片529。

所述左夹持传送机构51包括左传送装置515、第一滑动连接件和第二滑动连接件，所述第一滑动连接件和第二滑动连接件分别设置在左传送装置515的两端上部。所述第一滑动连接件包括第一连杆511、第一滑块513、第一固定板514和第一连接板53；所述第一连杆511与左传送装置515的一端连接，所述第一连接杆上设有第一滑轨512，第一滑块513设置在第一滑轨512上，且所述第一滑块513上端与第一固定板514连接，第一固定板514和第一连接板53固定，第一连接板53连接机器人主体；所述第二滑动连接件包括第二连杆539、第二滑块537、第二固定板540和第二连接板54，所述第二连杆539与左传送装置515的另一端连接，所述第二连杆539上设有第二滑轨538，所述第二滑块537设置在第二滑轨538上，且所述第二滑块537上端与第二固定板540连接，第二固定板540和第二连接板54固定，第二连接板54连接机器人主体。所述第二固定板540侧面设有与之固定的第二驱动电机520，所述第二驱动电机520的轴上套设有第二主动轮516，所述第二主动轮516与第二驱动电机520之间设有第一隔板519，所述第一隔板519下端设有第二从动轮517，所述第二驱动电机520下端还设有第一滚珠丝杆521，所述第一滚珠丝杆521的一端穿过第一隔板519与第二从动轮517连接，另一端套设有第一丝杆套531。

所述右夹持传送机构52包括右传送装置530、第三滑动连接件和第四滑动连接件，所述第三滑动连接件和第四滑动连接件分别设置在右传送装置530的两端上部。所述第三滑动连接件包括第三连杆532、第三滑块534、第三固定板535和第三连接板55；所述第三连杆532与右传送装置530的一端连接，所述第三连接杆上设有第三滑轨533，第三滑块534设置在第三滑轨533上，且所述第三滑块534上端与第三固定板535连接，第三固定板535和第三连接板55固定，第三连接板55连接机器人主体；所述第四滑动连接件包括第四连杆541、第四滑块543、第四固定板544和第四连接板56，所述第四连杆541与右传送装置530的另一端连接，所述第四连杆541上设有第四滑轨542，所述第四滑块543设置在第四滑轨542上，且所述第四滑块543上端与第四固定板544连接，第四固定板544和第四连接板56固定，第四连接板56连接机器人主体。所述第四固定板544侧面设有与之固定的第三驱动电机524，所述第三驱动电机524的轴上套设有第三主动轮，所述第三主动轮与第三驱动电机524之间设有第二隔板525，所述第二隔板525下端设有第三从动轮，所述第三驱动电机524下端还设有第二滚珠丝杆522，所述第二滚珠丝杆522的一端穿过第二隔板525与第三从动轮连接，另一端套设有第二丝杆套523。

所述感知机构6包括分别设置在主框架1前端两侧的激光扫描仪601和前端视觉传感器602，以及安装于主框架1后端的后端视觉传感器602和计算模块。通过激光扫描仪601和视觉传感器602对萝卜进行定位，并跟踪计算植株行的方向。

正常拔取动作：

在使用本发明收获白萝卜时，为了保证更好的拔取效果，可用设备或人工提前对萝卜叶子进行收拢。本发明行驶至第一行萝卜的开始点，行走机构2在电机的作用下使得履带26转动前进，当拔取执行器接近萝卜的时候，视觉传感器602对准萝卜并为其拍照，然后感知计算模块准确识别萝卜并将拔取点进行定位，与此同时，激光扫描仪601对萝卜的两个侧面进行扫描，告知计算模块计算出萝卜在左右方向上的位置，然后在机器人前进的同时，具有一定倾斜角度的拔取执行器将萝卜垂直拔出，然后在拔取执行器皮带的后端与传输机构4实现交接，进而，萝卜通过传输机构4传递，最后，再通过切叶机构5的时候萝卜叶被切掉。

需要进行左右调整时：

由操作人员驾驶本发明，使其到达第一行萝卜的开始处，然后，行走机构2向前行进，当拔取执行器接近要采收的萝卜时，视觉传感器602对准萝卜为其拍照，然后感知计算模块准确识别萝卜并定位拔取点，与此同时，激光扫描仪601对萝卜两个侧面进行扫描，感知计算模块计算出萝卜在左右方向上的位置，如果萝卜位置偏左，拔取驱动电机315转动，带动拔取传输皮带316转动，从而使得拔取滚珠丝杆318移动，从而带动两个拔取臂同时向左移动，拔取臂带动拔取执行器向左移动，以自动对准萝卜；与此同时，使得左右移动机构的横梁47向左移动，从而带动传输机构4向左移动；与此同时，切叶机构5向左移动，然后，在机体行进的同时，使得蜗轮蜗杆转动，从而使得萝卜叶子从前下方向后上方传输，从而将其拔出。然后，当萝卜通过拔取执行器的后端时，进入传输机构4并向后上方传递，最后，当萝卜通过切叶机构5时，由锯片529将萝卜的叶子切掉。

需要进行上下调整时：

本发明行驶至第一行萝卜的开始点，行走机构2在电机的作用下使得履带26转动前进，当拔取执行器接近萝卜的时候，视觉传感器602对准萝卜并为其拍照，然后感知计算模块准确识别萝卜并将拔取点进行定位，与此同时，激光扫描仪601对萝卜的两个侧面进行扫描，告知计算模块计算出萝卜在上下方向上的位置，如果萝卜的拔取点靠下，拔取臂向下移动，具体的，由小臂驱动电机319驱动小臂32向下移动，与此同时，由上下移动机构驱动整个装置向下移动，然后进行拔取和传输动作以及切叶动作。

需要进行开合动作时：

由操作人员驾驶本发明，使其到达第一行萝卜的开始处，然后，行走机构2向前行进，当拔取执行器接近要采收的萝卜时，行走机构2使机体停止前进；视觉传感器602对准萝卜为其拍照，然后感知计算模块准确识别萝卜并定位拔取点，与此同时，激光扫描仪601对萝卜两个侧面进行扫描，感知计算模块计算出萝卜在左右方向上的位置。使得两个拔取臂在拔取滚珠丝杆318的带动作用下朝相反方向运动进而实现拔取执行器的打开，同理可实现其闭合，其他动作相同。

本文所述的高低是以靠近地面作为参照物所规定，且“前”“后”“左”“右”“上”“下”是基于图示位置作为参考。

以上显示和描述了本案的基本原理和主要特征和本案的优点。本行业的技术人员应该了解，本案不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本案的原理，在不脱离本案精神和范围的前提下，本案还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本案范围内。本案要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。