一种适用于多场景猪舍清理机器人及清理方法与流程

本发明属于农业智能设备技术领域，尤其是涉及一种适用于多场景猪舍清理机器人及清理方法。

背景技术：

目前，以现代农业背景为发展的畜牧业，多数是靠人工劳动作为服务支撑，少数规模较大的畜牧业场所引进了半自动化服务设备，对于大型养猪场中的猪舍清理工作，仍然需要人工利用工具清理并消耗大量水源才能清理干净，耗时长，成本高，效率低。本发明针对这一领域中所涉及的猪舍清理工作，研制了一种适用于多场景猪舍的清理机器人，其工作环境可以是平面地板猪舍或漏粪地板猪舍亦或者平面地板及漏粪地板兼备型猪舍，使用方便、清理彻底、节能环保，通过该发明的应用可以实现猪舍的全自动化清理方式，在很大程度上提高了工作效率，改善了猪舍的环境条件。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种适用于多场景猪舍清理机器人及清理方法，以弥补现有条件下，猪舍清理技术中存在的问题，即大规模养猪场中猪舍清理难、地面复杂、环境卫生差、水源浪费多、人工成本高等问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种适用于多场景猪舍清理机器人，包括由从上到下设置的水箱座板、电控件座板、二层板和底板组成的车体本体、设置在底板上的带动车体本体全方位行走的行走系统、设置在二层板前端的升降式清扫系统、设置在电控件底板上的控制系统、设置在水箱座板上的喷水系统和储能系统，所述控制系统控制行走系统、升降式清扫系统和喷水系统的运作，所述喷水系统为清扫系统提供水源，所述储能系统为各种用电装置提供电能。

进一步的，所述行走系统为布置在清理机器人底部的沿矩形对角线设置的四组驱动轮装置，每组驱动轮装置均包括驱动座、驱动电机、光轴支撑杆、全向轮和驱动输出轴，所述驱动电机固定在驱动座的中部，所述的全向轮通过驱动输出轴与驱动电机连接，在驱动座的两侧各固设一个滑块，每个滑块上均竖直穿设光轴支撑杆，所述光轴支撑杆在滑块内滑动设置，每个光轴支撑杆的两端分别与底板和二层板固定连接，在滑块与二层板之间的光轴支撑杆上套设有驱动轮缓冲弹簧。

进一步的，所述升降式清扫系统包括清扫装置和升降装置，所述清扫装置包括中间清扫机构和两个摆臂清扫机构，两个所述摆臂清扫机构转动设置在中间清扫机构的左右两侧，两个所述摆臂清扫机构均通过一摆臂电机带动转动；

所述的升降装置包括固定在滑台上的移动台驱动电机、滚珠丝杠机构和移动台，所述的移动台固设在滚珠丝杠机构的滚珠上，所述的移动台驱动电机带动滚珠丝杠机构运转，所述的移动台与中间清扫机构固定连接，所述的滚珠丝杠机构带动移动台沿滑台升降，所述滑台设置在二层板的前侧。

进一步的，所述喷水系统包括水箱、连通水箱和清扫装置的喷水管路、设置在水箱顶部的水箱顶门、检测水箱内水位高度的液位传感器和控制水箱顶门启闭的设置在水箱上的水箱顶门驱动机构，所述的水箱顶门驱动机构包括电机和链轮机构，所述的水箱顶门由两个半圆门组成，所述的电机带动链轮机构运转，所述的链轮机构带动主动齿轮旋转，所述的主动齿轮与从动齿轮啮合，两个半圆门与各自侧的主动齿轮和从动齿轮连接。

进一步的，所述喷水管路包括设置在水箱底部的pu管，pu管的另一端依次通过直角接头、水管、直角快插接头、格林头与纤维管的一端连通，所述纤维管的另一端与电动水泵连接，所述的电动水泵通过水管与多个喷头连通，电动水泵与多个喷头之间的水管上设有一三通管接头，三通管接头通过水管与水箱连通，水箱与三通管接头之间的水管上设有调速阀。

进一步的，所述控制系统包括plc控制模块、rfid通信模块、无线遥控开关、空气开关、端子、水箱顶门驱动器、推板驱动器及继电器。

进一步的，所述机器人包括车头agv磁导航传感器二和车尾agv磁导航传感器三，车头agv磁导航传感器二和车尾agv磁导航传感器三分别通过磁导航传感器座板三和磁导航传感器座板一安装在底板的前后端，磁导航传感器一通过磁导航传感器座板二安装在底板中部，并与前、后端agv磁导航传感器垂直布置；

中间清扫机构正面及背面两侧安装四个检测摆臂清扫机构一及摆臂清扫机构二的摆动位置的摆臂限位传感器；

清理机器人外部设有一清理机器人壳体，在清理机器人壳体底部四周布置超声波传感器及红外传感器。

一种适用多场景猪舍清理机器人的清理方法，包括

(1)机器人通电后，plc控制模块按初始状态运行，首先，将各驱动电机按要求找到零位状态，依靠高度限位传感器及摆臂限位传感器位置，实现升降式清扫系统在车体前端和距地合适位置；

(2)摆臂清扫机构一及摆臂清扫机构二回转至车体前方，借助驱动轮实现平面内各方向运动；

(3)当在平面地板猪舍中正常清扫时，摆臂清扫机构一及摆臂清扫机构二分别通过推板一驱动电机及推板三驱动电机驱动，到达预设位置，升降式清扫系统通过移动台驱动电机驱动移动台下降使刷子与地面保持一定的压缩量，驱动轮机构通过plc控制模块控制使清理机器人前进方向直线行走，实现清理；

(4)当清理平面地板死角时，摆臂清扫机构一及摆臂清扫机构二分别通过推板一驱动电机及通过推板三驱动电机驱动，与推板二成直角状态，此时驱动轮机构通过plc控制模块控制使清理机器人平移，实现清理；

(5)当在漏粪地板猪舍正常清扫时，摆臂清扫机构一及摆臂清扫机构二分别通过推板一驱动电机及推板三驱动电机驱动，保持摆臂清扫机构一及摆臂清扫机构二为摆动状态，升降式清扫系统通过移动台驱动电机驱动移动台下降使刷子与地面保持一定的压缩量，驱动轮机构通过plc控制模块控制使清理机器人前进方向直线行走，通过摆臂清扫机构一及摆臂清扫机构二的摆动状态及刷子二的平推作用，实现清理过程；

(6)清理过程中，通过电动水泵定量抽取一定压力的水源喷至清扫装置处，实现沿某一方向的推、刮、扫动作，将地面杂物统一清理到指定位置如平面地板或清扫进漏粪地板漏粪处。

进一步的，清理任务中，利用安装在车体底板的前后端的车头agv磁导航传感器和车尾agv磁导航传感器，通过磁导航系统识别磁条完成机器人的轨迹运动；

清理任务中，如果机器人前方或后方遇到障碍物，超声波传感器根据检测距离远近，会反馈信号至控制系统，判断是否继续行走或停止。

进一步的，清理任务中，若水箱缺水，所述液位传感器响应动作，通过plc控制模块和rfid通信模块协调控制机器人到指定位置后，水箱顶门驱动机构驱动水箱顶门打开，进行补水任务，待水加满后，水箱顶门关闭，通过指令继续完成清理任务。

相对于现有技术，本发明所述的一种适用于多场景猪舍清理机器人，具有以下优势：

本发明所述的一种适用于多场景猪舍清理机器人，

机器人采用三臂式推刮，其中两臂可实现刮扫功能一体化清理装置，使用较少的水源来辅助清理任务，将粪便与杂物推至指定位置(平面地板)或清扫进漏粪地板漏粪处(漏粪地板)，既完成清理任务，同时为下一工序提供准备；

全向行走功能，使得清理机器人调整姿态灵活高效，升降式清扫系统的结构及动作方式，实现全覆盖无死角清理功能，配合全向行走功能，缩短清理机器人调整姿态的时间，大大提高了清理效率；

可以实现自动化无人管理模式，通过app软件与机器人硬件连接，实现远程物联网多机协同工作。app软件作为系统的控制单元，通过机器人车体上的rfid通信模块进行通信识别与数据处理，一种方式可以借助agv磁导航系统按预订轨迹完成任务功能，另外一种可以通过软件定位功能实现准确遥控运动，同时plc控制模块作为核心单元对各电机实现精准控制，完成各传感器之间的信号处理，协调驱动模块间的逻辑关系；

机器人动力源采用节能环保型的锂电池组，单次充电8小时可满足负载驱动3小时以上；利用直流减速电机控制机器人的全向行走；利用电机及滑台控制机器人升降式清扫系统升降及摆臂动作；

机器人本体框架由金属和复合材料组成，自身质量较轻，可携带25kg以下水源运动。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为清理机器人整体的轴侧示意图；

图2为清理机器人整体的另一方向轴侧示意图；

图3为升降式清扫系统的轴侧示意图；

图4为升降式清扫系统的另一方向轴侧示意图；

图5为驱动轮装置的轴侧示意图；

图6为驱动轮装置的侧视图；

图7为电控件座板及其上安装件的俯视图；

图8为二层板及其上安装件的俯视图；

图9为底板及其上安装件的俯视图；

图10为喷水管路图；

图11为带外壳的清理机器人的轴侧图；

图12为清理机器人升降式清扫系统提升状态侧视图；

图13为清理机器人在平面地板推刮工作状态示意图；

图14为清理机器人清理死角处工作状态示意图；

图15为清理机器人在漏粪地板推扫工作状态示意图。

附图标记说明：

1-水箱、2-喷水管路、3-水箱座板、4-电控件座板、5-二层板、6-水箱座板支柱、7-电控件座板支柱、8-推板高度限位挡片、9-推板高度限位传感器座板、10-推板高度限位传感器、11-升降式清扫系统、12-驱动轮装置、13-底板、14-移动台、15-水箱顶门、16-水箱顶门驱动机构、17-连接支架、18-磁导航传感器座板一、19-推板一、20-推板一驱动电机、21-推板二、22-l型上挡片一、23-推板三驱动电机、24-弹簧一、25-推板滑块、26-推板三、27-l型下挡片一、28-刷子连接板一、29-刷子一、30-刷子连接板二、31-刷子二、32-刷子三、33-l型下挡片二、34-弹簧二、35-l型上挡片二、36-刷子连接板三、37-l型上挡片三、38-l型下挡片三、39-弹簧三、40-滑台、41-弹簧四、42-l型上挡片四、43-l型下挡片四、44-移动台驱动电机、45-滑块、46-驱动座、47-驱动电机、48-光轴支撑杆、49-驱动轮缓冲弹簧、50-全向轮、51-驱动输出轴、52-无线遥控开关、53-plc控制模块、54-空气开关、55-端子、56-电动水泵、57-电池组二、58-水箱顶门驱动器、59-推板驱动器、60-继电器、61-驱动轮驱动器、62-磁导航传感器一、63-磁导航传感器座板二、64-rfid通信模块、65-pu管、66-直角接头、67-调速阀、68-三通管接头、69-直角快插接头、70-格林头、71-纤维管、72-喷头、73-超声波传感器、74-红外传感器、75-液位传感器、76-摆臂清扫机构一、77-摆臂清扫机构二、78-磁导航传感器座板三、79-磁导航传感器二、80-磁导航传感器三、81-摆臂限位传感器、82-清理机器人壳体，83-电池组一。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图11所示，一种适用于多场景猪舍清理机器人，包括由从上到下设置的水箱座板3、电控件座板4、二层板5和底板13组成的车体本体、设置在底板13上的带动车体本体全方位行走的行走系统、设置在二层板5前端的升降式清扫系统11、设置在电控件座板4上的控制系统、设置在水箱座板3上的喷水系统和储能系统，所述控制系统控制行走系统、升降式清扫系统11和喷水系统的运作，所述喷水系统为升降式清扫系统11提供水源，所述储能系统为各种用电装置提供电能。

底板13和二层板5之间通过连接支架17支撑连接，二层板5和电控件座板4之间通过电控件座板支柱7支撑连接，电控件座板4和水箱座板3之间通过水箱座板支柱6支撑连接。

行走系统为布置在清理机器人底部的沿矩形对角线设置的四组驱动轮装置12，每组驱动轮装置12均包括驱动座46、驱动电机47、光轴支撑杆48、全向轮50和驱动输出轴51，所述驱动电机47固定在驱动座46的中部，所述的全向轮50通过驱动输出轴51与驱动电机47连接，在驱动座46的两侧各固设一个滑块45，每个滑块45上均竖直穿设光轴支撑杆48，所述光轴支撑杆48在滑块45内滑动设置，每个光轴支撑杆48的两端分别与底板13和二层板5固定连接，在滑块45与二层板5之间的光轴支撑杆48上套设有驱动轮缓冲弹簧49，驱动电机47带动蜗轮蜗杆减速机运转，所述蜗轮蜗杆减速机带动驱动输出轴51旋转，全向轮50为包括一体设置的两个单轮，在每个单轮的边缘均匀分布多个梭形滚子，且两个单轮的梭形滚子交错布置，两个单轮上的梭形滚子在与驱动输出轴垂直方向的面上的投影构成一个完整的圆形。

二层板5上设有控制四组驱动轮装置12运作的驱动轮驱动器61，在遇到凹凸不平的复杂路面及运行加速度较大时，四组驱动轮结构12受到不同冲击，通过驱动轮缓冲弹簧49的变形调节，实现设备缓冲、减震的效果，且由于缓冲弹簧储能，保证驱动轮装置12向下浮动时与地面保持足够的附着力，驱动轮缓冲弹簧49的缓冲作用实现了对驱动轮装置12的保护，实现设备平稳、准确的运行。

升降式清扫系统11包括清扫装置和升降装置，所述清扫装置包括中间清扫机构和两个摆臂清扫机构，两个所述摆臂清扫机构转动设置在中间清扫机构的左右两侧，两个所述摆臂清扫机构均通过一摆臂电机带动转动；

所述的升降装置包括固定在滑台40上的移动台驱动电机44、滚珠丝杠机构和移动台14，所述的移动台14固设在滚珠丝杠机构的滚珠上，所述的移动台驱动电机44带动滚珠丝杠机构运转，所述的移动台14与中间清扫机构固定连接，所述的滚珠丝杠机构带动移动台14沿滑台40升降，所述滑台40设置在二层板5的前侧；

所述中间清扫机构包括推板二21、刷子连接板二30、l型上挡片三37、l型下挡片三38、l型上挡片四42和l型下挡片四43，所述的l型上挡片三37与l型下挡片三38和l型上挡片四42与l型下挡片四43两两对应布置在推板二21的左右两侧，所述的l型下挡片三38和l型下挡片四43对称固定在刷子连接板二30的左右两侧，l型上挡片三37和l型下挡片三38之间压缩有弹簧三39，l型上挡片四42和l型下挡片四43之间压缩有弹簧四41，l型下挡片三38和l型下挡片四43均通过推板滑块25与推板二21上的滑槽配合；

两个所述摆臂清扫机构具体为摆臂清扫机构一76和摆臂清扫机构二77，所述摆臂清扫机构一76包括推板一驱动电机20、推板一19、l型上挡片二35和l型下挡片二33，所述的推板一驱动电机20设置在推板一19的顶部，所述的推板一驱动电机20的竖直设置的输出轴与推板一19的一侧键连接，所述的l型上挡片二35和l型下挡片二33对应设置在推板一19上，所述的l型下挡片二33固定在刷子连接板三36上，l型上挡片二35和l型下挡片二33之间压缩有弹簧二34，l型下挡片二33通过推板滑块25与推板一19上的滑槽配合；

所述摆臂清扫机构二77包括推板三驱动电机23、推板三26、l型上挡片一22和l型下挡片一27，所述的推板三驱动电机23设置在推板三26的顶部，所述的推板三驱动电机23的竖直设置的输出轴与推板三26的一侧键连接，所述的l型上挡片一22和l型下挡片一27对应设置在推板三26上，所述的l型下挡片一27固定在刷子连接板一28上，l型上挡片一22和l型下挡片一27之间压缩有弹簧一24，l型下挡片一27通过推板滑块25与推板三26上的滑槽配合。

当刷子与地面产生压力时，刷子连接板通过推板滑块是限位及弹簧自身弹性势能作用，保证刷子与地面保持一定的压缩量，避免由于路面不平而产生刷子受力不均匀的情况，从而达到良好的清洁效果。

喷水系统包括水箱1、连通水箱1和清扫装置的喷水管路2、设置在水箱1顶部的水箱顶门15、检测水箱1内水位高度的液位传感器75、控制水箱顶门15启闭的设置在水箱1上的水箱顶门驱动机构16，所述的水箱顶门驱动机构16包括电机和链轮机构，所述的水箱顶门15由两个半圆门组成，所述的电机带动链轮机构运转，所述的链轮机构带动主动齿轮旋转，所述的主动齿轮与从动齿轮啮合，两个半圆门与各自侧的主动齿轮和从动齿轮连接。

喷水管路2包括设置在水箱1底部的pu管65，pu管65的另一端依次通过直角接头66、水管、直角快插接头69、格林头70与纤维管71的一端连通，所述纤维管71的另一端与电动水泵56连接，所述的电动水泵56通过水管与多个喷头72连通，电动水泵56与多个喷头72之间的水管上设有一三通管接头68，三通管接头68通过水管与水箱1连通，水箱1与三通管接头68之间的水管上设有调速阀67，通过电动水泵56作用，实现喷水过程，调速阀67可调节喷头72处水流量大小，从而控制喷水效果。

控制系统包括plc控制模块53、rfid通信模块64、无线遥控开关52、空气开关54、端子55、水箱顶门驱动器58、推板驱动器59及继电器60，所述无线遥控开关52接收外部遥控指令，实现外部人工控制功能，所述plc控制模块53采用一种可编程的储存器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式的输入输出来控制整个设备的动作，所述空气开关54完成接触和分断电路，能对电路或电气设备发生的短路，严重过载及欠电压等进行保护，所述端子55在传递电信号和导电方面起到了连接作用，简化产品结构，所述水箱顶门驱动器58通过plc控制模块53向水箱顶门驱动机构16发送指令，实现水箱顶门15的开合动作，所述推板驱动器59通过plc控制模块53向升降式清扫系统11发送指令，实时控制升降式清扫系统11各部分动作，驱动轮驱动器61共四组，分别对应四组驱动轮装置12，每组驱动轮驱动器61通过plc控制模块53实时控制向对应的全向轮50的转动速度及转动方向，可实现清理机器人直线行走、转弯、自旋、平移、侧向滑移等动作，多种行走姿态大大提高了清理机器人的灵活度。

机器人包括车头agv磁导航传感器二79和车尾agv磁导航传感器三80，车头agv磁导航传感器二79和车尾agv磁导航传感器三80分别通过磁导航传感器座板三78和磁导航传感器座板一18安装在底板13的前后端，磁导航传感器一62通过磁导航传感器座板二63安装在底板13中部，并与前、后端agv磁导航传感器垂直布置，距地面一定高度，所述磁钉导航传感器用于检测预埋磁钉，实时控制小车行走轨迹；

推板二21正面及背面两侧安装四个检测摆臂清扫机构一76及摆臂清扫机构二77的摆动位置的摆臂限位传感器81。

清理机器人外部设有一清理机器人壳体82，在清理机器人壳体82底部四周布置超声波传感器73及红外传感器74，当执行任务时，如果机器人前方或后方遇到障碍物，通过超声波传感器73根据检测距离远近，会反馈信号至控制系统，判断是否继续行走或进行避障，通过红外传感器74实现避障功能。

机器人包括推板高度限位挡片8和推板高度限位传感器10，所述的推板高度限位挡片8固定在移动台14上，所述的推板高度限位传感器10通过推板高度限位传感器座板9安装在二层板5上，当升降式清扫系统升降时，通过推板高度限位挡片8与推板高度限位传感器10作用，用以控制升降式清扫系统11的升降高度。

储能系统包括多组并联的充电电池，具体包括设置在二层板5上的电池组一83和设置在电控件座板4上的电池组二57，是清理机器人的动力源。

如图12-图15所示，一种适用多场景猪舍清理机器人的清理方法，包括(1)机器人通电后，plc控制模块53按初始状态运行，首先，将各驱动电机按要求找到零位状态，依靠高度限位传感器10及摆臂限位传感器81位置，实现升降式清扫系统11在车体前端和距地合适位置；

(2)摆臂清扫机构一76及摆臂清扫机构二77回转至车体前方，借助驱动轮装置12实现平面内各方向运动；

(3)当在平面地板猪舍中正常清扫时，摆臂清扫机构一76及摆臂清扫机构二77分别通过推板一驱动电机20及推板三驱动电机23驱动，到达预设位置，升降式清扫系统11通过移动台驱动电机44驱动移动台14下降使刷子与地面保持压缩量，驱动轮装置12通过plc控制模块53控制使清理机器人前进方向直线行走，实现清理；

(4)当清理平面地板死角时，摆臂清扫机构一76及摆臂清扫机构二77分别通过推板一驱动电机20及通过推板三驱动电机23驱动，与推板二21成直角状态，此时驱动轮机构12通过plc控制模块53控制使清理机器人平移，实现清理；

(5)当在漏粪地板猪舍正常清扫时，摆臂清扫机构一76及摆臂清扫机构二77分别通过推板一驱动电机20及推板三驱动电机23驱动，保持摆臂清扫机构一76及摆臂清扫机构二77为摆动状态，升降式清扫系统11通过移动台驱动电机44驱动移动台14下降使刷子与地面保持压缩量，驱动轮装置12通过plc控制模块53控制使清理机器人前进方向直线行走，通过摆臂清扫机构一76及摆臂清扫机构二77的摆动状态及刷子二31的平推作用，实现清理；

(6)清理过程中，通过电动水泵56定量抽取一定压力的水源喷至清扫装置处，实现沿某一方向的推、刮、扫动作，将地面杂物统一清理到指定位置如平面地板或清扫进漏粪地板漏粪处。

清理任务中，利用磁导航传感器一62、车头agv磁导航传感器二79和车尾agv磁导航传感器三80，通过磁导航系统识别磁条完成机器人的轨迹运动；

清理任务中，如果机器人前方或后方遇到障碍物，超声波传感器73根据检测距离远近，会反馈信号至控制系统，判断是否继续行走或停止，通过红外传感器74实现避障功能。

清理任务中，若水箱1缺水，所述液位传感器75响应动作，通过plc控制模块和rfid通信模块协调控制机器人到指定位置后，水箱顶门驱动机构驱动水箱顶门15打开，进行补水任务，待水加满后，水箱顶门15关闭，通过指令继续完成清理任务。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。