一种用于复杂地貌区域的自走式摘果机器人的制作方法

本实用新型属于果实采摘技术领域，具体地说是一种通过腿足式机器人在丘陵地带行进、通过机械臂控制机械爪的运动以实现对果实采摘功能的用于复杂地貌区域的自走式摘果机器人。

背景技术：

目前我国的农林行业工作强度大，传统的人工作业需要大量劳动力，与之相对的是农林业从业人员日益减少，劳动力缺口增大，现阶段需要一种自动化程度高的果实采摘机械来弥补这一缺口。而我国的人工果林较多的位于丘陵地形，目前适用于地形复杂的丘陵地形的果实采摘机械较少，而适用于种植在平原地形的果林采摘设备无法在丘陵地形下进行作业，所以，开发一种可以适用于丘陵地带果林的果实采摘设备显得尤为重要。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有自动化果实采摘设备不适应丘陵地形的问题，提供一种通过腿足式机器人在丘陵地带行进、通过机械臂控制机械爪的运动以实现对果实采摘功能的用于复杂地貌区域的自走式摘果机器人；该机器人具有较高的自动化程度、节省人力资源，能够提高农林业机械的机械化程度。

本实用新型的目的是通过以下技术方案解决的：

一种用于复杂地貌区域的自走式摘果机器人，包括机器人主体，其特征在于：在机器人主体的顶部设有机械臂总成且机械臂总成的执行端设有机械爪总成，机器人主体的前端设有螺栓固定的的挂篮，在机器人主体的下部设有皆具备三自由度的四组行走部件，该行走部件包括腰部关节、髋部关节、膝部关节和足部，安装在机器人主体内部的腰部关节的腰部电机驱动髋部关节的转动，髋部关节的髋部电机驱动上肢的转动，设置在上肢下端的膝部关节的膝部电机驱动下肢的转动，下肢的底端通过螺栓固定机器人的足部，上肢和下肢构成机器人的腿；该机器人的行走部件能够通过上述电机的转动改变各个腿的伸长量和角度，使得机器人主体能在复杂路面行走并维持平衡。

所述的足部包括橡胶制成的橡胶足垫、刚性足和足套，足垫包裹在刚性足外且刚性足的顶部设置足套，刚性足通过螺栓固定安装下肢的底端；足部的刚性足保证了机器人行走的稳定，橡胶足垫能减缓震动。

所述膝部关节包括下肢、膝部关节内端盖、膝部谐波减速器、膝部关节环、膝部关节外端盖、膝部电机和膝部关节连接环，所述的膝部关节连接环固定在上肢的底端且膝部关节连接环的内弧固定安装膝部关节环，膝部关节环的外端侧封装有膝部关节外端盖且膝部电机通过螺钉紧固在膝部关节环内部，膝部电机的输出端与膝部膝部谐波减速器的输入端相连接以传递动力、且膝部谐波减速器的固定端通过螺钉与膝部关节环固定连接，膝部关节内端盖将膝部谐波减速器的输出端与下肢的周向固定；通过膝部电机产生动力并传递到膝部谐波减速器，再由膝部谐波减速器的输出端将动力传递到下肢，实现了下肢绕膝部关节环的转动，实现机器人的下肢相对于上肢的相对摆动。

所述髋部关节包括上肢、髋部关节连接环、髋部关节环、髋部谐波减速器、髋部端盖和髋部电机，所述的髋部电机固定安装在腰部关节的腰部主体内且采用髋部端盖封装，髋部电机的输出端连接髋部谐波减速器的输入端且髋部谐波减速器的固定端亦通过螺钉固定在髋部端盖的外侧，髋部谐波减速器的输出端通过螺钉固定在髋部关节环的内侧以传递动力，髋部关节环的圆周面上通过髋部关节连接环固定上肢的顶端；使用时，位于腰部主体内部的髋部电机将动力传递到髋部谐波减速器，再通过髋部谐波减速器的输出端将动力传递到髋部关节环，实现机器人上肢相对于腰部主体的相对摆动。

所述的腰部关包括腰部主体、箍套、传动轴、腰部端盖、腰部谐波减速器、腰部电机支座和腰部电机；所述的腰部电机通过螺钉紧固在腰部电机支座上且腰部电机支座固定在机器人主体的内部，腰部电机的输出端与腰部谐波减速器的输入端相连接且腰部谐波减速器的固定端亦固定在腰部电机支座上，腰部谐波减速器的输出端与腰部端盖连接，固定在腰部端盖上的传动轴通过箍套与腰部主体固定连接；使用时，位于腰部电机支座上的腰部电机将动力传递到腰部谐波减速器，再通过腰部谐波减速器将动力传递到和腰部谐波减速器相连接的腰部端盖，通过腰部端盖将动力传递到传动轴，通过传动轴将动力再传递到腰部主体，实现腰部主体相对腰部电机支座的摆动。

所述的机器人主体包括躯干壳、封装躯干壳底部的躯干底座、位于躯干壳顶部前端的摄像头和位于躯干底座底部的超声波避障传感器和激光测距传感器，摄像头、超声波避障传感器和激光测距传感器分别通过相应的线路与中央处理器相连接。

所述的机械臂总成包括第一机械臂、第二机械臂、机械臂基座、机械臂液压缸、双耳环支座和机械臂末端视觉模块，上述的机械臂基座安装在机器人主体的上部并能够相对机器人主体旋转，第一机械臂的尾端通过铰链和机械臂基座相连、另一端通过铰链和第二机械臂的尾端相连，第二机械臂的另一端通过铰链和机械臂末端视觉模块相连；所述的机械臂液压缸包括机械臂第一液压缸、机械臂第二液压缸和机械臂第三液压缸，其中机械臂第一液压缸的尾端铰接在机械臂基座上、驱动端铰接在第一机械臂上，机械臂第二液压缸的尾端铰接在第一机械臂上、驱动端铰接在第二机械臂上，机械臂第三液压缸的尾端铰接在第二机械臂上、驱动端铰接双耳环支座。

所述的机械臂总成还包括机械臂电机、机械臂电机支座、机械臂谐波减速器和机械臂底部端盖，其中机械臂电机通过螺钉与机械臂电机支座相连接，机械臂电机支座通过螺钉和机器人主体固定连接，机械臂谐波减速器的固定端和机械臂电机支座紧固、输出端和机械臂底部端盖相互紧固，械臂底部端盖和机械臂基座相互固定，机械臂电机工作时通过机械臂谐波减速器输出动力至机械臂底部端盖和机械臂基座，以驱动机械臂基座转动。

所述的机械爪总成包括安装平台、过渡指关节、伸缩软管、铰链关节、橡胶指和末端指关节，其中安装平台安装在机械臂总成末端的机械臂末端视觉模块上，三个过渡指关节依次通过铰链关节相连且三个过渡指关节的起始端铰接在安装平台上、最末端通过铰链关节铰接末端指关节，过渡指关节和末端指关节的内部嵌有柔性橡胶指，用于在摘果的过程中避免对果子表皮造成压伤；三个过渡指关节和一个末端指关节构成机械爪总成的一个机械爪且该机械爪与连通液压系统的伸缩软管相连接，液压系统通过改变伸缩软管内的液体体积的变化来改变伸缩软管的长度，进而改变机械爪内各个指关节之间的角度，实现机械爪的伸直与弯曲。

所述的安装平台上设有三组机械爪，且三个机械爪的末端指关节能够相互靠拢和张开。

本实用新型相比现有技术有如下优点：

本实用新型通过设置仿生大腿的腿足式机器人替代传统的轨道式、轮式机械，搭载机械臂和机械爪，能够适应地貌复杂地形，并且保证机器人主体的相对水平，保证了机械臂总成能够始终保持平稳运行；能够解决现有丘陵地带作业过程中大型机械行动不便、履带式或轮式机械面对复杂地形越障能力不足的问题，能够在复杂山地、丘陵等地域进行稳定的果实采摘作业，且该机器人的设备体型较小，更易于在丘陵地带森林中作业可代替人员进行摘果作业，提高丘陵地形下作业的自动化程度。

附图说明

附图1为本实用新型的用于复杂地貌区域的自走式摘果机器人的立体结构示意图；

附图2为本实用新型的行走部件的结构示意图；

附图3为本实用新型的足部结构示意图；

附图4为本实用新型的膝部关节结构示意图；

附图5为本实用新型的髋部关节结构示意图；

附图6为本实用新型的腰部关节结构示意图；

附图7为本实用新型的机器人主体结构示意图；

附图8为本实用新型的机械臂总成结构示意图；

附图9为本实用新型的末端机械爪总成结构示意；

附图10为本实用新型的机械爪的伸缩量和转动角度示意图；

附图11为本实用新型的摘果机器人的控制原理图。

其中：1—足部；11—橡胶足垫；12—刚性足；13—足套；2—膝部关节；20—下肢；21—膝部关节内端盖；22—膝部谐波减速器；23—膝部关节环；24—膝部关节外端盖；25—膝部关节电机；26—膝部关节连接环；3—髋部关节；30—上肢；31—髋部关节连接环；32—髋部关节环；33—髋部谐波减速器；34—髋部关节端盖；35—髋部电机；4—腰部关节；40—腰部关节；41—箍套；42—传动轴；43—腰部端盖；44—腰部谐波减速器；45—腰部关节支座；46—腰部电机；5—机械臂总成；501—第一机械臂；502—第二机械臂；51机械臂电机；52—机械臂电机支座；53—谐波减速器；54—机械臂端盖；55—机械臂基座；56—机械臂液压缸；561—机械臂第一液压缸；562—机械臂第二液压缸；563—机械臂第三液压缸；57—双耳环支座；58—机械臂末端视觉模块；6—机械爪总成；60—安装平台；61—过渡指关节；62—伸缩软管；63—铰链关节；64—柔性橡胶指；65—末端指关节；7—挂篮；8—机器人主体；80—躯干壳；81—摄像头；82—超声波避障传感器和激光测距传感器；83—躯干底座。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1-2所示：一种用于复杂地貌区域的自走式摘果机器人，包括机器人主体8，在机器人主体8的顶部设有机械臂总成5且机械臂总成5的执行端设有机械爪总成6，机器人主体8的前端设有螺栓固定的的挂篮7，在机器人主体8的下部设有皆具备三自由度的四组行走部件，该行走部件包括腰部关节4、髋部关节3、膝部关节2和足部1，安装在机器人主体4内部的腰部关节4的腰部电机46驱动髋部关节3的转动，髋部关节3的髋部电机35驱动上肢30的转动，设置在上肢30下端的膝部关节2的膝部电机25驱动下肢20的转动，下肢20的底端通过螺栓固定机器人的足部1，上肢30和下肢20构成机器人的腿；该机器人的行走部件能够通过上述电机的转动改变各个腿的伸长量和角度，使得机器人主体8能在复杂路面行走并维持平衡，让机器人能够在复杂山地、丘陵等地域进行稳定的果实采摘作业。

如图1、2、3所示，腰部关4包括腰部主体40、箍套41、传动轴42、腰部端盖43、腰部谐波减速器44、腰部电机支座45和腰部电机46；所述的腰部电机46通过螺钉紧固在腰部电机支座45上且腰部电机支座45固定在机器人主体4的内部，腰部电机46的输出端与腰部谐波减速器44的输入端相连接且腰部谐波减速器44的固定端亦固定在腰部电机支座45上，腰部谐波减速器44的输出端与腰部端盖43连接，固定在腰部端盖43上的传动轴42通过箍套41与腰部主体40固定连接；使用时，位于腰部电机支座45上的腰部电机46将动力传递到腰部谐波减速器44，再通过腰部谐波减速器44将动力传递到和腰部谐波减速器44相连接的腰部端盖43，通过腰部端盖43将动力传递到传动轴42，通过传动轴42将动力再传递到腰部主体40，实现腰部主体40相对腰部电机支座45的摆动。

如图1、2、4所示，髋部关节3包括上肢30、髋部关节连接环31、髋部关节环32、髋部谐波减速器33、髋部端盖34和髋部电机35，所述的髋部电机35固定安装在腰部关节4的腰部主体40内且采用髋部端盖34封装，髋部电机35的输出端连接髋部谐波减速器33的输入端且髋部谐波减速器33的固定端亦通过螺钉固定在髋部端盖34的外侧，髋部谐波减速器33的输出端通过螺钉固定在髋部关节环32的内侧以传递动力，髋部关节环32的圆周面上通过髋部关节连接环31固定上肢30的顶端；使用时，位于腰部主体40内部的髋部电机35将动力传递到髋部谐波减速器33，再通过髋部谐波减速器33的输出端将动力传递到髋部关节环32，实现机器人上肢30相对于腰部主体40的相对摆动。

如图1、2、5所示，膝部关节2包括下肢20、膝部关节内端盖21、膝部谐波减速器22、膝部关节环23、膝部关节外端盖24、膝部电机25和膝部关节连接环26，所述的膝部关节连接环26固定在上肢30的底端且膝部关节连接环26的内弧固定安装膝部关节环23，膝部关节环23的外端侧封装有膝部关节外端盖24且膝部电机25通过螺钉紧固在膝部关节环23内部，膝部电机25的输出端与膝部谐波减速器22的输入端相连接以传递动力、且膝部谐波减速器22的固定端通过螺钉与膝部关节环23固定连接，膝部关节内端盖21将膝部谐波减速器22的输出端与下肢20的周向固定；通过膝部电机25产生动力并传递到膝部谐波减速器22，再由膝部谐波减速器22的输出端将动力传递到下肢20，实现了下肢22绕膝部关节环23的转动，实现机器人的下肢20相对于上肢30的相对摆动。

如图1、2、6所示，足部1包括橡胶制成的橡胶足垫11、刚性足12和足套13，足垫11包裹在刚性足12外且刚性足12的顶部设置足套13，刚性足12通过螺栓固定安装下肢20的底端；足部的刚性足12保证了机器人行走的稳定，橡胶足垫11能减缓震动。

如图1、7所示，机器人主体8包括躯干壳80、封装躯干壳80底部的躯干底座83、位于躯干壳80顶部前端的摄像头81和位于躯干底座83底部的超声波避障传感器和激光测距传感器82，其中躯干壳80内封装有各种动力机构，摄像头81用于进行路线选择和工作对象的判断；超声波避障传感器和激光测距传感器82包括超声波避障传感器、激光测距传感器，两者用来对机器人足部1的下一次落地点进行扫描、预测，判断地面是否存在凹凸不平的状况，通过距离的测算判断当前状态下足垫11落地后，能否保证机器人处于相对水平的状态，若不满足则对各电机的转动角度进行调整；摄像头81、超声波避障传感器和激光测距传感器82分别通过相应的线路与中央处理器相连接，中央处理器与摄像头81、超声波避障传感器和激光测距传感器82的相互连接以及控制方式皆属于现有技术的范畴，本实用新型的创新点在于结构方面的创新。

如图1、8所示，机械臂总成5包括第一机械臂501、第二机械臂502、机械臂电机51、机械臂电机支座52、机械臂谐波减速器53、机械臂底部端盖54、机械臂基座55、机械臂液压缸56、双耳环支座57和机械臂末端视觉模块58，机械臂电机51通过螺钉与机械臂电机支座52相连接，机械臂电机支座52通过螺钉和机器人主体8固定连接，机械臂谐波减速器53的固定端和机械臂电机支座52紧固、输出端和机械臂底部端盖54相互紧固，械臂底部端盖54和机械臂基座55相互固定，机械臂电机51工作时通过机械臂谐波减速器53输出动力至机械臂底部端盖54和机械臂基座55，以驱动机械臂基座55转动；第一机械臂501的尾端通过铰链和机械臂基座55相连、另一端通过铰链和第二机械臂502的尾端相连，第二机械臂502的另一端通过铰链和机械臂末端视觉模块58相连，能够对采摘目标进行精确定位的机械臂末端视觉模块58通过线路与中央处理器相连接以提供采摘目标的定位结果；其中机械臂液压缸56包括机械臂第一液压缸561、机械臂第二液压缸562和机械臂第三液压缸563，其中机械臂第一液压缸561的尾端铰接在机械臂基座55上、驱动端铰接在第一机械臂501上，机械臂第二液压缸562的尾端铰接在第一机械臂501上、驱动端铰接在第二机械臂502上，机械臂第三液压缸563的尾端铰接在第二机械臂502上、驱动端铰接双耳环支座57，双耳环支座57用于固定机械爪总成6的安装平台；

如图1、9所示，机械爪总成6包括安装平台60、过渡指关节61、伸缩软管62、铰链关节63、橡胶指64和末端指关节65，其中安装平台60安装在机械臂总成5末端的机械臂末端视觉模块58上，三个过渡指关节61依次通过铰链关节63相连且三个过渡指关节61的起始端铰接在安装平台60上、最末端通过铰链关节63铰接末端指关节65，过渡指关节61和末端指关节65的内部嵌有柔性橡胶指64，用于在摘果的过程中避免对果子表皮造成压伤；三个过渡指关节61和一个末端指关节65构成机械爪总成6的一个机械爪且该机械爪与连通液压系统的伸缩软管62相连接，液压系统通过改变伸缩软管62内的液体体积的变化来改变伸缩软管62的长度，进而改变机械爪内各个指关节之间的角度，实现机械爪的伸直与弯曲。在安装平台60上设有三组机械爪，且三个机械爪的末端指关节65能够相互靠拢和张开。

如图10所示的机械爪的伸缩量和转动角度示意图，机械爪总成6的各个机械爪的弯曲可以视作相邻两个指关节之间角度的变化，据此原理，进行简化即可得到图10中的关节结构，图中a可以视作单个机械爪长度的一半；b可以视作伸缩软管63的中心到机械爪关节中心的距离；c可以视作柔性橡胶指64与果实接触点到机械爪关节中心的距离；x1可视作伸缩软管63的长度、x2和x3可视作伸缩软管63弯曲时的外缘和内缘的长度。2α可以视作相邻两个指关节所夹的角度。其中a、b和c的长度固定且已知，通过几何关系，可以得出x和α、a、b、c的关系如公式(1)，可见，伸缩软管63的伸缩量仅与指关节的转动角度有关。所以，利用此方式对机械爪电磁阀的开关进行控制，进而改变机械爪各个指关节的弯曲角度来采摘果实。

如图11所示，在机器人主体8内设有中央处理器和用以供电的蓄电池，中央处理器通过线路与中间继电器相连接以控制中间继电器并接收中间继电器的信息反馈，中间继电器通过一个接线端子排分别与相对应的膝部电机25、髋部电机35和腰部电机46以及机械臂电机51相连接控制，中间继电器通过另一个接线端子排分别与相对应的机械臂液压缸电磁阀以及机械爪电磁阀相连接控制；另外中央处理器分别通过线路与超声波避障传感器、激光测距传感器、摄像头81、机械臂末端视觉模块58相连接以接收信号。

下面通过具体实施例来进一步说明本实用新型提供的用于复杂地貌区域的自走式摘果机器人。

如图1-11所示，一种用于复杂地貌区域的自走式摘果机器人，包括具备三自由度的四组行走部件、机器人主体8、四自由度的机械臂总成5以及机械爪总成6，每组行走部件皆包括足部1、膝部关节2、髋部关节3和腰部关节4。该机器人的行走部件能够通过上述电机的转动改变各个腿的伸长量和角度，实现机器人的前进、后退及转向，使得机器人主体8能在复杂路面行走并维持平衡，让机器人能够在复杂山地、丘陵等地域进行稳定的果实采摘作业；为了该机器人能够更平稳的行进，还可配置超声波避障传感器和激光测距传感器82，在机器人的运动过程中，位于躯干底座83下的超声波避障传感器和激光测距传感器82用来对机器人足部1的下一次落地点进行扫描、预测，判断地面是否存在凹凸不平的状况，通过距离的测算判断当前状态下足垫11落地后，能否保证机器人处于相对水平的状态，若不满足，则调整行走部件中的膝部关节电机25、髋部35和腰部46的相对转动角度，以改变腿的伸长量，确保机器人下一步落足后，机器人主体8能够保持平衡，机器人的四条腿协调运动，可实现机器人在各种路况的路面的前进、后退及转向。设置在四自由度机械臂总成5上的机械臂末端视觉模块58能够对采摘目标进行精确定位，通过位于机械臂总成5底部的机械臂电机51和三个机械臂液压缸56行程的变化，可使机器人完成类似于人挥动的动作。当机器人将要开始采摘果实时，机械臂总成5根据机械臂末端视觉模块58的信息传导将机械爪总成6对准合适位置，再由机械爪电磁阀控制机械爪各个指的弯曲，实现对果实的抓取，再由机械臂总成5拖拽将果实采摘下来。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内；本实用新型未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。