用于水田多功能作业的机器人底盘及农业机器人

1.本发明涉及一种用于水田多功能作业的机器人底盘及农业机器人，属于农业机械设备领域。


背景技术：

2.随着中国农业水平的不断提升，中国农业机械发展逐渐成熟，正处于传统农业逐渐向智慧农业过渡，但目前中国的农业智能机器人智能化水平相对较低、成本较高。在中国南方，目前的水田种植对机械操作员要求高，劳动强度大，且由于丘陵地块的限制，大多数水田地块较小，大型水田农业机械难以满足要求。在现有技术中，田间管理环节智能化程度相对较低，单一导航存在对行不准而伤苗的问题，传统农机在田间调头也会造成大面积压苗，适用于水田行走的小型智能机器人相对较少。因此，针对以上情况设计了一种用于水田多功能作业的机器人底盘，该底盘具有适于水田行走、通过性强、可搭载不同机具和小型轻便的优点，搭配传感系统与智能控制系统可实现自动化、高精度的田间作业，能有效减少对土壤的压实程度和对作物的损伤，在农业自动化领域中具有积极作用。


技术实现要素：

3.本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供了一种用于水田多功能作业的机器人底盘，该机器人底盘提高了农业机器人的智能化水平。
4.本发明的的另一目的在于提供一种农业机器人，该农业机器人包含上述的机器人底盘。
5.本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
6.一种用于水田多功能作业的机器人底盘，包括行走装置、仿形装置和控制系统，所述控制系统分别与行走装置、仿形装置连接；
7.所述仿形装置包括平行四杆机构、电动推杆、仿形模块和悬挂机构，所述平行四杆机构安装在行走装置的中部，所述仿形模块和悬挂机构安装在平行四杆机构上，所述悬挂机构用于安装作业机具；
8.所述电动推杆处于最短位置时，将平行四杆机构抬起使作业机具与地面保持一定高度，电动推杆处于伸长位置时，平行四杆机构被放下，使作业机具与地面接触并作业，仿形模块实时检测地面的起伏并反馈给电动推杆进行伸缩调节，从而使仿形装置起到仿形作用。
9.进一步的，所述平行四杆机构包括前挂架、支撑杆组件、第一吊耳和安装架，所述支撑杆组件包括四根支撑杆，所述仿形模块和悬挂机构安装在安装架上；
10.四根支撑杆通过铰链分别与前挂架、安装架连接，所述前挂架固定在行走装置上，使安装架能够绕前挂架上下浮动，并能保持安装架处于水平状态，所述第一吊耳安装在安装架的顶部，并通过销子与电动推杆的一端铰接，电动推杆的另一端安装在行走装置上。
11.进一步的，所述仿形模块包括安装底座、角度传感器、传感器支架、联轴器、光轴、
仿形连杆、支撑连杆和仿形船板；
12.所述安装底座安装在平行四杆机构的安装架上，所述角度传感器通过传感器支架安装在安装底座上，且角度传感器的转动轴通过联轴器与光轴连接，所述仿形连杆的一端与光轴固定连接，仿形连杆的另一端与支撑连杆铰接，所述支撑连杆与仿形船板的船头铰接，所述仿形船板的船尾与安装底座铰接；
13.所述安装底座上设置有限位孔，通过在限位孔中插入销子以改变仿形连杆的初始位置，从而改变仿形船板的初始位置。
14.进一步的，所述悬挂机构包括第二吊耳、接头、安装夹板和环形夹板；
15.所述第二吊耳安装在平行四杆机构的安装架上，并与接头的连接点铰接，所述接头用于安装作业机具，所述安装夹板安装在平行四杆机构的安装架中部，环形夹板安装在安装夹板上，用于固定作业机具的安装角度；
16.所述安装夹板上设置有环形槽孔，使环形夹板能够绕着第二吊耳的销子转动，用于调节作业机具的安装角度。
17.进一步的，所述行走装置包括行走机构和转向机构，所述行走机构包括车架、前驱动模块和后驱动模块，所述前驱动模块安装在转向机构上，所述后驱动模块安装在车架上，所述转向机构与车架连接。
18.进一步的，所述前驱动模块和后驱动模块均包括两个驱动组件，两个驱动组件左右对称设置，每个驱动组件包括驱动电机、传动轴、支撑臂、齿轮减速器和行走轮，所述驱动电机安装在支撑臂的上端，所述齿轮减速器安装在支撑臂的下端，所述传动轴穿过支撑臂与驱动电机、齿轮减速器配合，所述行走轮安装在齿轮减速器的末端。
19.进一步的，所述转向机构包括转向节、转向节座、转向节主销、球头拉杆、转向拉杆、转向舵机和舵机摆臂，所述转向节、转向节座和转向节主销均为两个，且转向节、转向节座、转向节主销和前驱动模块的支撑臂为一一对应的关系，两个转向节座左右对称安装在车架前端，所述转向舵机安装在车架上；
20.对于每个转向节及其对应的转向节主销、转向节座和支撑臂，所述转向节通过转向节主销与转向节座铰接，转向节上安装有法兰盘，与支撑臂上的法兰盘连接，使支撑臂能够随着转向节绕着转向节主销转动；
21.所述球头拉杆连接在两个转向节的梯形臂控制点上，所述转向舵机的输出端与舵机摆臂连接，所述舵机摆臂通过转向拉杆与其中一个转向节铰接。
22.进一步的，所述控制系统包括上位机、底层控制单元、终端执行节点、驱动器、远程遥控器和接收机；
23.所述上位机分别与底层控制单元、终端执行节点连接，用于发送命令控制底层控制单元和终端执行节点；
24.所述底层控制单元与驱动器连接，用于根据上位机的命令控制驱动器，实现机器人底盘的前进、后退以及转向；
25.所述终端执行节点分别与仿形装置、作业机具连接，用于控制仿形装置的升降以及作业机具的启停；
26.所述远程遥控器与接收机连接，用于远程发送命令给接收机；
27.所述接收机与底层控制单元连接，用于接收远程遥控器的命令，实现远程操控机
器人底盘。
28.进一步的，所述控制系统还包括惯性测量单元、全球定位系统、视觉相机和无线通讯模块，所述惯性测量单元和全球定位系统分别通过串口与上位机连接，所述视觉相机和无线通讯模块分别与上位机连接。
29.本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
30.一种农业机器人，包括上述的机器人底盘。
31.本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
32.1、本发明的机器人底盘适用于水田行走，具有较强的通过性和跃埂能力，设置有仿形装置，通过实时检测作业机具与地面的接触情况，调节平行四杆机构的升降，进而使作业机具在起伏的地面也能始终保持与地面的距离相等，保证了作业质量；采用农业机械设备中的置式方案，结构更加紧凑，同时悬挂机构采用模块化接口，能够快速拆装和更换多种作业机具；此外，仿形装置位于行走装置的中部，结构更加紧凑，能有效缩小底盘整体尺寸，更适合小田块作业，仿形装置采用快拆式模块化接口，能快速更换不同农用作业机具，实现一机多用。
33.2、本发明的机器人底盘加入全球定位系统和视觉相机的组合导航，全球定位系统可提供全局导航，视觉导航可以弥补作业过程中仅靠全球定位系统导航出现的对作物行不准的问题，实现了精准对行，有效减少机器人底盘在田间管理作业时的压苗问题，使机器人底盘能够自主完成田间作业并且不伤苗，智能化程度较高。
34.3、本发明的机器人底盘导航采用“人”字形的换行方式，在换行时，无需调头，采用前进和后退两种作业方式，避免了换行调头造成的大面积压苗。
35.4、本发明的机器人底盘具有遥控模式和自主模式，自主模式可用远程终端进行设置，机器人底盘能自主规划路径并且自主完成作业，在任意情况下可切换遥控模式，该模式下可用遥控器远程操作机器人底盘。
36.5、本发明的机器人底盘采用四轮驱动，搭配水田轮，保证机器人有充沛的动力，能适应水田复杂环境，具有较强的通过性和越埂能力。
37.6、本发明的机器人底盘采用质量小、强度高的框架结构，简单可靠，小型轻便，能有效减少对水田土壤的压实程度。
38.7、本发明的机器人底盘为电动底盘，采用锂电池供电，续航能力较强，绿色环保无污染，小型轻便，适用于小田块作业。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
40.图1为本发明实施例的用于水田多功能作业的机器人底盘的立体结构示意图。
41.图2为本发明实施例的用于水田多功能作业的机器人底盘的主视结构示意图。
42.图3为本发明实施例的用于水田多功能作业的机器人底盘的侧视结构示意图。
43.图4为本发明实施例的用于水田多功能作业的机器人底盘的俯视结构示意图。
44.图5为本发明实施例的用于水田多功能作业的机器人底盘的驱动模块其中一个驱动组件的结构示意图。
45.图6为本发明实施例的用于水田多功能作业的机器人底盘的转向机构结构示意图。
46.图7为本发明实施例的用于水田多功能作业的机器人底盘的仿形装置立体结构示意图。
47.图8为本发明实施例的用于水田多功能作业的机器人底盘的仿形装置平面结构示意图。
48.图9为本发明实施例的用于水田多功能作业的机器人底盘的导航路径规划示意图。
49.其中，1-车架，2-驱动电机，3-支撑臂，4-齿轮减速器，5-行走轮，6-转向节，7-转向节座，8-球头拉杆，9-转向拉杆，10-转向舵机，11-舵机摆臂，12-转向节安装架，13-电动推杆，14-前挂架，15-第一吊耳，16-安装架，17-支撑杆，18-安装底座，19-角度传感器，20-传感器支架，21-仿形连杆，22-支撑连杆，23-仿形船板，24-第二吊耳，25-接头，26-安装夹板，27-环形夹板，28-驱动器，29-控制器盒，30-控制器安装板，31-视觉相机，32-相机云台，33-电池盒。
具体实施方式
50.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
51.实施例：
52.如图1～图4所示，本实施例提供了一种用于水田多功能作业的机器人底盘，该机器人底盘能够应用于各种农业机器人中，其包括行走装置、仿形装置和控制系统，控制系统分别与行走装置、仿形装置连接。
53.进一步地，行走装置包括行走机构和转向机构，行走机构包括车架1、前驱动模块和后驱动模块，前驱动模块安装在转向机构上，通过转向机构可实现前驱动模块的水平方向左右转向，后驱动模块安装在车架上，转向机构与车架1连接。
54.如图1～图5所示，前驱动模块和后驱动模块的结构相同，均包括两个驱动组件，两个驱动组件左右对称设置，每个驱动组件包括驱动电机2、传动轴、支撑臂3、齿轮减速器4和行走轮5，驱动电机2安装在支撑臂3的上端，齿轮减速器4安装在支撑臂3的下端，支撑臂3为空心结构，可用于安装传动轴，传动轴穿过支撑臂3与驱动电机2、齿轮减速器4配合，行走轮5为水田轮，其安装在齿轮减速器4的末端。
55.如图1～图6所示，转向机构包括转向节6、转向节座7、转向节主销、球头拉杆9、转向拉杆9、转向舵机10和舵机摆臂11，转向节6、转向节座7和转向节主销均为两个，且转向节6、转向节座7、转向节主销和前驱动模块的支撑臂3为一一对应的关系，两个转向节座7左右对称安装在转向节安装架12上，转向节安装架12通过螺栓固定在车架1前端，转向舵机10安装在车架1上。
56.对于每个转向节6及其对应的转向节主销、转向节座9和支撑臂3，每个转向节6通过转向节主销与转向节座7铰接，转向节6上安装有法兰盘，与前驱动模块对应的支撑臂3中部的法兰盘连接，使支撑臂3能够随着转向节6绕着转向节主销转动。
57.球头拉杆9连接在两个转向节6的梯形臂控制点上，组成了阿克曼转向几何，使转向机构符合阿克曼转向；转向舵机10的输出端与舵机摆臂11连接，舵机摆臂11通过转向拉杆9与其中一个转向节6铰接，具体与右边的转向节6铰接，从而可以通过驱动转向舵机10转动，达到转向的目的；转向时，转向舵机10通过转向拉杆9使右边的转向节6绕右边的转向节主销转动，在球头拉杆9的作用下，左边的转向节6也绕左边的转向节主销转动，从而实现了前轮转向。
58.如图1～图8所示，仿形装置包括平行四杆机构、电动推杆13、仿形模块和悬挂机构，平行四杆机构安装在行走装置上，具体安装在行走机构的车架1中部，即仿形装置通过平行四杆机构安装在行走机构的车架1中部位置，仿形模块和悬挂机构安装在平行四杆机构上，悬挂机构用于安装作业机具；该仿形装置分为工作状态和非工作状态：非工作状态时，电动推杆13处于最短位置，可将平行四杆机构抬起使作业机具与地面保持一定高度，此时仿形模块不起仿形作用；工作状态时电动推杆13处于伸长位置，平行四杆机构被放下使作业机具与地面接触并作业，此时仿形模块可以实时检测地面的起伏并反馈给电动推杆13进行伸缩调节从而使仿形装置起到仿形作用，保证在不平的田块，作业机具能始终与地面保持一定的距离，保证了作业质量。
59.进一步地，平行四杆机构包括前挂架14、支撑杆组件、第一吊耳15和安装架16，支撑杆组件包括四根支撑杆17，仿形模块和悬挂机构安装在安装架16上；四根支撑杆17通过铰链分别与前挂架14、安装架16连接，前挂架14固定在行走装置上，具体固定在行走机构的车架1上，使安装架16能够绕前挂架14上下浮动，并能保持安装架16处于水平状态，起到仿形作用；第一吊耳15安装在安装架16的顶部，并通过销子与电动推杆13的一端铰接，电动推杆13的另一端安装在行走装置上，具体安装在行走机构的车架1上，电动推杆13作为动力源使平行四杆机构能够起到仿形作用。
60.进一步地，仿形模块包括安装底座18、角度传感器19、传感器支架20、联轴器、光轴、仿形连杆21、支撑连杆22和仿形船板23；安装底座18安装在平行四杆机构的安装架16上，角度传感器19通过传感器支架20安装在安装底座18上，且角度传感器19的转动轴通过联轴器与光轴连接，仿形连杆21的一端与光轴固定连接，使仿形连杆21可以带动角度传感器19的转动轴一起运动，仿形连杆21的另一端与支撑连杆22铰接，支撑连杆22与仿形船板23的船头铰接，仿形船板23的船尾与安装底座18铰接；安装底座18上设置有限位孔，通过在限位孔中插入销子以改变仿形连杆21的初始位置，从而改变仿形船板23的初始位置；工作时，仿形船板23接触地面后会随着地面起伏绕着船尾铰链转动，从而带动角度传感器19的转动轴转动，仿形装置可根据角度传感器19数据的变化使电动推杆13做出相应的调节，起到仿形作用。
61.进一步地，悬挂机构包括第二吊耳24、接头25、安装夹板26和环形夹板27；第二吊耳24安装在平行四杆机构的安装架16上，并与接头25的连接点铰接，接头25用于安装作业机具，安装夹板26安装在平行四杆机构的安装架16中部，环形夹板27安装在安装夹板26上，用于固定作业机具的安装角度；安装夹板26上设置有环形槽孔，环形夹板27环抱住接头25，
通过螺栓与安装夹板26上的环形槽孔连接，使环形夹板27能够绕着第二吊耳24的销子转动，用于调节作业机具的安装角度；该悬挂机构可实现快速拆装，采用模块化接口，可以搭配不同的作业机具，实现插秧、施肥和除草等作业。
62.进一步地，控制系统包括上位机、底层控制单元、终端执行节点、驱动器28、远程遥控器和接收机，上位机分别与底层控制单元、终端执行节点连接，用于发送命令控制底层控制单元和终端执行节点；底层控制单元与驱动器连接，用于根据上位机的命令控制驱动器，实现机器人底盘的前进、后退以及转向；终端执行节点分别与仿形装置、作业机具连接，用于控制仿形装置的升降以及作业机具的启停；远程遥控器与接收机连接，用于远程发送命令给接收机；接收机与底层控制单元连接，用于接收远程遥控器的命令，实现远程操控机器人底盘。
63.更进一步地，控制系统硬件放置在控制器盒29内，通过控制器安装板30安装在车架1前端，由于本实施例的机器人底盘为四轮驱动，因此驱动器28配有四个，且为电机驱动器，四个驱动器28排列叠放在车架1前端。
64.为了实现精准定位，本实施例的控制系统还可包括惯性测量单元、全球定位系统、视觉相机31和无线通讯模块，惯性测量单元和全球定位系统(global positioning system，简称gps)分别通过串口与上位机连接，惯性测量单元和全球定位系统为上位机提供位置和姿态信息，使上位机能够根据当前位置进行路径规划以及调整车身运动控制，对导航路径进行追追踪，具有自动导航功能；视觉相机31与上位机连接，且视觉相机31通过相机云台32与铅锤方向成30
°
夹角安装在车架1最前端，用于实时获取苗带或杂草信息，在全球定位系统导航的基础上实现精准对行，可以避免机器人底盘在作业过程中压苗；远程终端通过无线通讯模块与上位机连接，通过远程终端可以设置机器人底盘的参数和作业参数。
65.进一步地，自动导航包括路径规划和路径追踪，上位机根据机器人底盘所在位置和田块信息自动规划路径并通过惯性测量单元以及全球定位系统提供的位置和姿态信息实时调整底盘的前进速度及航向角来进行路径追踪，使底盘行驶在预定轨道上；在播种或插秧作业时，主要依靠全球定位系统进行导航，在田间管理作业时，采用全球定位系统和机器视觉组合导航，全球定位系统导航为主，视觉导航为辅，实现精准对行，避免作业时压苗。
66.本实施例的导航路径规划不同于传统导航方式，传统导航换行时需要掉头，会照成大面积压苗，该机器人底盘导航采用“人”字形的换行方式，在换行时，无需调头，采用前进和后退两种作业方式，避免了换行调头造成的大面积压苗。
67.本实施例还可以实现全自主导航作业，具体过程为：远程遥控器上有定位模块，在执行全自主导航作业前，需要手持远程遥控器记录田块的边角点位置，上位机会根据远程遥控器反馈的四个或多个边角点位置自动连线生成田块信息，然后根据田块边界信息按照图9的导航方式自动生成最佳导航路径，再根据生成的导航线进行路径追踪并记录真实轨迹，完成全自主作业；在全自主作业工程中，分为作业阶段和换行阶段，作业阶段时，仿形装置处于工作状态，可调节作业机具使作业机具保持与地面接触，此时视觉导航优先权高于全球定位系统导航；进入换行路径时为换行阶段，此时仿形装置的平行四杆机构自动抬起处于非工作状态，作业机具不工作，且导航以全球定位系统导航为主，田块信息和真实轨迹可重复调用。
68.进一步地，本实施例的机器人底盘为电动底盘，电源为锂电池，锂电池设置在电池盒33内，可输出48v、24v和5v电压，可为行走装置、仿形装置、控制系统和作业机具供电。
69.进一步地，行走机构的车架1为框架结构，车架1前端为梯形结构，便于转向机构转向；车架1中部为支撑架，用于安装仿形装置；车架1的长度为120cm、宽度为60cm，属于轻型机器人底盘，适用于小面积水田。
70.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和约定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义，所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
71.综上所述，本发明的机器人底盘适用于水田行走，具有较强的通过性和跃埂能力，设置有仿形装置，通过实时检测作业机具与地面的接触情况，调节平行四杆机构的升降，进而使作业机具在起伏的地面也能始终保持与地面的距离相等，保证了作业质量；采用农业机械设备中的置式方案，结构更加紧凑，同时悬挂机构采用模块化接口，能够快速拆装和更换多种作业机具；此外，仿形装置位于行走装置的中部，结构更加紧凑，能有效缩小底盘整体尺寸，更适合小田块作业，仿形装置采用快拆式模块化接口，能快速更换不同农用作业机具，实现一机多用。
72.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。