智能球体农田机器人的制作方法

本实用新型属于农业机器人技术领域，具体来说涉及一种智能球体农田机器人。

背景技术：

农业机器人出现后，发展迅速，如今在许多国家出现了多种类型农业机器人。在20世纪70年代后期，各国对农业机器人的研究工作逐渐启动，研制出多种农业生产机器人，如嫁接机器人、育苗机器人、农药喷洒机器人等已投入使用。但现阶段农业机器人大多都体形比较庞大，在移动作业过程中容易毁坏农作物和压实土壤，不利于农作物的生长。本文提出一种用于精准农业上的机器人，与其他农业机器人所不同的是它不像飞机撒药式的喷洒杀虫剂、施肥等大范围的对农作物进行作业，而是更倾向于园丁的方式，针对性的服务于小范围的农作物。机器人外表采用球型外壳，在移动中不会对农作物造成伤害；所有的控制电路和机械驱动全部封装在球体内部，有效避免农田中露水和灰尘对机器人造成影响。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种智能球体农田机器人，

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种智能球体农田机器人，包括主传动轴、支撑轴、连接件、直齿轮传动轮系、直齿-锥齿轮传动轮系、用于驱动机器人行进的第一步进电机、用于驱动机器人转向的第二步进电机，以及一个球形壳体，所述主传动轴、支撑轴、连接件、直齿轮传动轮系、直齿-锥齿轮传动轮系、用于驱动机器人行进的第一步进电机、用于驱动机器人转向的第二步进电机均设置在球形壳体内部。

主传动轴通过轴承可旋转的水平设置在连接件中，第一步进电机和第二步进电机分别固定在主传动轴的两端；

所述支撑轴由完全相同的两个光轴组成，两个光轴成一直线竖直设置，光轴相邻的两端通过轴承可旋转的固定在连接件的上下两端；光轴另外两端分别与球壳进行刚性连接，将整套驱动支撑起来；

所述直齿轮传动轮系包括相互啮合的第一直齿轮和第二直齿轮，其中，第一直齿轮固定在第一步进电机的输出轴上，第二直齿轮通过轴承可旋转的设置在主传动轴上，且第二直齿轮与连接件固定连接；

所述直齿-锥齿轮传动轮系包括第三直齿轮、与第三直齿轮相啮合的第四直齿轮、第一锥齿轮、与第一锥齿轮相啮合的第二锥齿轮，其中，第三直齿轮固定在第二步进电机的输出轴上，第四直齿轮和第一锥齿轮通过轴承同步设置在主传动轴上，第二锥齿轮固定在支撑轴上；

在智能球体农田机器人的球形壳体内还设置有温湿度检测单元、GPS定位单元、电源模块单元、无线数据传输单元、步进电机驱动单元、核心控制单元，所述核心控制单元分别与连接温湿度检测单元、GPS定位单元、电源模块单元、无线数据传输单元、步进电机驱动单元连接。

在上述技术方案中，第一直齿轮7和第二直齿轮8具有相同的模数1.5，齿数分别是20和40，传动比为1:2；第三直齿轮9和第四直齿轮10具有相同的模数1.5，齿数分别是20和40，传动比为1:2；第一锥齿轮11和第二锥齿轮12具有相同的模数1.5，齿数分别为20，40，传动比也为1：2。

在上述技术方案中，采用STC15F2K61S2单片机作为核心控制单元。

在上述技术方案中，所述无线数据传输单元采用无线通用芯片NRF2401。

在上述技术方案中，所述温湿度检测单元采用DHT11数字温湿度传感器。

在上述技术方案中，所述GPS定位单元采用ATK-NEO-6M-V2.3GPS定位模块。

在上述技术方案中，步进电机驱动单元采用A4988电机驱动模块。

本实用新型的优点和有益效果为：

本实用新型公开了一种智能球体农田机器人，其外形为球形壳体，在球形壳体内设置有驱动球形壳体行进和转向的驱动机构。本实用新型利用球体表面圆润的特点，改变了传统农业机械工作时会伤害到农作物的现状；并在此基础上将一系列传感器集结在球壳内部，实现了对农田信息的采集。

附图说明

图1是本实用新型的机械结构示意图。

图2是本实用新型的机械结构简图。

图3是本实用新型的控制系统的模块连接图。

图4是实施例中核心控制单元的电路图。

图5是实施例中无线数据传输单元的电路图。

图6是实施例中温湿度检测单元的电路图。

图7是实施例中GPS定位单元的电路图。

图8是实施例中步进电机驱动单元的电路图。

图9是实施例中电源模块单元的电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

一种智能球体农田机器人，参见附图1和图2，智能球体农田机器人包括主传动轴1、支撑轴2、连接件3、直齿轮传动轮系、直齿-锥齿轮传动轮系、用于驱动机器人行进的第一步进电机4、用于驱动机器人转向的第二步进电机5，以及一个球形壳体6，所述主传动轴1、支撑轴2、连接件3、直齿轮传动轮系、直齿-锥齿轮传动轮系、用于驱动机器人行进的第一步进电机4、用于驱动机器人转向的第二步进电机5均设置在球形壳体6内部。

所述主传动轴1由8mm的中空不锈钢铝管构成，主传动轴1通过轴承可旋转的水平设置在连接件3中，第一步进电机4和第二步进电机5分别固定在主传动轴1的左右两端(为避免线路影响整体机械的转动，故将进电机的连线穿插在铝管中心)；

所述支撑轴2由完全相同的两个6mm光轴组成，两个6mm光轴成一直线竖直设置，光轴相邻的两端通过轴承可旋转的固定在连接件3的上下两端；光轴另外两端分别与球壳进行刚性连接，将整套驱动支撑起来；

所述直齿轮传动轮系包括相互啮合的第一直齿轮7和第二直齿轮8，其中，第一直齿轮7固定在第一步进电机4的输出轴上，第二直齿轮8通过轴承可旋转的设置在主传动轴1上，且第二直齿轮8与连接件3固定连接；

所述直齿-锥齿轮传动轮系包括第三直齿轮9、与第三直齿轮9相啮合的第四直齿轮10、第一锥齿轮11、与第一锥齿轮11相啮合的第二锥齿轮12，其中，第三直齿轮9固定在第二步进电机5的输出轴上，第四直齿轮10和第一锥齿轮11通过轴承13同步设置在主传动轴1上，第二锥齿轮12固定在支撑轴2上；

第一直齿轮7和第二直齿轮8具有相同的模数1.5，齿数分别是20和40，传动比为1:2；第三直齿轮9和第四直齿轮10具有相同的模数1.5，齿数分别是20和40，传动比为1:2；第一锥齿轮11和第二锥齿轮12具有相同的模数1.5，齿数分别为20，40，传动比也为1：2；

两侧的步进电机分别具有不同的功能。当左侧的第一步进电机4转动时，直齿轮传动轮系之间的相对运动使得两步进电机绕X轴(即主传动轴1)转动，改变小球中心位置，实现机器人的前后移动；当右侧的第二步进电机5转动时，通过直齿-锥齿轮传动轮系能够将第二步进电机的扭力传递到Y轴(即支撑轴2)上，使整个机械驱动部分绕Y轴转动，实现机器人的左右转动。

在智能球体农田机器人的球形壳体6内还设置有温湿度检测单元、GPS定位单元、电源模块单元、无线数据传输单元、步进电机驱动单元、核心控制单元，参见附图3，核心控制单元分别与连接温湿度检测单元、GPS定位单元、电源模块单元、无线数据传输单元、步进电机驱动单元连接，温湿度检测单元用于采集农田温湿度数据，GPS定位单元用于采集机器人的位置数据，核心控制单元通过步进电机驱动单元与第一步进电机4和第二步进电机5连接，以驱动第一步进电机4和第二步进电机5，从而控制机器人运动，通过无线数据传输单元实现核心控制单元与远程控制器的数据传输(一方面，核心控制单元通过无线数据传输单元将温湿度检测单元和GPS定位单元采集的温湿度数据和机器人位置信息传输给远程控制器，另一方面远程控制器通过无线数据传输单元将控制机器人运动的指令发送给核心控制单元)。

本系统采用STC15F2K61S2单片机作为核心控制单元，它是STC生产的单时钟/机器周期的单片机，内部集成高精度R/C时钟，可省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路，此单片机工作速度快，集成晶振复位电路减少成本且增加稳定性，可满足本系统的要求，其电路图如图4所示；

所述无线数据传输单元采用无线通用芯片NRF2401，它是一款基于通讯在ISM频段的无线芯片，NRF2401通过SPI接口与单片机进行通信，NRF2401工作电压范围为1.9V～3.6V，与STC15F2K61S2单片机连接时需要电平转换芯片将5V与3.3V电平匹配，电路图如图5所示；

所述温湿度检测单元采用DHT11数字温湿度传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，其电路图6如图所示；

所述GPS定位单元采用ATK-NEO-6M-V2.3高性能GPS定位模块，该模块采用U-BLOX NEO-6M模组，模块自带MAXIM公司高增益(20.5dB)LNA芯片与高性能陶瓷天线结合，组成接收天线，该模块通过串口与核心控制单元连接进行通信，其电路图如图7所示；

步进电机驱动单元采用A4988电机驱动模块，A4988是一款带转换器和过流保护的DMOS微步驱动器，该产品可在全、半、1/4、1/8及1/16步进模式时操作双极步进电动机，输出驱动性能可达35V，只要在“步进”输入中输入一个脉冲，即可驱动电动机产生微步。在使用当中无须按照相位顺序表编写程序，简化操作提高效率。系统采用的35电机最大电流为700mA，可通过调节模块上的电位器来确定驱动的最大输出电流。如果电流太小，则电机扭力不够，如果电流太大则会造成电机在抱死状态下严重发热，而且发出尖锐的啸叫声，通过实际测试调节，我们将其调节至650mA。此时步进电机正常工作。其电路图如图8所示；

电源模块单元采用7.4V锂电池为整个系统进行供电，电池电压一路直接供给步进电机，另一路直接通过线性电源转换芯片ASM1117-5V将电压降至5V，为单片机和温湿度传感器供电，其电路图如图9所示。

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。