一种基于空中轨道式多功能机器人的制作方法
本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种基于空中轨道式多功能机器人。
背景技术：
开发机器人是21世纪农业机械自动化和智能化的发展趋势之一。用于采摘、收获、除草、修剪、耕作、嫁接和农产品分级等方面的各具特色的机器人已在许多国家得以研究与开发应用。例如，公开号为cn105746092a的专利申请公开了一种新型履带式苹果采摘机器人，主要包括履带式移动平台、采摘系统和控制系统，其特征是履带式移动平台上集成四个苹果采摘机械臂，控制系统采用arm处理器，对采摘机械臂以及末端执行器上的各种传感器信息进行融合处理得出相应的控制信号，从而对采摘机械臂以及末端执行器上的伺服电机进行相应控制，驱动采摘机械臂和末端执行器对苹果进行自动采摘。公开号为cn103380766a的专利申请公开了一种温室自动喷药机器人，其包括轨道行走部件、固定于所述轨道行走部件上的药液喷施部件以及分别与所述轨道行走部件和药液喷施部件连接的控制部件。然而，目前的机器人还是传统的地面作业机械，无论轮式还是履带式都需要在作物生长区域内进行作业，这样一方面巡检时因作物枝叶遮挡而难以获得最佳的巡检视角，另一方面，作业机械在农田中直接行走难免会毁损作物，造成经济损失。同时，目前的机器人只具有特定的功能，适应于特定的环境，通用性差，不便于对系统进行扩展和改进。
技术实现要素：
为解决上述技术缺陷，本发明提供了一种基于空中轨道式多功能机器人，可以通过可拆卸的挂接平台实现多种作业功能的快速转换，从而适用了农业生产的多种作业任务，提高了机器人的利用率与性价比，降低了作业成本。
为实现上述功能，本发明采用的技术方案是：
一种基于空中轨道式多功能机器人，该机器人位于悬空轨道上；
包括：车体、行走模块、感知模块、控制模块、通信模块、作业模块及挂接平台；其中，所述行走模块、感知模块、控制模块、通信模块、挂接平台均设置于车体上，所述作业模块通过挂接平台与车体连接；所述行走模块、感知模块、通信模块、通信模块、作业模块、挂接平台均与控制模块电连接；所述作业模块为采摘机构或喷药机构或巡检机构；所述行走模块包括驱动模块及车轮，所述车轮于悬空轨道的轨道槽中移动。
优选地，所述挂接平台包括吊杆、支撑板、左弓形部件、右弓形部件、转动轮盘、滑动装置，其中，所述吊杆的上端与车体底部连接，所述吊杆的下端与支撑板连接，所述左弓形部件、右弓形部件之一与支撑板固定连接，另一通过转动轮盘及滑动装置与支撑板滑动连接，所述左弓形部件、右弓形部件的弓形下部具有锯齿状区域、弓形上部具有凸出的连接柱、中部具有小凹槽；所述挂接平台上还设有通信及供电接口；所述转动轮盘具有锁止装置。
优选地，所述作业模块包括作业机构及挂接主体，所述挂接主体分为作业安装部、上挂接部、下挂接部三个区域；其中，所述作业安装部设有用于安装作业机构的安装槽；所述下挂接部包括下挂接主体及设于下挂接主体内且分别凸出下挂接主体两侧的两个缓冲连接柱，所述两个缓冲连接柱在下挂接主体内部通过第一弹簧连接；所述下挂接主体的下部左右侧部设有软体部；所述上挂接部包括上挂接主体及分别设于上挂接主体上部两侧的两个凹形容纳件，所述两个凹形容纳件在所述上挂接主体内通过第二弹簧连接；所述挂接主体上还设有通信及供电线缆。
优选地，所述采摘机构包括挂接模块、升降平台、可伸缩机械臂、采摘机构、第一摄像模块及测距模块，所述挂接模块与所述升降平台固定连接，所述可伸缩机械臂安装在所述升降平台上，所述可伸缩机械臂的末端安装有采摘机构、第一摄像模块及测距模块。
优选地，所述喷药机构包括电动伸缩杆一、药液箱、加压器、导液管及喷头，所述导液管经所述加压器与药液箱连接，所述导液管与喷头连接，所述导液管及喷头设置于电动伸缩杆一上。
优选地，所述巡检机构包括电动伸缩杆二及第二摄像模块，所述第二摄像模块设置于电动伸缩杆的顶部。
优选地，所述感知模块包括rfid阅读器，所述悬空轨道上设有rfid标签所述rfid标签中存储有唯一的地址标识信息；所述控制模块中存储有各rfid标签的地址标识信息，并基于rfid阅读器读取的rfid标签中的地址标识信息获知所处位置信息，从而控制车体按照规划路线行驶。
优选地，还包括电力模块，所述电力模块包括蓄电池及充电模块。
优选地，所述悬空轨道上还包括若干充电插口，所述充电插口也设有rfid标签。
优选地，还包括手持遥控器，用于通过无线通信与所述控制模块连接，用于从所述通信模块接收并显示车辆的实时运动状态，以及，向所述通信模块发送行驶控制指令。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的基于空中轨道式多功能机器人行走于悬空轨道上，能够获得更好的巡检视角及更充裕的采摘、喷药空间，特别适应于大棚等种植场景；而且由于车体无需着地，还可以避免车体对作物的损坏。
(2)本发明的基于空中轨道式多功能机器人通过可拆卸的挂接平台实现多种作业功能的快速转换，可以适用农业生产过程中的多种作业任务。
(3)本发明的机器人还具备自动巡检功能，可以在启动采摘、喷药等作业任务之前先执行巡检模式，具体基于机器视觉技术识别出是否需要作物的喷药及果实的采摘，具备更强的自动化水平，可极大提高农业生产效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的基于空中轨道式多功能机器人的整体结构示意图；
图2是对本发明的挂接平台及挂接主体配合实现挂接的原理的示意图；
图3是本发明的机器人的功能模块示意图。
图中：
车体1；行走模块2；感知模块3；控制模块4；通信模块5；作业模块6；作业安装部6.1；上挂接部6.2；下挂接部6.3；缓冲连接柱6.4；凹形容纳件6.5；软体部6.6；挂接平台7；左弓形部件7.1；右弓形部件7.2；转动轮盘7.3；连接柱7.4。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与术语本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1-2所示，本发明的第一实施方式提供一种基于空中轨道式多功能机器人，该机器人位于悬空轨道上；包括：车体1、行走模块2、感知模块3、控制模块4、通信模块5、作业模块6及挂接平台7；其中，所述行走模块2、感知模块3、控制模块4、通信模块5、挂接平台7均设置于车体1上，所述作业模块6通过挂接平台7与车体1连接；所述行走模块2、感知模块3、通信模块4、作业模块6、挂接平台7均与控制模块5电连接；所述作业模块6为采摘机构或喷药机构或巡检机构；所述行走模块2包括驱动模块及车轮，所述车轮于悬空轨道的轨道槽中移动。
需要说明的是，现有的机器人无论是轮式的还是履带式的，均是直接在农田地面上进行作业，对于巡检式机器人来说，显然其巡检视角更难把控，极易受到作物枝叶等的影响，而且还不可避免的会压毁一部分作物，造成农业生产的损失。针对该技术缺陷，本发明将机器人设置于悬空轨道上进行作业，尤其适于大棚等种植场景。另外，现有的机器人都是为解决专门农业生产中的自动化与智能化而研制的，因而只具有特定的功能，适应于特定的环境，通用性差，不便于对系统进行扩展和改进，而对于农业生产来说，具有明显的季节性，即，不同的作物生长阶段所需要的农业劳作存在巨大的差别。所以，上述现有的机器人的使用效率很低、成本高。为了解决该技术缺陷，本发明通还过挂接平台实现了不同的作业模块6之间的快速切换，即，基于可拆卸的挂接平台实现了采摘机构、喷药机构、巡检机构等不同作业模式的快速切换。
根据本发明实施例，基于图2所示，对图1中挂接平台7进行详细解释。所述挂接平台7包括吊杆、支撑板、左弓形部件7.1、右弓形部件7.2、转动轮盘7.3、滑动装置(图中未示出)，其中，所述吊杆的上端与车体1底部连接，所述吊杆的下端与支撑板连接，所述左弓形部件7.1、右弓形部件7.2之一与支撑板固定连接，另一通过转动轮盘7.3及滑动装置与支撑板滑动连接，所述左弓形部件7.1、右弓形部件7.2的弓形下部具有锯齿状区域、弓形上部具有凸出的连接柱、中部具有小凹槽；所述挂接平台7上还设有通信及供电接口(图中未示出)；所述转动轮盘具有锁止装置。
根据本发明实施例，所述作业模块6包括作业机构(图中未示出)及挂接主体，所述挂接主体包括作业安装部6.1、上挂接部6.2、下挂接部6.3；其中，所述作业安装部6.1设有用于安装作业机构6的安装槽(图中未示出)；所述上挂接部6.2包括上挂接主体及分别设于上挂接主体上部两侧的两个凹形容纳件6.5，所述两个凹形容纳件6.5在所述上挂接主体内通过第二弹簧连接；所述下挂接部6.3包括下挂接主体及设于下挂接主体内且分别凸出上挂接主体两侧的两个缓冲连接柱6.4，所述两个缓冲连接柱6.4在下挂接主体内部通过第一弹簧连接；所述下挂接部6.3的下部左右侧部设有软体部6.6；所述挂接主体上还设有通信及供电线缆(图中未示出)。
需要说明的是，挂接平台7通过吊杆与车辆本体1连接，前述不同的作业模块6均包括挂接主体以及与挂接主体连接的具体作业机构，该挂接主体具有相同的结构，如此以来，增强了模块的通用性，即，可以通过相同的、通用的挂接装置实现车辆本体1与不同作业模块6的快速切换安装，也就不需要为每一种农业作业任务配置一整套的车辆及作业结构，极大的降低了使用成本。
同时，对于该具体的挂接平台7来说，两个弓形部件的一个是固定于车辆本体的，另一移动，至于哪个是移动的，由于并不影响本发明的技术方案的实施，所以，本发明对此不作具体限定(图2以右弓形部件7.2固定为例)；使用时，用户通过转动位于移动式弓形部件7.1上的转动轮盘7.3带动该弓形部件7.1在位于车体1上的滑槽中平移，当移动式弓形部件7.1平移到与挂接主体紧密结合时启动转动轮盘上的锁止装置，此时，即可实现对夹持挂接主体的夹持固定，而对于平移的具体实现方式可以是基于丝杆、齿轮等结构，由于平移及锁止结构属于现有技术，本领域技术人员可以基于现有技术进行自主选择，例如，可基于专利公开号为cn206200170u、cn107855932a所公开的原理进行适应性变形来实现本发明的移动式弓形部件的平移及锁止，本发明对此不作限定。两个弓形部件除了可移动式与固定式这一区别之外的主体结构均是相同的，具体地，弓形部件的下部具有锯齿形的构造，上部具有凸出的连接柱7.4，中部具有承接缓冲连接柱6.4的小凹槽；与此相对应的，连接于作业机构的挂接主体的下部与弓形部件的上述锯齿形构造对应的设有软体部6.6，挂接主体的上部则设有凹型的容纳件6.5。于是，在弓形部件与挂接结构相接触时：在下部，弓形部件的锯齿形构造压入挂接主体的软体部6.6从而实现下部的牢固接触，不易出现滑动的情况；在上部，弓形部件的凸出连接柱7.4插入连接主体的上部的凹型容纳件6.5，实现了上部的牢固安装；在中部，弓形部件的小凹槽承接了缓冲柱6.4，从而实现了中部的稳定连接。由于挂接主体的中部还设有位于挂接主体内部并从挂接主体两侧边凸出一部分的连接柱6.4，该连接柱6.4是独立的两个，且二者在挂接主体的内部通过弹簧连接在一起，上部的凹形容纳件也具有类似的机构，于是，基于该特殊结构，可以实现在弓形部件与挂接主体接触时起到缓冲的作用，避免了粗暴操作对部件的损坏，而且，在具体执行作业任务时该结构还提高了部件间的阻尼度，进一步避免了金属刚性部件之间硬性接触导致的损坏。综上所述，本发明的挂接方式同时达到了牢固挂接与韧性挂接两方面的技术效果。
另外，由于本发明的空中农业机械是机器人，即其具备自动工作模式，所以，本发明还在弓形部件和连接主体上分别设置了通信及供电接口、通信及供电线缆。于是，在完成了作业模块与车辆本体的机械连接之后，用户此时只需要简单的将通信及供电线缆插入通信及供电接口就可以实现作业模块6与车辆本体1的通信连接及电力供应。对于具有自动工作模式的机器人来说，其作业模块可以在车辆本体上的控制模块的控制下实现各种作业任务的执行。当然，各作业模块也可以具备完全独立的控制模块，此时则只需要作业模块与车体实现电力连接即可；除此之外，各作业模块也可以具备半独立的控制模块，即，车体上的控制模块与作业模块自身的控制模块、或者车体上的控制模块、手持遥控器8与作业模块自身的控制模块多方共同实现对作业模块的作业任务的控制，本发明对此不作限定。
根据本发明实施例，所述采摘机构包括挂接模块、升降平台、可伸缩机械臂、采摘机构、第一摄像模块及测距模块，所述挂接模块与所述升降平台固定连接，所述可伸缩机械臂安装在所述升降平台上，所述可伸缩机械臂的末端安装有采摘机构、第一摄像模块及测距模块。基于该构造，可以基于第一摄像模块识别定位果实的方位、基于测距模块测得果实与采摘机构的距离，从而可以准确的摘取果实。
根据本发明实施例，所述喷药机构包括电动伸缩杆一、药液箱、加压器、导液管及喷头，所述导液管经所述加压器与药液箱连接，所述导液管与喷头连接，所述导液管及喷头设置于电动伸缩杆一上。
根据本发明实施例，所述巡检机构包括电动伸缩杆二及第二摄像模块，所述第二摄像模块设置于电动伸缩杆的顶部。
本发明还提供了第二实施方式，该实施方式与第一实施方式相比，主要改进之处在于：在第一实施方式的基础上增加了车辆的自动控制功能，从而可以实现车辆按照预定轨迹(例如，可以是用户事先输入的作业轨迹、空中机器人自主确定的作业轨迹、还可以是空中机器人在用户输入的作业轨迹的基础上进一步基于检测到的农情信息自主规划的新轨迹，等等)，通过车辆自主运行作业任务，可以解放人力，进一步提高用户的使用体验。
根据本发明实施例，在第一实施方式的基础上，本发明的所述感知模块3包括rfid阅读器，所述悬空轨道上设有rfid标签，所述rfid标签中存储有唯一的地址标识信息；所述控制模块5中存储有各rfid标签的地址标识信息，并基于rfid阅读器读取的rfid标签中的地址标识信息获知所处位置信息，从而控制车体按照规划路线行驶。
需要说明的是，在空中机器人执行作业任务之前，用户可以将设定好的作业任务及作业轨迹输入到空中机器人中，然后连接好对应的作业模块6之后就可以启动空中机器人的在悬空轨道上行进以执行作业功能。对于作业指令的输入方式，既可以是数据卡输入、程序烧录，也可以是通过有线或无线连接的外置终端实现，例如，该外置终端可以是手持遥控器，具体地，还可以是智能手机、平板电脑、pda等移动终端，本发明对此不做限定。同时，空中机器人在行驶的过程中可以通过第二摄像模块、rfid阅读器等实时了解自身的运动状况及下方的农情信息，从而确定是否需要调整运动状态；与此同时，手持遥控器8也可以通过无线通信与所述控制模块5连接以从所述通信模块4接收并显示车辆的实时运动状态，于是，在用户需要临时改变作业轨迹或、空中机器人的作业轨迹偏离、故障停滞等情况下，由用户向所述通信模块4发送行驶控制指令，即实现人工控制的接管或短时干预，进一步提升了空中机器人的作业效果。所述手持遥控器8不仅局限于对车辆运动状态的控制，还可以包括向控制模块5发送对各作业模块6的控制指令，例如，升降杆的升/降、摄像模块的启/闭、启动/停止喷药等。
根据本发明实施例，还包括电力模块，所述电力模块包括蓄电池及充电模块；所述悬空轨道上还包括若干充电插口，所述充电插口也设有rfid标签。
需要说明的是，蓄电池可以为空中机器人提供足够的电力支持。同时，为了增强实用性，也可以设置自动充电功能，即，空中机器人存储有悬空轨道上的各充电插口的rfid位置标识信息，并实时监测其蓄电情况，并在电力不足以支持后续作业时及时行驶至充电插口处进行自动充电，由于自动充电的轨迹规划等属于现有技术，本发明对此不再赘述。
本发明还提供了第三实施方式，本实施方式与前述实施方式的主要区别在于，增加了对巡检机构的具体限定。为了进一步实现农业作业的自动化，本发明增加了空中机器人的巡检功能，即，由机器人在悬空轨道上按一定轨迹对农田作物进行巡检，并基于本地图像智能化处理对包括杂草、农作物长势(包括作物高低、果实情况、病害情况等)等农情进行识别及统计分析，并生成巡检报告指导种植户及时浇水、施肥、打药等。
下面以对农情中的杂草为例进行巡检方法的说明：
s1：机器人行驶至悬空轨道的巡检初始位置，控制第二摄像模块实时获取农田图像，并传输至控制模块4；
s2：所述控制模块4对所述农田图像进行处理以识别杂草，具体为：
s21、图像预处理：基于绿色植物检测算法去除图像中的土壤像素，再通过中值滤波算法去除噪声影响以保留绿色植物的边缘，最后将图像转换为二进制。该步骤中，由于检测的对象是植物，所以需要首先通过绿色植物检测算法来去除非检测目标的土壤像素，其中的绿色植物的检测公式为：
i＝2×g-r-b
式中，i表示处理后绿色植物图像，r表示rgb图像中的红色像素，g表示rgb图像中的绿色像素，b表示rgb图像中的蓝色像素。
s22、基于连通域面积值将预处理后的图像中的小对象去除。该步骤中，由于草体幼苗及落叶等较小的对象并不会影响农作物的生长，所以，有必要将其去除以减轻控制模块的处理负荷。
s23、通过阈值分割算法提取出多个绿色植物区域，并对各个区域附加标签；用邻域跟踪算法提取所述绿色植物区域的叶片的面积s、周长p、最小外接矩长l和最小外接矩宽w；
s24、将步骤s23中获得的参数s、p、l、w以及预存的杂草特征数据库中的参数s、p、l、w按照统一标准进行归一化，然后，基于下述公式计算各绿色植物区域与预存的杂草特征数据的相似度，将相似度大于阈值的绿色植物区域识别为杂草。该步骤中的相似度计算方法可以为
式中，di表示第i个绿色植物区域与杂草特征的相似度，ω1-ω4表示权重，
s3、控制模块4将识别出的杂草数量与从rfid阅读器读取到的位置信息进行关联存储；
s4、机器人行驶至后续目标点并同样执行上述步骤s2-s3，直至行驶至预设巡检轨迹的终点；
s5、控制模块4对前述存储的杂草数量与对应的位置信息进行统计分析以生成巡检报告，并将巡检报告进行本地存储及通过通信模块发送至手持遥控器8。
需要说明的是，基于本实施方式的上述巡检过程，空中机器人可以在农田中按设定轨迹自动执行巡检任务，通过视觉识别算法快速识别当前农情，并能够基于实时农情生成对应的巡检报告，用户则可以在手持遥控器8及时查看巡检报告，从而可以确定是否需要执行采摘、喷药等作业任务，极大的提高了农业生产的效率，同时，由于该机器人的车体可快速连接采摘、喷药、巡检等多种不同的作业模块，也极大的降低了农业生产的成本。
对于本领域普通技术人员明显的是，上述公开的算法可以以多种形式被传送至处理装置，该处理装置可包括任何现有的电子控制单元或专用的电子控制单元。所述形式包括但不限于，永久存储在非可写的存储介质(例如，rom装置)上的信息以及可更改地存储在刻写的存储介质(例如，软盘、磁盘、磁带、cd、ram装置)和其他磁性和光学介质上的信息。所述算法还可以在软件可执行的对象中实现。或者，可利用合适的硬件组件(例如，专用集成电路(asic)、状态机、控制器)或其它硬件组件或装置或者硬件、软件和固件组件的组合整体或部分地实现所述算法。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
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