具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人及仿形控制方法技术

本发明专利技术提供了一种具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人及仿形控制方法，所述机器人可根据起伏不平的作物冠层/地面对其车身底盘姿态进行柔性仿形控制，使挂接在车身底盘机架上的机具与车身下方的作物冠层/地面基本保持平行，避免底盘/机具触地或伤苗，将底盘/机具与作物冠层/地面的距离始终控制在理想范围内，不仅适用的地形多，且能适应作物的生长变化，有效的拓宽了机器人的应用场景和使用时间段，提高了作业效率，降低机器人的整体使用成本。在进一步的方案，还提供了一种稳定可靠的轮腿驱动结构，可有效减少作业机具的晃动，提高作业质量，尤其适应对轮腿机构进行实时调整的仿形控制过程，具有良好的耐用度。

【技术实现步骤摘要】
具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人及仿形控制方法
本专利技术属于农业机械
，具体为一种具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人及仿形控制方法。
技术介绍
自主机器人在农业中的应用越来越受欢迎，因为它可能对粮食安全、可持续性、资源利用效率、减少化学制剂使用、减少人工劳动和最大化产量产生巨大影响。近年来出现了各种各样的农业机器人，它们涵盖了多种农业应用场景，例如作物表型监测、数据采样，农药和化肥的精确可变量施药以及自主除草等，但是，到目前为止，还没有全面进入自主田间作业的商业应用阶段，主要原因是大多轮式农业机器人底盘结构固定，用途单一，仅能在短时间内执行单一的作业任务，从而导致作业成本提高，所以在经济上尚不能被广泛应用。底盘使用高度自动调节装置的机器，如申请号为201810563206.3，名称为“一种农业机械的底盘高度自动调节装置”，能实现底盘横向和纵向保持水平，有利于各行走轮均与地面充分接触并均匀受力。但是农业机械在斜坡上作业时，底盘应平行与作物，才能保证管理、收获等机具(尤其是喷杆这类作业幅宽比较大的机具)均匀一致的作业。又如申请本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人，包括车身(27)、探测系统、控制系统以及由控制系统独立控制的四个轮腿机构，其特征在于：/n所述探测系统包括安装在车身(27)上的三维地形探测传感器(24)、卫星定位模块(23)、惯性传感器(25)和非接触式距离传感器，所述三维地形探测传感器(24)安装在车身(27)的前部，用于探测前方作物冠层/地面的高度/坡度的变化；所述卫星定位模块(23)用于确认车身(27)的位置信息；所述惯性传感器(25)用于采集底盘的姿态角度；所述非接触式距离传感器安装在底盘底面的几何中心处，采集底盘与作物冠层/地面之间的高度距离；/n所述轮腿机构通过转轴支架(3)安装在车...

【技术特征摘要】
1.一种具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人，包括车身(27)、探测系统、控制系统以及由控制系统独立控制的四个轮腿机构，其特征在于：
所述探测系统包括安装在车身(27)上的三维地形探测传感器(24)、卫星定位模块(23)、惯性传感器(25)和非接触式距离传感器，所述三维地形探测传感器(24)安装在车身(27)的前部，用于探测前方作物冠层/地面的高度/坡度的变化；所述卫星定位模块(23)用于确认车身(27)的位置信息；所述惯性传感器(25)用于采集底盘的姿态角度；所述非接触式距离传感器安装在底盘底面的几何中心处，采集底盘与作物冠层/地面之间的高度距离；
所述轮腿机构通过转轴支架(3)安装在车身底盘的车架上，包括回转主轴(15)、摇臂、转向装置、车轮支架(20)、车轮(19)和角度传感器；
其中，所述转向装置包括转向控制电机(21)和电机安装座(22)，回转主轴(15)通过摇臂与电机安装座(22)连接，所述回转主轴(15)由伺服电机(1)驱动，利用伺服电机(1)的转动调节所述摇臂的横向摆角，实现对轮距的调节；
所述摇臂中设有升降装置(18)，所述升降装置包括升降连杆A(18-1)、直线执行器(18-2)、升降连杆B(18-3)，所述升降连杆A(18-1)位于升降连杆B(18-3)正上方，二者保持平行，且二者前后两端均通过铰支座与左、右两个铰支座安装板活动连接，即升降连杆A(18-1)、升降连杆B(18-3)与所述左、右两个铰支座安装板构成了平行四边形结构；所述直线执行器(18-2)的一端与其一升降连杆铰接，另一端与另一升降连杆或其一铰支座安装板铰接，通过伸缩运动控制所述平行四边形结构变形，实现对底盘高度的调节；
所述角度传感器与控制系统连接，包括采集回转主轴(15)转角的第一角度传感器和采集升降连杆转角的第二角度传感器，所述第二角度传感器用于测量升降连杆与铅垂线的夹角；
所述控制系统通过独立控制四个轮腿机构直线执行器(18-2)的动作，实现对底盘姿态的调整，并针对直线执行器(18-2)动作引发的轮距变化，通过各伺服电机(1)控制调节各轮腿机构的横向摆角，以补偿所述轮距变化，维持位于作物左右两侧的车轮轮距恒定，同时，通过转向控制电机(21)补偿车轮(19)转向的变化，使车轮(19)转向角保持不变，从而避免由于轮距调整导致底盘航向变化。


2.根据权利要求1所述的一种具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人，其特征在于，回转主轴(15)的驱动机构包括所述伺服电机(1)以及位于其下方的减速器(2)、电磁离合器(6)和联轴器；
所述伺服电机(1)的壳体与减速器(2)的壳体固连在一起，伺服电机(1)的通过减速器(2)与电磁离合器(6)的动力输入端轴连接，所述电磁离合器(6)的动力输出轴与回转主轴(15)的动力输入端轴连接；
所述联轴器设有可相对转动的内外两个套筒，其中内套筒(5)的顶部高出外套筒(13)的顶面，并设有向外凸起的凸缘；外套筒(13)的底部设有向内凸起的凸缘，回转主轴(15)的下部也设有一圈向外凸起的凸缘；
所述回转主轴(15)位于其凸缘上方的部位处于内套筒(5)中，内套筒(5)与回转主轴(15)之间设有轴承，使回转主轴(15)可相对内套筒(5)稳定转动；所述外套筒(13)与内套筒(5)之间亦设有轴承，回转主轴(15)下部的凸缘与外套筒(13)的底部凸缘固定连接，外套筒(13)随回转主轴(15)同步转动；
所述内套筒(5)通过连接盘(4)与转轴支架(3)固定连接，所述连接盘(4)为一环形件，设有外圈盘体和内圈盘体，其内圈盘体相对外圈盘体下沉，形成台阶面；减速器(2)壳体底部的安装面与连接盘(4)内圈盘体的里侧部分通过法兰结构固定连接，内套筒(5)顶部的凸缘通过法兰结构与连接盘(4)内圈盘体的外侧部位固定连接，连接盘(4)的外圈盘体则通过螺栓与所述转轴支架(3)固定连接。


3.根据权利要求2所述的一种具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人，其特征在于，设有锁定回转主轴(15)的锁定电磁铁(10)；
所述锁定电磁铁(10)布置在回转主轴(15)的周侧，与内套筒(5)固定连接；当需要控制回转主轴(15)转动时，电磁离合器(6)被接通，伺服电机(1)的动力传递到回转主轴(15)上，带动回转主轴(15)旋转，当回转主轴(15)转动到预设的角度以后，控制电磁离合器(6)断开时，同时启动锁定电磁铁(10)，使其锁住回转主轴(15)的位置，防止所述轮腿机构发生自由旋转。


4.根据权利要求2所述的一种具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人，其特征在于：
所述内套筒(5)与回转主轴(15)之间设有上、下两个内圈轴承，两内圈轴承被内圈轴承限位机构定位，在轴向上无法位移；
所述内圈轴承限位机构包括卡在上、下两个内圈轴承之间的内圈轴承套筒(11)以及套在回转主轴15上的上下两...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔龙飞，薛新宇，乐飞翔，孙涛，金永奎，丁素明，张宋超，秦维彩，杨风波，
申请(专利权)人：农业农村部南京农业机械化研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32