自主式田间机器人

摘要

本发明涉及一种自主式田间机器人，其特征在于包括机架体、行进引导装置、行走装置、作业对象检测装置、执行装置、控制系统和供电系统，在机架体的前后端分别安装有前舱和后舱，控制系统安装在前舱中，供电系统安装在后舱中，行进引导装置安装在机架体的前端，行走装置分别安装在机架体下方的前后端，在机架体的中部安装有作业对象检测装置和执行装置；所述的行进引导装置、行走装置、作业对象检测装置、执行装置与控制系统通过信号线连接，并与控制系统一起连接在供电系统上。本发明的自主式田间机器人在田间能自主行驶，通用性好，能做到一机多用，提高使用效率，降低使用成本。

权利要求

1.自主式田间机器人，包括机架体、行进引导装置、行走装置、作业对象检测装置、执行装置、控制系统和供电系统，在机架体的前后端分别安装有前舱和后舱，控制系统安装在前舱中，供电系统安装在后舱中，行进引导装置安装在机架体的前端，行走装置分别安装在机架体下方的前后端，在机架体的中部安装有作业对象检测装置和执行装置；所述的行进引导装置、行走装置、作业对象检测装置、执行装置与控制系统通过信号线连接，并与控制系统一起连接在供电系统上，其特征在于所述的执行装置包括水平齿杆、水平驱动步进电机、垂直驱动步进电机、水平驱动齿轮、垂直驱动齿轮、垂直导杆和执行器；水平齿杆水平地安装在机架体上，在机架体上与水平齿杆平行地安装有水平导杆，水平导杆上配合有滑块，在滑块上安装水平驱动步进电机和垂直驱动步进电机；水平驱动步进电机的输出端连接水平驱动齿轮，水平驱动齿轮与水平齿杆配合，垂直驱动步进电机的输出端连接垂直驱动齿轮，垂直驱动齿轮与安装在垂直导杆上的垂直齿杆配合；在垂直导杆的末端安装有执行器。

2.根据权利要求1所述的自主式田间机器人，其特征在于所述的行进引导装置为视觉传感器。

3.根据权利要求1所述的自主式田间机器人，其特征在于所述的作业对象检测装置为视觉传感器。

4.根据权利要求1所述的自主式田间机器人，其特征在于所述的行走装置为由直流电动机驱动的轮式行走机构。

5.根据权利要求1所述的自主式田间机器人，其特征在于所述的供电系统为蓄电池。

6.根据权利要求1所述的自主式田间机器人，其特征在于所述的控制系统包括计算机和多个分别用于控制行走装置、执行装置的单片机。

7.根据权利要求1所述的自主式田间机器人，其特征在于所述的执行器为电控喷嘴、电动锄具或采摘机械手。

说明书

自主式田间机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及一种农业机器人，具体讲是涉及一种可用于不同农业生产作业任务转换的自主式田间机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

[0002] 用于采摘、收获、除草、修剪、耕作、嫁接、农产品分级等方面的各具特色的农业机器人已在许多国家得以研究与开发应用。但这些农业机器人只是为解决专门农业生产中的自动化与智能化，这些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；并且由于季节性问题导致农业机器人使用效率低下，间接地增加了农业生产成本。

[0003] 在中国专利局公开的资料中，目前国内无用于农业生产的田间自主式机器人的报道。而在国外，主要是美国、日本与欧洲(如英国、荷兰等)等少数几个国家在作物收获、耕作、修剪、除草、喷洒、采摘及农田管理与测量等方面开展了相关研究与专利的申请。其中，在Hanley等人(US Patent 6671582-Flexible agricultural automation)与Koselka等人((WO/2006/063314)AGRICULTURAL ROBOT SYSTEM AND METHOD)申请的专利中充分体现了农业机器人的多用途特性。Hanley等人提出采用灵活的机器人技术来构建农业自动化装置，而该装置有一个驾驶室，操作人员坐在驾驶室内对装置进行转向、操作过程的监视及意外事故的处理等；该装置主要适用于葡萄栽培、马铃薯种植与有机蔬菜除草作业等。Koselka等人提出了具有多用途农事作业的农业机器人系统与方法，用于新鲜果蔬的收获、藤条的修剪、水果的挑选、作物生长或果芽的疏松、选择性的喷洒或施肥、除草、农业资源的测量与管理，但收获、修剪、挑选等作业操作是基于需由一个巡视机器人预先收集农田及作业对象的地图或图形信息后进行的；另外，所发明的农业机器人一般需要拖拉机等动力装置来牵引，通用性差，效率低下。

发明内容

[0004] 为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新的易于实现不同作业任务转换的多功能自主式田间机器人，提高通用性和作业效率，并可以实现扩展，降低生产成本。

[0005] 为实现上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：

[0006] 一种自主式田间机器人，包括机架体、行进引导装置、行走装置、作业对象检测装置、执行装置、控制系统和供电系统，在机架体的前后端分别安装有前舱和后舱，控制系统安装在前舱中，供电系统安装在后舱中，行进引导装置安装在机架体的前端，行走装置分别安装在机架体下方的前后端，在机架体的中部安装有作业对象检测装置和执行装置；所述的行进引导装置、行走装置、作业对象检测装置、执行装置与控制系统通过信号线连接，并与控制系统一起连接在供电系统上，其特征在于所述的执行装置包括水平齿杆、水平驱动步进电机、垂直驱动步进电机、水平驱动齿轮、垂直驱动齿轮、垂直导杆和执行器；水平齿杆水平地安装在机架体上，在机架体上与水平齿杆平行地安装有水平导杆，水平导杆上配合有滑块，在滑块上安装水平驱动步进电机和垂直驱动步进电机；水平驱动步进电机的输出端连接水平驱动齿轮，水平驱动齿轮与水平齿杆配合，垂直驱动步进电机的输出端连接垂直驱动齿轮，垂直驱动齿轮与安装在垂直导杆上的垂直齿杆配合；在垂直导杆的末端安装有执行器。

[0007] 前述的自主式田间机器人，其特征在于所述的行进引导装置为视觉传感器。

[0008] 前述的自主式田间机器人，其特征在于所述的作业对象检测装置为视觉传感器。

[0009] 前述的自主式田间机器人，其特征在于所述的行走装置为由直流电动机驱动的轮式行走机构。

[0010] 前述的自主式田间机器人，其特征在于所述的供电系统为蓄电池。

[0011] 前述的自主式田间机器人，其特征在于所述的控制系统包括计算机和多个分别用于控制行走装置、执行装置的单片机。

[0012] 前述的自主式田间机器人，其特征在于所述的执行器为电控喷嘴、电动锄具或采摘机械手。

[0013] 本发明的有益效果是：本发明的自主式田间机器人在田间能自主行驶，通用性好，能做到一机多用，提高使用效率，降低使用成本。

附图说明

[0014] 图1是本发明的自主式田间机器人下方安装电控喷嘴的结构示意图；

[0015] 图2是本发明的自主式田间机器人下方安装电动锄具的结构示意图；

[0016] 图3是本发明的自主式田间机器人下方安装采摘机械手的结构示意图；

[0017] 图4是本发明的自主式田间机器人上方安装电控喷嘴的结构示意图；

[0018] 图5是本发明的自主式田间机器人上方安装采摘机械手的结构示意图；

[0019] 图6是本发明的自主式田间机器人的执行装置的结构主视图；

[0020] 图7是本发明的自主式田间机器人的执行装置的结构俯视图；

[0021] 图8是本发明的系统控制框图；

[0022] 图9是本发明的系统工作流程图。

[0023] 图中主要部分的附图标记的含义：1、视觉传感器；2、前舱；3、机架体；4、后舱；5、行走装置；6、垂直导杆；7、视觉传感器；8、行走装置；9、电控喷嘴；10、电动锄具；11、采摘机械手，12、水平驱动齿轮；13、水平齿杆；14、垂直驱动齿轮；15、水平导杆；16、水平驱动步进电机；17、垂直驱动步进电机；18、滑块。

具体实施方式

[0024] 以下结合附图对本发明作具体的介绍。

[0025] 图1是本发明的自主式田间机器人下方安装电控喷嘴的结构示意图；图2是本发明的自主式田间机器人下方安装电动锄具的结构示意图；图3是本发明的自主式田间机器人下方安装采摘机械手的结构示意图；图4是本发明的自主式田间机器人上方安装电控喷嘴的结构示意图；图5是本发明的自主式田间机器人上方安装采摘机械手的结构示意图。

[0026] 如图所示，本发明的自主式田间机器人，包括机架体3、行进引导装置、行走装置5和8、作业对象检测装置、执行装置、控制系统和供电系统，在机架体3的前后端分别安装有前舱和后舱，控制系统及其他电子器件安装在前舱2中，供电系统与一些扩展接口安装在后舱4中，行进引导装置安装在机架体3的前端，行走装置5、8分别安装在机架体3下方的前后端，在机架体3的中部安装有作业对象检测装置和执行装置；所述的行进引导装置、行走装置、作业对象检测装置、执行装置与控制系统通过信号线连接，并与控制系统一起连接在供电系统上。

[0027] 其中行进引导装置和作业对象检测装置分别采用视觉传感器1和7，行走装置5和8可以采用由直流电动机驱动的轮式行走机构，供电系统采用蓄电池作为系统的总电源，为各个部件提供所需电源。控制系统采用多CPU系统，包括计算机和多个用于控制行走装置与执行装置的单片机，计算机为上位机，单片机为下位机，并按照标准通讯接口进行通讯，整个控制系统采用结构化、模块化的分层体系，只要改变部分软、硬件，就能变更判断基准，变更动作顺序，进行多种作业。

[0028] 在本发明中，行进引导装置与行走装置：用于对机器人平台进行导航与驱动平台行驶；

[0029] 作业对象检测装置与执行装置：用于农业生产作业对象的检测(识别与定位)与进行作业操作；

[0030] 控制系统：用于实时信息处理、传感器集成、通讯、规划与监控；多CPU系统是以快速计算处理单元(为实现快速的图像数据处理与作业规划，其运行速度不得低于500MHz)为上位机(即计算机)，通用单片机为下位机(即单片机)，并按标准通讯接口进行通讯的控制单元；

[0031] 供电系统：为机器人平台提供电力供应；

[0032] 机架体：为整个机器人平台的基础件，行进引导装置、行走装置、作业对象检测装置、执行装置、控制系统、供电系统等各部分的硬件都置于机架体上。

[0033] 图6是本发明的自主式田间机器人的执行装置的结构主视图；图7是本发明的自主式田间机器人的执行装置的结构俯视图。如图所示，对作业目标进行相关操作(喷洒、锄草、采摘作业)的执行装置，包括水平齿杆13、水平驱动步进电机16、垂直驱动步进电机17、水平驱动齿轮12、垂直驱动齿轮14、垂直导杆6和执行器。水平齿杆13水平地安装在机架体3上，在机架体3上与水平齿杆13平行地安装有水平导杆15，水平导杆15上配合有滑块18，在滑块18上安装水平驱动步进电机16和垂直驱动步进电机17。水平驱动步进电机16的输出端连接水平驱动齿轮12，水平驱动齿轮12与水平齿杆13配合，垂直驱动步进电机17的输出端连接垂直驱动齿轮14，垂直驱动齿轮14与安装在垂直导杆6上的垂直齿杆配合，在垂直导杆6的末端安装有执行器。

[0034] 执行装置利用两个步进电机的驱动，实现执行器的水平与垂直方向的运动，实现作业的精准对位。由水平驱动步进电机16带动的水平驱动齿轮12与固定在机架体3上的水平齿杆13的齿相啮合。当水平驱动步进电机16带动水平驱动齿轮12转动时，因水平齿杆13固定，故一同固定于滑块18上的水平驱动步进电机16、垂直驱动步进电机17与垂直导杆6(即图1-图5中的垂直导杆6)随滑块18一起作水平方向的运动。而垂直导杆6的垂直方向运动则由垂直驱动步进电机17驱动垂直驱动齿轮14来实现。因为执行器固定在垂直导杆6上，所以可实现执行器的水平方向与垂直方向的运动，从而实现对农田作物进行精确定位作业。

[0035] 执行器可以根据实际需要而更换安装，在图1中执行器为电控喷嘴9，对蔬菜进行喷水、喷农药或喷杀虫剂作业；图2中执行器为电动锄具10，可进行机械除草作业；图3中执行器为采摘机械手11，可进行农田采摘作业。这些执行器固定在垂直导杆6上，随垂直导杆6的移动而移动作业。

[0036] 图1—图3表示的是利用本发明的自主式田间机器人对地面作物的生产作业(喷水、喷药、除草、采摘等)，而图4与图5表示本发明的自主式田间机器人可用于侧方(或侧上方)果蔬等作物的生产作业(喷水、喷药、采摘等)。此时将作业对象检测装置和垂直导杆6向上安装，执行器安装在垂直导杆6上方的端部即可。

[0037] 图8为本发明的系统控制框图，图9为本发明的系统工作流程图。结合图8与图9说明本发明的工作过程：机器人系统在进行农业生产作业时，首先通过引导用的视觉传感器1采集农作物的信息，送予前舱2中的控制系统的上位机，上位机同时通过识别用的视觉传感器7对作业目标进行识别与作业动作规划。然后，上位机一方面与控制及驱动系统行走装置的下位机通信，由下位机根据上位机传来的指令控制直流电动机(位于图1-图5中的行走装置5与8内)的运转而实现机器人系统的行驶，并通过编码器的信息对机器人的速度与转向角等进行反馈控制；同时，上位机与作业控制的下位机通信，根据作业动作规划指令下位机一方面控制图6与图7中的水平驱动步进电机16与垂直驱动步进电机17，实现作业执行器的精确定位，另一方面控制作业执行器(图1-图5中的电控喷嘴9、电动锄具10、采摘机械手11等)的动作。上述工作过程将重复进行，直到农田作业任务完成。

[0038] 对于作业功能的转换：

[0039] 当需要对蔬菜进行喷水或杀虫作业时，转换控制程序为喷水或喷药作业，执行器换为电控喷嘴9，并在机器人平台上加装水箱或药箱。在机器人行驶过程中，控制系统通过视觉传感器7对蔬菜进行识别定位，然后控制图6与图7中水平驱动步进电机与垂直驱动步进电机移动电控喷嘴9至作业目标处进行定点喷水或定点喷药作业。

[0040] 当需要对田间杂草进行清除时，可以选择化学除草作业或机械除草作业，将控制程序转换为除草作业任务。如果采用化学除草作业，则执行器仍为电控喷嘴9，药箱中装入杀虫剂液。控制系统通过视觉传感器7对杂草进行判断、识别与定位后，控制电控喷嘴9进行定点喷药作业。如果采用机械除草作业，则执行装置换为电动锄具10。控制系统通过视觉传感器7对杂草进行判断、识别与定位后，控制电动锄具10进行机械除草作业。

[0041] 当需要在田间进行采摘作业时，将控制程序切换为采摘作业任务，并将执行器换装为采摘机械手11。控制系统通过视觉传感器7对采摘目标进行判断、识别与定位后，控制采摘机械手11进行采摘作业。

[0042] 当需要对侧方或侧上方的农作物进行喷洒或采摘作业时，将识别视觉传感器7与执行器(电控喷嘴9或采摘机械手11)置于机架体3的上方(或侧方)，如图4与图5所示。其作业控制过程与上述的作业控制过程一样。

[0043] 办呢发明中的视觉传感器1和7可进一步结合GPS、激光扫描仪、位姿传感器等有关感知器件，进一步改善机器人的自主引导能力、作业对象检测精度、任务执行的可靠性，并进一步扩展作业任务。

[0044] 上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。