本发明涉及一种设施叶菜采收机器人的自动换轨行走底盘，采用的技术方案：包括轨道车底盘、运动机构、转向机构、控制机构和蓄电池。所述的运动机构用于驱动轨道车在轨道上运动和停止以及换轨时驱动各个行走轮的转动以及行走；转向机构用于换轨时控制各个行走轮进行三次确定角度的转向工作；控制机构用于定位轨道车的各个工作位置、控制运动和转向机构的时序配合以及各运动过程中的位移量。本发明可承载其他作业机械完成运输工作，可以稳定快速的沿着轨道运动，准确停靠在轨道末端设定停靠位置，自主完成平行换轨工作等多种复合功能。本发明机械结构简单，车体紧凑，换轨工作占地面积小，不需其他辅助设施，自动化程度高，可进行全自动或远程遥控的温室作业。
1.一种设施叶菜采收机器人的自动换轨行走底盘，其特征在于包括轨道车底盘、运动机构、转向机构、控制机构和蓄电池；
所述的运动机构包括行走轮、行走轮固定架、驱动装置、固定螺栓和锁紧螺母；所述的行走轮固定架是万向轮旋转架，行走轮固定架上部是圆柱平台和中空的框架，四个行走轮固定架分别通过固定螺栓和锁紧螺母固定在轨道车底盘的四个角上，分别称为行走轮固定架一、行走轮固定架二、行走轮固定架三、行走轮固定架四；所述的行走轮采用双边轨道轮，行走轮分别固定安放于行走轮固定架的中间，分别称为行走轮一、行走轮二、行走轮三、行走轮四；所述的驱动装置由驱动电机、同步轮、同步带、轴承和传动轴组成；所述的驱动电机选用12V直流减速电机，驱动电机安放在电机固定架上部框架内；所述的同步轮一个安放在驱动电机的动力输出轴上，另一个安放在运动机构中传动轴的一侧；所述的同步带张紧连接两个同步轮；所述的轴承安放在行走轮固定架两侧，与传动轴配合将行走轮固定在行走轮固定架内并为其传输动力；本发明采用四轮独立驱动，故每个行走轮固定架与行走轮均配备一套这样的驱动装置；
所述的转向机构包括滚珠丝杠台、丝杠电机、联轴器、滑轮组、钢丝绳和钢丝绳卡扣；所述的滚珠丝杠台固定安放在轨道车底盘上方中心位置，滑块上固定两个加长板；所述的丝杠电机固定安放在滚珠丝杠台一端，通过联轴器与滚珠丝杠台连接；所述的滑轮组是双排滑轮，由滑轮、滑轮固定架、固定螺栓、固定螺母组成；所述的滑轮固定架通过固定螺钉固定安放在轨道车底盘上相应的位置，其中行走轮内侧各对应固定一组滑轮组，滚珠丝杠台每端各固定一组滑轮组，分别称为滑轮组一、滑轮组二、滑轮组三、滑轮组四、滑轮组五、滑轮组六；所述的滑轮通过固定螺栓和固定螺母分别固定在滑轮固定架的两层，分别称为滑轮上一、滑轮上二、滑轮上三、滑轮上四、滑轮上五、滑轮上六和滑轮下一、滑轮下二、滑轮下三、滑轮下四、滑轮下五、滑轮下六；所述的钢丝绳一端固定连接在行走轮固定架上部圆柱平台一侧并绕至另一侧后，再分别绕过相对应的滑轮，另一端连接到滚珠丝杠台上滑块加长板上，分别称为钢丝绳上一、钢丝绳上二、钢丝绳上三、钢丝绳上四和钢丝绳下一、钢丝绳下二、钢丝绳下三、钢丝绳下四；所述的钢丝绳卡扣分别将在绕过滑轮组五和滑轮组六之前的两根钢丝绳固定并只通过一根钢丝绳绕滑轮组五和滑轮组六；
所述的转向机构中各个部件的连接关系为：上层部件中，钢丝绳上一的一端连接行走轮固定架一，绕过滑轮上一和滑轮上六，另一端连接到滚珠丝杠台；钢丝绳上二的一端连接行走轮固定架二，绕过滑轮上二，另一端通过钢丝绳卡扣连接到钢丝绳上一上；钢丝绳上三的一端连接行走轮固定架三，绕过滑轮上三和滑轮上五，另一端连接到滚珠丝杠台；钢丝绳上四的一端连接行走轮固定架四，绕过滑轮上四，另一端通过钢丝绳卡扣连接到钢丝绳上三上；相对应的下层的各个部件也采用上述连接方法；
所述的控制机构包括接近开关、单片机、电机控制器、无线通信装置和地面金属；所述的接近开关安放在轨道车底盘右侧中间部分；所述的地面金属安放在轨道车下轨后所需停车位置和轨道车两次转动需停车位置车身所对应的右侧中间位置；所述的单片机、驱动电机控制器以及无线通信装置均安放到轨道车底盘上的控制箱内，完成对轨道车各个机构的无线控制以及轨道车的自动换轨。
2.根据权利要求1所述一种设施叶菜采收机器人的自动换轨行走底盘的换轨方法，其特征在于包括如下步骤：
1)第一次转向：轨道车下轨后接近开关检测到地面金属后发送信号到单片机，控制各驱动电机停止工作；控制系统再控制滚珠丝杠台滑块向远离丝杠电机一端运动，通过钢丝绳和滑轮完成行走轮旋转，各行走轮需旋转到行走轮平面与底盘中心和行走轮中心连线的相切位置；
2)轨道车掉头：第一次转向后控制系统通过电机控制器控制行走轮一、行走轮四对应的驱动电机正转，行走轮二、行走轮三对应的驱动电机反转直至车体旋转180°后，接近开关检测到另一侧地面金属，将信号发送给单片机，控制各驱动电机停止工作；
3)第二次转向：控制系统再控制滚珠丝杠台滑块向远离丝杠电机一端运动，通过钢丝绳和滑轮完成行走轮旋转，各行走轮需旋转到相对下轨角度转动90°；
4)平行换轨：控制系统通过电机控制器控制行走轮一、行走轮三对应的驱动电机正转，行走轮二、行走轮四对应的驱动电机反转，轨道车前进至接近开关检测到另一条轨道的地面金属，控制系统控制各驱动电机停止；
5)反转向：控制系统控制滚珠丝杠台滑块向接近丝杠电机一端运动，通过钢丝绳和滑轮完成行走轮旋转，各行走轮需旋转90°恢复到正常工作位置；
6)轨道车上轨：控制系统通过电机控制器控制各驱动电机运动，轨道车前进上轨，完成换轨工作。
一种设施叶菜采收机器人的自动换轨行走底盘及换轨方法
技术领域
[0001] 本发明涉及农业机器人领域，尤其是一种设施叶菜采收机器人的自动换轨行走底盘及换轨方法，用于温室中在平行轨道上的行走和换轨。技术背景
[0002] 轨道车是一种可沿轨道运动并利用轨道设定好的行驶路线，从而达到在物流运输的目的。轨道车无需驾驶可沿规划路线自动行驶，可做加减速和制动规划、停车位置准确。与其他的自动导引运输车AGV相比，轨道车具有控制简单、可靠性和适应性好的特点。
[0003] 在设施农业生产中，日光温室在寒冷冬季仅靠太阳辐射获得热量，不能完全满足作物生长发育需要，需在应用加温设备补充供暖。结合轨道车的上述优点，可将温室的加温管道作为行驶轨道，使温室变成半结构化环境便于实现温室作业机器人的自动控制，降低了作业机器人的投入成本，因此在轨行走的设施作业机器人可广泛应用于大型连栋温室。然而，在轨自走的换轨一直是上述应用的一个瓶颈问题。其主要原因是大型温室内大多采用平行轨道，为了提高空间利用率和降低投入成本，无法采用U型连接轨道换轨方式，这样轨道车能否自主高效的完成换轨工作就显得尤为重要。
[0004] 现有轨道车换轨技术主要集中在两种方式：一是铺设两套轨道，即运动主轨和移动副轨，同时轨道车配有两套车轮以及升降装置完成轨道车分别在两套轨道上运动的任务来完成轨道车的换轨工作；另一方式是在轨道车的轨道末端上空搭设高空轨道，用天车将轨道车直接提升移动到另一条轨道上再将其放下来完成轨道车的换轨工作。这两种换轨方式均有明显的缺陷，由于需要辅助装置，增加了生产成本，并且换轨过程较为繁琐，降低了换轨效率。
[0005] 由于温室中的主要包括播种、收获和物流运输等作业，因此作业机具与行走底盘配合应具有高适应性和高作业效率，但目前缺乏能够高效自主换轨且结构简单的行走底盘。迫切需要发明一种结构轻便、操作简单、适应性高以及能自主高效平行换轨的行走底盘，实现承载作业机械完成运输工作，可以稳定快速的沿着轨道运动，准确停靠在设定位置，自主完成平行换轨工作等目的，提高温室运输和作业效率，降低生产成本，具有十分重要的意义。
发明内容
[0006] 本发明针对现有技术的缺陷，解决在轨行走换轨方式复杂、成本高、换轨低效的问题而发明的一种设施叶菜采收机器人的自动换轨行走底盘及换轨方法，该行走底盘具有承载作业机械完成运输工作，可以稳定快速的沿着轨道运动，准确停靠在设定位置，自主完成平行换轨工作等多种复合功能。
[0007] 本发明一种设施叶菜采收机器人的自动换轨行走底盘采用的技术方案：包括轨道车底盘、运动机构、转向机构、控制机构和蓄电池。所述的轨道车底盘用于固定和支撑运动机构、转向机构、控制机构和蓄电池；所述的运动机构一方面用于驱动和控制轨道车在轨道上运动和停止，另一方面用于轨道车下轨道后进行换轨运动时驱动各个行走轮的转动以及行走；转向机构用于轨道车下轨道后控制各个行走轮进行两次确定角度的转动，以及在轨道车移动到另一轨道后控制各个行走轮再次的转向工作；控制机构用于定位轨道车的各个工作位置、控制各组成机构工作时刻的配合以及控制各运动过程中的位移量。
[0008] 所述的运动机构包括行走轮、行走轮固定架、驱动装置、固定螺栓和锁紧螺母。所述的行走轮固定架是万向轮旋转架，行走轮固定架上部是圆柱平台和中空的框架，四个行走轮固定架分别通过固定螺栓和锁紧螺母固定在轨道车底盘的四个角上，分别称为行走轮固定架一、行走轮固定架二、行走轮固定架三、行走轮固定架四；所述的行走轮采用双边轨道轮，行走轮分别固定安放于行走轮固定架的中间，分别称为行走轮一、行走轮二、行走轮三、行走轮四；所述的驱动装置由驱动电机、同步轮、同步带、轴承和传动轴组成；所述的驱动电机选用12V直流减速电机，驱动电机安放在电机固定架上部框架内；所述的同步轮一个安放在驱动电机的动力输出轴上，另一个安放在运动机构中传动轴的一侧；所述的同步带张紧连接两个同步轮；所述的轴承安放在行走轮固定架两侧，与传动轴配合将行走轮固定在行走轮固定架内并为其传输动力。本发明采用四轮独立驱动，故每个行走轮固定架与行走轮均配备一套这样的驱动装置。
[0009] 所述的转向机构包括滚珠丝杠台、丝杠电机、联轴器、滑轮组、钢丝绳和钢丝绳卡扣。所述的滚珠丝杠台固定安放在轨道车底盘上方中心位置，滑块上固定两个加长板；所述的丝杠电机固定安放在滚珠丝杠台一端，通过联轴器与滚珠丝杠台连接；所述的滑轮组是双排滑轮，由滑轮、滑轮固定架、固定螺栓、固定螺母组成；所述的滑轮固定架通过固定螺钉固定安放在轨道车底盘上相应的位置，其中行走轮内侧各对应固定一组滑轮组，滚珠丝杠台每端各固定一组滑轮组，分别称为滑轮组一、滑轮组二、滑轮组三、滑轮组四、滑轮组五、滑轮组六；所述的滑轮通过固定螺栓和固定螺母分别固定在滑轮固定架的两层，分别称为滑轮上一、滑轮上二、滑轮上三、滑轮上四、滑轮上五、滑轮上六和滑轮下一、滑轮下二、滑轮下三、滑轮下四、滑轮下五、滑轮下六；所述的钢丝绳一端固定连接在行走轮固定架上部圆柱平台一侧并绕至另一侧后，再分别绕过相对应的滑轮，另一端连接到滚珠丝杠台上滑块加长板上，分别称为钢丝绳上一、钢丝绳上二、钢丝绳上三、钢丝绳上四和钢丝绳下一、钢丝绳下二、钢丝绳下三、钢丝绳下四；所述的钢丝绳卡扣分别将在绕过滑轮组五和滑轮组六之前的两根钢丝绳固定并只通过一根钢丝绳绕滑轮组五和滑轮组六。
[0010] 所述的转向机构中各个部件的连接关系为：上层部件中，钢丝绳上一的一端连接行走轮固定架一，绕过滑轮上一和滑轮上六，另一端连接到滚珠丝杠台；钢丝绳上二的一端连接行走轮固定架二，绕过滑轮上二，另一端通过钢丝绳卡扣连接到钢丝绳上一上；钢丝绳上三的一端连接行走轮固定架三，绕过滑轮上三和滑轮上五，另一端连接到滚珠丝杠台；钢丝绳上四的一端连接行走轮固定架四，绕过滑轮上四，另一端通过钢丝绳卡扣连接到钢丝绳上三上；相对应的下层的各个部件也采用上述连接方法。
[0011] 所述的控制机构包括接近开关、单片机、电机控制器、无线通信装置和地面金属。所述的接近开关安放在轨道车底盘右侧中间部分；所述的地面金属安放在轨道车下轨后所需停车位置和轨道车两次转动需停车位置车身所对应的右侧中间位置；所述的单片机、驱动电机控制器以及无线通信装置均安放到轨道车底盘上的控制箱内，完成对轨道车各个机构的无线控制以及轨道车的自动换轨。
[0012] 本发明一种设施叶菜采收机器人的自动换轨行走底盘的换轨方法，包括如下步骤：
[0013] 1第一次转向：轨道车下轨后接近开关检测到地面金属后发送信号到单片机，控制各驱动电机停止工作；控制系统再控制滚珠丝杠台滑块向远离丝杠电机一端运动，通过钢丝绳和滑轮完成行走轮旋转，各行走轮需旋转到行走轮平面与底盘中心和行走轮中心连线的相切位置；
[0014] 2轨道车掉头：第一次转向后控制系统通过电机控制器控制行走轮一、行走轮四对应的驱动电机正转，行走轮二、行走轮三对应的驱动电机反转直至车体旋转180°后，接近开关检测到另一侧地面金属，将信号发送给单片机，控制各驱动电机停止工作；
[0015] 3第二次转向：控制系统再控制滚珠丝杠台滑块向远离丝杠电机一端运动，通过钢丝绳和滑轮完成行走轮旋转，各行走轮需旋转到相对下轨角度转动90°；
[0016] 4平行换轨：控制系统通过电机控制器控制行走轮一、行走轮三对应的驱动电机正转，行走轮二、行走轮四对应的驱动电机反转，轨道车前进至接近开关检测到另一条轨道的地面金属，控制系统控制各驱动电机停止；
[0017] 5反转向：控制系统控制滚珠丝杠台滑块向接近丝杠电机一端运动，通过钢丝绳和滑轮完成行走轮旋转，各行走轮需旋转90°恢复到正常工作位置；
[0018] 6轨道车上轨：控制系统通过电机控制器控制各驱动电机运动，轨道车前进上轨，完成换轨工作。
[0019] 本发明一种设施叶菜采收机器人的自动换轨行走底盘及换轨方法具有如下优点：
[0020] 1)本发明可搭载叶菜采收机器人或其他温室设施作业机具，完成基于温室轨道的叶菜采收或其他农艺作业；
[0021] 2)本发明机械结构简单，车体紧凑，换轨工作占地面积小，不需其他辅助设施；
[0022] 3)本发明自动化程度高，可进行全自动的温室轨道作业或者远程遥控控制。
附图说明
[0023] 图1为本发明温室平行轨道自动换轨行走底盘的机构示意图；
[0024] 图2为自动换轨行走底盘的主视图；
[0025] 图3为自动换轨行走底盘的左视图；
[0026] 图4为自动换轨行走底盘的仰视图；
[0027] 图中：1、轨道车底盘 2、滚珠丝杠台 3、丝杠电机 4、控制箱 5、行走轮固定架一 6、行走轮一 7、行走轮固定架二 8、行走轮二 9、蓄电池 10、行走轮固定架四 11、行走轮四
12、轴承 13、行走轮三 14、行走轮固定架三 15、同步轮 16、驱动电机 17、传动轴 18、同步带 19、接近开关 20、锁紧螺母 21、滑轮固定架 22、钢丝绳上一 23、滑轮上一 24、滑轮上二 25、钢丝绳上二 26、滑轮上六 27、钢丝绳卡扣 28、钢丝绳上三 29、滑轮上三 30、滑轮上四 31、钢丝绳上四 32、滑轮上五
具体实施方式
[0028] 下面结合附图对本发明专利进行进一步的说明。本发明所述一种设施叶菜采收机器人的自动换轨行走底盘，如图1、2、3、4所示。所述的运动机构包括行走轮、行走轮固定架、驱动装置、固定螺栓和锁紧螺母20。所述的行走轮固定架是万向轮旋转架，行走轮固定架上部是圆柱平台和中空的框架，四个行走轮固定架分别通过固定螺栓和锁紧螺母20固定在轨道车底盘1的四个角上，分别称为行走轮固定架一5、行走轮固定架二7、行走轮固定架三14、行走轮固定架四10；所述的行走轮采用双边轨道轮，行走轮分别固定安放于行走轮固定架的中间，分别称为行走轮一6、行走轮二8、行走轮三13、行走轮四11；所述的驱动装置由驱动电机16、同步轮15、同步带18、轴承12和传动轴17组成；所述的驱动电机16选用12V直流减速电机，驱动电机16安放在电机固定架上部框架内；所述的同步轮15一个安放在驱动电机16的动力输出轴上，另一个安放在运动机构中传动轴17的一侧；所述的同步带18张紧连接两个同步轮15；所述的轴承12安放在行走轮固定架两侧，与传动轴17配合将行走轮固定在行走轮固定架内并为其传输动力。本发明采用四轮单独驱动系统，故每个行走轮固定架与行走轮均配备一套这样的驱动装置。
[0029] 所述的转向机构包括滚珠丝杠台2、丝杠电机3、联轴器、滑轮组、钢丝绳和钢丝绳卡扣27。所述的滚珠丝杠台2固定安放在轨道车底盘1上方中心位置，滑块上固定两个加长板；所述的丝杠电机3固定安放在滚珠丝杠台2一端，通过联轴器与滚珠丝杠台2连接；所述的滑轮组是双排滑轮，由滑轮、滑轮固定架21、固定螺栓、固定螺母组成；所述的滑轮固定架21通过固定螺钉固定安放在轨道车底盘1上相应的位置，其中行走轮内侧各对应固定一组滑轮组，滚珠丝杠台2每端各固定一组滑轮组，分别称为滑轮组一、滑轮组二、滑轮组三、滑轮组四、滑轮组五、滑轮组六；所述的滑轮通过固定螺栓和固定螺母分别固定在滑轮固定架
21的两层，分别称为滑轮上一23、滑轮上二24、滑轮上三29、滑轮上四30、滑轮上五32、滑轮上六26和滑轮下一、滑轮下二、滑轮下三、滑轮下四、滑轮下五、滑轮下六；所述的钢丝绳一端固定连接在行走轮固定架上部圆柱平台一侧并绕至另一侧后，再分别绕过相对应的滑轮，另一端连接到滚珠丝杠台2上滑块加长板上，分别称为钢丝绳上一22、钢丝绳上二25、钢丝绳上三28、钢丝绳上四31和钢丝绳下一、钢丝绳下二、钢丝绳下三、钢丝绳下四；所述的钢丝绳卡扣27分别将在绕过滑轮组五和滑轮组六之前的两根钢丝绳固定并只通过一根钢丝绳绕滑轮组五和滑轮组六。
[0030] 所述的转向机构中各个部件的连接关系为：上层部件中，钢丝绳上一22的一端连接行走轮固定架一5，绕过滑轮上一23和滑轮上六26，另一端连接到滚珠丝杠台2；钢丝绳上二25的一端连接行走轮固定架二7，绕过滑轮上二24，另一端通过钢丝绳卡扣27连接到钢丝绳上一23上；钢丝绳上三28的一端连接行走轮固定架三13，绕过滑轮上三29和滑轮上五32，另一端连接到滚珠丝杠台2；钢丝省上四31的一端连接行走轮固定架四10，绕过滑轮上四30，另一端通过钢丝绳卡扣27连接到钢丝绳上三28上。相对应的下层的各个部件也采用上述连接方法。
[0031] 所述的控制机构包括接近开关19、单片机、电机控制器、无线通信装置和地面金属。所述的接近开关19安放在轨道车底盘1右侧中间部分；所述的地面金属安放在轨道车下轨后所需停车位置和轨道车两次转动需停车位置车身所对应的右侧中间位置；所述的单片机、驱动电机控制器以及无线通信装置均安放到轨道车底盘1上的控制箱4内，完成对轨道车各个机构的无线控制以及轨道车的自动换轨。
[0032] 本发明一种设施叶菜采收机器人的自动换轨行走底盘的换轨方法，包括如下步骤：
[0033] 1)第一次转向：轨道车下轨后接近开关19检测到地面金属后发送信号到单片机，控制各驱动电机16停止工作；控制系统再控制滚珠丝杠台2滑块向远离丝杠电机3一端运动，通过钢丝绳和滑轮完成行走轮旋转，各行走轮需旋转到行走轮平面与底盘中心和行走轮中心连线的相切位置；
[0034] 2)轨道车掉头：第一次转向后控制系统通过电机控制器控制行走轮一6、行走轮四11对应的驱动电机16正转，行走轮二8、行走轮三13对应的驱动电机16反转直至车体旋转
180°后，接近开关19检测到另一侧地面金属，将信号发送给单片机，控制各驱动电机16停止工作；
[0035] 3)第二次转向：控制系统再控制滚珠丝杠台2滑块向远离丝杠电机3一端运动，通过钢丝绳和滑轮完成行走轮旋转，各行走轮需旋转到相对下轨角度转动90°；
[0036] 4)平行换轨：控制系统通过电机控制器控制行走轮一6、行走轮三13对应的驱动电机16正转，行走轮二8、行走轮四11对应的驱动电机16反转，轨道车前进至接近开关19检测到另一条轨道的地面金属，控制系统控制各驱动电机16停止；
[0037] 5)反转向：控制系统控制滚珠丝杠台2滑块向接近丝杠电机3一端运动，通过钢丝绳和滑轮完成行走轮旋转，各行走轮需旋转90°恢复到正常工作位置；
[0038] 6)轨道车上轨：控制系统通过电机控制器控制各驱动电机16运动，轨道车前进上轨，完成换轨工作。
