一种田间基质填充机器人的制作方法

1.本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种田间基质填充机器人。


背景技术：

2.在传统的田间基质填充作业中，存放基质的基质仓与田块之间、各田块之间的基质输送和填充主要依赖人力，存在效率低、人工劳动强度大、人力成本高等问题。agv机器人具有路径灵活、不占用空间、较好的移动性等优点，可以大大节省人力成本，提高基质输送和填充效率。但现有的agv机器人用于田间基质填充作业仍存在以下不足：移动运输不够轻便，避障功能有待提高，续航里程和续航时间受限，缺乏对不同田块植物所需基质湿度、种类等因素的考虑，难以适应不同基质填充作业要求，适用范围较小。
3.因此亟需提供一种新型的田间基质填充机器人来解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种田间基质填充机器人，能够自动判别田间地形状况进行行走、转向，续航里程和续航时间长，且满足不同田块的基质填充需求。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种田间基质填充机器人，包括填充机器人本体，还包括agv车体、电源单元、导航单元、填充单元和控制单元；
6.所述agv车体用于承载所述填充机器人本体，下部四个角处均设驱动轮，用于实现行走；
7.所述电源单元为填充机器人提供能量来源，采用交流220v市电供电和太阳能供电的双电源供电；
8.所述导航单元安放在所述agv车体内，用于将所述填充机器人移动到目标位置，包括定位模块、避障模块、路径导航模块和导航存储模块，定位模块、避障模块的输出端与路径导航模块的输入端连接，路径导航模块的输出端与导航存储模块连接；
9.所述填充单元安装在所述填充机器人壳体内，包括基质装载仓、填料支架和多功能手爪，基质装载仓可拆卸地安装在所述填充机器人本体中空的内部，多功能手爪通过夹具安装在填料支架上，填料支架安装在所述agv车体上；
10.所述控制单元用于切换所述填充机器人的工作模式并控制机器人作业。
11.在本发明一个较佳实施例中，所述电源单元包括电池组、电量测量模块、续航估计模块和电量存储模块；
12.所述电池组为连接到供电接口的给定电池容量的可充电锂电池组；
13.所述电量测量模块用于获取所述电池组的总电量和当前剩余电量；
14.所述续航估计模块用于根据所述实际负载物重量以及所述电池的总电量和当前剩余电量，给出所述填充机器人预设的分段分级载重与续航耗电量之间的对应关系，并预存到所述电量存储模块中。
15.在本发明一个较佳实施例中，所述定位模块包括内置的gps/北斗单元双模定位模
块、陀螺仪、加速度传感器和地磁指南针在内的惯性模块。
16.在本发明一个较佳实施例中，所述避障模块采用安装在所述填充机器人壳体底部及四周不同高度的多个超声波传感器，用于区分所述填充机器人行走时不同高度的障碍物，并进行测距和避障。
17.进一步的，所述不同高度的多个超声波传感器分成三组，第一组超声波传感器设置在所述填充机器人壳体底部，第二组超声波传感器设置在所述填充机器人壳体四周的上部，第三组超声波传感器设置在所述填充机器人壳体四周的下部。
18.在本发明一个较佳实施例中，所述导航存储模块用于存储所述规划路径和所述田间环境区域网格坐标值，包括基质装载点、充电点、田块起点和终点坐标值以及障碍物编号和坐标值。
19.在本发明一个较佳实施例中，所述基质装载仓的顶部和底部均设有开口，所述填充机器人本体顶部翻盖，用于封盖或打开所述基质装载仓顶部的所述开口，所述填充机器人本体底部设有电子阀门，其用于打开或关闭所述基质装载仓底部的所述开口。
20.在本发明一个较佳实施例中，所述填料支架包括一底座平台、一立柱和一横梁，所述立柱安装在所述底座平台上，所述横梁嵌套安装于所述立柱上。
21.在本发明一个较佳实施例中，所述多功能手爪包括二指机械夹钳、称重传感器、距离传感器、视觉相机、滚刀、刮板和填料枪，分别通过所述夹具前端面上开有的若干通孔配合螺纹孔进行固定，用于基质包的抓取、装载和填充。
22.进一步的，所述填料枪连接有抽料机，所述抽料机包括塑料软管和气泵，其中，塑料软管一端连接到所述基质装载仓出料口、另一端连接到气泵一端，气泵另一端连接至所述填料枪。
23.本发明的有益效果是：
24.(1)本发明通过采用交流220v市电供电和太阳能供电的双电源供电，可根据当地太阳方位角自动调整太阳能电池板的受光角度，根据光照传感器采集到的当前光照强度和剩余电量与预设阈值进行比较，若当前光照强度不小于且剩余电量不大于对应的预设阈值自动开启，提升了充电自主性和效能，改善了填充机器人的续航里程和续航时间；
25.(2)通过gps/北斗单元双模定位模块和惯性模块提升了定位精度，并可在卫星导航不可用时仍能保持一定的定位准确性，采用不同高度的多个超声波传感器区分不同高度的障碍物，提升了测距和避障效果，通过预存障碍物坐标信息以及规避障碍物坐标信息进行路径规划，提高了填充机器人的行走和避障效率；
26.(3)通过采用多功能手爪，可完成基质包的抓取、装载、填充和压实作业，填充机器人功能更丰富，使用范围更广；利用装载的不同种类、湿度的基质，可以满足不同田块植物的基质填充需求。
附图说明
27.图1是本发明田间基质填充机器人一较佳实施例的结构示意图。
28.附图中各部件的标记如下：1、填充机器人本体，2、agv车体，21、驱动轮，3、电源单元，4、导航单元，5、填充单元，51、基质装载仓，52、填料支架，6、控制单元。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
30.请参阅图1，本发明实施例包括：
31.一种田间基质填充机器人，包括填充机器人本体1、agv车体2、电源单元3、导航单元4、填充单元5和控制单元6。
32.agv车体2用于承载所述填充机器人本体1，下部四个角处均设驱动轮21，用于实现行走。
33.进一步地，所述驱动轮21可采用履带式、仿生的四足式样和四轮差速式这三类模式。
34.电源单元3为填充机器人提供能量来源，包括电池组、电量测量模块、续航估计模块和电量存储模块。
35.进一步地，所述电池组为连接到供电接口的给定电池容量的可充电锂电池组，采用的充电方式包括交流220v市电充电和太阳能充电。
36.具体的，所述太阳能充电方式在供电接口连接到交流220v市电进行充电时自动断开，在未连接至交流220v市电时，通过光照传感器采集到的当前光照强度和剩余电量与预设阈值进行比较，若当前光照强度不小于且剩余电量不大于对应的预设阈值，则自动开启。
37.优选的，所述太阳能充电方式开启后，还可通过读取当前时间和预存的本地太阳方位角数据，调整太阳能电池板的受光角度，以提升充电效能。
38.优选的，为保证所述电池组工作在合适温度，所述电池组还安装有第一温度传感器和热冷风机对电池温度过高或者过低进行控制，热风机用于在第一温度传感器测得的电池温度过低时，对电池进行加热，冷风机用于在第一温度传感器测得的电池温度过高时，对电池进行降温。此外，还安装有第二温度传感器用于测量升温或降温后的电池温度。
39.进一步地，所述电量测量模块用于获取所述电池组的总电量和当前剩余电量。其中，剩余电量表示为总电量的百分比。
40.具体的，所述当前剩余电量通过安装的电量传感器以一定时间间隔进行定时测量获得，默认为10分钟。
41.优选的，所述当前剩余电量还可通过计算给出，计算方法为：当前剩余电量＝max{总电量，前一时刻剩余电量 当前时刻太阳能充电量}-当前时刻耗电量。
42.进一步地，所述续航估计模块用于根据所述实际负载物重量以及所述电池的总电量和当前剩余电量，给出所述填充机器人预设的分段分级载重与续航耗电量之间的对应关系，并预存到所述电量存储模块中。根据该对应关系，通过填充机器人当前的工作模式、称重传感器获得的装载基质重量、速度传感器获得的行走速度等信息，就能迅速判断出该作业所需要消耗的电能情况，将该情况与所述电量测量模块中的所述当前剩余电量的测量值进行比较，就能简单的判断出该作业是否能被当前机器人所完成。
43.具体的，所述分段分级载重是指机器人在不同工作模式、不同载重情形下从某一区域移至另一区域。其中，不同工作模式包括装载模式、填充模式、充电模式和待机模式四种情形，装载模式是指将机器人在基质装载区域和田块区域往返移动作业，用于进行基质装载或者进行待填充作业；填充模式是指将机器人在田块区域的移动作业，进行基质填充；
充电模式是指将机器人在机器人充电区域和田块区域往返移动作业，用于进行充电或者进行待填充作业；待机模式是指机器人在基质装载区域和机器人充电区域往返移动作业，用于进行基质装载或者进行充电。不同载重根据所述填充机器人最大装载基质重量，并按给定倍数的最小填充重量进行划分，比如所述填充机器人可装载最大基质重量为85kg，最小填充重量为0.5kg，倍数为30，则不同载重设定为85kg、70kg、55kg、40kg、25kg、10kg和空；从某一区域移至另一区域是指机器人按预设规划路径在基质装载区域、机器人充电区域和田块区域之间移动。
44.具体的，所述对应关系通过查找表法来对机器人在正常工作环境条件下的分段分级载重与续航时间进行统计，例如，在不同工作模式、不同载重情形下，按照规划路径进行机器人行走作业，多次试验统计给出的续航耗电量如下表所示。其中，所述续航耗电量表示为满电量的占比：
[0045][0046]
优选的，所述对应关系还可进一步在若干个行走速度情形下分别进行统计，来获得不同行走速度下的续航耗电量估算。
[0047]
优选的，考虑到所述填充机器人作业环境的复杂性，如风速、凹凸地面等对续航耗电量的影响，将所述填充机器人实际作业环境下的续航耗电量作为一个变量，在考虑该变量影响的情况下，结合历史续航耗电量数据对当前续航耗电量数据进行预测，并采用获得的当前续航耗电量数据对预测数值进行修正来更新查找表，一定程度上解决机器人续航耗电量估计不准确的问题。
[0048]
导航单元4安放在所述agv车体2内，用于将所述填充机器人移动到目标位置，包括定位模块、避障模块、路径导航模块和导航存储模块。
[0049]
进一步地，所述定位模块通过内置的gps/北斗单元双模定位模块获取所述填充机器人的经纬度坐标，再通过经纬度转平面坐标模块将经纬度坐标转换为世界坐标系下的平面坐标。所述世界坐标系是以基质装载位置(即agv的初始位置)为原点o，以正东方向为x轴，以正北方向为y轴而建立的。
[0050]
进一步地，所述定位模块还内置有包括陀螺仪、加速度传感器和地磁指南针在内的惯性模块，用于实时感知agv在世界坐标系下的相对位置坐标和运动信息。通过所述gps/北斗单元双模定位模块和经纬度转平面坐标模块给出所述填充机器人在世界坐标系下的空间绝对位置坐标信息，当所述填充机器人通过所述惯性模块获得的目标位置与所述空间绝对位置坐标信息不一致时，可采用后者进行位置校准，将其运动至该目标位置。
[0051]
进一步地，所述避障模块利用安装在所述填充机器人壳体底部及四周不同高度的多个超声波传感器，用于区分所述填充机器人行走时不同高度的障碍物，并进行测距和避
障。其中，所述障碍物是指所述填充机器人无法行走通过的物体，比如过于凹凸不平的地面、田间石块等。
[0052]
具体的，所述不同高度的多个超声波传感器分成三组，第一组设置在所述填充机器人壳体底部，第二组设置在所述填充机器人壳体四周较高高度位置，第三组设置在所述填充机器人壳体四周较低高度位置，所述三组超声波传感器可调节探测角度，默认第一组垂直采集其所在高度的地面和障碍物信息，第二组一定倾角采集其所在高度的地面和障碍物信息，第三组平行采集其所在高度的障碍物信息。
[0053]
具体的，所述障碍物的判断是基于高度信息的波动，具体为所述超声波传感器采用三角测量法得到的某一位置处高度信息在一定误差范围内高于或低于基准值，则判定该位置处存在障碍物。
[0054]
具体的，通过所述超声波传感器检测所述填充机器人和障碍物之间的距离，若距离小于设定阈值，则所述填充机器人随机选取距离大于设定阈值的位置处进行行走。此外，还可以通过所述超声波传感器检测所述填充机器人与基质装载点、充电点、田块起点和终点之间的距离，对所述填充机器人是否准确移动至这些位置点处进行再检测。
[0055]
优选的，为了提升所述填充机器人的行走效率，还可将所述不同高度的障碍物坐标信息标记预存到所述导航存储模块中；当所述填充机器人行走时，直接读取这些障碍物坐标信息进行避障。所述障碍物坐标信息标记具体方法为：通过所述第二组和第三组超声波传感器获得的障碍物空间绝对位置坐标消息，可通过第一组超声波传感器进行位置校准，并将更新后的障碍物坐标信息按给定格式存储到所述导航存储模块中，实现所述不同高度的障碍物信息标记。其中，所述给定格式为：障碍物编号和障碍物空间绝对位置坐标。
[0056]
进一步地，所述路径导航模块用于按照不同工作模式下预设的基于深度强化学习给出的规划路径引导所述填充机器人运动。需要注意的是，所述田间环境区域在世界坐标系下的空间绝对位置坐标信息范围的获取，是将所述填充机器人行走至所述田间环境区域四周边角处，借助所述定位模块给出。
[0057]
具体的，所述田间环境区域经过网格化处理后得到含坐标值网格。对于装载模式、充电模式、待机模式三种工作模式，所述填充机器人的导航初始位置分别为基质装载点(启程)或者田块起点和终点连线间的网格点(返程)、充电点(启程)或者田块起点和终点连线间的网格点(返程)、基质装载点(启程)或者充电点(返程)，导航目标位置分别为田块起点(启程)或者基质装载点(返程)、田块起点(启程)或者充电点(返程)、充电点(启程)或者基质装载点(返程)。需要注意的是，填充模式下所述填充机器人在田块起点和终点之间进行线性往返移动，运动形式较简单，无需规划路径。
[0058]
更具体的，所述填充机器人可选取田块起点作为导航初始位置或者目标位置的第一停靠点，选取田块终点作为第二停靠点，进行路径规划，确定第一行走路径和第二行走路径。为保证所述填充机器人的显示屏背向田块，有一个行走路径(默认为第二行走路径)需要将所述填充机器人转弯180
°
掉头后再进行基质填充作业。需要注意的是，所述田块起点和终点分别在田块两侧各有一个，可用于获取田块长宽信息，若全部利用两侧的起点和终点，此时进行路径规划可以确定四个行走路径，默认仅使用一侧的起点和终点进行路径规划。
[0059]
更具体的，对于所述规划路径可能存在的障碍物情况，则通过所述避障模块进行
距离判定，若小于设定阈值，则所述填充机器人在东西南北任意一个可移动方向上随机选取，移动至该规划路径外的网格点继续行走，待与障碍物距离大于设定阈值，则再移动至该规划路径与现所在位置最近的网格点处继续行走。
[0060]
优选的，所述规划路径还可将所述田间全部障碍物坐标信息进行剔除后再基于深度强化学习给出。
[0061]
进一步地，所述导航存储模块用于存储所述规划路径和所述田间环境区域网格坐标值，包括基质装载点、充电点、田块起点和终点坐标值以及障碍物编号和坐标值。
[0062]
填充单元5安装在所述填充机器人壳体内，包括基质装载仓51、填料支架52和多功能手爪(图中未示出)。
[0063]
进一步地，所述基质装载仓51可拆卸地安装在所述填充机器人本体1中空的内部，向上和向下分别设有开口，用于装入和抽出基质。所述基质装载仓51可以是一个存储箱，也可以被分隔成若干个存储盒，每个存储盒用于装入不同湿度或者不同材质的基质。所述存储箱或者若干个存储盒均设有入口、出口和称重传感器，用于装入、抽出基质并计量出料重量。对所述存储箱，其入口和出口即是所述基质装载仓51向上和向下的开口，分别安装有用于打开或关闭开口的电子阀门；对所述若干个存储盒，其入口和出口分别汇合至所述基质装载仓51向上(单进多出)和向下(多进单出)的开口处实现基质装入和抽出。
[0064]
具体的，所述填充机器人本体1顶部翻盖，其用于封盖或打开所述基质装载仓51顶部的所述开口。所述填充机器人本体1底部设有电子阀门，其用于打开或关闭所述基质装载仓51底部的所述开口。
[0065]
具体的，所述基质装载仓51安放有称重传感器，用于计量抽出的基质重量。
[0066]
进一步地，所述填料支架52安装在所述agv车体2上，为一横梁立柱填料支架，包括一底座平台、一立柱和一横梁，所述立柱安装在所述底座平台上，所述横梁嵌套安装于所述立柱上。
[0067]
具体的，所述立柱用于作轴向自转，所述横梁能够沿所述立柱作上下垂直移动并绕其作轴向回转。
[0068]
具体的，所述立柱轴向自转、所述横梁上下移动和轴向回转分别由不同电机驱动。
[0069]
进一步地，所述多功能手爪通过夹具安装在所述填料支架上，可由所述填料支架携带运动，包括二指机械夹钳、称重传感器、距离传感器、视觉相机、滚刀、刮板和填料枪，分别通过所述夹具前端面上开有的若干通孔配合螺纹孔进行固定，用于基质包的抓取、装载和填充。
[0070]
具体的，所述填料支架携带运动包括所述立柱的轴向自转、所述横梁的上下垂直移动以及轴向回转，用于使所述多功能手爪直达田块所在平面位置。
[0071]
具体的，所述二指机械夹钳有两个，设于滚刀的下方，垂直于行走方向的纵向轴线的两侧。
[0072]
具体的，所述填料枪连接有抽料机，所述抽料机包含塑料软管和气泵，其中，塑料软管一端连接到所述基质装载仓出料口，另一端连接到气泵一端，气泵另一端连接至所述填料枪。
[0073]
具体的，所述刮板用于对填充的基质进行压实。
[0074]
具体的，所述基质包的抓取、装载步骤为：
[0075]
首先，将所述填充机器人行走至基质装载点，利用距离传感器对视觉相机的位置进行调整，获取基质包位置图片，对所述基质包位置图片进行处理，获取基质包定位信息和长宽信息。
[0076]
其次，根据基质包定位和长宽信息，借助所述填料支架对二指机械夹钳的间距、姿态和位置进行调整，打开二指机械夹钳并使得抓取方向垂直向下，将其移动至基质包位置进行抓取。
[0077]
再者，闭合二指机械夹钳并进行试举，利用称重传感器获取抓取重量，若远大于零，则判定抓取成功，此时将二指机械夹钳移至所述填充机器人本体顶部正上方，打开所述填充机器人本体顶部翻盖将基质包放入所述基质装载仓顶部开口。
[0078]
然后，将滚刀移至所述基质装载仓顶部开口，利用距离传感器获取基质包高度信息，对滚刀位置进行微调后水平移动划开基质包，移动距离(即划开开口)不大于所述基质装载仓顶部开口口径。
[0079]
最后，将二指机械夹钳进行180
°
翻转，使得基质包划开开口垂直向下，缓慢抬升二指机械夹钳至预设高度，当称重传感器获取的重量趋于零时判定该基质包装载完成。将二指机械夹钳和滚刀从所述基质装载仓处移开，并再次180
°
翻转二指机械夹钳，打开二指机械夹钳进行基质袋回收。若不再进行装载作业，则关闭所述填充机器人本体顶部翻盖。
[0080]
优选的，所述基质袋回收可通过将所述填充机器人移至给定回收点进行自动完成。
[0081]
具体的，所述基质包的填充步骤为：
[0082]
首先，将所述填充机器人行走至所述田块起点或者终点，并根据显示屏朝向确定是否需要将所述填充机器人转弯180
°
掉头。根据田块起点、终点和长宽信息，借助所述填料支架对填料枪姿态和位置进行调整，使其枪口方向垂直向下。
[0083]
其次，分别以设定值对田块长宽进行等间隔划分网格点给出坐标值，起点和终点的连线与田块长边一侧平行，并规定田块长边所在方向为纵向，短边所在方向为横向，借助所述填充机器人将所述填料枪移至各网格点纵向位置处，借助所述填料支架将所述填料枪移至各网格点横向位置处，并借助所述距离传感器对所述填料枪的位置进行微调，确保其移至各网格点位置。
[0084]
然后，对各网格点位置按按给定重量进行基质填充：当所述填料枪位于网格点位置时进行开启，当所述基质装载仓安放的称重传感器计量的基质重量在一定误差范围内满足给定重量时，关闭所述填料枪，将其移至下一网格点位置，循环该过程直至完成整个田块的基质填充。
[0085]
最后，借助所述填料支架将所述刮板移至各网格点横向位置处，并借助所述距离传感器对所述刮板的姿态和位置进行微调，分别通过所述填充机器人在起点和终点的往返行走进行基质压实。
[0086]
优选的，所述刮板还可调节工作压力和角度。
[0087]
进一步地，所述控制单元用于切换所述填充机器人的工作模式并控制机器人作业。
[0088]
具体的，当所述填充机器人电池剩余电量或者基质剩余载重低于设定阈值时，必须切换工作模式：当所述填充机器人的电池剩余电量不足以支撑其返回至充电点时，必须
切换工作模式进行充电，此时切换进入到充电模式的返程操作或者待机模式的启程操作；当所述填充机器人的基质剩余载重近似为空，无法继续进行填充作业时，必须切换工作模式进行基质装载，此时切换进入到装载模式的返程操作或者待机模式的返程操作。需要注意的是，所述设定阈值必须保证足够余量，确保机器人能顺利返程，返程的目的地是充电点还是基质装载点可根据设定的最低续航阈值进行选择，若电池剩余电量低于该最低续航阈值，则先返程至充电点进行充电再移动至基质装载点进行基质装载。
[0089]
具体的，所述控制单元还包括显示屏，用于显示工作参数，包括田块数量、已填充田块数量、待填充田块数量、各田块编号以及各田块填充的基质重量、湿度和种类。
[0090]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。