粮仓熏蒸投药作业机器人及其投药方法

摘要

粮仓熏蒸投药作业机器人及其投药方法，包括行走系统,行走系统上安装有控制系统、升降抓取系统、自动开盖系统和回转式双向投料系统；升降抓取系统操作端的初始位置和自动开盖系统的操作端均位于回转式双向投料系统的上方，控制系统设在行走系统内；升降抓取系统包括电动升降柱和机械手臂，电动升降柱固定在行走系统的后部上表面，电动升降柱沿垂直方向设置，电动升降柱的伸缩杆上端部设有主轴垂直向上设置的第一电机，机械手臂的一端固定在第一电机的主轴上，机械手臂与第一电机的主轴垂直设置。本发明设计合理，可在粮堆表面走道板上自主行走，准确定位，能够自动抓取药瓶并开启瓶盖向药桶内装药，同时可实现回转双向投放药物。

说明书

技术领域

本发明属于机器人应用技术领域，尤其涉及一种粮仓熏蒸投药作业机器人及其投药方法。

背景技术

近年来，随着我国粮食的连年丰收，粮食储备库的规模越来越大，单仓储量越来越多，但粮仓熏蒸投药作业因其特殊性几十年来一直没有变化。

每年夏季到来时，随着气温的升高，粮食虫害便发生了，此刻就要进行熏蒸投药作业。因熏蒸常用药磷化铝潮解后生成剧毒气体磷化氢，所以熏蒸作业时操作人员必须佩带空气呼吸器才能完成操作。

确定需要熏蒸后，由粮库组织好操作人员，一般5到8人为宜，每人佩戴好空气呼吸器到达仓内指定位置，分发药品，分工明细，固定每人要投放的药品及点位，接到投药命令后同时打开药瓶，按计量快速把药品投放到预定点位，完成投药后快速撤离出仓，清点人员，确保无误后，密闭好仓门。一切操作按Ls/T 1201- 2002标准执行。

目前，国内外熏蒸投药作业，仍然以人工操作完成，此法危险系数高，国内经常出现熏蒸投药作业安全事故。即使佩带呼吸器，没有发生事故，但药品潮解后通过皮肤的接触渗透吸入对人体也有不可预见的危害，迫切需要一种自动化机械设备来代替人工熏蒸投药作业。

发明内容

针对现有人工熏蒸投药作业的问题，本发明提供了一种粮仓熏蒸投药作业机器人及其投药方法, 可在粮堆表面走道板上自主行走，准确定位，能够自动抓取药瓶并开启瓶盖向药桶内装药，同时可实现回转双向投放药物。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：粮仓熏蒸投药作业机器人，包括行走系统, 行走系统上安装有控制系统、升降抓取系统、自动开盖系统和回转式双向投料系统；升降抓取系统操作端的初始位置和自动开盖系统的操作端均位于回转式双向投料系统的上方，控制系统设在行走系统内。

升降抓取系统包括电动升降柱和机械手臂，电动升降柱固定在行走系统的后部上表面，电动升降柱沿垂直方向设置，电动升降柱的伸缩杆上端部设有主轴垂直向上设置的第一电机，机械手臂的一端固定在第一电机的主轴上，机械手臂与第一电机的主轴垂直设置，机械手臂的另一端部设有第二电机和稳定板，第二电机的主轴中心线与机械手臂长度方向平行，稳定板所在平面与机械手臂长度方向垂直，稳定板上开设有安装孔，安装孔内转动连接有传动杆，传动杆的一端通过联轴器与第二电机的主轴传动连接，传动杆的另一端设有机械手，机械手的下部设有距离传感器，机械手的抓取面上均设有橡胶保护层。

自动开盖系统包括支撑架和开盖装置，支撑架垂直安装在行走系统的后部上表面，支撑架的上部沿水平方向安装有第三电机；第三电机的主轴与开盖装置的动力输入端传动连接； 支撑架的上端部固定连接有向上设置的影像支架，影像支架的上端部安装有若干摄像头。

回转式双向投料系统包括盛药桶、投药皿、第四电机和投药传输机构，盛药桶的顶端开口，盛药桶底部呈上粗下细的锥形结构且设有出料口，盛药桶的左、右两侧分别设有两根垂直向下设置的竖杆，两根竖杆的下端部分别与底盘的上表面固定连接，盛药桶外侧与支撑架侧部固定连接；第四电机固定在底盘中部上表面，第四电机的主轴垂直向上设置；投药皿内部中空，投药皿的上部呈上粗下细的漏斗结构，投药皿的下部呈圆柱形结构，投药皿的下部沿前后方向开设有通孔，通孔的截面形状呈方形，通孔与投药皿内部相连通，投药传输机构安装在通孔内，投药皿的底部设有与第四电机的主轴传动连接的连接孔；盛药桶、投药皿和第四电机的中心线重合。

行走系统包括底盘和位于底盘左右两侧的两条履带，两条履带内均设有位于后部的两个驱动轮和位于前部的两个从动轮，两条履带内的中部偏下位置分别设有两个支撑轮，底盘的后端部左右两侧分别设有一个安装座，每个安装座上均设有一个驱动电机，每一个驱动电机的主轴均通过平键形式与一个驱动轮的轴孔传动连接，底盘的中部设有电源盒和控制盒。

投药传输机构包括第五电机、H型槽架和输送带，H型槽架穿设安装在投药皿的通孔内，H型槽架的后端向上伸出通孔，第五电机固定连接在H型槽架的后端部，第五电机的主轴上固定有齿轮， H型槽架的前端向下伸出通孔并转动连接有输送胶辊，输送带套设安装在在齿轮、输送胶辊和H型槽架上。

控制系统包括蓄电池、PLC总控板和无线信号接收器，蓄电池安装在电源盒内，PLC总控板和信号接收器均安装在控制盒内，底盘的前侧和后侧的边沿处分别设有一个角度传感器；蓄电池通过供电电缆连接PLC总控板，PLC总控板通过控制电缆和供电电缆分别连接无线信号接收器、两个驱动电机、两个角度传感器、距离传感器、电动升降柱、第一电机、第二电机、第三电机、第四电机和第五电机、机械手和摄像头。

开盖装置由插杆和模块组成，模块的侧面开设有仿形卡槽，模块的一侧中心处设有法兰盘，法兰盘中心沿径向方向开设有插槽；插杆上设有限位板，限位板与插杆垂直设置，限位板与模块的后侧面之间通过若干限位弹簧连接，限位板中心设有卡块和插头，插头穿过法兰盘中心孔并伸入到模块内，卡块的结构形状与插槽适配；第三电机的主轴通过联轴器连接插杆的后端部。

包括以下步骤：

（1）、机器人系统自检；

（2）、取药点抓取药瓶；

（3）、开启药瓶瓶盖；

（4）、双向投药。

所述步骤（1）具体为：

a、作业前，人员进仓后，先做好前期准备工作，如密封窗户等，接着摆放盛药盘或铺设其他盛药物品，根据粮仓熏蒸用药量情况设置几处固定取药点，将磷化铝药瓶摆放在高度、距离适当的位置，把机器人放入粮仓的走道板上，打开该设备，进入自检模式，根据提示确定该设备自检；

b、操作人员通过外置遥控器操控粮仓熏蒸投药作业机器人行走，确保前进、后退时底盘的行走方向与走道板铺设方向一致，当需要转弯时，按下外置遥控器的操控键，底盘根据设定好的参数自动转弯90度；当遇到走道板不平整等原因造成底盘的行走方向与走道板的铺设方向不一致时， PLC总控板发出修正信息，自动校正左右履带的快慢，使底盘的行走方向与走道板铺设方向始终一致；各机构按先后顺序动作一次自动复位；

c、机器人自检正常后待命。

所述步骤（2）具体为：

A、通过角度传感器和摄像头提供的综合数据操作机器人行走到固定取药点；

B、操作外置遥控器，通过摄像头反馈的影像信息，控制电动升降柱的伸缩杆上升或下降，同时第一电机带动机械手臂旋转到取药点的位置；

C、机械手臂前端部的机械手动作，抓紧药瓶，电动升降柱的伸缩杆上升，第一电机带动机械手臂旋转，同时第二电机旋转，机械手和药瓶旋转90度，保持水平状态。

所述步骤（3）具体为：

（Ⅰ）、机械手臂旋转，药瓶的瓶盖进入开盖装置的仿形卡槽内并按压模块，模块与限位板之间的限位弹簧受力收缩，插杆前部的插头插接到法兰盘内，卡块卡接到法兰盘的插槽内；

（Ⅱ）、第三电机旋转将卡入模块仿形卡槽的瓶盖从药瓶上拧下，第一电机带动机械手臂旋转到盛药桶的正上方后，第二电机带动传动杆旋转90度，机械手抓持药瓶把药片倒入盛药桶内；

（Ⅲ）、倒药完成后，第二电机旋转90度使药瓶水平且瓶口朝向模块，第一电机带动机械手臂旋转，把药瓶的瓶口送入模块内，第三电机旋转，将瓶盖重新旋回药瓶，第一电机带动机械手臂旋转一定角度，当抓取空药瓶的机械手位于回收袋的上方时，机械手释放药瓶，药瓶掉入回收袋，根据药品用量需要，重复以上动作即可。

所述步骤（4）具体为：

ⅰ、定点投药；当盛药桶不需装药后，机器人行走到投药点，停止前进，第四电机旋转，带动投药皿向左或向右旋转90度，第五电机旋转，投药传输机构运行，通过外置遥控器和PLC总控板调节输送带的速度和时间，把药片按量准确投放于预设投药点的盛药盘内，第四电机的小角度旋转及第五电机的不匀速运行可以控制投出的药片不会叠加且均匀放置；通过控制机器人行走到粮仓不同的投药点，完成投药作业。

ⅱ、移动投药；当盛药桶不需装药后，第四电机旋转，带动投药皿向左或向右旋转90度，选择一个方向固定，机器人向前行走，第五电机旋转，投药传输机构运行，通过外置遥控器和PLC总控板调节输送带的速度，把药片准确投放于预设的盛药物品上，此时可以完成一段距离的条带状分布投药，第五电机的运行速度可以控制投出的药片不会叠加且均匀放置；只要前期盛药物品铺设规整，可以更加高效的完成机器人熏蒸投药作业。

本发明具有以下有益效果：

1、采用了自动行走系统，通过工作人员操作外置遥控器控制信号接收器和PLC总控板，无线信号接收器和PLC总控板根据外置遥控器发出的指令控制自动行走系统行走，通过控制两个驱动电机同时正转或者反转，使驱动轮驱动履带带动底盘前进或后退，当设定两个驱动电机转速不同时，可实现自动转弯，采用履带式行走系统便于行走稳定，采用两个独立驱动电机，便于行走转弯控制，整个履带行走系统的高度较低，以利于降低重心和节省高度方向上的空间；

2、底盘的侧面安装有一前一后两个角度感应器，可实时感应底盘的行走方向，正常情况下两个角度传感器的角度差值在设定范围之内，保证底盘行走方向与走道板铺设方向一致，当两个传感器的角度差值超出设定范围时， PLC总控板发出修正信息，校正两个驱动电机的转速，控制底盘始终保持与走道板铺设方向一致；

3、采用了升降抓取系统，通过外置遥控器控制电动升降柱的伸缩杆上升和下降，伸缩杆的状态及位置由位置传感器实时反馈，伸缩杆的上端部安装有第一电机，通过第一电机控制机械手臂在径向方向上旋转动作，机械手臂上设有第二电机和传动杆，通过第二电机带动传动杆做径向旋转动作，传动杆的另一端设有机械手，机械手用于抓取和释放药瓶；

4、采用了自动开盖系统，通过支撑架固定开盖装置，模块的侧面开设有与药瓶盖外形相同的仿形卡槽，使用时将药瓶的瓶盖插接到仿形卡槽内同时向后按压模块，模块与限位板之间的限位弹簧受力收缩，插杆前部的插头插接到法兰盘内，卡块卡接到法兰盘的插槽内，第三电机旋转将瓶盖从药瓶上拧下，第三电机反方向旋转可以上紧瓶盖，由于仿形卡槽的结构可以在上紧瓶盖时自由脱离模块；

5、采用了回转式双向投料系统，盛药桶可以一次储存多瓶药料，工作投放周期长，投药皿的底部与第四电机的主轴固定连接，通过控制第四电机动作可实现投药皿径向180度的左右回转；第五电机通过齿轮咬合带动胶辊转动，胶辊带动输送带在“H”型槽架内运行，通过PLC总控板控制输送带的传输速度和时间可实现投药量的准确投放；

6、采用了外置遥控器、无线信号接收器和PLC总控板配合的操控方式，无线信号接收器用于接收反馈外置遥控器和PLC总控板所发出的指令，外置遥控器通过无线信号接收器操控PLC总控板进而控制各部件运作；

7、采用了大功率、大容量的可充电蓄电池给各电控部件供电，蓄电池续航时间长，使整个粮仓熏蒸投药作业机器人系统稳定可靠；

8、机械手的抓取面上均设有橡胶保护层，既可以保护药瓶不被抓取损坏，又可以增加摩擦力，使抓取药瓶更加牢固稳定，机械手末端安装有距离传感器，自动感应药瓶的位置；

9、影像支架的上端部安装有朝向四个方向的高清摄像头，通过PLC总控板和信号接收器向视频显示终端反馈影像信息，实现了操作人员与机器人在不同空间的实时交互对话。

综上所述，本发明设计合理，采用了自动行走系统，通过工作人员借助视频显示终端反馈的影像信息操作外置遥控器可实现自由行走；各系统之间相互配合，可实现自动抓取药瓶、自动开启瓶盖、自动回转双向投药；高清摄像头向视频显示终端反馈影像信息，实现了操作人员与机器人在不同空间的实时交互对话。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的左视图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明中投药皿和投药传输机构的装配结构示意图；

图5是本发明中开盖装置的结构示意图；

图6是本发明中法兰盘的结构示意图；

图中的附图标记：1底盘，2履带，3驱动轮，4从动轮，5支撑轮，6驱动电机，7电源盒，8控制盒，9蓄电池，10PLC总控板，11无线信号接收器，12角度传感器，13竖杆，14电动升降柱，15机械手臂，16伸缩杆，17第一电机，18第二电机，19稳定板，20传动杆，21机械手，22支撑架，23第三电机， 25插杆，26模块，27法兰盘，28插槽，29限位板，30弹簧，31插头，32卡块，33影像支架，34摄像头，35盛药桶，36投药皿，37第四电机，39第五电机，40H型槽架，41输送带，42齿轮，43胶辊，44连接孔，45距离传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

本实施例中以图1中的右向为前向，左向为后向。

如图1—图6所示，粮仓熏蒸投药作业机器人，包括行走系统, 行走系统上安装有控制系统、升降抓取系统、自动开盖系统和回转式双向投料系统；升降抓取系统操作端的初始位置和自动开盖系统的操作端均位于回转式双向投料系统的上方，控制系统设在行走系统内。

升降抓取系统包括电动升降柱14和机械手臂15，电动升降柱14固定在行走系统的后部右侧上表面，电动升降柱14的伸缩杆16上端部设有主轴垂直向上设置的第一电机17，机械手臂15的一端固定在第一电机17的主轴上，机械手臂15与第一电机17的主轴垂直设置，机械手臂15的另一端部设有第二电机18和稳定板19，第二电机18的主轴中心线与机械手臂15长度方向一致，稳定板19所在平面与机械手臂15长度方向垂直，沿第二电机18的主轴中心线方向在稳定板19上开设有安装孔，第二电机18的主轴通过联轴器与传动杆20传动连接，传动杆20的另一端设有机械手21，机械手的下部设有距离传感器45，机械手21的抓取面上均设有橡胶保护层。

自动开盖系统包括支撑架22和开盖装置，支撑架22垂直安装在行走系统的后部左侧上表面，支撑架22的上部沿水平方向安装有第三电机23；第三电机23的主轴与开盖装置的动力输入端传动连接；支撑架22的上端部固定连接有向上设置的影像支架33，影像支架33的上端部安装有若干摄像头34。

回转式双向投料系统包括盛药桶35、投药皿36、第四电机37和投药传输机构，盛药桶35的顶端开口，盛药桶35底部呈上粗下细的锥形结构且设有出料口，盛药桶35的左、右两侧分别设有两根垂直向下设置的竖杆13，两根竖杆13的下端部分别与底盘1的上表面固定连接，盛药桶35外侧与支撑架22侧部固定连接；第四电机37固定在底盘1中部上表面，第四电机37的主轴垂直向上设置；投药皿36内部中空，投药皿36的上部呈上粗下细的漏斗结构，投药皿36的下部呈圆柱形结构，投药皿36的下部沿前后方向开设有通孔，通孔的截面形状呈方形，通孔与投药皿36内部相连通，投药传输机构安装在通孔内，投药皿36的底部设有与第四电机37的主轴固定连接的连接孔44；盛药桶35、投药皿36和第四电机37的中心线重合。

行走系统包括底盘1和位于底盘1左右两侧的两条履带2，两条履带2内均设有位于后部的两个驱动轮3和位于前部的两个从动轮4，两条履带2内的中部偏下位置分别设有两个支撑轮5，底盘1的后端部左右两侧分别设有一个安装座，每个安装座上均设有一个驱动电机6，每一个驱动电机6的主轴均通过平键形式与一个驱动轮3的轴孔传动连接，底盘1的中部设有电源盒7和控制盒8。

控制系统包括蓄电池9、PLC总控板10和无线信号接收器11，蓄电池9安装在电源盒7内，PLC总控板10和无线信号接收器11均安装在控制盒8内，底盘1的前侧和后侧的边沿处分别设有一个角度传感器12；蓄电池9通过供电电缆连接PLC总控板10，PLC总控板10通过控制电缆和供电电缆分别连接信号接收器11、两个驱动电机6、两个角度传感器12、电动升降柱14、距离传感器45、机械手21、摄像头34、第一电机17、第二电机18、第三电机23、第四电机37和第五电机39。

投药传输机构包括第五电机39、H型槽架40和输送带41，H型槽架40穿设安装在投药皿36的通孔内，H型槽架40的后端伸出通孔，方向向上，前端方向向下，形成特定倾角，第五电机39固定连接在H型槽架的后端部，第五电机39的主轴上安装有齿轮42，该齿轮42通过与输送带41啮合带动胶辊43转动。

开盖装置由插杆25和模块26组成，模块26的侧面开设有仿形卡槽，模块26的后侧中心处设有法兰盘27，法兰盘27中心沿径向方向开设有插槽28；插杆25上设有限位板29，限位板29与插杆25垂直设置，限位板29与模块26的后侧面之间通过若干限位弹簧30连接，限位板29的中心设有卡块32和插头31，插头31穿过法兰盘27中心孔并伸入到模块26内，卡块32的结构形状与插槽28适配；第三电机23的主轴通过联轴器连接插杆25的后端部。

粮仓熏蒸投药作业机器人的投药方法是通过如下步骤实现的：

（1）、机器人系统自检；

（2）、取药点抓取药瓶；

（3）、开启药瓶瓶盖；

（4）、双向投药。

所述步骤（1）具体为：

a、作业前，人员进仓后，先做好前期准备工作，如密封窗户等，接着摆放盛药盘或铺设其他盛药物品，根据粮仓熏蒸用药量情况设置几处固定取药点及回收袋，将磷化铝药瓶摆放在高度、距离适当的位置，把机器人放入粮仓的走道板上，打开该设备，进入自检模式，根据提示确定该设备自检；

b、操作人员通过外置遥控器操控粮仓熏蒸投药作业机器人行走，确保前进、后退时底盘1的行走方向与走道板铺设方向一致，当需要转弯时，按下外置遥控器的操控键，底盘1根据设定好的参数自动转弯90度；当遇到走道板不平整等原因造成底盘1的行走方向与走道板的铺设方向不一致时， PLC总控板10发出修正信息，自动校正左右履带的快慢，使底盘1的行走方向与走道板铺设方向始终一致；各机构按先后顺序动作一次自动复位。

c、机器人自检正常后待命。

所述步骤（2）具体为：

A、通过角度传感器12和摄像头34提供的综合数据操作机器人行走到固定取药点；

B、操作外置遥控器，通过摄像头34反馈的影像信息，控制电动升降柱14的伸缩杆16上升，同时第一电机17带动机械手臂15旋转到取药点的位置；

C、控制电动升降柱14的伸缩杆16下降到设定位置，机械手臂15前端部的机械手21动作，抓紧药瓶，电动升降柱14的伸缩杆16上升，第一电机17带动机械手21臂15旋转，同时第二电机18旋转，机械手21和药瓶旋转90度，保持水平状态。

所述步骤（3）具体为：

（Ⅰ）、机械手21臂15旋转，药瓶的瓶盖进入开盖装置的仿形卡槽内并按压模块26，模块26与限位板29之间的限位弹簧30受力收缩，插杆25前部的插头31插接到法兰盘27内，卡块32卡接到法兰盘27的插槽28内；

（Ⅱ）、第三电机23旋转将卡入模块26仿形卡槽的瓶盖从药瓶上拧下，第一电机17带动机械手21臂15旋转到盛药桶35的正上方后，第二电机18带动传动杆20旋转90度，机械手21抓持药瓶把药片倒入盛药桶35内；

（Ⅲ）、倒药完成后，第二电机18旋转90度使药瓶水平且瓶口朝向模块26，第一电机17带动机械手21臂15旋转，把药瓶的瓶口送入模块26内，第三电机23旋转，将瓶盖重新旋回药瓶，第一电机17带动机械手21臂15旋转一定角度，当机械手21位于回收袋的上方时，机械手21释放药瓶，药瓶掉入回收袋，根据药品用量需要，重复以上动作即可。

所述步骤（4）具体为：

㈠、定点投药：当盛药桶35不需装药后，机器人行走到投药点，停止前进，第四电机37旋转，带动投药皿36向左或向右旋转90度，第五电机39旋转，投药传输机构运行，通过外置遥控器和PLC总控板10调节输送带41的速度和时间，把药片按量准确投放于预设投药点的盛药盘内，第四电机37的小角度旋转及第五电机39的不匀速运行可以控制投出的药片不会叠加且均匀放置；通过控制机器人行走到粮仓不同的投药点，完成机器人熏蒸投药作业；

（二）、移动投药：当盛药桶35不需装药后，第四电机37旋转，带动投药皿36向左或向右旋转一个方向固定，机器人驱动电机6运行，第五电机39旋转，投药传输机构运行，通过外置遥控器和PLC总控板10调节第五电机39的速度，把药片准确投放于预设的盛药物品上，此时可以完成一段距离的投药，第五电机39的运行速度可以控制投出的药片不会叠加且均匀放置；只要前期将盛药物品铺设规整，可以更加高效的完成机器人熏蒸投药作业。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。