一种地膜铺设机器人及地膜铺设方法

摘要

本发明涉及一种地膜铺设机器人及地膜铺设方法，包括用于行走的行走机构、用于地膜铺设的地膜铺设机构、对铺设地膜进行压实的地膜压实机构、用于机器人跨越障碍的重构机构；所述的行走机构包括多对竖直支架，在竖直支架下端设置有滚轮，行走机构两端的两对竖直支架的底部均设置有驱动滚轮的行走旋转电机，同一侧的竖直支架之间依次通过横向连杆连接固定；在每对竖直支架之间均设置重构机构，所述的重构机构包括两个重构臂，在竖直支架上设置驱动重构臂转动的重构旋转电机，两个重构臂之间通过电磁铁连接；本方案使机器人在遇到阻挡物时解构从两侧通过并持续进行地膜铺设工作，解决了在中间有阻挡物体的环境中进行地膜铺设时费时费力铺设困难的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及农业自动化设备技术领域，具体涉及一种地膜铺设机器人及地膜铺设方法。

背景技术

在现有的技术中，地膜覆盖，是指以农用塑料薄膜覆盖地表的一种措施。可有效减少土壤水分的蒸发，具有天旱保墒、雨后提墒的作用；但是现有的地膜覆盖装置只适用于地面无阻挡物的环境，在给果树，绿化树，葡萄架或根茎等其他会将地膜铺设机构阻挡的经济作物的地膜铺设工作无法展开，人工进行铺设又会耗费大量的人力物力和时间；同时现有的地膜覆盖装置没有将膜压平，铺设效果差。因此亟需一种可重构的地膜铺设机器人。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种地膜铺设机器人及地膜铺设方法。

本发明提供如下技术方案：一种地膜铺设机器人，包括用于行走的行走机构、用于地膜铺设的地膜铺设机构、对铺设地膜进行压实的地膜压实机构、用于机器人跨越障碍的重构机构。

所述的行走机构包括多对竖直支架，在竖直支架下端设置有滚轮，行走机构两端的两对竖直支架的底部均设置有驱动滚轮的行走旋转电机，同一侧的竖直支架之间依次通过横向连杆连接固定。同一侧的竖直支架之间通过横向连杆连接这样可以做到同步动作，同时也保证了行走机构的稳定。

在每对竖直支架之间均设置重构机构，所述的重构机构包括两个重构臂，两个重构臂分别与两个竖直支架活动连接，在竖直支架上设置驱动重构臂转动的重构旋转电机，两个重构臂之间通过电磁铁连接；采用电磁铁便于重构臂的开合，可以根据实际生产需要进行开合。

所述地膜铺设机构包括用于进行铺设地膜的地膜滚轴，在竖直支架上设置驱动地膜滚轴转动的地膜滚轴旋转电机；地膜滚轴旋转电机带动地膜滚轴旋转，进行铺膜作业。

所述的地膜压实机构包括压实滚轴，压实滚轴通过竖直连杆与重构臂连接，且地膜压实机构设置在地膜铺设机构对应的竖直支架后方的竖直支架内侧。

所述的行走机构包括三对竖直支架、两对横向连杆和六对滚轮，每一对的两根竖直支架平行排列，且每对竖直支架所在的平面相互平行，三对竖直支架前后均匀排列；每一侧的三根竖直支架通过上下两根横向连杆固定连接；位于头部的一对竖直支架底端各有一对头部轮，位于中间的一对竖直支架底端各有一对中间轮，位于尾部的一对竖直支架底端各有一对尾部轮，在头部轮和尾部轮均设置驱动转动的行走旋转电机。

所述的重构机构共有三对，每对重构机构包括一对旋转电机、一对可伸缩的重构臂和电磁铁-铁块组合，所述重构机构分别水平安装在竖直支架的顶端，每一对重构机构的两个重构臂共线排列，重构臂所在直线与机器人前进方向垂直，重构臂起始端通过重构旋转电机与竖直支架连接，重构旋转电机带动重构臂向上抬起；两个重构臂的末端通过电磁铁和铁块吸附连接。

所述地膜铺设机构包括两个地膜滚轴，所述地膜铺设机构安装在位于中间的一对竖直支架的底端，两个地膜滚轴前后交错排列，地膜滚轴轴线与机器人前进方向垂直，所述竖直支架通过万向节联轴器与地膜滚轴旋转电机连接，地膜滚轴旋转电机与地膜滚轴连接并带动地膜滚轴旋转。

中部的重构机构的两个重构臂分别通过两个竖直连杆与地膜滚轴连接，每个重构臂均与固定在同一个竖直连杆的地膜滚轴连接，且竖直连杆和地膜滚轴旋转电机分别与地膜滚轴的两端连接，所述的重构臂上设置横向连杆，横向连杆通过万向节联轴器与竖直连杆连接，在万向节联轴器和竖直连杆之间设置铺设连杆弹簧，铺设连杆弹簧与竖直连杆连接处设置薄膜压力传感器。

所述的地膜压实机构包括一对压实滚轴，两个压实滚轴共线排列，压实滚轴的轴线方向与机器人前进方向垂直，所述地膜压实机构安装在位于尾部的重构机构上，尾部重构机构的两个重构臂上分别安装竖直连杆，竖直连杆与压实滚轴一一对应，竖直连杆上方通过压实顶杆弹簧和万向节联轴器连接，压实顶杆弹簧与竖直连杆之间设置薄膜压力传感器，万向节联轴器与重构臂固定连接，竖直连杆下方与所述压实滚轴连接。

在行走机构上设置用于多个感应障碍物的激光传感器，所述的激光传感器与控制器连接，所述控制器分别与行走旋转电机、重构旋转电机、电磁铁、地膜滚轴旋转电机、薄膜压力传感器连接，所述重构臂为采用直线电机驱动伸缩的可伸缩重构臂，直线电机与控制器连接，每个重构机构中的两个重构臂靠近的一端分别设置电磁铁和铁块。

所述的激光传感器为激光雷达传感器，激光雷达传感器设置在重构旋转电机下方的竖直支架上，且激光雷达传感器设置在同一侧的竖直支架上。

所述的激光传感器为激光测距传感器，激光测距传感器为三组，且每组激光测距传感器包括两个激光测距传感器，激光测距传感器设置在同一侧的横向连杆上，且每组测距传感器对应一个竖直支架，每组的两个激光测距传感器分别设置竖直支架两侧的横向连杆上。

一种基于上述机器人的地膜铺设方法：进行地膜铺设作业时，机器人在前进过程中头部轮和尾部轮分别通过滚轮中间的行走旋转电机带动旋转，实现机器人整体的移动，在机器人移动过程中地膜滚轴旋转电机带动地膜滚轴旋转进行地膜铺设；左右两侧的地膜滚轴为前后交错安装，地膜覆盖方式为前后交错叠加覆盖，为了使地膜能紧实地贴紧地面，薄膜压力传感器及时感应压力，压力超过或低于设定的阈值时，重构旋转电机进行转动动作减少或者增加地膜滚轴的压力，确保所述地膜铺设机构的压力在设定的范围内进行地膜铺设，在尾部的重构机构下方设计了地膜压实机构，通过薄膜压力传感器获得压实滚轴的压力值，如果压实滚轴的压力超过或者低于设定的阈值时，则尾部重构机构的重构旋转电机431和432的进行转动动作减少或者增加压实滚轴的压力，确保所述地膜压实机构的压力在设定的范围内将先前覆盖的地膜压实；

当机器人整体在前进过程中，第一对重构臂侧面的激光雷达传感器检测到前方有阻挡物时，第一对重构臂的电磁铁会先断电消磁，电磁铁和铁块断开连接；重构臂两端的旋转电机带动重构臂向上抬起到竖直位置，机器人即可越过阻挡物整体向前运动，若激光雷达传感器检测到阻挡物与激光雷达传感器距离非常接近时，即阻挡物宽度可能大于机器人的宽度，三对重构臂均会进行等距伸长运动，确保机器人可以通过阻挡物，当激光雷达传感器在检测范围内检测到阻挡物消失后，激光雷达传感器所对应的两个重构臂先回落到初始位置，连接处的电磁铁通电生磁，与铁块吸引连接，即使在该重构臂回落连接之前，也仍有两对重构机构保持连接状态，所以机器人仍然是一个稳定的整体，向前运动的同时地膜铺设机构进行地膜铺设工作，地膜压实机构进行地膜压实工作；

当第二对重构机构侧面的激光雷达传感器检测到前方有阻挡物时，进行与前方重构臂同样的操作，在重构臂抬起的过程中，经过万向节联轴器以及竖直连杆的带动，所述地膜铺设机构的地膜滚轴也会同时抬起，地膜滚轴与位于中间的竖直支架的连接处也设置了万向节联轴器，因此可以实现重构臂与滚轴同时抬起回落，当激光雷达传感器检测不到阻挡物时，进行与前方重构臂同样的操作；

当第三对重构机构侧面的激光雷达传感器检测到前方有阻挡物时，进行与前方重构臂同样的操作，在重构臂抬起的过程中，经过万向节联轴器以及竖直连杆的带动，所述地膜压实机构的压实滚轴也会同时抬起，因为压实滚轴仅与竖直连杆有连接，无需其他万向节联轴器连接，因此可以实现重构臂与滚轴同时抬起回落，当激光雷达传感器检测不到阻挡物时，进行与前方重构臂同样的操作，当三对重构机构均通过阻挡物后，伸长的重构臂才会回缩到初始位置；

激光雷达传感器替换成激光测距传感器时，重构臂前方是否出现阻挡物通过重构臂对应的一对激光测距传感器中前方的激光测距传感器检测，后方阻挡物是否消失通过此对激光测距传感器中后方的激光测距传感器检测，其余重构机构同理，其余操作不变。

本专利申请中，铁块可以设置在同一侧的重构臂上，激光传感器可以设置在铁块所设置的一侧的行走机构上，控制器可以为两个，均采用公知的单片机控制器，两个单片控制器相互通信，一个单片机控制器和四个电机驱动安装在位于中间的一对竖直支架的底端外侧，另一个单片机控制器和其余四个电机驱动安装在另一侧。 电磁铁一侧的电磁铁与此侧的单片机控制器连接，该侧的两个薄膜压力传感器（一个地膜滚轴对应的薄膜压力传感器和一个压实滚轴对应的薄膜压力传感器）与该侧的单片机控制器连接，该侧的头部轮、尾部轮和所述地膜铺设机构的地膜滚轴的电机与同一个电机驱动连接，该侧的控制重构臂的三个重构旋转电机分别与三个电机驱动连接，四个电机驱动再与该侧的单片机控制器连接。铁块一侧的激光雷达与单片机控制器连接；该侧的两个薄膜压力传感器（一个地膜滚轴对应的薄膜压力传感器和一个压实滚轴对应的薄膜压力传感器）与单片机控制器连接；该侧的头部轮、尾部轮和所述地膜铺设机构的地膜滚轴的地膜滚轴旋转电机与同一个电机驱动连接，该侧的控制重构臂的三个电机分别与三个电机驱动连接，四个电机驱动再与单片机控制器连接。

地膜滚轴在安装时，首先在位于中间的竖直支架的底端开圆孔，圆孔中插入光轴；在所述竖直支架内部的光轴末端安装限位块，防止光轴脱落；在圆孔位置安装轴承，所述竖直支架通过光轴与万向节联轴器连接，万向节联轴器通过光轴与地膜滚轴旋转电机固定连接，地膜滚轴旋转电机与地膜滚轴连接并带动滚轴旋转。所述地膜铺设机构的地膜滚轴相对于地膜滚轴旋转电机的另一端插入光轴，在所述地膜滚轴内部的光轴末端安装限位块，在所述光轴插入滚轴的位置安装轴承，竖直连杆下方通过万向节联轴器和光轴连接。所述地膜压实机构的压实滚轴外侧插入竖直连杆的位置安装轴承，所述压实滚轴通过竖直连杆与第三对重构臂连接。所述重构机构的重构臂均可以在一定范围内进行延长，使机器人整体变宽，以通过某些复杂地阻挡物；所述地膜铺设机构的地膜滚轴也可以在一定范围内进行延长，确保前方地膜滚轴与后方地膜滚轴有重叠的部分。

通过上述描述可以看出，本方案机器人在前进过程中所述头部轮和尾部轮通过行走旋转电机带动旋转实现机器人整体的移动。在移动过程中，地膜滚轴旋转电机带动所述地膜铺设机构的地膜滚轴旋转即地膜铺设机构同时进行地膜铺设；左右两侧的地膜滚轴为前后交错安装，因此地膜覆盖方式为前后交错叠加覆盖。为了使地膜能紧实地贴紧地面，通过薄膜压力传感器和电机的闭环控制，确保地膜铺设机构的压力在最合适的范围内进行地膜铺设。同时在第三对重构机构下方设计了地膜压实机构，通过薄膜压力传感器和电机的闭环控制，确保地膜压实机构的压力在最合适的范围内将先前覆盖的地膜压实；本方案使机器人在遇到阻挡物时解构从两侧通过并持续进行地膜铺设工作，解决了在中间有阻挡物体的环境中进行地膜铺设时费时费力铺设困难的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明第一对重构机构结构示意图。

图3为本发明第二对重构机构结构示意图。

图4为本发明第三对重构机构结构示意图。

图5为本发明激光雷达传感器安装位置示意图。

图6为本发明激光测距传感器安装位置示意图。

图7为本发明激光雷达覆盖范围示意图。

图8为本发明第三对重构机构抬起示意图。

图1中：1为行走机构，2为地膜铺设机构，3为地膜压实机构，41为第一对重构机构，42为第二对重构机构，43为第三对重构机构，5为控制系统；

图2中：131~132为头部轮，511~512为行走旋转电机，111~112为第一对竖直支架，411~412为重构旋转电机，413~414为重构臂，415为电磁铁，416为铁块，521为激光雷达传感器；

图3中：501~502为单片机控制器以及电机驱动，133~134为中间轮，211~212为地膜滚轴旋转电机，221~222为地膜滚轴，231~232为第一对万向节联轴器，113~114为第二对竖直支架，121~124为横向连杆，421~422为重构旋转电机，423~424为重构臂，425为电磁铁，426为铁块，522为激光雷达传感器，441~442为万向节联轴器，443~444为铺设连杆弹簧，445~446为第二对万向节联轴器，531~532为第一组薄膜压力传感器。

图4中：135~136为尾部轮，513~514为行走旋转电机，31~32为压实滚轴，115~116为第三对竖直支架，431~432为重构旋转电机，433~434为重构臂，435为电磁铁，436为铁块，523为激光雷达，451~452为万向节联轴器，453~454为压实顶杆弹簧，533~534为第二组薄膜压力传感器。

图5中：521~523为激光雷达传感器。

图6中：521~526为激光测距传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明具体实施方式中的附图，对本发明具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本发明一种具体实施方式，而不是全部的具体实施方式。基于本发明中的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。

通过附图可以看出，本发明一种可重构的地膜铺设机器人，包括行走机构1、地膜铺设机构2、地膜压实机构3、重构机构和控制系统5。所述行走机构1包括三对竖直支架111~116、两对横向连杆121~124和六对滚轮131~136。每一对的两根竖直支架平行排列，三对竖直支架前后间隔一定距离均匀排列；每一侧的三根竖直支架通过上下两根横向连杆固定连接；位于头部的一对竖直支架111和112底端各有两对头部轮131和132，位于中间的一对竖直支架113和114底端各有两对中间轮133和134，位于尾部的一对竖直支架115和116底端各有两对尾部轮135和136。

所述地膜铺设机构2包括一对地膜滚轴旋转电机211~212和一对地膜滚轴221~222。所述地膜铺设机构安装在位于中间的一对竖直支架113和114的底端，两个地膜滚轴221和222前后交错排列，地膜滚轴安装方向与前进方向垂直。所述竖直支架113和114通过万向节联轴器231和232分别与地膜滚轴旋转电机211和212连接；地膜滚轴旋转电机211与地膜滚轴221连接，地膜滚轴旋转电机212和地膜滚轴222连接，地膜滚轴旋转电机带动地膜滚轴旋转。

所述地膜压实机构3包括一对压实滚轴31和32。所述地膜压实机构安装在位于尾部的一对竖直支架115和116的底端，两个压实滚轴31和32共线排列，压实滚轴安装方向与机器人前进方向垂直。

所述重构机构4共有三对，每对重构机构包括一对重构旋转电机、一对可伸缩的重构臂和电磁铁-铁块组合。所述重构机构分别水平安装在三对所述竖直支架111~116的顶端，每一对重构机构的两个重构臂共线排列，重构臂安装方向与机器人前进方向垂直。重构机构两侧起始端通过重构旋转电机与所述竖直支架连接，重构旋转电机带动重构臂抬起；两个重构臂的末端通过电磁铁和铁块吸附连接。

第二对重构机构42（即中部的重构机构）通过竖直连杆与下方的地膜铺设机构2进行连接。竖直连杆位于重构臂末端位置，竖直连杆上方通过万向节联轴器441~442和铺设连杆弹簧443~444与重构臂固定连接；竖直连杆下方通过第二对万向节联轴器445和446分别与所述地膜滚轴221和222连接，在铺设连杆弹簧443~444和竖直连杆之间设置第一组薄膜压力传感器531~532。

第三对重构机构43通过第三对竖直连杆115~116与下方的所述地膜压实机构3进行连接。竖直连杆位于重构臂末端位置，竖直连杆上方通过万向节联轴器451~452和压实顶杆弹簧453~454与重构臂固定连接；竖直连杆下方分别与所述压实滚轴31和32连接，在压实顶杆弹簧453~454和竖直连杆之间设置第二组薄膜压力传感器533~534。

所述控制系统5包括一对单片机控制器、四对电机驱动、六对旋转电机、三对电磁铁和铁块、三个激光雷达传感器或者六个激光测距传感器以及两对薄膜压力传感器，所述激光雷达传感器为Livox Mid-100激光雷达传感器，激光测距传感器为GY-53激光测距传感器，薄膜压力传感器采用DF9-40薄膜压力传感器，电机驱动采用本领域常用的电机驱动。

一个单片机控制器和四个电机驱动501安装在所述竖直支架113的底端外侧，另一个单片机控制器和其余四个电机驱动502安装在所述竖直支架114的底端外侧。其中两个行走旋转电机511和512分别安装在所述头部轮131和132的两个滚轮中间；其中两个行走旋转电机513和514分别安装在所述尾部轮135和136的两个滚轮中间；其中两个地膜滚轴旋转电机211和212分别安装在所述地膜铺设机构的地膜滚轴221和222两侧；其中两个重构旋转电机411和412分别安装在重构臂413和414的起始端；其中两个重构旋转电机421和422分别安装在重构臂423和424的起始端；其中两个重构旋转电机431和432分别安装在重构臂433和434的起始端。电磁铁415和铁块416分别安装在重构臂413和414的末端；电磁铁425和铁块426分别安装在重构臂423和424的末端；电磁铁435和铁块436分别安装在重构臂433和434的末端；三块电磁铁在同一侧，三块铁块在另一侧。三个激光雷达传感器521~523分别安装在位于铁块一侧的上方的横向连杆124内侧，前后位置分别与三对竖直支架重合，安装方向水平向内。

激光雷达传感器可以替换为激光测距传感器521~526，采用激光测距传感器则需要六个，六个激光测距传感器安装在位于铁块一侧的上方的所述横向连杆124内侧，每一对的前后位置分别在每个竖直支架的前后两侧，安装方向水平向内。

电磁铁一侧的电磁铁与此侧的单片机控制器连接；该侧的两个薄膜压力传感器（一个地膜铺设机构的薄膜压力传感器和一个地膜压实机构的薄膜压力传感器）与该侧的单片机控制器连接；该侧的头部轮、尾部轮和所述地膜铺设机构的滚轴的电机与同一个电机驱动连接，该侧的控制重构臂的三个电机分别与三个电机驱动连接，四个电机驱动再与单片机控制器连接。

铁块一侧的激光雷达与此侧的单片机控制器连接；该侧的两个薄膜压力传感器（一个地膜铺设机构的薄膜压力传感器和一个地膜压实机构的薄膜压力传感器）与单片机控制器连接；该侧的头部轮、尾部轮和所述地膜铺设机构的滚轴的电机与同一个电机驱动连接，该侧的控制重构臂的三个电机分别与三个电机驱动连接，四个电机驱动再与单片机控制器连接。

工作时，机器人在前进过程中所述头部轮131~132和尾部轮135~136分别通过滚轮中间的旋转电机带动旋转，实现机器人整体的移动。在移动过程中所述旋转电机211和212带动所述地膜铺设机构的滚轴221和222旋转即地膜铺设机构同时进行地膜铺设；左右两侧的滚轴为前后交错安装，因此地膜覆盖方式为前后交错叠加覆盖。为了使地膜能紧实地贴紧地面，通过所述薄膜压力传感器531~532和所述旋转电机421和422的闭环控制，确保所述地膜铺设机构的压力在最合适的范围内进行地膜铺设。同时在第三对重构机构下方设计了地膜压实机构，通过所述薄膜压力传感器533~534和旋转电机431和432的闭环控制，确保所述地膜压实机构的压力在最合适的范围内将先前覆盖的地膜压实。

如图2所示：当机器人整体在前进过程中，第一对重构机构41侧面的激光雷达传感器521检测到前方有阻挡物时，铁块一侧单片机控制器502会与电磁铁一侧单片机控制器501进行通信，传递信息。在电磁铁一侧单片机501的控制下，电磁铁415会先断电消磁，即电磁铁415和铁块416断开连接；之后控制该重构臂两端的旋转电机411和412，带动重构臂413和414向上抬起到竖直位置，机器人整体向前运动。若激光雷达检测到阻挡物与激光雷达距离非常接近时，即阻挡物宽度可能大于机器人的宽度，三对重构臂均会进行等距伸长运动，确保机器人可以通过阻挡物。当激光雷达传感器521在检测范围内检测到阻挡物消失后，该重构臂413和414先回落到初始位置，连接处的电磁铁415通电生磁，与铁块416建立连接。即使在该重构臂回落连接之前，也仍有两对重构机构保持连接状态，所以机器人仍然是一个稳定的整体。向前运动的同时地膜铺设机构2进行地膜铺设工作，地膜压实机构3进行地膜压实工作。

如图3所示：当第二对重构机构42侧面的激光雷达传感器522检测到前方有阻挡物时，进行与前方重构臂同样的操作。在重构臂抬起的过程中，经过万向节联轴器441和442以及竖直连杆的带动，所述地膜铺设机构的地膜滚轴221和222也会同时抬起，地膜滚轴与位于中间的竖直支架113和114的连接处也设置了万向节联轴器231和232，因此可以实现重构臂与地膜滚轴同时抬起回落。当激光雷达传感器522检测不到阻挡物时，进行与前方重构臂同样的操作。

如图4和图8所示：当第三对重构机构43侧面的激光雷达传感器523检测到前方有阻挡物时，进行与前方重构臂同样的操作。在重构臂抬起的过程中，经过万向节联轴器451和452以及竖直连杆的带动，所述地膜压实机构的压实滚轴31和32也会同时抬起，因为该压实滚轴仅与竖直连杆有连接，无需其他万向节联轴器连接，因此可以实现重构臂与压实滚轴同时抬起回落。当激光雷达523检测不到阻挡物时，进行与前方重构臂同样的操作。当三对重构机构均通过阻挡物后，伸长的重构臂才会回缩到初始位置。

如图6所示：将激光雷达传感器替换为激光测距传感器时，每对重构机构对应两个激光测距传感器，一个测距传感器设置在重构机构前面，另一个测距传感器设置在重构机构后面；且第二对重构后机构对应的后面的激光测距传感器524设置在地膜滚轴所在竖直平面的后方，重构机构41前方是否出现阻挡物通过激光测距传感器521检测，后方阻挡物是否消失通过激光测距传感器522检测，其余重构机构同理，其余操作不变。

尽管已经示出和描述了本发明的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离发明的原理和精神的情况下可以对这些具体实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。