專利名稱：一種自動(dòng)割草機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種戶外移動(dòng)機(jī)器人，特別是涉及一種一種能自主執(zhí)行草坪修剪任務(wù)的自動(dòng)割草機(jī)器人。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)的增長，城市建設(shè)步伐逐漸加快，隨之也帶動(dòng)了綠化行業(yè)的繁榮發(fā)展。在城市中，草坪具有吸塵、降噪、保濕、施工周期短和保持水土等諸多優(yōu)點(diǎn)，在各種綠化工程中的到了廣泛應(yīng)用。目前，草坪業(yè)已成為了一種新興的產(chǎn)業(yè)。
在各種草坪維護(hù)作業(yè)中，草坪修剪的工作最為繁重，該工作不僅勞動(dòng)強(qiáng)度高、勞動(dòng)密集度大，并且有很強(qiáng)的重復(fù)性；在采用內(nèi)燃機(jī)割草機(jī)進(jìn)行作業(yè)的時(shí)還會(huì)帶來噪音污染和空氣污染，將嚴(yán)重影響從業(yè)人員的健康及周邊的環(huán)境。如能設(shè)計(jì)一種能自動(dòng)執(zhí)行草坪修剪工作的智能設(shè)備，必然能節(jié)省大量的勞動(dòng)力和資源。
最近幾年，半導(dǎo)體技術(shù)、信息技術(shù)和機(jī)械電子技術(shù)得到了長足的進(jìn)步，這使機(jī)器人走入日常應(yīng)用成為可能，目前已經(jīng)成功上市的吸塵機(jī)器人既是最有利的說明。自2000年以來，中國草坪業(yè)更是開始了迅猛的發(fā)展階段，大量的公園綠地、高爾夫球場(chǎng)綠地、體育場(chǎng)綠地均需要進(jìn)行日常修剪；自動(dòng)割草機(jī)器人有著勞動(dòng)力消耗少、安全性高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，在未來的幾年內(nèi)必然會(huì)有廣泛應(yīng)用。
自動(dòng)割草機(jī)器人是一種帶有特殊割草機(jī)構(gòu)的戶外移動(dòng)型機(jī)器人。一些大型公司已對(duì)自動(dòng)割草機(jī)器人的進(jìn)行了初步研究，并推出了部分自動(dòng)割草機(jī)器人產(chǎn)品，如Friendly Machines公司的Robomow、Zucchetti公司的AmbrigioRobo-Lawnmower和Electrolux公司的Husqvarna Auto Mower等。這些自動(dòng)割草機(jī)器人雖然能夠自主地在特定工作區(qū)域內(nèi)執(zhí)行割草任務(wù)，能自動(dòng)避障，但是它們大都采用無序不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)遍歷，效率比較低，而且存在死角。專利US5974347提供了一種帶有旋轉(zhuǎn)天線的四輪自動(dòng)割草機(jī)器人，該機(jī)器人能通過三個(gè)固定在工作區(qū)域外的基站定位，能實(shí)現(xiàn)初步的遍歷，但是它采用了類似汽車的四輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)彎半徑比較大，不能實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎，在作業(yè)的時(shí)候容易留下未切割區(qū)域；旋轉(zhuǎn)的天線也增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，容易帶來偏差。
如何實(shí)現(xiàn)割草機(jī)器人在特定工作區(qū)域內(nèi)的全覆蓋是割草機(jī)器人的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，專利US6885912提供了一種適合于移動(dòng)機(jī)器人的全區(qū)域覆蓋方法，特點(diǎn)是在工作區(qū)域邊界和固定障礙物邊界埋藏金屬導(dǎo)線，移動(dòng)機(jī)器人通過這些導(dǎo)線對(duì)自己在工作區(qū)域的位置進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)遇到工作區(qū)域邊界和固定障礙物邊界時(shí)機(jī)器人執(zhí)行特定的轉(zhuǎn)向命令，以往復(fù)的行進(jìn)路線實(shí)現(xiàn)工作區(qū)域的遍歷，未知障礙物和移動(dòng)物體通過機(jī)器人上的傳感器識(shí)別，并依照策略執(zhí)行避讓。這種全區(qū)域覆蓋的路徑規(guī)劃算法運(yùn)算量低，但是智能性比較差，缺少外界的標(biāo)定基準(zhǔn)，容易產(chǎn)生遺漏區(qū)域。專利CN2510249Y則著重介紹了一種針對(duì)室內(nèi)清潔的機(jī)器人原型，差動(dòng)傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式靈活性強(qiáng)，但該專利沒有深入討論適合于割草作業(yè)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，也沒有實(shí)現(xiàn)智能無人作業(yè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種以電力為能源、具有安全保護(hù)機(jī)制、能在特定區(qū)域內(nèi)自主執(zhí)行草坪修剪任務(wù)的自動(dòng)割草機(jī)器人。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種自動(dòng)割草機(jī)器人，包括機(jī)器人車體、割草機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和傳感單元等部分，其特征在于機(jī)器人車體為自動(dòng)割草機(jī)器人的本體，割草機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和傳感單元均安裝于其上；割草機(jī)構(gòu)是自動(dòng)割草機(jī)器人的執(zhí)行部分，用于承擔(dān)割草的任務(wù)，能帶動(dòng)刀盤以不同的轉(zhuǎn)速和不同的割草高度下運(yùn)行；傳感單元能監(jiān)測(cè)自動(dòng)割草機(jī)器人的內(nèi)外部信息，并對(duì)該信息進(jìn)行初步的處理，為控制系統(tǒng)提供更簡(jiǎn)單，更易于處理的反饋信號(hào)；控制系統(tǒng)是自動(dòng)割草機(jī)器人的控制核心，控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先獲得或者學(xué)習(xí)到的地圖，依靠一定的策略和路徑規(guī)劃算法，參照傳感單元傳輸?shù)姆答佇盘?hào)對(duì)機(jī)器人車體和割草機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的控制。
自動(dòng)割草機(jī)器人的機(jī)器人車體包括機(jī)器人車體底盤、直流減速電機(jī)、減速箱、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、驅(qū)動(dòng)車輪和導(dǎo)向輪。
自動(dòng)割草機(jī)器人的機(jī)器人車體中的減速箱包括同步齒型帶輪小輪、同步齒型帶、同步齒型帶輪大輪和驅(qū)動(dòng)車輪輪軸。
自動(dòng)割草機(jī)器人的割草機(jī)構(gòu)包括割草機(jī)構(gòu)電機(jī)外套、割草機(jī)構(gòu)電機(jī)、割草機(jī)構(gòu)電機(jī)和刀盤連接件、刀盤和刀片。
自動(dòng)割草機(jī)器人的傳感單元包括內(nèi)紅外傳感器、外紅外傳感器、超聲波傳感器、接觸傳感器、溫度傳感器、人體熱釋傳感器和傳感單元核心處理器。
自動(dòng)割草機(jī)器人的控制系統(tǒng)包括核心控制器、擴(kuò)展存儲(chǔ)芯片和通訊模塊。在自動(dòng)割草機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，還包括了運(yùn)動(dòng)控制策略，安全策略和路徑規(guī)劃算法。
本發(fā)明的有益效果由于采用了帶有減速箱的差速驅(qū)動(dòng)方式，輸出轉(zhuǎn)矩大，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)割草機(jī)器人零工作半徑轉(zhuǎn)彎，使得路徑控制更容易，轉(zhuǎn)彎更靈活；割草機(jī)構(gòu)電機(jī)安置在了特殊的割草機(jī)構(gòu)電機(jī)外套內(nèi)，能調(diào)節(jié)刀盤的高度，使得自動(dòng)割草機(jī)器人能適應(yīng)不同的割草高度要求；采用了復(fù)合的傳感單元，能綜合監(jiān)測(cè)自動(dòng)割草機(jī)器人的內(nèi)外部信息，智能化比較高；控制系統(tǒng)搭載了擴(kuò)展存儲(chǔ)芯片，能實(shí)現(xiàn)大量地圖信息和更復(fù)雜路徑規(guī)劃算法的存儲(chǔ)，使得自動(dòng)割草機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)的能力增強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)割草機(jī)器人工作區(qū)域的全區(qū)域覆蓋。


圖1是本自動(dòng)割草機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是本自動(dòng)割草機(jī)器人的結(jié)構(gòu)3是本自動(dòng)割草機(jī)器人的機(jī)器人車體圖。
圖4為自動(dòng)割草機(jī)器人車體中的減速箱圖。
圖5為自動(dòng)割草機(jī)器人的割草機(jī)構(gòu)。
圖6為自動(dòng)割草機(jī)器人工作過程框圖。
圖7為子區(qū)域劃分示例以及子區(qū)間遍歷方式。
圖8為不同形狀子區(qū)域采用的不同工作路徑。
a為螺旋型路徑；b為輪廓跟蹤型路徑；c為往復(fù)型路徑；d為隨機(jī)型路徑。
圖中1.機(jī)器人車體 2.割草機(jī)構(gòu)3.控制系統(tǒng)4.傳感單元5.驅(qū)動(dòng)車輪6.減速箱7.內(nèi)紅外傳感器8.直流減速電機(jī)9.電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡 10.自動(dòng)割草機(jī)器人車體底盤11.萬向?qū)蜉?12.超聲波傳感器13.人體熱釋傳感器 14.電池組15.碰撞傳感器 16.刀片17.刀盤 18.外紅外傳感器19.同步齒形帶帶輪小輪 20.同步齒形帶21.同步齒形帶帶輪大輪 22.驅(qū)動(dòng)車輪輪軸軸承23.驅(qū)動(dòng)輪軸 24.輪軸軸承外蓋25.驅(qū)動(dòng)車輪輪軸軸承 26.輪軸軸承外蓋27.割草電機(jī)外套 28.割草電機(jī)29.驅(qū)動(dòng)車輪輪軸軸承具體實(shí)施方式
下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式自動(dòng)割草機(jī)器人開機(jī)后，首先完成內(nèi)部硬件和軟件的檢測(cè)，將所有的隨機(jī)存儲(chǔ)單元清零。當(dāng)自動(dòng)割草機(jī)器人各個(gè)部分復(fù)位后開始詢問用戶執(zhí)行方式。執(zhí)行方式分為兩種，一種為手動(dòng)控制，用戶通過遙控器對(duì)割草機(jī)器人進(jìn)行操縱；另一種方式為自動(dòng)控制，即自動(dòng)割草機(jī)器人自主進(jìn)行工作。當(dāng)選擇手動(dòng)控制時(shí)，自動(dòng)割草機(jī)器人控制系統(tǒng)將開啟遙控接口，并保持到待機(jī)狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備接收運(yùn)動(dòng)指令。當(dāng)選擇為自動(dòng)控制模式時(shí)，自動(dòng)割草機(jī)器人開始根據(jù)控制器內(nèi)的信息為自己的工作做出計(jì)劃。值得說明的是，無論是在手動(dòng)控制模式下還是在自動(dòng)控制模式下，自動(dòng)割草機(jī)器人的避障指令、危險(xiǎn)情況緊急關(guān)機(jī)和人員距離過近警告等安全相關(guān)的控制命令始終對(duì)自動(dòng)割草機(jī)器人的控制享有優(yōu)先權(quán)，以盡可能地避免潛在的危險(xiǎn)。
如選擇自動(dòng)模式運(yùn)行，割草機(jī)器人將查詢自身存儲(chǔ)器上的地圖信息，以安排相應(yīng)的工作計(jì)劃。當(dāng)工作區(qū)域內(nèi)障物比較小的時(shí)候，自動(dòng)割草機(jī)器人會(huì)采用避讓的方法進(jìn)行工作；當(dāng)工作區(qū)域內(nèi)障礙物比較大的時(shí)候，自動(dòng)割草機(jī)器人將把工作區(qū)域劃分成若干個(gè)內(nèi)部不含有障礙物的子區(qū)域，如圖6所示，然后自動(dòng)割草機(jī)器人根據(jù)子區(qū)域的外型特征選擇合適的遍歷方法，通常的原則是圓形子區(qū)域采用如圖8a所示的螺旋型路徑，矩形和外輪廓不復(fù)雜的子區(qū)域采用如圖8b所示的輪廓跟蹤型路徑，規(guī)則的大面積子區(qū)域采用如圖8c所示的往復(fù)型路徑，對(duì)于無法判斷的特殊子區(qū)域采用隨機(jī)型路徑，如圖8d所示。
自動(dòng)割草機(jī)器人采用了差速輪的驅(qū)動(dòng)方式，主要的原理是利用兩驅(qū)動(dòng)輪5不同的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。直流電機(jī)7輸出的轉(zhuǎn)距傳遞到同步齒型帶輪小輪19上，經(jīng)由同步齒型帶20傳遞至同步齒型帶輪大輪21上，進(jìn)而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪軸23運(yùn)動(dòng)，最終運(yùn)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)輪軸帶動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪5實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)割草機(jī)器人的兩驅(qū)動(dòng)輪5通過電機(jī)控制卡8上的2路L298晶片同步控制，并根據(jù)PWM原理利用脈沖調(diào)節(jié)速度。
在運(yùn)行時(shí)，超聲波傳感器12用于檢測(cè)距離自動(dòng)割草機(jī)器人2m～15cm之間的障礙物，本發(fā)明實(shí)施中的自動(dòng)割草機(jī)器人在前端安裝了3個(gè)指向不同角度的超聲波傳感器12，它們共享一個(gè)通道為傳感單元的核心處理器傳輸障礙物信息；在每兩個(gè)超聲波傳感器之間，還安裝了2個(gè)外部紅外傳感器18，紅外線傳感器的探測(cè)范圍為15cm～10mm，可用于補(bǔ)償超聲波傳感器12不能檢測(cè)近距離障礙的缺陷；在自動(dòng)割草機(jī)器人車體周圍均布了若干接觸式碰撞傳感器15，用來檢測(cè)產(chǎn)生的碰撞；這些外部環(huán)境信息傳感器通過一條總線為傳感單元的核心處理器傳輸數(shù)據(jù)，傳感器核心處理器對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的分析和處理，為自動(dòng)割草機(jī)器人的控制系統(tǒng)提供外界信息。在機(jī)器人內(nèi)部，還包含3個(gè)內(nèi)紅外傳感器9，一個(gè)用于割草機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，另兩個(gè)用于車輪轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，這些數(shù)據(jù)自動(dòng)割草機(jī)器人傳感單元的核心處理器并不處理，僅進(jìn)行增益后作為狀態(tài)信息反饋到自動(dòng)割草機(jī)器人的控制系統(tǒng)。
本發(fā)明采用的直流調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速比為1/270，輸出轉(zhuǎn)距為20Kg.cm，同步齒型帶輪和帶為梯形齒，有利于傳遞高轉(zhuǎn)距，控制系統(tǒng)采用了C51兼容的開發(fā)板，在片上提供了足夠的I/O口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和輸出。機(jī)器人的機(jī)械本體采用高強(qiáng)度鋁合金和高強(qiáng)度工程塑料制造，具有重量輕，強(qiáng)度高的特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)割草機(jī)器人，包括機(jī)器人車體(1)、割草機(jī)構(gòu)(2)、控制系統(tǒng)(3)和傳感單元(4)，其特征在于機(jī)器人車體(1)包括機(jī)器人車體底盤(10)、直流減速電機(jī)(7)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板(8)、減速箱(6)、驅(qū)動(dòng)車輪(5)和萬向的導(dǎo)向輪(11)；減速箱(6)包括同步齒型帶輪小輪(19)、同步齒型帶(20)、同步齒型帶輪大輪(21)和驅(qū)動(dòng)車輪輪軸(23)；割草機(jī)構(gòu)(2)包括割草機(jī)構(gòu)電機(jī)外套(27)、割草機(jī)構(gòu)電機(jī)(28)、電機(jī)刀盤聯(lián)接件(29)、刀盤(17)和刀片(16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)割草機(jī)器人，其特征還在于所述的控制系統(tǒng)(4)包括核心控制器、擴(kuò)展存儲(chǔ)芯片和通訊模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)割草機(jī)器人，其特征還在于所述的傳感單元(4)包括內(nèi)紅外傳感器(9)、外紅外傳感器(18)、超聲波傳感器(12)、碰撞傳感器(15)、人體熱釋傳感器(13)、溫度傳感器和傳感單元核心處理器。
全文摘要
本發(fā)明屬于機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種戶外移動(dòng)機(jī)器人，特別涉及一種能自主執(zhí)行草坪修剪任務(wù)的自動(dòng)割草機(jī)器人。其特征是該自動(dòng)割草機(jī)器人包括機(jī)器人車體、割草機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和傳感單元等部分?？刂葡到y(tǒng)通過自主識(shí)別或下載的方式獲得割草機(jī)器人的工作地圖信息，通過傳感單元實(shí)時(shí)采集割草機(jī)器人的內(nèi)部和外部的動(dòng)態(tài)信息，依照特定的控制策略和路徑規(guī)劃算法對(duì)割草機(jī)構(gòu)和機(jī)器人車體進(jìn)行無人工干預(yù)的自動(dòng)控制。本發(fā)明的效果和益處是實(shí)現(xiàn)了草坪修剪工作的智能自動(dòng)化，操作簡(jiǎn)單，成本低廉，清潔環(huán)保，解決了人工作業(yè)時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大、時(shí)間消耗高、工作重復(fù)枯燥及噪音污染和空氣污染等缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)G05D1/02GK101091428SQ20061004809
公開日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2006年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月20日
發(fā)明者叢明, 金立剛, 房波, 杜宇, 沈?qū)毢?申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)