一种全流程沙漠植树机器人的制作方法

1.本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种全流程沙漠植树机器人。


背景技术：

2.目前市面上存在的植树器械具有区域化的特点，适用于不同场景的的植树器械种类繁多，但普遍存在的一些问题有：以半自动化为主、不能进行全流程的植树(植树的全过程未一体化集中于某一植树设备上)。而针对于适用于沙漠的植树设备，不仅相关的植树器械/机器人种类稀缺，而且还存在相对于适用于其他地形的植树设备的其他问题：种植的成活率低、种植的效率低。


技术实现要素：

3.鉴于此，本发明目的在于提供一种全流程沙漠植树机器人，通过设置合理的机械结构以及相应的工作流程来解决沙漠植树成活率低以及植树效率低的问题，可大大减轻植树人员的工作负担，有利于促进土壤荒漠化的防治。
4.为解决上述至少一个技术问题，本发明提供的技术方案是，
5.提供一种全流程沙漠植树机器人，包括，移动底盘，设置有履带和动力源，作为机器人的底盘，栽种机构，设置在移动底盘上，用于将树苗植入树坑中，挖土浇水机构，设置在移动底盘上，其上设置有能够进行浇水的部件，用于挖坑和提供水分，树苗分拣机构，设置在移动底盘上，且竖直位置高于栽种机构，用于对栽种树苗进行整理分拣，正苗接槽，设置在移动底盘上，正对树苗分拣机构底部，且其竖直位置位于栽种机构与树苗分拣机构之间，并能够进行活动，正苗筒，设置在移动底盘上，其竖直位置位于栽种机构和正苗接槽之间，水箱，设置在移动底盘上，能够作为水源向挖土浇水机构提供水分。
6.本发明的一种实施方式在于，所述移动底盘上方设置有支撑框架。
7.本发明进一步的实施方式在于，所述栽种机构包括升降驱动结构、支撑底座，升降驱动机构分别连接支撑框架和支撑底座，能够驱动支撑底座上下移动，支撑底座为中心带有开孔的圆板体，其板边设有减速电机，且板体环绕中心开孔径向等间隔设置有条状通孔。
8.本发明进一步的实施方式在于，所述支撑底座上条状通孔的数量为2-6组。
9.本发明进一步的实施方式在于，所述支撑底座上表面分别设置有超薄大轴承和中心均带有开孔的固定环、盖板、六角星凸轮，且固定环、盖板、六角星凸轮的中心开孔内径不小于支撑底座中心开孔的内径，其中，超薄大轴承同轴环绕支撑底座中心的开口设置；六角星凸轮外沿带有齿轮，其中心开孔套设在超薄大轴承上，使得六角星凸轮能够绕超薄大轴承转动，且六角星凸轮上还设置有正六角星形的开孔同轴环绕其中心开孔，六角星凸轮外沿的齿轮槽与支撑底座板边的减速电机输出端相连；固定环和盖板由上到下依次压设在六角星凸轮上方，防止六角星凸轮从支撑底座上脱落。
10.本发明进一步的实施方式在于，所述支撑底座下方由上到下依次设置有滑动块和推土块，其中，滑动块数量与支撑底座上的条状通孔数量一一对应，且滑动块上设置有凸
起，所述凸起对应地穿过所述条状通孔卡设入六角星凸轮上的正六角星形的开孔，使得六角星凸轮转动时滑动块能够沿所述条状通孔往复运动；推土块对应固定设置在活动块下方，当相邻滑动块运动到之间的距离最小时，推土块能够错位组成直径小于支撑底座中心处开孔的同轴圆孔。
11.本发明进一步的实施方式在于，所述挖土浇水机构设置在支撑框架上，包括滑动轨道、注水器和挖土钻杆，其中，挖土钻杆带有连续弧形凸齿的向下钻头，其内部设置有液体流道延伸至钻头尖端；注水器设置在挖土钻杆上方，其壳体内部经轴承套设有轴杆，轴杆下方连接的出水接头接入挖土钻杆的液体流道中，轴杆上设置有导水孔，轴杆上方的传动接头连接有行星减速电机，从而能够驱动挖土钻杆转动，注水器壳体上设置有能够连接水源的进水接头，使得水源能够在不妨碍挖土钻杆转动的情况下经挖土钻杆尖端注水；注水器、挖土钻杆和行星减速电机均设置在滑动轨道上，能够经电机驱动沿滑动轨道整体上下移动。
12.本发明进一步的实施方式在于，所述树苗分拣机构包括储苗斗和固定在转动轴上的分拣槽轮，所述储苗斗中至少有部分为斜槽体，且其底部为条状开口，分拣槽轮固定在储苗斗下方的转动轴上，转动轴经电机驱动，能够带动分拣槽轮同步转动。
13.本发明进一步的实施方式在于，所述正苗接槽设置在分拣槽轮下方，经电机和设置在支撑框架上的支撑杆驱动，能够在水平状态和竖直状态之间切换，并在水平状态下承接从分拣槽轮上落下的树苗，并将树苗以竖直状态送入正苗筒中。
14.本发明进一步的实施方式在于，所述正苗筒竖直设置在支撑底座上方，正对支撑底座中心，其内径与支撑底座中心处开孔的内径相同，筒体正对正苗接槽的方向上竖直设有开槽，能够允许正苗接槽伸入正苗筒内部并保持竖直状态，且正苗筒侧面上还设置有能够向正苗筒进行推杆往复运动的推杆步进电机。
15.本发明起到的技术效果是：
16.1、将植树的多个步骤整合到一个装置上，大大节约了成本和时间，提高了种植效率，且可实现六方位夹合填土和扶苗，可基本将钻头钻出来的沙土重新回填至沙坑中，同时也可以实现将树苗推至中心位置。
17.2、在绞龙式钻头上开有小孔，可实现在挖坑的时候进行浇水，避免了沙土松散导致的挖坑之后沙坑塌陷的问题。
18.3、树苗分拣机构结构简单，分拣效率高，且在竖直轨道上安装有一定伸缩频率的推杆步进电机，通过推杆一定频率的往返运动，可保证树苗可离散式地下落，减轻树苗直接下落所带来的损害，也能保证树苗能更加精确地投放至沙坑中心位置。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
20.图1是本发明中植树机器人整体结构示意图；
21.图2是本发明中栽种机构中支撑底座及其相关部件的爆炸视图；
22.图3是本发明中栽种机构中支撑底座移上的部件去固定环和盖板后的结构示意图；
23.图4是本发明中栽种机构中支撑底座上的零件移去固定环、盖板和六角星凸轮后的结构示意图；
24.图5是本发明中六角星凸轮的正视图；
25.图6是本发明中滑动块和推土块的组合结构示意图；
26.图7是本发明中推土块的结构示意图；
27.图8是本发明中栽种机构中支撑底座底部推土块错位闭合时的结构示意图；
28.图9是本发明中栽种机构中支撑底座底部推土块张开时的结构示意图；
29.图10是本发明中挖土浇水机构的结构示意图；
30.图11是本发明中注水器的剖视图；
31.图12是本发明中树苗分拣机构的结构示意图；
32.图13是本发明中树苗分拣机构中储苗斗内部结构示意图；
33.图14是本发明中移动底盘的结构示意图；
34.图15是本发明中正苗筒的内部剖面视图；
35.图16是本发明中单片机的控制原理图；
36.图中1-栽种机构、2-挖土浇水机构、3-树苗分拣机构、4-正苗接槽、5-正苗筒、6-移动底盘、7-水箱、101-固定环、102-盖板、103-六角星凸轮、104-超薄大轴承、105-支撑底座、106-滑动块、107-推土块、201-滑动轨道、202-注水器、203-挖土钻杆、2021-进水接头、2022-导水孔、2023-传动接头、2024-出水接头、301-分拣槽轮、501-步进推杆电机。
具体实施方式
37.下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明。
38.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
39.实施例：
40.参见图1，本发明所提供的一种全流程沙漠植树机器人，移动底盘6上方设置有支撑框架，且移动底盘包括设置有履带和动力源，其作为机器人的底盘，便于在沙地条件下正常行动。
41.栽种机构1设置在移动底盘6上，用于将树苗植入树坑中，其主要包括升降驱动结构、支撑底座105，升降驱动结构与支撑框架相连，可以通过其上设置的电机驱动支撑底座105在竖直方向上运动，以调整得到适合的植树位置。
42.参见图2，支撑底座105为中心带有开孔的圆板体，其板边设有减速电机，且板体环绕中心开孔径向等间隔设置有条状通孔，条状通孔的数量为2-6组，可以看到条状通孔的主要作用是为滑动块106的突出部分提供运动空间，并对滑动块106的运动进行限位，进而控
制推土块107的运动构成控制；
43.参见图8和图9，可以看到，推土块107的运动方式在组成错位圆和张开之间循环，起到的是对推土块107中部的树苗进行推土压实，因此推土块107至少需要2组以上才能实现推土压实功能，本实施例中，条状通孔的数量为6条，即当树苗栽种在植树坑中后，有6组推土块107用于将周围的土壤推向树苗压实，其目的也是为了满足六角星凸轮103的运动要求。
44.参见图2至图5，支撑底座105上表面分别设置有超薄大轴承104和中心均带有开孔的固定环101、盖板102、六角星凸轮103，且固定环101、盖板102、六角星凸轮103的中心开孔内径不小于支撑底座105中心开孔的内径，支撑底座105为固定结构，在植树时，树苗将被投掷通过支撑底座105的中心开孔，树苗能够通过支撑底座105就意味着能够通过上述全部的结构顺利植入植树坑中；
45.超薄大轴承104同轴环绕支撑底座105中心的开口设置，可作为六角星凸轮103的转动支点，六角星凸轮103外沿带有齿轮，其中心开孔套设在超薄大轴承104上，使得六角星凸轮103能够绕超薄大轴承104转动，六角星凸轮103外沿的齿轮槽与支撑底座105板边的减速电机输出端相连，则支撑底座105板边上的减速电机可驱动六角星凸轮103绕支撑底座105同轴转动；
46.固定环101和盖板102由上到下依次压设在六角星凸轮103上方，防止六角星凸轮103从支撑底座105上脱落，同时还可以允许六角星凸轮103转动，六角星凸轮103上还设置有正六角星形的开孔同轴环绕其中心开孔，容易理解的是，当六角星凸轮103转动转动时，正六角星形的开孔也将相应的转动。
47.参见图3、图4、图6，支撑底座105下方由上到下依次设置有滑动块106和推土块107，其中，滑动块106数量与支撑底座105上的条状通孔数量一一对应，且滑动块106上设置有凸起，所述凸起对应地穿过所述条状通孔卡设在六角星凸轮103上的正六角星形的开孔中，由前述可知，六角星凸轮103在支撑底座105板边上的减速电机的驱动下可以绕轴运动，六角星凸轮103转动时，滑动块106被卡在六角星凸轮103上和支撑底座105的条状通孔中，其沿正六角星形的开孔的缝隙进行周向转动的趋势会被支撑底座105的条状通孔所抵消，同时由于正六角星形为可以认为是六组相同的角组成的，相邻角之间的谷点处即为两者的交点，滑动块106被正六角星形的开孔带动时，不光存在周向运动趋势，同样还存在径向运动趋势，因此，六角星凸轮103的转动将带动卡设在其中的滑动块106沿条状通孔做径向往复运动，推土块107对应固定设置在活动块106下方，使得推土块107与之同步做径向运动；
48.参见图7，推土块107带有一个弧段，多组推土块107向心做径向运动时可以够成圆形结构，当相邻滑动块106运动到之间的距离最小时，本实施例中的推土块107能够错位组成直径小于支撑底座105中心处开孔的同轴圆孔，在设置一定的动作频率后，推土块107张开时可以允许树苗落入植树土坑中，之后，做向心径向运动的多组推土块107即可将植树土坑中周围的土向植树土坑中部聚拢，从而压实植入的树苗。
49.参见图10、图11，挖土浇水机构2也设置在支撑框架上，其上设置有能够进行浇水的部件，用于挖坑和提供水分，包括滑动轨道201、注水器202和挖土钻杆203，其中，挖土钻杆203带有连续弧形凸齿的向下钻头，便于旋转钻出植树坑，钻头内部设置有液体流道延伸至钻头尖端(图中未示出)，允许进行注液作业；
50.注水器202设置在挖土钻杆203上方，其壳体内部经轴承套设有轴杆，轴杆下方连接的出水接头2024接入挖土钻杆203的液体流道中，轴杆上设置有导水孔2022，轴杆上方的传动接头2023连接有行星减速电机，从而能够驱动挖土钻杆203转动，注水器202壳体上设置有能够连接水源的进水接头2021，由于注水器202壳体是通过轴承套设在内部轴杆上的，内部轴杆可在行星减速电机的带动下，为挖土钻杆203提供挖土动力，壳体上的进水接头2021则不会受到行星减速电机的影响，实现稳定供水，水则能够经导水孔2022进入转动的钻杆203中，使得水源能够在不妨碍挖土钻杆203转动的情况下经挖土钻杆203尖端注水，在挖土钻杆203挖出植树坑之后，进行注水作业可保证植树坑内土壤的状况稳定，避免出现塌陷等问题，保证植树效果；同时，注水器202、挖土钻杆203和行星减速电机均设置在滑动轨道201上，能够经电机驱动沿滑动轨道201整体上下移动，驱动其移动的电机为本领域现有技术，其具体结构和组成在此不做特别限制。
51.水箱7也设置在移动底盘6上，能够作为水源向挖土浇水机构2提供水分，如采用整合有注液泵的设计等，属于本领域常规设计，在此不做赘述，由于机器人主要用于沙漠缺水环境，自带的水箱7能够有效满足机器人的用水需要，相对于外接水源更加便捷。
52.参见图12、图13，树苗分拣机构3的竖直位置高于栽种机构1，树苗分拣机构3包括储苗斗和固定在转动轴上的分拣槽轮301，所述储苗斗中至少有部分为斜槽体，且其底部为条状开口，分拣槽轮301固定在储苗斗下方的转动轴上，转动轴经电机驱动，能够带动分拣槽轮301同步转动，分拣槽轮301是带有多组缺口的圆形结构，未植树状态下，储苗斗中将重叠放置与底部开口尺寸相匹配的树苗，且树苗在储苗斗开口处将受到分拣槽轮圆边的支撑，无法下落，当需要进行植树时，分拣槽轮301可转动至缺口处对应树苗，使得树苗落入缺口，分拣槽轮301继续转动，储苗斗中的后一根树苗又被分拣槽轮301所支撑，从而停止下落，而分拣槽轮301缺口中的树苗则会顺势被甩至树苗分拣机构3下方，进入后续的正苗接槽4中，分拣槽轮301的转动由转轴上设置的电机驱动，其转动频率在与植树频率匹配的情况下，可以实现对栽种树苗的整理分拣。
53.参见图1，移动底盘上6设置的正苗接槽4，设置在分拣槽轮301下方并正对分拣槽轮301的树苗抛下位置，其竖直位置位于栽种机构1与树苗分拣机构3之间，经电机和设置在支撑框架上的支撑杆驱动，能够在水平状态和竖直状态之间切换，具体的电机和支撑杆设置方式属于本领域现有技术，本领域任何和使得本发明中正苗接槽4在水平状态和竖直状态之间切换的结构设计均可适用于本发明中，在此不做特别限定，因此，在水平状态下的正苗接槽4可以承接从分拣槽轮301上落下的树苗，当其受电机和支撑杆驱动变换姿态时，将以竖直状态把树苗送入后续的正苗筒5中，其姿态的变换频率可根据栽种频率进行对应设置。
54.正苗筒5的竖直位置位于栽种机构1和正苗接槽4之间，参见图1，其具体位置位于栽种机构1中的支撑底座105的上方，且内径正对支撑底座105的中心开口，属于固定件，且其内径与支撑底座105中心处开孔的内径相同，筒体正对正苗接槽4的方向上竖直设有开槽，能够允许正苗接槽4伸入正苗筒5内部并保持竖直状态，承载有树苗的正苗接槽4的姿态变化为竖直状态时，其已经部分伸入正苗筒5当中，因此树苗将从正苗接槽4中落下，沿正苗筒5竖直下落穿过栽种机构1；
55.参见图15，正苗筒5侧面上还设置有能够向正苗筒5进行推杆往复运动的推杆步进
电机501，在正苗接槽4经支撑杆和驱动电机等向正苗筒5竖直投入树苗时，推杆步进电机501也将同时进行其自带的推杆的往复运动，推杆运动方向为指向与推杆步进电机501相对的正苗筒5内壁，运动量程范围可根据树苗的平均宽度进行设置，使得树苗的下落状态在“树苗被推杆和对侧内壁夹住”与“树苗自由下落”之间切换，最终呈现出树苗以离散式的形式，间隔竖直落入植树坑当中，减轻树苗直接下落所带来的损害，也能保证树苗能更加精确地投放至植树坑中心位置。
56.此外，在本发明的一个实施例当中，所述栽种机构1、挖土浇水机构2、树苗分拣机构3、正苗接槽4、正苗筒5、移动底盘6、水箱7中所有涉及到的电机、泵体及驱动机构等，均可以通过在移动底盘6上设置单片机进行协同控制。
57.在控制上，采用本领域常见的单片机控制系统，例如，单片机采用电平控制继电器通断，以控制24v电源对于直流减速电机的通断，从而控制钻头的开关，单片机引出两根信号线(方向信号、脉冲信号)给所有步进电机驱动器共用。
58.在驱动电机的控制上，单片机引出一根方向信号线直接与电机驱动器相连控制电机的方向，通过将pwm信号转化为0.6v-4.3v的模拟电压信号传输给驱动器，以控制驱动电机的转速。
59.在路径上，单片机通过uart通讯从远程定位模块获取经纬度(全局坐标)，结合人工设置的植树范围，通过采用优化蚁群算法遍历每一个需要植树的节点，进行全局路径规划。
60.具体的，远程定位模块可以是双频gps卫星定位模块，整合设置在机器人上，能够接收gps、bds、glonass、galileo四个频段的信号，在双频定位时精度最好可达1米以内，通过uart通讯向单片机发送机器人的海拔、速度、经纬度(全局坐标)以及精确时间等数据。
61.植树机器人上同时可整合设置陀螺仪模块，如icm20602陀螺仪模块，可以返回俯仰角、航向角、翻滚角，结合pid算法对移动底盘中的驱动轮进行差速控制，以实现机器人的直线行驶、精准转弯、精准控速等功能。
62.此外，植树机器人上还可以整合设置包含发送器和接收器的超声波传感器，超声波传感器设置在机器人的运动方向端，单片机可以按照预先设置好的频率向发射器发送脉冲，发送器将发送超声波信号，当接收器接收到超声波信号时，接收器将会向单片机输出一个脉冲，通过记录从发射脉冲到接收脉冲的时间差，结合声速即可判定和计算机器人的运动方向上是否存在障碍物。
63.结合图16可以看到，单片机对各电机、泵体、驱动机构及定位机构的控制、通讯方式和规划路径所使用的优化蚁群算法等，均属于本领域现有技术，本领域中任何可实现本发明中所要求的功能的现有技术均可应用于本发明中，具体设置方式在此不再赘述。
64.因此，本发明中的沙漠植树机器人具体工作原理为：
65.本发明中的机器人由单片机控制，通过uart通讯获取经纬度(全局坐标)，结合人工设置的植树范围，通过采用优化蚁群算法遍历每一个需要植树的节点，规划出植树路径，当其运行到植树路径上的点时，首先由单片机驱动相应的行星减速电机等动力源，使得挖土浇水机构2中的挖土钻杆203挖掘出所需的植树坑，并控制水箱7中的水泵向挖土钻杆203中注水，润湿植树坑，避免了沙土松散导致的挖坑之后沙坑塌陷；
66.挖出植树坑之后，机器人移动至栽种机构1正对植树坑的位置，单片机控制电机驱
动储苗斗下方的转动轴转动，使得上面的分拣槽轮301将树苗按照植树频率下放至正苗接槽4中，并由单片机相应控制驱动正苗接槽4所连接的支撑杆，使得正苗接槽4将下放的树苗垂直投入正苗筒5当中，树苗在正苗筒5中离散式间隔落下，此时滑动块106和推土块107处于张开状态，按照设定好的频率，由单片机控制栽种机构1中的升降驱动机构带动支撑底座105上的相关组件进行植树坑坑中的工作位置，等待一定时间使得树苗完全落入植树坑之后，即由单片机控制支撑底座105板边的减速电机带动六角星凸轮103转动，最终驱动推土块107错位并拢，实现对植树坑中树苗的压实，保证其位于植树坑中心处。
67.树苗压实后，升降驱动机构驱动带动支撑底座105上行复位，进行下一处树苗的种植，整个过程均可根据种植需求利用单片机进行控制，真正做到了植树智能化、一体化。
68.在本发明的描述中，需指出的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不能理解为对本发明的限制。
69.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。