專利名稱：自主作業(yè)林業(yè)機器人平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自主作業(yè)林業(yè)機器人平臺，尤其涉及一種自主作業(yè)林業(yè)機器人平臺。
背景技術(shù)：
自主作業(yè)林業(yè)機器人屬于特種機器人的一種。由于林區(qū)這個特定的環(huán)境，比如林 區(qū)野外作業(yè)要受到光照、植被、特殊立地條件等影響，而且工作環(huán)境往往比較惡劣、危險，以 及林區(qū)復(fù)雜的地形，要求林業(yè)機器人需具有很強的環(huán)境適應(yīng)能力、越障涉水能力，同時要求 具有較高的智能決策和環(huán)境感知能力，才能在適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境中不同的任務(wù)需要。目前還沒有能夠在上述環(huán)境中自主完成多種任務(wù)的機器人。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有較高運動能力和智能化程度的自主作業(yè)林業(yè)機器 人平臺。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明的自主作業(yè)林業(yè)機器人平臺，包括機器人本體和控制系統(tǒng)，所述機器人本 體包括車底盤、車頂平臺、車架，所述車底盤采用四輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)；所述車底盤包括車底板，所述車底板設(shè)有四個越野輪，每個越野輪連接有單獨的 傳動軸和直流有刷減速伺服電機，每個直流有刷減速伺服電機的輸出軸分別通過小鏈輪、 鏈條、大鏈輪與對應(yīng)越野輪的傳動軸連接；所述直流有刷減速伺服電機通過電機座安裝在車底板上，所述傳動軸通過兩個球 面帶座軸承固定在車底板上。所述車頂平臺設(shè)有導(dǎo)航定位裝置、激光掃描裝置、雙目視覺裝置、作業(yè)機械手。所述車架用鋁型材搭建，用于車體各部分之間的承重和連接。所述控制系統(tǒng)包括硬件和軟件部分；所述硬件部分包括中央控制計算機、運動控制模塊、導(dǎo)航定位模塊、激光測量模 塊、雙目視覺模塊、電機驅(qū)動模塊、無線通訊模塊、電源模塊、CAN通信模塊，所述中央控制計 算機與所述運動控制模塊、導(dǎo)航定位模塊、激光測量模塊、雙目視覺模塊、無線通訊模塊分 別連接，所述運動控制模塊與電機驅(qū)動模塊連接，所述電源模板為各個電路和電機供電，所 述CAN通信模塊與所述中央控制計算機、運動控制模塊、電機驅(qū)動模塊之間通信連接；所述軟件系統(tǒng)包括中央控制計算機軟件和在所述運動控制模塊中運行的運動控 制軟件。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的自主作業(yè)林業(yè)機器人平 臺，由于車底盤采用四輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，四個越野輪分別連接有單獨的傳動軸和直流有刷減速 伺服電機，每個直流有刷減速伺服電機的輸出軸分別通過小鏈輪、鏈條、大鏈輪與對應(yīng)越野 輪的傳動軸連接；直流有刷減速伺服電機通過電機座安裝在車底板上，傳動軸通過兩個球面帶座軸承固定在車底板上。車頂平臺設(shè)有激光掃描裝置、雙目視覺裝置、機械手?？刂葡?統(tǒng)包括中央控制計算機、運動控制模塊、導(dǎo)航定位模塊、激光測量模塊、雙目視覺模塊、電機 驅(qū)動模塊、無線通訊模塊、電源模塊、CAN通信模塊等，及其相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。具有較高運動 能力和智能化程度，可使機器人能夠在林區(qū)的復(fù)雜地形下靈活可靠地自主運動，并具有一 定的林區(qū)作業(yè)環(huán)境信息檢測和一定的林業(yè)生產(chǎn)作業(yè)能力。


圖1為本發(fā)明自主作業(yè)林業(yè)機器人平臺的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明中機器人本體的車底盤整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明中機器人本體的車底盤的背面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明中機器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式本發(fā)明的自主作業(yè)林業(yè)機器人平臺，其較佳的具體實施方式
如圖1、圖2、圖3、圖 4所示，包括機器人本體和控制系統(tǒng)構(gòu)成，機器人本體采用四輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，包括車底盤、車頂 平臺、車架等。機器人本體的車底盤包括車底板、四臺直流有刷減速伺服電機、四個電機座、四個 小鏈輪、四個大鏈輪、四個鏈條、四個傳動軸、八個球面帶座軸承、四個法蘭盤、四個越野輪 等構(gòu)成。其中四臺直流有刷減速伺服電機分別安裝在四個電機座上，電機的輸出軸分別接 小鏈輪Si、S2、S3、S4，四個小鏈輪分別經(jīng)四個鏈條與四個大鏈輪Bi、B2、B3、B4連接，四個 大鏈輪分別安裝在傳動軸Z1、Z2、Z3、Z4上，每個傳動軸由兩個球面帶座軸承固定在車底板 上，傳動軸可繞球面帶座軸承轉(zhuǎn)動，四個傳動軸的輸出經(jīng)法蘭盤與各個越野輪連接。機器人本體的車頂平臺部分用于放置導(dǎo)航定位裝置、激光掃描裝置、雙目視覺裝 置等多種傳感器以及作業(yè)機械手等設(shè)備；機器人本體的車架用鋁型材搭建，用于車體各部分承重和連接。自主作業(yè)林業(yè)機器人平臺的控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。硬件部分包括中央控制計算機、運動控制模塊、導(dǎo)航定位模塊、激光測量模塊、雙 目視覺模塊、電機驅(qū)動模塊、無線通訊模塊、電源模塊、CAN通信模塊等九部分，中央控制計 算機連接運動控制模塊、導(dǎo)航定位模塊、激光測量模塊、雙目視覺模塊、無線通訊模塊等，運 動控制模塊連接電機驅(qū)動模塊，電源模板完成各個電路和電機供電，CAN通信模塊完成中央 控制計算機、運動控制模塊、電機驅(qū)動模塊之間通信。軟件部分包括中央控制計算機軟件和運動控制軟件。其中中央控制計算機軟件主 要完成自主作業(yè)林業(yè)機器人的復(fù)雜任務(wù)調(diào)度和整體控制決策、人機交互通訊、視覺信息處 理和林區(qū)作業(yè)環(huán)境建模功能，同時可將由雙目視覺系統(tǒng)和激光測量模塊融合得到的林區(qū)作 業(yè)環(huán)境三維模型信息和機器人運動狀態(tài)顯示在機器人的液晶顯示器上，以方便調(diào)試和人機 交互。運動控制軟件在運動控制模塊中的ARM處理器上運行，主要完成接收中央控制計算 機的運動指令，控制完成機器人的四個驅(qū)動輪上直流有刷電機的協(xié)調(diào)運動，簡單控制算法 計算，CAN總線通訊等主要功能。本發(fā)明具有以下優(yōu)點
4
機器人本體采取四電機的驅(qū)動模式，并采用了粗花紋耐磨的越野輪作為行走機 構(gòu)，使機器人承載能力、爬坡能力和越障能力較高；機器人本體的驅(qū)動部分采用了鏈條的傳動方式，結(jié)構(gòu)簡單可靠、傳動效率高、控制 方便；機器人本體的車架采用了鋁型材材料，強度較高，同時拆解方便。車頂平臺可安裝 多種操作機構(gòu)，完成林區(qū)作業(yè)任務(wù)；機器人控制系統(tǒng)安裝了多種智能導(dǎo)航、激光掃描、雙目視覺等傳感器，采用了信息 融合的方式提高了機器人整體的信息感知能力和智能化程度；在機器人上加裝多種作業(yè)機械手，進一步自主完成林木整枝、間伐、采伐和集運等 林業(yè)生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)。機器人控制系統(tǒng)采用了分布式的設(shè)計方法，將復(fù)雜的軟件算法和任務(wù)由中央控制 計算機中實現(xiàn)，而較簡單和實時性要求高的控制任務(wù)在運動控制模塊中實現(xiàn)，提高了機器 人控制系統(tǒng)的整體處理能力和實時性。以下結(jié)合附圖對被發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的描述自主作業(yè)林業(yè)機器人平臺的整體結(jié)構(gòu)在圖1中，機器人整體呈長方形，主要由機 器人本體和控制系統(tǒng)構(gòu)成，機器人本體采用四輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，包括車底盤、車頂平臺、車架。機 器人的四個驅(qū)動輪均采用粗花紋耐磨的越野車輪實現(xiàn)。同時，機器人的控制系統(tǒng)的硬件部 分放置在機器人外殼上，包括中央控制計算機的液晶顯示器、導(dǎo)航定位模塊、激光測量模 塊、雙目視覺模塊、無線通訊模塊等。在圖1中，中央控制計算機的液晶顯示器嵌入安裝在車頂平臺上，導(dǎo)航定位模塊 放置在車頂平臺中部，同時與機器人中含鐵的零件隔離，防止磁場干擾；GPS天線架設(shè)在機 器人頂部；激光測量模塊放置在車頂平臺前部的兩自由度云臺上；雙目視覺安裝在車頂平 臺前部的兩自由度云臺上；無線傳輸模塊安裝在車頂平臺后部，經(jīng)屏蔽線纜連接到中央控 制計算機上，無線傳輸模塊天線也架設(shè)在機器人車頂平臺上。車頂平臺其他空余部分可以 安裝其它傳感器和操作機構(gòu)。在圖1中，機器人本體的車架采用了鋁型材材料，由鑄鋁角件、T型螺母和內(nèi)六角 螺絲鏈接，強度較高，質(zhì)量較輕，同時拆解方便。將機器人外殼打開后，自主作業(yè)型林業(yè)機器人平臺的車底盤結(jié)構(gòu)的整體圖和底視 圖分別如圖2和圖3所示。在圖2中，機器人本體的車底盤由車底板、四臺直流有刷減速伺服電機、四個電機 座、四個小鏈輪、四個大鏈輪、四個鏈條、四個傳動軸、八個球面帶座軸承、四個法蘭盤、四個 越野輪等構(gòu)成。在圖2中，四臺直流有刷減速伺服電機分別安裝在四個電機座上，電機輸出 軸分別接小鏈輪S1、S2、S3、S4，四個小鏈輪分別經(jīng)四個鏈條與四個大鏈輪B1、B2、B3、B4連接。在圖3中，四個大鏈輪分別安裝在傳動軸Zl、Z2、Z3、Z4上，每個傳動軸由兩個球 面帶座軸承固定在車底板上，傳動軸可繞球面帶座軸承轉(zhuǎn)動，四個傳動軸的輸出經(jīng)法蘭盤 與各個越野輪連接。由圖2和圖3可以看出，直流有刷減速伺服電機輸出軸的轉(zhuǎn)動帶動小鏈輪轉(zhuǎn)動，小 鏈輪的轉(zhuǎn)動經(jīng)鏈條傳動，帶動安裝在傳動軸上大鏈輪的轉(zhuǎn)動，這樣傳動軸可繞球面帶座軸承轉(zhuǎn)動，經(jīng)法蘭盤就可使機器人的越野輪轉(zhuǎn)動，完成整個輪系的驅(qū)動。同時，在圖2中，同時機器人控制系統(tǒng)的中央控制計算機、運動控制模塊、電源模 塊安裝在工控機箱中，工控機箱安裝在車底盤中部的鋁板平臺前部，并用螺絲固定。給機器 人供電的錳酸鋰電池放置在車底盤中部的鋁板平臺后部。其中鋰電池容量為50安時，輸出 電壓為36伏。機器人控制系統(tǒng)的四個電機驅(qū)動模塊放置在各個伺服電機附近，完成機器人 的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的閉環(huán)伺服控制。在圖4中，每個方框表示機器人控制系統(tǒng)的一個功能單元，控制系統(tǒng)的硬件按其 功能劃分為中央控制計算機、運動控制模塊、導(dǎo)航定位模塊、激光測量模塊、雙目視覺模 塊、電機驅(qū)動模塊、無線通訊模塊、電源模塊、CAN通信總線等。本發(fā)明中，中央控制計算機采用工業(yè)級控制主板，CPU采用主頻2. 7HZ的奔騰雙核 處理器，，內(nèi)存大小4GB，硬盤大小160G，同時具有十路RS232接口，兩路CAN總線接口，兩路 PCI接口，一路PCI-e接口，功耗小于120W。綜合性能滿足林業(yè)自主作業(yè)機器人復(fù)雜控制算 法的運算速度、系統(tǒng)可靠性、低功耗和豐富接口要求；在圖4中，運動控制模塊的核心是基于ARM7處理器的主控板，主處理器采用32位 ARM處理器，其上運行uCOS-II實時操作系統(tǒng)，并運行機器人驅(qū)動輪上直流有刷電機的協(xié)調(diào) 運動，簡單控制算法計算等數(shù)據(jù)處理軟件；具備1路CAN總線接口，2路RS232接口，四路LED 指示燈等。中央控制計算機和運動控制模塊之間采用CAN總線連接。電機驅(qū)動模塊接收機器人伺服電機上絕對式光電編碼器反饋的電機轉(zhuǎn)動角速度 和角位移信號，通過內(nèi)部的DSP處理器進行位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)控制，采用大功率MOS 管搭建H橋電路，完成電機的電流驅(qū)動，同時具有電機的過流保護功能。電機驅(qū)動模塊內(nèi)部 包含云臺電機的驅(qū)動和控制。電機驅(qū)動模塊和運動控制模塊之間采用CAN總線連接。導(dǎo)航定位模塊通過傳感器獲得機器人的俯仰角和角速度、滾動角和角速度以及航 向角和角速度，并可由GPS模塊可獲得機器人相對大地坐標(biāo)系的位置，進而為機器人的全 局定位和路徑規(guī)劃提供有效的數(shù)據(jù)。導(dǎo)航定位模塊與中央控制計算機之間通過RS232接口 連接，通信頻率為19200bps ；激光測量模塊包括兩自由度云臺和二維激光測量系統(tǒng)，二維激光測量系統(tǒng)可進行 水平面內(nèi)180°的激光測距掃描，角度精度為0.25°，測量最大距離是80米，測量精度為 士45mm。二維激光測量系統(tǒng)放置在兩自由度云臺上，兩自由度云臺可完成水平面360°旋轉(zhuǎn) 和垂直105°的轉(zhuǎn)動，從而完成三維的激光測量數(shù)據(jù)，經(jīng)中央控制計算機處理可得到林區(qū)林 木和地形三維地圖，激光測量模塊與中央控制計算機之間通過RS422接口連接，通信頻率 為 500kbps ；雙目視覺模塊可進一步得到完整的林區(qū)作業(yè)環(huán)境的三維信息，從而為機器人的自 主運動、林業(yè)生產(chǎn)作業(yè)和環(huán)境信息檢測提供有效的數(shù)據(jù)。雙目視覺模塊通過支架安裝在車 頂平臺前部的兩自由度云臺上，與中央控制計算機之間通過IEEE1394接口連接；機器人的供電采用錳酸鋰電池輸出電壓為直流+36V，容量為50安時，最大電流 100安，電源模塊將錳酸鋰電池輸出電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?24V、直流+12V、直流+5V、ATX標(biāo)準(zhǔn)電 壓輸出，為機器人上的各電機、電路和傳感器供電；并為系統(tǒng)提供過流和限流保護；無線通信模塊采用了通信頻率433MHz的數(shù)傳電臺，與中央控制計算機采用RS232 連接，通信頻率為38400bps，天線安裝在機器人車頂平臺上，實時給人工監(jiān)控平臺返回機器人狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時接收人工監(jiān)控平臺的指令；機器控制系統(tǒng)的軟件由中央控制計算機軟件和運動控制軟件組成。其中中央控制 計算機軟件主要完成自主作業(yè)型林業(yè)機器人的復(fù)雜任務(wù)調(diào)度和整體控制決策、人機交互通 訊、視覺信息處理和林區(qū)作業(yè)環(huán)境建模等功能，同時可將由雙目視覺系統(tǒng)和激光測量模塊 融合得到的林區(qū)作業(yè)環(huán)境三維模型信息和機器人運動狀態(tài)顯示在液晶顯示器上，以方便調(diào) 試和人機交互。運動控制軟件在運動控制模塊中的ARM處理器上運行，主要完成接收中央 控制計算機的運動指令，控制完成機器人的四個驅(qū)動輪上直流有刷電機的協(xié)調(diào)運動，簡單 控制算法計算，CAN總線通訊等功能。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種自主作業(yè)林業(yè)機器人平臺，包括機器人本體和控制系統(tǒng)，其特征在于，所述機器 人本體包括車底盤、車頂平臺、車架，所述車底盤采用四輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)；所述車底盤包括車底板，所述車底板設(shè)有四個越野輪，每個越野輪連接有單獨的傳動 軸和直流有刷減速伺服電機，每個直流有刷減速伺服電機的輸出軸分別通過小鏈輪、鏈條、 大鏈輪與對應(yīng)越野輪的傳動軸連接；所述直流有刷減速伺服電機通過電機座安裝在車底板上，所述傳動軸通過兩個球面帶 座軸承固定在車底板上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自主作業(yè)林業(yè)機器人平臺，其特征在于，所述車頂平臺設(shè)有 導(dǎo)航定位裝置、激光掃描裝置、雙目視覺裝置、作業(yè)機械手。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自主作業(yè)林業(yè)機器人平臺，其特征在于，所述車架用鋁型材 搭建，用于車體各部分之間的承重和連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的自主作業(yè)林業(yè)機器人平臺，其特征在于，所述控制系統(tǒng) 包括硬件和軟件部分；所述硬件部分包括中央控制計算機、運動控制模塊、導(dǎo)航定位模塊、激光測量模塊、雙 目視覺模塊、電機驅(qū)動模塊、無線通訊模塊、電源模塊、CAN通信模塊，所述中央控制計算機 與所述運動控制模塊、導(dǎo)航定位模塊、激光測量模塊、雙目視覺模塊、無線通訊模塊分別連 接，所述運動控制模塊與電機驅(qū)動模塊連接，所述電源模板為各個電路和電機供電，所述 CAN通信模塊與所述中央控制計算機、運動控制模塊、電機驅(qū)動模塊之間通信連接；所述軟件系統(tǒng)包括中央控制計算機軟件和在所述運動控制模塊中運行的運動控制軟件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自主作業(yè)林業(yè)機器人平臺，包括機器人本體和控制系統(tǒng)，機器人本體采用了四輪的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，包括車底盤、車頂平臺、車架等部分。機器人的控制系統(tǒng)可完成復(fù)雜控制和數(shù)據(jù)處理算法，同時加裝了導(dǎo)航定位、激光測量、雙目視覺等多種傳感器，進行自主林業(yè)機器人作業(yè)環(huán)境信息檢測和智能導(dǎo)航。該自主作業(yè)林業(yè)機器人結(jié)構(gòu)簡單，四輪的驅(qū)動能力強，可在林區(qū)復(fù)雜地形條下靈活可靠地運動，具備智能決策和環(huán)境建模的能力，可完成林區(qū)作業(yè)環(huán)境信息檢測任務(wù)；同時可在機器人上加裝多種作業(yè)機械手，進一步自主完成林木整枝、間伐、采伐和集運等林業(yè)生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)。
文檔編號G05B19/414GK102135766SQ20111000048
公開日2011年7月27日 申請日期2011年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月4日
發(fā)明者李文彬, 燕飛, 羅琴娟, 鄭一力, 闞江明, 高道祥 申請人:北京林業(yè)大學(xué)