本實(shí)用新型屬于農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)涉及一種智能球體農(nóng)田機(jī)器人。

背景技術(shù)：

農(nóng)業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)后，發(fā)展迅速，如今在許多國(guó)家出現(xiàn)了多種類型農(nóng)業(yè)機(jī)器人。在20世紀(jì)70年代后期，各國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究工作逐漸啟動(dòng)，研制出多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人，如嫁接機(jī)器人、育苗機(jī)器人、農(nóng)藥噴灑機(jī)器人等已投入使用。但現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機(jī)器人大多都體形比較龐大，在移動(dòng)作業(yè)過(guò)程中容易毀壞農(nóng)作物和壓實(shí)土壤，不利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)。本文提出一種用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)上的機(jī)器人，與其他農(nóng)業(yè)機(jī)器人所不同的是它不像飛機(jī)撒藥式的噴灑殺蟲劑、施肥等大范圍的對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行作業(yè)，而是更傾向于園丁的方式，針對(duì)性的服務(wù)于小范圍的農(nóng)作物。機(jī)器人外表采用球型外殼，在移動(dòng)中不會(huì)對(duì)農(nóng)作物造成傷害；所有的控制電路和機(jī)械驅(qū)動(dòng)全部封裝在球體內(nèi)部，有效避免農(nóng)田中露水和灰塵對(duì)機(jī)器人造成影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種智能球體農(nóng)田機(jī)器人，

本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種智能球體農(nóng)田機(jī)器人，包括主傳動(dòng)軸、支撐軸、連接件、直齒輪傳動(dòng)輪系、直齒-錐齒輪傳動(dòng)輪系、用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行進(jìn)的第一步進(jìn)電機(jī)、用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向的第二步進(jìn)電機(jī)，以及一個(gè)球形殼體，所述主傳動(dòng)軸、支撐軸、連接件、直齒輪傳動(dòng)輪系、直齒-錐齒輪傳動(dòng)輪系、用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行進(jìn)的第一步進(jìn)電機(jī)、用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向的第二步進(jìn)電機(jī)均設(shè)置在球形殼體內(nèi)部。

主傳動(dòng)軸通過(guò)軸承可旋轉(zhuǎn)的水平設(shè)置在連接件中，第一步進(jìn)電機(jī)和第二步進(jìn)電機(jī)分別固定在主傳動(dòng)軸的兩端；

所述支撐軸由完全相同的兩個(gè)光軸組成，兩個(gè)光軸成一直線豎直設(shè)置，光軸相鄰的兩端通過(guò)軸承可旋轉(zhuǎn)的固定在連接件的上下兩端；光軸另外兩端分別與球殼進(jìn)行剛性連接，將整套驅(qū)動(dòng)支撐起來(lái)；

所述直齒輪傳動(dòng)輪系包括相互嚙合的第一直齒輪和第二直齒輪，其中，第一直齒輪固定在第一步進(jìn)電機(jī)的輸出軸上，第二直齒輪通過(guò)軸承可旋轉(zhuǎn)的設(shè)置在主傳動(dòng)軸上，且第二直齒輪與連接件固定連接；

所述直齒-錐齒輪傳動(dòng)輪系包括第三直齒輪、與第三直齒輪相嚙合的第四直齒輪、第一錐齒輪、與第一錐齒輪相嚙合的第二錐齒輪，其中，第三直齒輪固定在第二步進(jìn)電機(jī)的輸出軸上，第四直齒輪和第一錐齒輪通過(guò)軸承同步設(shè)置在主傳動(dòng)軸上，第二錐齒輪固定在支撐軸上；

在智能球體農(nóng)田機(jī)器人的球形殼體內(nèi)還設(shè)置有溫濕度檢測(cè)單元、GPS定位單元、電源模塊單元、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、核心控制單元，所述核心控制單元分別與連接溫濕度檢測(cè)單元、GPS定位單元、電源模塊單元、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元連接。

在上述技術(shù)方案中，第一直齒輪7和第二直齒輪8具有相同的模數(shù)1.5，齒數(shù)分別是20和40，傳動(dòng)比為1:2；第三直齒輪9和第四直齒輪10具有相同的模數(shù)1.5，齒數(shù)分別是20和40，傳動(dòng)比為1:2；第一錐齒輪11和第二錐齒輪12具有相同的模數(shù)1.5，齒數(shù)分別為20，40，傳動(dòng)比也為1：2。

在上述技術(shù)方案中，采用STC15F2K61S2單片機(jī)作為核心控制單元。

在上述技術(shù)方案中，所述無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元采用無(wú)線通用芯片NRF2401。

在上述技術(shù)方案中，所述溫濕度檢測(cè)單元采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。

在上述技術(shù)方案中，所述GPS定位單元采用ATK-NEO-6M-V2.3GPS定位模塊。

在上述技術(shù)方案中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元采用A4988電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和有益效果為：

本實(shí)用新型公開了一種智能球體農(nóng)田機(jī)器人，其外形為球形殼體，在球形殼體內(nèi)設(shè)置有驅(qū)動(dòng)球形殼體行進(jìn)和轉(zhuǎn)向的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。本實(shí)用新型利用球體表面圓潤(rùn)的特點(diǎn)，改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械工作時(shí)會(huì)傷害到農(nóng)作物的現(xiàn)狀；并在此基礎(chǔ)上將一系列傳感器集結(jié)在球殼內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田信息的采集。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實(shí)用新型的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖3是本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)的模塊連接圖。

圖4是實(shí)施例中核心控制單元的電路圖。

圖5是實(shí)施例中無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元的電路圖。

圖6是實(shí)施例中溫濕度檢測(cè)單元的電路圖。

圖7是實(shí)施例中GPS定位單元的電路圖。

圖8是實(shí)施例中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的電路圖。

圖9是實(shí)施例中電源模塊單元的電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案。

一種智能球體農(nóng)田機(jī)器人，參見附圖1和圖2，智能球體農(nóng)田機(jī)器人包括主傳動(dòng)軸1、支撐軸2、連接件3、直齒輪傳動(dòng)輪系、直齒-錐齒輪傳動(dòng)輪系、用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行進(jìn)的第一步進(jìn)電機(jī)4、用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向的第二步進(jìn)電機(jī)5，以及一個(gè)球形殼體6，所述主傳動(dòng)軸1、支撐軸2、連接件3、直齒輪傳動(dòng)輪系、直齒-錐齒輪傳動(dòng)輪系、用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行進(jìn)的第一步進(jìn)電機(jī)4、用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向的第二步進(jìn)電機(jī)5均設(shè)置在球形殼體6內(nèi)部。

所述主傳動(dòng)軸1由8mm的中空不銹鋼鋁管構(gòu)成，主傳動(dòng)軸1通過(guò)軸承可旋轉(zhuǎn)的水平設(shè)置在連接件3中，第一步進(jìn)電機(jī)4和第二步進(jìn)電機(jī)5分別固定在主傳動(dòng)軸1的左右兩端(為避免線路影響整體機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)，故將進(jìn)電機(jī)的連線穿插在鋁管中心)；

所述支撐軸2由完全相同的兩個(gè)6mm光軸組成，兩個(gè)6mm光軸成一直線豎直設(shè)置，光軸相鄰的兩端通過(guò)軸承可旋轉(zhuǎn)的固定在連接件3的上下兩端；光軸另外兩端分別與球殼進(jìn)行剛性連接，將整套驅(qū)動(dòng)支撐起來(lái)；

所述直齒輪傳動(dòng)輪系包括相互嚙合的第一直齒輪7和第二直齒輪8，其中，第一直齒輪7固定在第一步進(jìn)電機(jī)4的輸出軸上，第二直齒輪8通過(guò)軸承可旋轉(zhuǎn)的設(shè)置在主傳動(dòng)軸1上，且第二直齒輪8與連接件3固定連接；

所述直齒-錐齒輪傳動(dòng)輪系包括第三直齒輪9、與第三直齒輪9相嚙合的第四直齒輪10、第一錐齒輪11、與第一錐齒輪11相嚙合的第二錐齒輪12，其中，第三直齒輪9固定在第二步進(jìn)電機(jī)5的輸出軸上，第四直齒輪10和第一錐齒輪11通過(guò)軸承13同步設(shè)置在主傳動(dòng)軸1上，第二錐齒輪12固定在支撐軸2上；

第一直齒輪7和第二直齒輪8具有相同的模數(shù)1.5，齒數(shù)分別是20和40，傳動(dòng)比為1:2；第三直齒輪9和第四直齒輪10具有相同的模數(shù)1.5，齒數(shù)分別是20和40，傳動(dòng)比為1:2；第一錐齒輪11和第二錐齒輪12具有相同的模數(shù)1.5，齒數(shù)分別為20，40，傳動(dòng)比也為1：2；

兩側(cè)的步進(jìn)電機(jī)分別具有不同的功能。當(dāng)左側(cè)的第一步進(jìn)電機(jī)4轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，直齒輪傳動(dòng)輪系之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得兩步進(jìn)電機(jī)繞X軸(即主傳動(dòng)軸1)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變小球中心位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前后移動(dòng)；當(dāng)右側(cè)的第二步進(jìn)電機(jī)5轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)直齒-錐齒輪傳動(dòng)輪系能夠?qū)⒌诙竭M(jìn)電機(jī)的扭力傳遞到Y(jié)軸(即支撐軸2)上，使整個(gè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)部分繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的左右轉(zhuǎn)動(dòng)。

在智能球體農(nóng)田機(jī)器人的球形殼體6內(nèi)還設(shè)置有溫濕度檢測(cè)單元、GPS定位單元、電源模塊單元、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、核心控制單元，參見附圖3，核心控制單元分別與連接溫濕度檢測(cè)單元、GPS定位單元、電源模塊單元、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元連接，溫濕度檢測(cè)單元用于采集農(nóng)田溫濕度數(shù)據(jù)，GPS定位單元用于采集機(jī)器人的位置數(shù)據(jù)，核心控制單元通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元與第一步進(jìn)電機(jī)4和第二步進(jìn)電機(jī)5連接，以驅(qū)動(dòng)第一步進(jìn)電機(jī)4和第二步進(jìn)電機(jī)5，從而控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元實(shí)現(xiàn)核心控制單元與遠(yuǎn)程控制器的數(shù)據(jù)傳輸(一方面，核心控制單元通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元將溫濕度檢測(cè)單元和GPS定位單元采集的溫濕度數(shù)據(jù)和機(jī)器人位置信息傳輸給遠(yuǎn)程控制器，另一方面遠(yuǎn)程控制器通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元將控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的指令發(fā)送給核心控制單元)。

本系統(tǒng)采用STC15F2K61S2單片機(jī)作為核心控制單元，它是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)，內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘，可省掉外部昂貴的晶振和外部復(fù)位電路，此單片機(jī)工作速度快，集成晶振復(fù)位電路減少成本且增加穩(wěn)定性，可滿足本系統(tǒng)的要求，其電路圖如圖4所示；

所述無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元采用無(wú)線通用芯片NRF2401，它是一款基于通訊在ISM頻段的無(wú)線芯片，NRF2401通過(guò)SPI接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，NRF2401工作電壓范圍為1.9V～3.6V，與STC15F2K61S2單片機(jī)連接時(shí)需要電平轉(zhuǎn)換芯片將5V與3.3V電平匹配，電路圖如圖5所示；

所述溫濕度檢測(cè)單元采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，其電路圖6如圖所示；

所述GPS定位單元采用ATK-NEO-6M-V2.3高性能GPS定位模塊，該模塊采用U-BLOX NEO-6M模組，模塊自帶MAXIM公司高增益(20.5dB)LNA芯片與高性能陶瓷天線結(jié)合，組成接收天線，該模塊通過(guò)串口與核心控制單元連接進(jìn)行通信，其電路圖如圖7所示；

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元采用A4988電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，A4988是一款帶轉(zhuǎn)換器和過(guò)流保護(hù)的DMOS微步驅(qū)動(dòng)器，該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8及1/16步進(jìn)模式時(shí)操作雙極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，輸出驅(qū)動(dòng)性能可達(dá)35V，只要在“步進(jìn)”輸入中輸入一個(gè)脈沖，即可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生微步。在使用當(dāng)中無(wú)須按照相位順序表編寫程序，簡(jiǎn)化操作提高效率。系統(tǒng)采用的35電機(jī)最大電流為700mA，可通過(guò)調(diào)節(jié)模塊上的電位器來(lái)確定驅(qū)動(dòng)的最大輸出電流。如果電流太小，則電機(jī)扭力不夠，如果電流太大則會(huì)造成電機(jī)在抱死狀態(tài)下嚴(yán)重發(fā)熱，而且發(fā)出尖銳的嘯叫聲，通過(guò)實(shí)際測(cè)試調(diào)節(jié)，我們將其調(diào)節(jié)至650mA。此時(shí)步進(jìn)電機(jī)正常工作。其電路圖如圖8所示；

電源模塊單元采用7.4V鋰電池為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電，電池電壓一路直接供給步進(jìn)電機(jī)，另一路直接通過(guò)線性電源轉(zhuǎn)換芯片ASM1117-5V將電壓降至5V，為單片機(jī)和溫濕度傳感器供電，其電路圖如圖9所示。

以上對(duì)本實(shí)用新型做了示例性的描述，應(yīng)該說(shuō)明的是，在不脫離本實(shí)用新型的核心的情況下，任何簡(jiǎn)單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)的等同替換均落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。