一种软垫爪钩复合结构的仿生软体攀爬机器人

农业,林业,园林,畜牧业,肥料饲料的机械,工具制造及其应用技术1.本发明涉及柔性机器人，具体为一种可适应多种树干粗糙表面的软垫爪钩复合结构的仿生软体攀爬机器人。背景技术：2.森林树木可以有效实现固碳、调节气候，对于发生病虫害的树木需要精准施药，以降低多余药液对环境的污染。猕猴桃、银杏、车厘子等农产品通常为雌雄异株，难以完成自花授粉，为提高坐果率，增加经济效益，种植人员普遍采用人工授粉的方法。人工授粉主要有点涂法与大面积喷洒法。然而，此两种人工授粉方法不但存在劳动力成本大、效率低下、花粉易失去活力以及浪费严重等问题，而且当需要针对高大果树进行定点授粉时则需要使用梯子等高空作业，不仅成本高，还存在着工人伤亡的潜在风险。现有技术中主要采用无人飞机进行大面积喷洒、刚性机器人系统喷雾(cn201811570424.6)等方式，存在体积庞大、装置复杂、控制繁琐、易损害树木等问题；专利号cn202110063134.8报道的专利采用三段式气体驱动结构，虽具有较好的攀爬效果，但是其适应树干直径能力弱，灵活性差。3.本发明仿生尺蠖，设计了一种软垫爪钩复合结构的仿生软体攀爬机器人，可以适应多种树干表面攀爬，为树木病虫防治、果树授粉及果实采摘提供高效装备，具有体积小、成本低、适应性强等特点，应用前景广阔。技术实现要素：4.本发明的目的：突破现有技术局限，公开一种软垫爪钩复合结构的仿生软体攀爬机器人，解决已有的软体爬行机器人的运动模式单一以及应用环境局限性等问题，在无辅助支撑工具的环境下实现自主攀爬运动，同时可以借助机器视觉实现对果树花朵、树木病害位置的定位，进而完成定向施药操作。5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：6.一种软垫爪钩复合结构的仿生软体攀爬机器人，由喷药装置、视觉识别装置、前向仿生攀爬装置、控制系统、中央伸缩致动器、后向仿生攀爬装置组成。7.所述控制系统由安装板、微型锂离子电池、微型单片机、微型气泵、微型压力调节阀、第一微型电磁阀、第二微型电磁阀、第三微型电磁阀、第四微型电磁阀、第五微型电磁阀、第六微型电磁阀、第七微型电磁阀、第八微型电磁阀组成，所述微型电磁阀都为两位三通电磁阀。所述安装板为长方体薄板结构，安装板上开有螺纹孔，分别与微型锂离子电池、微型单片机、微型气泵、微型压力调节阀、第一微型电磁阀、第二微型电磁阀、第三微型电磁阀、第四微型电磁阀、第五微型电磁阀、第六微型电磁阀、第七微型电磁阀、第八微型电磁阀固定连接。8.所述喷药装置由喷药头、摇头器、第一通气软管、第二通气软管、药液盒、第三通气软管、第九微型电磁阀、第四通气软管、药液盒套、第五通气软管所组成。所述摇头器右侧设有四个盲孔，分别与第一通气软管、第二通气软管、第四通气软管、第五通气软管连接，四个盲孔中间设有通孔，与所述药液盒套固定连接。药液盒套为t型圆柱套，一侧设有螺纹，与所述喷药头进行螺纹连接，一侧设有法兰，与所述药液盒的法兰盘通过螺栓进行连接。所述第九微型电磁阀一侧设有螺纹，与药液盒带有螺纹的通孔进行螺纹连接，另一侧与所述第三通气软管连接。9.所述视觉识别装置由微型相机以及仿触角状支架组成，微型相机安装在仿触角状支架上。10.所述前向仿生攀爬装置、后向仿生攀爬装置为两结构相同的组件，均为软垫爪钩复合结构，前向仿生攀爬装置由第一腔致动器、第六通气软管、前向仿生攀爬足所组成；后向仿生攀爬装置由第二腔致动器、第七通气软管、后向仿生攀爬足所组成。所述第一腔致动器为封闭腔体，第一腔致动器与第六通气软管相连且气源通过第六通气软管向第一腔致动器内充气和放气；所述第二腔致动器为封闭腔体，第二腔致动器与第七通气软管相连且气源通过第七通气软管向第二腔致动器内充气和放气。前向仿生攀爬足和后向仿生攀爬足在未充气时处于缩进状态，在充气时为伸展状态。11.所述中央伸缩致动器由波纹管、复位腔体、第八通气软管所组成。所述波纹管为封闭管体，波纹管与第八通气软管相连且气源通过第八通气软管向波纹管内充气和放气，所述复位腔体固连在波纹管外表面上，且波纹管能在复位腔体的带动下进行复位。12.所述喷药装置、视觉识别装置、前向仿生攀爬装置、控制系统、中央伸缩致动器、后向仿生攀爬装置通过硅胶依次粘接固连。13.所述微型锂离子电池分别为微型相机、微型单片机、微型气泵、微型压力调节阀、第一微型电磁阀、第二微型电磁阀、第三微型电磁阀、第四微型电磁阀、第五微型电磁阀、第六微型电磁阀、第七微型电磁阀、第八微型电磁阀、第九微型电磁阀电性提供电源。14.所述微型压力调节阀的一端通过硅胶软管与微型气泵连接，另一端通过硅胶软管、气管接头分别与第一微型电磁阀、第二微型电磁阀、第三微型电磁阀、第四微型电磁阀、第五微型电磁阀、第六微型电磁阀、第七微型电磁阀、第八微型电磁阀连接组成气源系统，通过微型气泵使气源系统实现充、放气，通过微型压力调节阀实现气源系统的压力调节。15.所述第一微型电磁阀与第一通气软管连接并对其进行通气和放气、第二微型电磁阀与第二通气软管相连并对其进行通气和放气、第三微型电磁阀与第三通气软管相连并对其进行通气和放气、第四微型电磁阀与第四通气软管相连并对其进行通气和放气、第五微型电磁阀与第五通气软管相连并对其进行通气和放气、第六微型电磁阀与前向仿生攀爬装置的第六通气软管相连并对其进行通气和放气、第七微型电磁阀与后向仿生攀爬装置的第七通气软管相连并对其进行通气和放气、第八微型电磁阀与中央伸缩致动器的第八通气软管连接并对其进行通气和放气。16.所述微型单片机为模块组件，有无线收发、视觉检测识别功能。17.所述喷药头为内陷结构，内部受到10kpa以上压力时才能开启。18.所述摇头器为柔性体，通过控制第一通气软管、第二通气软管、第四通气软管、第五通气软管的通气组合实现换向器向各个方向的转动。19.所述第九微型电磁阀为单向电磁阀，与药液盒、第三通气软管连接时按气体从第三通气软管、微型电磁阀、药液盒的通气顺序进行连接。20.所述前向仿生攀爬装置和后向仿生攀爬装置通过模具浇注制备，一体成型。21.所述前向仿生攀爬足和后向仿生攀爬足为多个带有软垫爪钩复合结构的仿生攀爬足组成。22.所述软垫爪钩复合结构是由在软体吸盘表面设置有一定构型的爪钩阵列所组成。23.所述爪钩为卧式l形状，通过感知第一腔致动器和第二腔致动器内部充气压强控制缩进及伸展状态，由abs材料制备而成。24.所述软体吸盘由ds-m型号粘性硅胶制备而成，粘合固定在机器人腹部第一致动器和第二致动器处，软体吸盘在机器人腹部呈两列对称分布。25.所述中央伸缩致动器以波纹管为型芯，通过模具浇注制备，一体成型，并在波纹管的两端用热熔胶密封处理。26.优选的，药液盒、药液盒套、安装板选用柔韧性好的铝、铜、镍等金属薄片制作。27.优选的，复位腔体、摇头器选用elastosil m4601硅胶材料。28.优选的，波纹管选用商用的聚丙烯材料哨子吸管。29.本发明公开的一种软垫爪钩复合结构仿生软体攀爬机器人，其运动过程如下：首先，微型单片机发送指令，机器人从树干的底部向上攀爬；当视觉系统检测到前方有树杈，单片机发送指令使机器人进入运动模式二，控制机器人沿着树枝爬行；当视觉系统检测到花朵、病害等目标时,将拍摄到的目标图像进行算法分析,确定目标位置，单片机控制机器人爬行到目标附近位置；最后，启动喷药装置完成定点喷雾。30.综上所述，本发明的有益效果如下：31.(1)从制作方面，采用了波纹管嵌入硅胶的方法制作伸缩致动器，制备工艺更为简单，控制更加灵活。同时喷药装置、控制系统全部都集成到机器人上，使得整个机器人结构紧凑。32.(2)从结构方面，采用软垫爪钩复合结构，机器人在垂直树干表面攀爬时爪钩伸出，通过爪钩与树干表面作用，提高机器人的承载能力，在水平树枝上爬行时以软垫吸附为主，并且本发明设计合理，结构简单，易于制作和控制，有较大的应用价值，值得推广应用。33.(3)从稳定性方面，仿生攀爬足，结构稳定，能够更加好的适应恶劣环境。34.(4)从控制方面，满足了设备强度需求。可实现机器人的无缆自动控制。附图说明35.图1为本发明的整体结构示意图；36.图2为本发明的喷药装置结构示意图；37.图3为本发明视觉识别装置结构示意图；38.图4为本发明的前、后向仿生攀爬装置外部结构示意图；39.图5为本发明的中央伸缩致动器剖视结构示意图；40.图6为本发明的仿生攀爬足示意图；41.图7为本发明的仿生攀爬足的软垫爪钩复合结构示意图；42.图8为本发明的控制系统结构示意图；43.图中：44.喷药装置1，1-1、喷药头，1-2、摇头器，1-3、第一通气软管，1-4、第二通气软管，1-5、药液盒，1-6、第三通气软管，1-7、第九微型电磁阀，1-8、第四通气软管，1-10、药液盒套，1-9、第五通气软管；45.视觉识别装置2，2-1、微型相机，2-2、仿触角状支架；46.仿生攀爬装置外部结构；前向仿生攀爬装置3，后向仿生攀爬装置5，3-1第一腔致动腔体、5-1第二腔致动腔体，、3-2第六通气软管，5-2第七通气软管；47.中央伸缩致动器4，4-1、第八通气软管，4-2、波纹管，4-3、复位腔体；48.前仿生攀爬足6、后仿生攀爬足7，6-1第一仿生攀爬足，7-1第十三仿生攀爬足，6-2第二仿生攀爬足部，7-2第十四仿生攀爬足，6-3第三仿生攀爬足，7-3第十五仿生攀爬足，6-4第四仿生攀爬足，7-4第十六仿生攀爬足，6-5第五仿生攀爬足，7-5第十七仿生攀爬足，6-6第六仿生攀爬足，7-6第十八仿生攀爬足，6-7第七仿生攀爬足，7-7第十九仿生攀爬足，6-8第八仿生攀爬足，7-8第二十仿生攀爬足，6-9第九仿生攀爬足，7-9第二十一仿生攀爬足，6-10第十仿生攀爬足，7-10第二十二仿生攀爬足，6-11第十一仿生攀爬足，7-11第二十三仿生攀爬足，6-12第十二仿生攀爬足，7-12第二十四仿生攀爬足；49.仿生攀爬足单元的软垫爪钩复合结构8，8-1、卧式l形状爪钩，8-2、软体吸盘；50.控制系统9，9-1、第一微型电磁阀，9-2、第二微型电磁阀，9-3、第三微型电磁阀，9-4、第四微型电磁阀，9-5、第五微型电磁阀，9-6、第六微型电磁阀，9-7、第七微型电磁阀，9-8、第八微型电磁阀，9-9、微型压力调节阀，9-10、微型气泵，9-11、微型单片机，9-12、微型锂离子电池，9-13、安装板；具体实施方式51.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。52.如图1-7所示,本发明公开了一种软垫爪钩复合结构仿生软体攀爬机器人，由喷药装置1、视觉识别装置2、前向仿生攀爬装置(软垫爪钩复合结构)3、中央伸缩致动器4、后向仿生攀爬装置(软垫爪钩复合结构)5组成；机器人腹部设有前仿生攀爬足6、后仿生攀爬足7。53.喷药装置1由喷药头1-1、摇头器1-2、第一通气软管1-3、第二通气软管1-4、药液盒1-5、第三通气软管1-6、第九微型电磁阀1-7、第四通气软管1-8、药液盒套1-10、第五通气软管1-9组成。54.视觉识别装置2由微型相机2-1、仿触角状支架2-2组成。55.前向仿生攀爬装置3由第一腔致动腔体3-1、第六通气软管3-2组成。56.中央伸缩致动器4由第八通气软管4-1、波纹管4-2、复位腔体4-3组成。57.后向仿生攀爬装置5由第二腔致动腔体5-1、第七通气软管5-2组成。58.前仿生攀爬足6由6-1，6-2、6-3、6-4、6-5、6-6、6-7、6-8、6-9、6-10、6-11、6-12仿生攀爬足单元组成。59.后仿生攀爬足7由7-1，7-2、7-3、7-4、7-5、7-6、7-7、7-8、7-9、7-10、7-11、7-12仿生攀爬足单元组成。60.仿生攀爬足单元软垫爪钩复合结构8由卧式l形状爪钩8-1、软体吸盘8-2组成。61.控制系统9由第一微型电磁阀9-1、第二微型电磁阀9-2、第三微型电磁阀9-3、第四微型电磁阀9-4、第五微型电磁阀9-5、第六微型电磁阀9-6、第七微型电磁阀9-7、第八微型电磁阀9-8、微型压力调节阀9-9、微型气泵9-10、微型单片机9-11、微型锂离子电池9-12、安装板9-13组成。62.为了更清楚的说明本发明的目的、特征及效果，下面将结合本发明实例中的附图进行完整的描述。63.机器人在树干外表面的攀爬运动。64.(1)前向仿生攀爬装置3、中央伸缩致动器4处于常压状态，打开第七微型电磁阀9-7进而通过第七通气软管5-2向后向仿生攀爬装置5充气，使得机器人通过后向仿生攀爬装置5腹部的仿生攀爬足钩树干的外表面上；65.(2)前向仿生攀爬装置3处于常压状态，后向仿生攀爬装置5处于保压状态，打开第八微型电磁阀9-8进而通过第八通气软管4-1向中央伸缩致动器4充气，中央伸缩致动器4带动机器人的前向仿生攀爬装置3向上移动；66.(3)中央伸缩致动器4、后向仿生攀爬装置5处于保压状态，打开第六微型电磁阀9-6进而通过第六通气软管3-2向前向仿生攀爬装置3充气，使得机器人的前向仿生攀爬装置3腹部的仿生攀爬足钩树干的外表面上；67.(4)前向仿生攀爬装置3、中央伸缩致动器4处于保压状态，关闭第七微型电磁阀9-7，后向仿生攀爬装置5通过第七通气软管5-2放气；68.(5)后向仿生攀爬装置5处于常压状态，前向仿生攀爬装置3处于保压状态，关闭第八微型电磁阀9-8，中央伸缩致动器4通过第八通气软管4-1放气，在其复位腔体4-3的作用下带动机器人的后向仿生攀爬装置5向上移动；69.(6)关闭第六微型电磁阀9-6，前向仿生攀爬装置3通过第六通气软管3-2放气；70.(7)重复(1)至(6)过程，即可实现机器人相对树干的移动。71.机器人爬上树干后会实时拍摄照片，通过系统软件分析，识别包括果树花朵、树木病害位置在内的目标物体，继续驱动机器人接近目标位置，然后启动喷药装置，完成定向施药操作。72.以上实施实例为本发明的基本原理、主要特征及优点，但本发明并不限于上述实施方式，在不脱离本发明原理的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。









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