CN101642736A - 对靶喷雾机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对靶喷雾机械臂，包括：Y向移动导轨，朝与地面平行的Y向设置；承载台，设在所述Y向移动导轨上；Z向移动机构，一端与行走于高架导轨的移动平台的下方连接，另一端与所述Y向移动导轨连接；两个图像采集摄像头，分别设在所述Z向移动机构的两侧；X向旋转机构，包括旋转支架和相对该旋转支架旋转的旋转轴，所述旋转支架固接在所述承载台的前侧，所述旋转轴的轴线与同时垂直于所述Z向和Y向的X向一致；喷杆，设在所述旋转轴的一端，与所述旋转轴垂直，其杆体上设有喷嘴。Z向交剪式升降吊架与Y向同步带式直线导轨组成竖直平面上的二维移动平台，可实现竖直平面内任意位置的定位。

Description

对靶喷雾机械臂

技术领域

本发明属于现代农业装备技术领域，涉及一种温室环境下对植株病害进行对靶喷雾的智能化机械臂。

背景技术

目前，我国在蔬菜植株病虫害防治上施药设备以中小型机具为主，手动植保机械占绝对主导地位。但这些植保机械绝大部分都是上世纪50-60年代定型的产品，无论是技术性能还是结构都相当落后，这些机具的施药方式容量大，往往将蔬菜喷洒至“药液滴淌”，大部分都流失到土壤、水源和空气中去，造成农药浪费和环境污染，使人畜中毒事件增加，对人们的健康造成严重的威胁。同时，在温室等设施农业环境下，因施药中毒人数每年都在递增。

对靶喷雾是目前农业信息技术领域的一个研究热点。根据靶标的尺度不同，对靶喷雾有不同的层次。对作物植株单体甚至是单个叶片内病害区域进行对靶喷雾是当前的一个难点。研制精准对靶施药装备，实现根据病害植株的位置以及单个叶片的病害区域进行定位施药处理，有利于提高农药应用的效率，减少农药在蔬菜作物上的农药残留，降低工作人员的劳动强度和直接接触农药的机会。因此针对植株和病害部位进行对靶变量施药的精准农业器械的研究成为热点。

对靶施药器械一直是精准农业方面研究的重点之一，目前国内外对于精准对靶施药器械的研制主要根据植株的形状或叶片大小决定施药的数量，对靶的硬件主要通过车载或拖拉机悬挂喷杆的方式实现，其使用具有一定的局限性，在提高喷雾精度和农药利用率方面仍存在较多问题。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种其使用不受限制的对靶喷雾机械臂，以解决喷雾精度和农药利用率低的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是采用一种对靶喷雾机械臂，包括：Y向移动导轨20，朝与地面平行的Y向设置；承载台10，设在所述Y向移动导轨20上；Z向移动机构11，一端与行走于高架导轨的移动平台1的下方连接，另一端与所述Y向移动导轨20连接，用于朝与地面垂直的Z向移动所述Y向移动导轨20；两个图像采集摄像头21，分别设在所述Y向移动导轨20的上方、所述Z向移动机构11的两侧；X向旋转机构，包括旋转支架31和相对该旋转支架31旋转的旋转轴30，所述旋转支架31固接在所述承载台10的前侧，所述旋转轴30的轴线与同时垂直于所述Z向和Y向的X向一致；喷杆32，设在所述旋转轴30的一端，与所述旋转轴30垂直，其杆体上设有喷嘴33。

其中，所述Z向移动机构11为交剪式吊架，通过电动机拉动钢丝绳实现所述Y向移动导轨20的升降动作。

其中，所述Y向移动导轨20为同步带式直线导轨。

其中，所述喷杆32上还设有电磁阀34，所述电磁阀34用于控制所述喷嘴33的通断时间。

其中，所述喷嘴33设有若干个，沿着所述喷杆32的杆体方向均匀分布，每个喷嘴33对应一个所述电磁阀34。

还提供一种对靶喷雾方法，该方法包括：

S1、通过设在Y向移动导轨20上的图像采集摄像头21，扫描植被场景图像，确定植被病害区域的位置信息和检测植被病害程度信息；

S2、根据所述位置信息，控制Z向移动机构11朝与地面垂直的Z向Y向移动导轨20，之后控制X向旋转机构旋转设在所述承载台10前侧的喷杆32至与地面垂直；

S3、控制承载台10沿着Y向移动导轨20朝与地面平行的Y向移动，以使设在所述承载台10前侧的喷杆32到达植被病害区域；

S4、在承载台10移动的同时，根据所述病害程度信息与位置信息，当承载台10带动设在喷杆32上与电磁阀34固连的喷嘴33指向需要喷雾的区域时，控制设在所述喷杆32上的电磁阀34的通断时间，使与电磁阀34对应的喷嘴33对病害植被进行变量喷雾。

其中，所述步骤S2中的X向旋转机构包括旋转支架31和相对该旋转支架31旋转的旋转轴30，所述旋转轴30的轴线与同时垂直于所述Z向和Y向的X向一致。

其中，步骤S2中的所述喷杆32通过所述旋转轴30旋转至与地面垂直。

其中，步骤S5中的喷嘴33设有若干个，所述喷嘴33均匀分布在所述喷杆32上，每个喷嘴33对应一个所述电磁阀34。

其中，所述步骤S1中的Z向移动机构11为交剪式吊架，通过电动机拉动钢丝绳实现所述承载台10的升降动作；所述步骤S4中的Y向移动导轨20为同步带式直线导轨。

本发明由于采用交剪式升降吊架，因此其工作范围大、刚度性能优良，当上部移动平台移动时交剪式升降吊架处于收缩状态，较好地解决了机械臂移动时与植株以及导轨的干涉问题，并提高了机器人系统的运动稳定性。

Z向交剪式升降吊架与Y向同步带式直线导轨组成竖直平面上的二维移动平台，可实现竖直平面内任意位置的定位。

三自由度喷雾机械臂配合电磁阀控制的喷嘴，可实现1.2m×1.2m区域内以0.2m×0.2m的不同单元进行变量喷雾。

附图说明

图1是本发明的对靶喷雾机械臂的立体图；

图2是本发明的对靶喷雾机械臂的主视图；

图3是本发明的对靶喷雾机械臂的左视图；

图4是本发明的对靶喷雾机械臂的俯视图。

图中：1、移动平台；10、承载台；11、Z向移动机构；20、Y向移动导轨；21、图像采集摄像头；30、旋转轴；31、旋转支架；32、喷杆；33、喷嘴；34、电磁阀。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施方式所涉及的对靶喷雾机械臂包括：Y向移动导轨20，朝与地面平行的Y向设置；承载台10，设在所述Y向移动导轨20上；Z向移动机构11，一端与行走于高架导轨的移动平台1的下方连接，另一端与所述Y向移动导轨20连接，用于朝与地面垂直的Z向移动所述Y向移动导轨20；两个图像采集摄像头21，分别设在所述Y向移动导轨20的上方、所述Z向移动机构11的两侧；X向旋转机构，包括旋转支架31和相对该旋转支架31旋转的旋转轴30，所述旋转支架31固接在所述承载台10的前侧，所述旋转轴30的轴线与同时垂直于所述Z向和Y向的X向一致；喷杆32，设在所述旋转轴30的一端，与所述旋转轴30垂直，其杆体上设有喷嘴33。

本发明中，Z向移动机构11优选的是使用如图1所示的交剪式升降吊架，通过电动机(未图示)拉动钢丝绳(未图示)实现所述Y向移动导轨20的升降动作。

并且，本发明中，Y向移动导轨20优选的是使用同步带式直线导轨。

并且，优选的是，在喷杆32上设置电磁阀34，电磁阀34根据图像采集摄像头21采集的图像信息通断喷嘴33。

并且，优选的是，沿着喷杆32的杆体方向均匀设置若干个喷嘴33，每个喷嘴33对应一个所述电磁阀34。

下面以黄瓜等篱架型植物为例，对本发明的对靶喷雾机械臂进行说明。

Z向交剪式吊架11通过电动机(未图示)拉动钢丝绳(未图示)进而实现Y向同步带式直线导轨20的升降动作，有效行程2.5m，Y向同步带式直线导轨20与X向旋转机构及喷杆32等全部安装于吊架下方。机械臂整体吊装于移动平台后可实现离地面0.4m～2m高度范围的覆盖，由于温室环境下黄瓜植株拉线高度基本控制在2m左右，此外，考虑到喷雾作业时雾滴具有一定的漂浮性，因此在该行程范围内可基本实现对黄瓜植株的覆盖。在单次垄内喷雾作业完成之后，Z向交剪式吊架11可将承载台10上升至约2.5m的高度，处于收缩状态。较好地解决了上方的平台移动时与黄瓜植株以及导轨的干涉问题，并提高了机械臂的运动稳定性。

Y向同步带式直线导轨20的有效行程为1.2m，承载台10可在有效行程范围内运动。旋转支架31固连于承载台10的前侧，用于驱动喷杆32在±90°的范围内转动。喷杆32的总长为1.2m，上面间隔0.2m均匀分布6个喷嘴33，每个喷嘴通过电磁阀34与喷杆32连接。

根据当前各喷嘴32位置上对应的作物病害信息通过PLC控制电磁阀34的通断时间，进而达到变量对靶喷雾的目的。

下面对本实施例所涉及的对靶喷雾机械臂的工作过程进行说明。

S1、通过设在Y向移动导轨20上的图像采集摄像头21，扫描植被场景图像，确定植被病害区域的位置信息和检测植被病害程度信息；

S2、根据所述位置信息，控制Z向移动机构11朝与地面垂直的Z向Y向移动导轨20，之后控制X向旋转机构旋转设在所述承载台10前侧的喷杆32至与地面垂直；

S3、控制承载台10沿着Y向移动导轨20朝与地面平行的Y向移动，以使设在所述承载台10前侧的喷杆32到达植被病害区域；

S4、在承载台10移动的同时，根据所述病害程度信息与位置信息，当承载台10带动设在喷杆32上与电磁阀34固连的喷嘴33指向需要喷雾的区域时，控制设在所述喷杆32上的电磁阀34的通断时间，使与电磁阀34对应的喷嘴33对病害植被进行变量喷雾。

本实施方式由于采用交剪式升降吊架，因此其工作范围大、刚度性能优良，当上部移动平台移动时交剪式升降吊架处于收缩状态，较好地解决了机械臂移动时与黄瓜植株以及导轨的干涉问题，并提高了机器人系统的运动稳定性。

Z向交剪式升降吊架与Y向同步带式直线导轨组成竖直平面上的二维移动平台，可实现竖直平面内任意位置的定位。

三自由度喷雾机械臂配合电磁阀控制的喷嘴，可实现1.2m×1.2m区域内以0.2m×0.2m的不同单元进行变量喷雾。

在结构化温室环境下，植株的生长较为规则，因此机械臂整体构架基于直角坐标型机器人设计。由于该类构型机器人逆运动学简单，且关节是解耦的，因此避免出现运动学奇异点，降低了控制系统的复杂度。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，但这些方案均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种对靶喷雾机械臂，其特征在于，包括：

Y向移动导轨(20)，朝与地面平行的Y向设置；

承载台(10)，设在所述Y向移动导轨(20)上；

Z向移动机构(11)，一端与行走于高架导轨的移动平台(1)的下方连接，另一端与所述Y向移动导轨(20)连接，用于朝与地面垂直的Z向移动所述Y向移动导轨(20)；

两个图像采集摄像头(21)，分别设在所述Z向移动机构(11)的两侧；

X向旋转机构，包括旋转支架(31)和相对该旋转支架(31)旋转的旋转轴(30)，所述旋转支架(31)固接在所述承载台(10)的前侧，所述旋转轴(30)的轴线与同时垂直于所述Z向和Y向的X向一致；

喷杆(32)，设在所述旋转轴(30)的一端，与所述旋转轴(30)垂直，其杆体上设有喷嘴(33)。

2、如权利要求1所述的对靶喷雾机械臂，其特征在于，所述Z向移动机构(11)为交剪式吊架，通过电动机拉动钢丝绳实现所述Y向移动导轨(20)的升降动作。

3、如权利要求1所述的对靶喷雾机械臂，其特征在于，所述Y向移动导轨(20)为同步带式直线导轨。

4、如权利要求1所述的对靶喷雾机械臂，其特征在于，所述喷杆(32)上还设有电磁阀(34)，所述电磁阀(34)用于控制所述喷嘴(33)的通断时间。

5、如权利要求4所述的对靶喷雾机械臂，其特征在于，所述喷嘴(33)设有若干个，沿着所述喷杆(32)的杆体方向均匀分布，每个喷嘴(33)对应一个所述电磁阀(34)。

6、一种对靶喷雾方法，其特征在于，该方法包括：

S1、通过设在Y向移动导轨(20)上的图像采集摄像头(21)，扫描植被场景图像，确定植被病害区域的位置信息和检测植被病害程度信息；

S2、根据所述位置信息，控制Z向移动机构(11)朝与地面垂直的Z向Y向移动导轨(20)，之后控制X向旋转机构旋转设在所述承载台(10)前侧的喷杆(32)至与地面垂直；

S3、控制承载台(10)沿着Y向移动导轨(20)朝与地面平行的Y向移动，以使设在所述承载台(10)前侧的喷杆(32)到达植被病害区域；

S4、在承载台(10)移动的同时，根据所述病害程度信息与位置信息，当承载台(10)带动设在喷杆(32)上与电磁阀(34)固连的喷嘴(33)指向需要喷雾的区域时，控制设在所述喷杆(32)上的电磁阀(34)的通断时间，使与电磁阀(34)对应的喷嘴(33)对病害植被进行变量喷雾。

7、如权利要求6所述的对靶喷雾方法，其特征在于，所述步骤S2中的X向旋转机构包括旋转支架(31)和相对该旋转支架(31)旋转的旋转轴(30)，所述旋转轴(30)的轴线与同时垂直于所述Z向和Y向的X向一致。

8、如权利要求7所述的对靶喷雾方法，其特征在于，步骤S2中的所述喷杆(32)通过所述旋转轴(30)旋转至与地面垂直。

9、如权利要求6所述的对靶喷雾方法，其特征在于，步骤S5中的喷嘴(33)设有若干个，所述喷嘴(33)均匀分布在所述喷杆(32)上，每个喷嘴(33)对应一个所述电磁阀(34)。

10、如权利要求6所述的对靶喷雾方法，其特征在于，

所述步骤S1中的Z向移动机构(11)为交剪式吊架，通过电动机拉动钢丝绳实现所述承载台(10)的升降动作；

所述步骤S4中的Y向移动导轨(20)为同步带式直线导轨。

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