CN105746481B - 一种兼具靶向定量喷施与机械定点铲挖功能的除草机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于立体视觉的智能除草机器人，该机器人由双轮毂电驱动机械平台、机器视觉系统、智能控制系统、自主转向系统、水平保持机构、折叠式除草平台、交替式靶向定量喷洒系统、电力辅助系统、反馈系统组成。当机器人启动后，采用机器视觉技术追踪田间苗带走向，实现自主式智能导航。同时折叠式除草平台张开，通过五套图像采集装置实时获取田间数据，分析杂草信息整合为脉冲指令，控制电磁阀通断驱动除草平台上步进电机带动双喷头旋转实现空间定点定量対靶喷施。同时通过传感器反馈调节推杆电机的伸出长度来调整水平保持机构，从而来保持除草机构始终与地面水平且等距，实现除草机构准确根除杂草。可应用于农业除草作业当中。

Description

一种兼具靶向定量喷施与机械定点铲挖功能的除草机器人

技术领域

本发明涉及了一种农业除草机械设备领域，更具体而言是指一种采用机器视觉和空间式除草设备的智能除草机器人。

背景技术

由于世界人口的不断增长，土地沙漠化及不合理利用，可耕地面积在不断减少，因此只有提高土地单位面积产量、减少由杂草带来的损失，才能依靠有限的土地养活不断增长的人口，这对人力资源和农业除草的器具提出了较高的要求。然而，据国内外有关专家统计，杂草每年给全球粮食生产造成的损失高达950亿美元，由此可见喷洒农药的必要性。但是，普通喷洒方式多为粗放式喷洒，不考虑杂草和作物在空间区域上的分布特点，将农药均匀地喷洒于整个田地，盲目而大量地喷洒农药导致了土壤板结、食品农药残留等问题，不利于人们的身体健康；另一方面，现有的农业除草装备因其自主调控除草平台能力差、対靶喷施效率低、机械除草执行器精准度低、运输不方便等诸多弊端，不符合现代农业的概念。

近年来随着科技的快速发展，农业机械装备正向着智能化管理方向发展，农业现代化程度也已经成为衡量农业先进水平的重要指标。针对现代农业耕地环境，本发明提出了一种节能环保，降低劳动力，具有自主调控、定点除草、交替式定量喷洒、双形态折叠等功能的智能除草机器人，符合现代农业的发展趋势。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种兼具靶向定量喷施与机械定点铲挖功能的除草机器人。

在一些实施方式中，其中：支撑折叠式除草平台(25)平行四杆机构的机架用U型螺栓垂直固定在机械平台(1)上，上摇臂(11)和下摇臂(9)用螺栓铰接在机架上，下摇臂(9)上支撑架通过铰接在机械平台(1)的推杆电机Ⅰ(10)与机械平台(1)相连，调节推杆电机Ⅰ(10)，控制折叠式除草平台(25)与地面之间间距相同。其有益效果是，实现自主调控除草平台与地面之间的垂直距离，防止因地面坡度造成的除草误差。

在一些实施方式中，其中：折叠式除草平台(25)与上连杆(21)连接，上连杆(21)通过嵌入到燕尾(22)内的止推轴承与燕尾槽(23)组成滑轨，折叠式除草平台(25)可在与水平方向成0°～15°范围内沿滑轨滑动。其有益效果是，可实现折叠式除草平台(25)在0°～15°范围内的定夹角水平校正功能，提高了自主调控折叠式除草平台(25)倾斜角度的能力。

在一些实施方式中，其中：每套喷洒装置由双喷头(13)组成，双喷头(13)通过硬质水管分别配合到两套轴承座内，硬质水管通过齿形带轮与步进电机(15)相连，双喷头可扭转角度范围0°～120°。其有益效果是，通过控制每套喷洒装置电磁阀(19)的通断时间间隔和步进电机(15)扭转角度，实现双喷头(13)对垄台左右各0～35cm范围内的杂草进行交替式靶向定点定量喷洒，做到农药的精准喷施，而且其双喷头结构可有效避免垄沟双侧同时出现大面积杂草时单套喷头不能及时旋转喷施杂草的问题，提高対靶喷施的工作效率。

在一些实施方式中，其中：H型支撑架(18)上固定有滑道(17)，关节式机械臂(16)可沿滑道(17)前后滑动。其有益效果是，可调整机械臂与喷头之间的距离，改变喷洒作业与机械臂除草作业的时间差，进而实现更精准的除草作业。

在一些实施方式中，其中：八爪式末端除草执行器(14)的八套刀口成V字弧形，开口长度不同。其有益效果是，八套V字型铲尖通过法兰盘与关节式机械臂(16)末端电机相连，通过调换八套不同开口长度的V字弧形铲尖配合由多关节组成的关节式机械臂(16)，能够对垄台及垄沟内不同茎秆直径的杂草实施定点清除，提高机械除草执行器精准度。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和工作原理更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明结构示意图；

图2为折叠式除草平台主视图；

图3(a)为水平保持机构结构示意图；

图3(b)为水平保持机构主视图；

图4为关节式除草机械臂结构示意图；

图5为交替式靶向定量喷洒系统结构示意图；

图6为V字弧形铲尖主视图；

图1中，1、机械平台；2.、智能控制系统；3、药罐；4.、路径采集摄像头；5、自主转向机构6、后轮；7、轮毂电机；8、蓄电池组；9、下摇臂；10、推杆电机Ⅰ；11、上摇臂；12、杂草采集摄像头；13、喷头；14、八爪式除草执行器；15、步进电机；16、关节式除草机械臂；17、滑道；18、H型支撑架；19、电磁阀；20、连杆；21、上连杆；22、燕尾；23、燕尾槽；24、推杆电机Ⅱ；25、折叠式除草平台；26、推杆电机Ⅲ；27、推杆电机Ⅳ。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种兼具靶向定量喷施与机械定点铲挖功能的除草机器人，该机器人是由双轮毂电驱动机械平台、机器视觉系统、智能控制系统、自主转向系统、水平保持机构、折叠式除草平台、交替式靶向定量喷洒系统、电力辅助系统、反馈系统组成；包括机械平台(1)及配置在机械平台(1)上的智能控制系统(2)，机械平台(1)的前端用支架固定的药罐(3)，机械平台(1)的前端由可调节支架固定的路径采集摄像头(4)并与智能控制系统(2)相连接，机械平台(1)的前中部固定自主转向机构(5)，自主转向机构(5)的驱动装置与智能控制系统(2)相连接，机械平台(1)中后部固定蓄电池组(8)，机械平台(1)中后部垂直固定平行四杆机构机架，机架上铰接上摇臂(11)和下摇臂(9)，机械平台(1)尾部由推杆电机Ⅰ(10)铰接下摇臂(9)，上摇臂(11)和下摇臂(9)用连杆(20)相铰接组成平行四边形机构，上连杆(21)由推杆电机Ⅱ(24)铰接在下摇臂(9)，上连杆(21)通过嵌入到燕尾(22)内的止推轴承与燕尾槽(23)组成滑轨，燕尾槽(23)与连杆(20)相连接，上连杆(21)和折叠式除草平台(25)用螺栓固定有重型合页，折叠式除草平台(25)两翼由推杆电机Ⅳ(27)铰接，折叠式除草平台(25)与上摇臂(11)通过推杆电机Ⅲ(26)铰接，折叠式除草平台(25)上部固定杂草采集摄像头(12)并与智能控制系统(2)相连接，折叠式除草平台(25)上部固定H型支撑架(18)，H型支撑架(18)上固定有滑道(17)，关节式除草机械臂(16)安装在滑道上，八套V字型铲尖通过法兰盘与关节式机械臂(16)末端电机相连，折叠式除草平台(25)上部固定步进电机(15)并通过齿形带与平台下部旋转式喷头(13)连接，旋转式喷头(13)通过水管与电磁阀(19)和药罐(3)相连接，机械平台(1)后端下部两侧分别固定后轮(6)，后轮轴部内置轮毂电机(7)。

在使用前，先将机器动力源蓄电池组(8)充满电后接入智能控制系统(2)，经入水口将药罐(3)内填充满除草剂，调整滑道(17)上的关节式机械臂(16)沿滑道滑动，根据不同除草环境改变喷头(13)和关节式机械臂(16)的距离。

工作时，首先打开智能控制系统(2)上注水按钮，将除草剂充满整个水路管道，排净管道内的空气。打开智能控制系统(2)上展臂按钮，将折叠式除草平台(25)展开，进入工作状态。接着打开智能控制系统(2)上启动按钮，机器开始工作，路径采集摄像头(4)开始采集图像信息，经过智能控制系统(2)将采集到的图像信息处理识别，提取出苗带走向，转换成相应的路径参数。智能控制系统(2)将信号指令发送给自动转向系统驱动步进电机带动自主转向机构(5)，实现前轮转向。同时，智能控制系统(2)向后轮发送脉冲指令，驱动后轮轮毂电机(7)前进，完成自主行走作业。机械平台(1)的中后部是水平保持机构，智能控制系统(2)通过接收安装在水平保持机构上传感器反馈的数据，将其整合成控制信号发送给推杆电机Ⅰ(10)，驱动推杆电机Ⅰ(10)伸缩带动下摇臂(9)连同上摇臂(11)和连杆(20)组成的平行四边形机构运动，实现折叠式除草平台(25)与地面等距，防止因地面坡度造成的除草误差。同时驱动推杆电机Ⅱ(24)伸缩，带动上连杆(21)通过嵌入到燕尾(22)内的止推轴承与燕尾槽(23)组成的滑轨，实现折叠式除草平台(25)在0°～15°范围内的定夹角水平校正功能，做到自主调控折叠式除草平台(25)倾斜角度。智能控制系统(2)将固定在折叠式除草平台(25)上的摄像头采集的图像信息处理识别，分析出杂草位置，转换成相应的控制指令，发送给折叠式除草平台(25)上固定的步进电机(15)脉冲指令驱动步进电机定量转动，通过齿形带传动双喷头(13)旋转，同时智能控制系统(2)发送控制指令给电磁阀(19)，使电磁阀(19)通断0到0.5秒，前喷头喷洒，实现单侧定点定量喷施，若双侧同时出现杂草，前后喷头喷洒，实现双侧定点定量喷施。做到农药的精准喷施，而且其双喷头结构可有效避免垄沟双侧同时出现大面积杂草时单套喷头不能及时旋转喷施杂草的问题。智能控制系统(2)分析杂草茎秆直径发送控制指令给关节式除草机械臂(16)，关节式除草机械臂(16)定量摆动，达到指定位置后，通过驱动固定在机械臂末端电机旋转八爪式除草执行器(14)，配合不同的茎秆直径旋转不同开口长度的V字弧形刀口，驱动关节式机械臂(16)双关节协同动作，使V字弧形刀口从杂草根茎末端切断杂草，进一步根除杂草。

完成除草作业后，驱动推杆电机Ⅳ(27)收缩，折叠式除草平台(25)两翼沿铰接处折叠成竖直，根据运输环境不同选择驱动推杆电机Ⅲ(26)收缩状态，带动折叠式除草平台(25)沿上连杆(21)一边向上翻转90°，实现平台两翼垂直于机械平台(1)和平行于机械平台(1)两种形态的对向折叠，折叠式除草平台(25)和关节式除草机械臂(16)选择不同的形态折叠，节省空间方便机器人运输。

Claims (6)

1.一种兼具靶向定量喷施与机械定点铲挖功能的除草机器人，该机器人是由双轮毂电驱动机械平台、机器视觉系统、智能控制系统、自主转向系统、水平保持机构、折叠式除草平台、交替式靶向定量喷洒系统、电力辅助系统、反馈系统组成；包括机械平台(1)及配置在机械平台(1)上的智能控制系统(2)，机械平台(1)的前端用支架固定的药罐(3)，机械平台(1)的前端由可调节支架固定的路径采集摄像头(4)并与智能控制系统(2)相连接，机械平台(1)的前中部固定自主转向机构(5)，自主转向机构(5)的驱动装置与智能控制系统(2)相连接，机械平台(1)中后部固定蓄电池组(8)，机械平台(1)中后部垂直固定平行四杆机构机架，机架上铰接上摇臂(11)和下摇臂(9)，机械平台(1)尾部由推杆电机(10)Ⅰ铰接下摇臂(9)，上摇臂(11)和下摇臂(9)用连杆(20)相铰接组成平行四边形机构，上连杆(21)由推杆电机Ⅱ(24)铰接在下摇臂(9)，上连杆(21)通过嵌入到燕尾(22)内的止推轴承与燕尾槽(23)组成滑轨，燕尾槽(23)与连杆(20)相连接，上连杆(21)和折叠式除草平台(25)用螺栓固定有重型合页，折叠式除草平台(25)两翼由推杆电机Ⅳ(27)铰接，折叠式除草平台(25)与上摇臂(11)通过推杆电机Ⅲ(26)铰接，折叠式除草平台(25)上部固定杂草采集摄像头(12)并与智能控制系统(2)相连接，折叠式除草平台(25)上部固定H型支撑架(18)，H型支撑架(18)上固定有滑道(17)，关节式除草机械臂(16)安装在滑道上，八套V字型铲尖通过法兰盘与关节式机械臂(16)末端电机相连，折叠式除草平台(25)上部固定步进电机(15)并通过齿形带与平台下部旋转式喷头(13)连接，旋转式喷头(13)通过水管与电磁阀(19)和药罐(3)相连接，机械平台(1)后端下部两侧分别固定后轮(6)，后轮轴部内置轮毂电机(7)。

2.根据权利要求1所述的一种兼具靶向定量喷施与机械定点铲挖功能的除草机器人，其特征在于：支撑折叠式除草平台(25)平行四杆机构的机架用U型螺栓垂直固定在机械平台(1)上，上摇臂(11)和下摇臂(9)用螺栓铰接在机架上，下摇臂(9)上支撑架通过铰接在机械平台(1)的推杆电机Ⅰ(10)与机械平台(1)相连，调节推杆电机Ⅰ(10)，控制折叠式除草平台(25)与地面之间间距相同。

3.根据权利要求1所述的一种兼具靶向定量喷施与机械定点铲挖功能的除草机器人，其特征在于：折叠式除草平台(25)与上连杆(21)连接，上连杆(21)通过嵌入到燕尾(22)内的止推轴承与燕尾槽(23)组成滑轨，折叠式除草平台(25)可在与水平方向成0°～15°范围内沿滑轨滑动。

4.根据权利要求1所述的一种兼具靶向定量喷施与机械定点铲挖功能的除草机器人，其特征在于：每套喷洒装置由双喷头(13)组成，双喷头(13)通过硬质水管分别配合到两套轴承座内，硬质水管通过齿形带轮与步进电机(15)相连，双喷头可扭转角度范围0°～120°。

5.根据权利要求1所述的一种兼具靶向定量喷施与机械定点铲挖功能的除草机器人，其特征在于：H型支撑架(18)上固定有滑道(17)，关节式机械臂(16)可沿滑道(17)前后滑动。

6.根据权利要求1所述的一种兼具靶向定量喷施与机械定点铲挖功能的除草机器人，其特征在于：八爪式末端除草执行器(14)的八套刀口成V字弧形，开口长度不同。