CN110149817A - 一种水田用除草机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水田用除草机器人及其工作方法，属于智能机器人技术领域，一种水田用除草机器人由矩形支撑机构、升降支撑机构、履带行走装置和三角履带行走轮组成，通过将支撑架设计成四边形机构并且在支撑的四边分别安装了升降支撑机构，以及在支撑架的中间设置了丝杆，在丝杆的轴线上面设置了能够都够带动左右移动的驱动机构，通过除草机器人直接从秧苗的上方直接跨越而过，直接进入另一个除草位置，这样避免了需要转弯造成的秧苗种植浪费，又没有了转弯的过程，也大大的提高了除草机器人的工作效率。

Description

一种水田用除草机器人及其工作方法

技术领域

本发明属于智能机器人技术领域，具体涉及一种水田用除草机器人及其工作方法。

背景技术

水稻是世界第三大、中国第一大粮食作物，世界上近一半人口，都以大米为食。在中国，水稻种植面积约占粮食作物面积的％，其产量占粮食总产量的，中国以上的人口以稻米为食，因此，水稻的产量和质量对整个中国乃至世界都有着极其重要的意义。

水田中杂草种类诸多，主要的杂草有鳢肠、鸭舌草、稗草、异型莎草等等，水田中杂草的发生一般有两个高峰期：第一个出草高峰期是在移栽秧苗后的天左右，以禾本科类的杂草为主；第二个出草高峰期是在秧苗移栽后的天左右，以阔叶类杂草和莎草科类杂草为主。而这两个出草高峰都在水稻封行前，是危害水稻健康成长的两个关键时期。水稻封行后水田中还可能出现新的杂草生长高峰，比如水田中原来遗留的杂草种子数量大，而前期抑制、铲除杂草的控制效果差，则在水稻封行前后期还可能会有大量的杂草生长出，形成第三波的杂草生长。杂草一般和水稻长在一块，生命力强而且长的很快，会争夺本来应该属于水稻的营养，这就使得水稻质量和产量都大幅度下降。

现有的技术的除草机器人，在工作时大都采用转弯的方式进入另一个除草的位置，因为需要转弯半径，大大造成了秧田种植面积的浪费，由于有转弯半径也大大的降低了除草的工作效率。尤其是在大规模的除草时，缺点尤为突出，能直接带来水田产量及效益的减少。

发明内容

发明目的：提供一种水田用除草机器人及其工作方法，解决了现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种水田用除草机器人，包括；

矩形支撑机构，包括支撑架、设置在所述支撑架四个边角的可升降的升降支撑机构，以及设置在所述升降支撑机构一端的能够保持竖直向下的球形支撑组件；

跨越式移动机构，包括设置在所述支撑架上面的丝杆，设置在丝杆上并可沿所述丝杆长度方向移动的驱动机构，以及安装在所述驱动机构悬臂端的履带行走装置；

所述履带行走装置，包括设置所述驱动机构悬臂端的控制箱，设置在所述控制箱一端啮合的传动箱，设置在所述传动箱下面的三角履带行走轮。

在进一步实例中，所述球形支撑组件，包括设置在所述电动推杆端部的球形关节，以及设置在所述球形关节一端的支撑脚盘。

在进一步实例中，所述驱动机构，包括驱动电机，设置在所述驱动电机转动轴上面的第一齿轮，与所述第一齿轮啮合的第二齿轮，设置在所述第二齿轮上面的螺母，所述螺母与所述第二齿轮过盈配合，丝杆穿过所述第二齿轮。

在进一步实例中，所述控制箱的端面设置有滑块，所述滑块上面滑动配合设置有光杆，且所述光杆的两端固定安装在支撑架上面。

在进一步实例中，所述支撑架设计呈四边形结构。

在进一步实例中，所述升降支撑机构，包括，设置在所述支撑架上面的推杆支板，设置在所述推杆支板一端的推杆连接块，固定安装在所述推杆连接块上面的电动推杆，设置在所述电动推杆一端的定位块。

在进一步实例中，所述三角履带行走轮，呈三角位置布置，设置在最上方的为主动轮，设置在所述主动轮下方且位于所述主动轮两侧的为从动轮，围绕在所述主动轮和所述从动轮上面的履带，设置在所述履带上的定位轮，所述定位轮至少4个，以及设置在传动箱上面的连接板；

每三个履带轮为一组，共用一条履带，且履带为带刺履带，履带刺在履带上为不规则排列。

在进一步实例中，所述控制箱的上面设有摄像头。

在进一步实例中，一种水田用除草机器人的工作方法，包括如下步骤；

S1、按机器人启动按钮；

S2、升降支撑机构将履带行走装置下降到地面位置；

S3、升降支撑机构上升至原点，以保持履带行走装置带动机器人在田间自由运行；

S4、驱动电机通过一对锥齿轮传动，将驱动扭矩传递至主履带轮上，主履带轮的轮齿与履带上的孔位啮合时相互作用，主履带轮客服履带作用力，连续不断的驱动履带转动，两边履带与水田中泥面相接触，在接触过程中，两边履带给水田泥面一个向后的作用力，由作用力与反作用力原理，水田泥面相应地也给两边履带一个向前的反作用力，泥面反的作用力即为推动除草机器人向前运行的驱动力，驱动力克服行走时水田淤泥的阻力时，从动履带轮会在履带里传动、滚动，并使除草机器人向前运行；

S5、当除草机器人在田间行走时，前排履带刺将杂草除去；

S6、当前排履带刺将杂草除时，后排的排履带刺的“补位”将杂草除去，同时履带刺后更容易带起水中泥土，达到更好的除草效果；

S4、当一排的杂草出去时，升降支撑机构启动，带动着履带行走装置上升；

S5、驱动机构带动履带行走装置向右或者向左运动；

S6、然后重复S2至S5步骤，直至除草结束。

有益效果：一种水田用除草机器人及其工作方法，通过将支撑架设计成四边形机构并且在支撑的四边分别安装了升降支撑机构，以及在支撑架的中间设置了丝杆，在丝杆的轴线上面设置了能够都够带动左右移动的驱动机构，通过除草机器人直接从秧苗的上方直接跨越而过，直接进入另一个除草位置，这样避免了需要转弯造成的秧苗种植浪费，又没有了转弯的过程，也大大的提高了除草机器人的工作效率。

附图说明

图1为本发明一种水田用除草机器人的主视图。

图2为本发明一种水田用除草机器人的侧视图。

图3为本发明一种水田用除草机器人的球形支撑组件的工作时无石块的主视图。

图4为本发明一种水田用除草机器人的球形支撑组件的工作时有石块的主视图。。

图5为本发明一种水田用除草机器人中的驱动机构的主视图。

图6为本发明一种水田用除草机器人中的驱动机构的主视图

图中各附图标记为：矩形支撑机构1、支撑架202、升降支撑机构202、球形支撑组件5、电动推杆501、球形关节502、支撑脚盘503、履带行走装置6、控制箱101、传动箱102、三角履带行走轮104、连接板105、主动轮106、从动轮107、加高履带齿轮108、定位轮109、驱动机构301、驱动电机3011、第一齿轮3012、第二齿轮3013、螺母3014、丝杆302、滑块304、光杆303、摄像头6、推杆支板2021、推杆连接块2022、定位块2024。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至图6所示，一种水田用除草机器人，由矩形支撑机构1、升降支撑机构202、履带行走装置6和三角履带行走轮104组成。

所述矩形支撑机构1，包括支撑架202、升降支撑机构202和球形支撑组件5，为了整个结构的稳定性，支撑架202设计呈四边形结构，升降支撑机构202安装在支撑架202的四个边角上面，球形支撑组件5设置在所述升降支撑机构202的一端，能够升降支撑机构202的四个支撑柱保持竖直向下的做支撑。

如图3和图4所示，所述球形支撑组件5，包括球形关节502、支撑脚盘503；球形关节502设置在电动推杆501的端部，支撑脚盘503设置在所述球形关节502的一端。

在进一步实例中，由于水田中可能存在着石块障碍物，使得除草机器人的升降支撑机构202在伸出接地时，容易造成除草机器人不能被平稳的撑离地面，故在电动推杆501末端与支撑脚盘503间增加了球形关节502，如图4所示，在球形关节502的辅助下，升降支撑机构202的电动推杆501即使在伸出的过程中，碰到了水田中的石头，由于球形关节502的增加，支撑脚盘503随着移动关节自动的调节角度，然后整个球形支撑组件5也能保持竖直向下支撑，进一步的保证了除草机器人在工作移动过程中的稳定性。

所述升降支撑机构202，包括推杆支板2021、推杆连接块2022、电动推杆501和定位块2024；推杆支板2021设置在所述支撑架202的上面，推杆连接块2022设置在所述推杆支板2021的一端，电动推杆501固定安装在所述推杆连接块2022的上面，定位块2024设置在所述电动推杆501的一端；

所述推杆支板2021呈L型；

在进一步实例中，升降支撑机构202主要是在除草机器人在换行时，升降支撑机构202支撑除草机器人中的箱体和除草机构上升至秧苗的顶部，同时配合着驱动机构301实现除草机器人的稳定的换行动作。考虑到升降支撑机构202是在水田中工作，为了升降的稳定性，升降支撑机构202设计成对称结构，由于工作环境特殊性，在设计时，将所述升降支撑机构202的电动推杆501的安装位置设计在升降支撑机构202的顶端，保证了电动推杆501一端到地面有一定的距离，以保持除草机器人在田间工作时，电动推杆501不会与地面接触，从而避免了行走障碍。

在进一步实例中，当电动推杆501伸出时，电动推杆501伸出并将除草机器人中间箱体和除草机构撑起时，电动推杆501的伸出杆需穿透田中的水和淤泥，直到有硬质土壤可提供稳定支撑为止，故田中这部分的深度也需包含在推杆的行程中，同时要实现除草机器人的从秧苗上方跨越，保证履带行走装置6不会碰到或者在跨越式不会碰损秧苗，所述电动推杆501的行程选用至少500mm。

为了实现除草机器人的跨越换行，在所述支撑架202的中间设有丝杆302，所述丝杆302的轴线上面设有能够履带行走装置6左右移动的驱动机构301。

所述驱动机构301，包括驱动电机3011、第一齿轮3012、第二齿轮3013、丝杆302、滑块304、光杆303和螺母3014；驱动电机3011设置在控制箱101的上面，第一齿轮3012槽键配合设置在所述驱动电机3011转动轴的上面，第二齿轮3013与所述第一齿轮3012啮合，螺母3014设置在所述第二齿轮3013的上面，同时所述螺母3014与所述第二齿轮3013过盈配合，同时所述丝杆302穿过所述第二齿轮3013，滑块304设置在控制箱101的上面，光杆303滑动配合设置所述滑块304的上面，同所述光杆303的两端固定安装在支撑架202上面。

在进一步实例中，当除草机器人由一端的水田田埂运行到另一端的田埂后，除草机器人运行自动停止，驱动电机3011驱动齿轮传动，此时光杆303向一边移动，移动到位后，两边的电动推杆501的伸缩杆同时伸出，并进一步将除草机器人撑离地面升至处停止，驱动电机3011反转，履带行走装置6到位后，电动推杆501的伸缩杆全部缩回，将履带行走装置6放下至地面，驱动电机3011正转，光杆303移动。此时，除草机器人即完成了一个完整的跨越式动作，即从原除草位置横跨到另一除草位置，通过从秧苗的上方跨越而过，不用像传统的除草机器人那样通过转弯进入另一除草位置，这样避免了需要转弯造成的秧苗种植浪费，又没有了转弯的过程，也大大的提高了除草机器人的工作效率。

在进一步实例中，所述控制箱101的上面设有摄像头6；同安装摄像头6以引导除草机器人安装设计的路径行走，在行走中，当发生路线偏离时，实时与设定的路线进行比较，除草机器人自动调整，重新回到设定的路径上，同时传动箱102下方的三角履带行走轮104两边的主动轮106的转速不一样，既两边主动轮106存在转速差，就可使除草机器人返回原行走线路，既可继续向前运行。

履带行走装置6，包括控制箱101、传动箱102、三角履带行走轮104，控制箱101设置在滑块304的下面，传动箱102固定安装设置在控制箱101的下面，三角履带行走轮104设置在所述传动箱102的下面。所述三角履带行走轮104呈三角位置布置，所述三角履带行走轮104，包括主动轮106、从动轮107、履带、定位轮109和连接板105。主动轮106设置在连接板105上面，主动轮106设置在最上方，从动轮107设置在所述主动轮106的下方，并位于所述主动轮106的两侧，履带围绕着主动轮106和从动轮107，定位轮109设置在所述履带上面，并且位于所述两个从动轮107中间，所述定位轮109设有至少四个，连接板105设置在所述传动箱102上面，每三个履带轮为一组，共用一条履带，且履带为带刺履带，履带刺在履带上为不规则排列。

在进一步实例，当除草机器人在田间行走时，前排履带刺没有将杂草除去时，可通过后排履带刺的“补位”将杂草除去，且有了履带刺后更容易带起水中泥土，达到更好的除草效果。才用三角轮结构，由四个履带轮转变为了六个履带轮，这个履带轮分为两组，分别由一块连接板105连接，在结构上对除草机器人进行了简化，进一步减小了箱体体积，进而使得除草机器人的整体重量减轻。同时，除草机器人传动箱102连接在连接板105上，使除草机器人运行时避免碰损秧苗。

在进一步实例中，水田中环境复杂，除了有水和淤泥外，淤泥中的脚印、伴随的大风天气等等。考虑除草机器人移动、应用场所和功能等条件，相比较得知履带式行走机构最适合在水田环境中行走，故除草机器人选择履带式行走机构。同时为防止除草机器人在水田行走中碰到秧苗，传动箱102下面预留了足够高度空间，因为三个履带轮呈三角位置布置，而传统的常规履带齿轮与履带平齐，在田间行走时，不能够顺利行走，由于运行环境为水田，其淤泥在履带运动过程中，会粘附在履带轮齿与履带孔之间，会有润滑的作用，容易使两者间发生相对滑动，进而出现除草机器人不能前行的情况，为了解决打滑，采用加高履带齿轮108，使得履带轮齿有足够高度，可克服淤泥影响，加高履带齿轮108能够深深的插入淤泥中，与较硬土壤接触，使得机器人能够正常行走，且不打滑。

在进一步实例中，所述定位轮109设置在所述履带上面，并且位于所述两个从动轮107中间，所述定位轮109设有至少四个。在三角履带行走轮104运动中，为了防止从动轮107中间方面拱起，造成履带中间高，两边低的状况出现，这样很容易出现除草机器人原地打滑，为了解决这个问题，设置了至少四个定位轮109，在定位轮109的帮助下，履带中间部分就不易再向上拱起，可使履带始终保持与地面充分接触的状态，预防了除草机器人原地打滑的出现。

在进一步实例中，一种水田用除草机器人的工作方法，包括如下步骤；按机器人启动按钮；升降支撑机构202将履带行走装置6下降到地面位置；升降支撑机构202上升至原点，以保持履带行走装置6带动机器人在田间自由运行；驱动电机3011通过一对锥齿轮传动，将驱动扭矩传递至主履带轮上，主履带轮的轮齿与履带上的孔位啮合时相互作用，主履带轮客服履带作用力，连续不断的驱动履带转动，两边履带与水田中泥面相接触，在接触过程中，两边履带给水田泥面一个向后的作用力，由作用力与反作用力原理，水田泥面相应地也给两边履带一个向前的反作用力，泥面反的作用力即为推动除草机器人向前运行的驱动力，驱动力克服行走时水田淤泥的阻力时，从动履带轮会在履带里传动、滚动，并使除草机器人向前运行；当除草机器人在田间行走时，前排履带刺将杂草除去；当前排履带刺将杂草除时，后排的排履带刺的“补位”将杂草除去，同时履带刺后更容易带起水中泥土，达到更好的除草效果；当一排的杂草出去时，升降支撑机构202启动，带动着履带行走装置6上升；驱动机构301带动履带行走装置6向右或者向左运动；然后直至除草结束。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (9)

1.一种水田用除草机器人，其特征在于，包括

矩形支撑机构，包括支撑架、设置在所述支撑架四个边角的可升降的升降支撑机构，以及设置在所述升降支撑机构一端的能够保持竖直向下的球形支撑组件；

跨越式移动机构，包括设置在所述支撑架上面的丝杆，设置在丝杆上并可沿所述丝杆长度方向移动的驱动机构，以及安装在所述驱动机构悬臂端的履带行走装置；

所述履带行走装置，包括设置所述驱动机构悬臂端的控制箱，设置在所述控制箱一端啮合的传动箱，设置在所述传动箱下面的三角履带行走轮。

2.根据权利要求1所述的一种水田用除草机器人，其特征在于：所述球形支撑组件，包括设置在电动推杆端部的球形关节，以及设置在所述球形关节一端的支撑脚盘。

3.根据权利要求1所述的一种水田用除草机器人，其特征在于：所述驱动机构，包括驱动电机，设置在所述驱动电机转动轴上面的第一齿轮，与所述第一齿轮啮合的第二齿轮，设置在所述第二齿轮上面的螺母，所述螺母与所述第二齿轮过盈配合，丝杆穿过所述第二齿轮。

4.根据权利要求1所述的一种水田用除草机器人，其特征在于：所述控制箱的端面设置有滑块，所述滑块上面滑动配合设置有光杆，且所述光杆的两端固定安装在支撑架上面。

5.根据权利要求1所述的一种水田用除草机器人，其特征在于：所述支撑架设计呈四边形结构。

6.根据权利要求1所述的一种水田用除草机器人，其特征在于：所述升降支撑机构，包括，设置在所述支撑架上面的推杆支板，设置在所述推杆支板一端的推杆连接块，固定安装在所述推杆连接块上面的电动推杆，设置在所述电动推杆一端的定位块。

7.根据权利要求1所述的一种水田用除草机器人，其特征在于：所述三角履带行走轮，呈三角位置布置，设置在最上方的为主动轮，设置在所述主动轮下方且位于所述主动轮两侧的为从动轮，围绕在所述主动轮和所述从动轮上面的履带，设置在所述履带上面的定位轮，以及设置在传动箱上面的连接板；

每三个履带轮为一组，共用一条履带，且履带为带刺履带，履带刺在履带上为不规则排列。

8.根据权利要求1所述的一种水田用除草机器人，其特征在于：所述控制箱的上面设有摄像头。

9.一种水田用除草机器人的工作方法，其特征在于，包括如下步骤；

S1、按机器人启动按钮；

S2、升降支撑机构将履带行走装置下降到地面位置；

S3、升降支撑机构上升至原点，以保持履带行走装置带动机器人在田间自由运行；

S4、驱动电机通过一对锥齿轮传动，将驱动扭矩传递至主履带轮上，主履带轮的轮齿与履带上的孔位啮合时相互作用，主履带轮客服履带作用力，连续不断的驱动履带转动，两边履带与水田中泥面相接触，在接触过程中，两边履带给水田泥面一个向后的作用力，由作用力与反作用力原理，水田泥面相应地也给两边履带一个向前的反作用力，泥面反的作用力即为推动除草机器人向前运行的驱动力，驱动力克服行走时水田淤泥的阻力时，从动履带轮会在履带里传动、滚动，并使除草机器人向前运行；

S5、当除草机器人在田间行走时，前排履带刺将杂草除去；

S6、当前排履带刺将杂草除时，后排的排履带刺的“补位”将杂草除去，同时履带刺后更容易带起水中泥土，达到更好的除草效果；

S4、当一排的杂草出去时，升降支撑机构启动，带动着履带行走装置上升；

S5、驱动机构带动履带行走装置向右或者向左运动；

S6、然后重复S2至S5步骤，直至除草结束。