CN113711708A - 一种双触杆定位式三自由度玉米株间除草机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双触杆定位式三自由度玉米株间除草机，包括行走轮，机架，供电箱，控制盒，组合双触杆定位单元，滑轨避障单元和除草单元，行走轮为行走机构；机架为其他机构的安装载体；供电箱为除草机提供动力；控制盒为除草机的控制单元，实时接收处理信息并发送控制指令控制滑轨避障单元相对运动，以带动除草单元精准避障和除草；组合双触杆定位单元用于对玉米行内相邻两植株进行定位，据玉米位置信息控制滑轨避障单元在机具前进方向和机具前进垂直方向二自由度的位移补偿，确定定点精准避障轨迹；除草单元与滑轨避障单元固连，包括除草刀,除草刀在滑轨避障单元的带动下水平移动的同时进行竖直方向转动,从而实现沿避障轨迹进行除草。

Description

一种双触杆定位式三自由度玉米株间除草机

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，尤其涉及一种双触杆定位式三自由度玉米株间除草机。

背景技术

依据我国精耕细作农业传统，除草是其重要组成部分，杂草生长在作物行间和株间，会与作物争夺水分、养分和阳光，若不加以控制就会严重影响作物的产量和品质。目前，农业生产中的除草技术主要包括化学除草和非化学除草两种方式，其中喷施除草剂运用最为广泛，但除草剂的过量使用会污染周边环境，破坏生态平衡。近年来，随着国家倡导绿色发展理念和有机种植模式的推广，机械除草备受重视，行间机械除草技术相对比较成熟，而株间除草技术由于株间距离小，作业环境较复杂，易对作物造成损伤，目前株间除草机械研究进展缓慢。

荷兰的Kouwenhoven先后采用起垄锄、除草刷、除草锄等形式进行行间和株间除草，实验结果显示除草效果并不理想；美国的Cordill采用光电传感器检测玉米植株并进行自动避障，试验结果表明检测精度受杂草影响较大，作物损伤率较高；西班牙的Pérez-Ruiz、美国的Slaughter、江苏大学张鹏、华南农业大学胡炼等人采用GPS定位和图像处理技术识别定位植株位置，取得一定除草效果，但仍存在作业限制多，成本高等问题。目前，对于株间除草机械的研究尚不成熟，在提高作业效率，改善作业效果及控制生产成本等方面仍有很大研究空间。

目前，触杆探测装置在农业机械领域也被多次提及，但主要作为农业动力机械的自动导向装置，在作物行间作业，提供机具与作物行偏离信息。发明专利“拖拉机秸秆导向探测装置”(专利号ZL200610144375.0)，采用对称弧形触杆探测左右两行玉米秸秆，提供机具与秸秆行偏离信息，实现同步对行；发明专利“一种触杆式辅助导向避茬装置”(专利号ZL201510179130.0)采用对称直形触杆机构，在玉米行间探测左右两侧玉米根茬，结合行程开关反馈机具与玉米行偏离信息。但以上两种装置中的触杆，都是不定时触碰玉米秸秆根茬，针对单棵玉米根茬，只有单个触杆与其接触，无法对玉米根茬进行定位。针对单行作物，安装在作物株间位置的触杆探测形式目前研究较少。

综上所述，如何实现在不受玉米播种直线度的影响下精确避开玉米植株，除去株间杂草，已经成为亟需解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种双触杆定位式三自由度玉米株间除草机，其特征在于，包括行走轮1，机架2，供电箱3，控制盒4，组合双触杆定位单元5，滑轨避障单元6和除草单元7，其中，

所述行走轮1作为除草机的行走机构；

所述机架2作为供电箱3、控制盒4、组合双触杆定位单元5、滑轨避障单元6和除草单元7的安装载体；

所述供电箱3为除草机各电机供电以提供动力；

所述控制盒4作为除草机的控制单元，实时接收处理信息并发送控制指令控制滑轨避障单元6相对运动，以带动除草单元7精准避障和除草；

所述组合双触杆定位单元5用于对玉米行内相邻两植株进行定位，根据玉米位置信息控制滑轨避障单元6在机具前进方向和机具前进垂直方向二自由度的位移补偿，确定定点精准避障轨迹；

所述除草单元7与滑轨避障单元6固连，所述除草单元7包括除草刀508,所述除草刀508在滑轨避障单元6的带动下水平移动的同时进行竖直方向的转动,从而实现沿避障轨迹进行除草。

优选的，所述供电箱3为电池，安装在与机架2前梁焊接的支撑架一侧；所述控制盒4与供电箱3并排放置且其安装在与机架2前梁焊接的支撑架的另一侧。

优选的，所述组合双触杆定位单元5包括前后安装在机架2上的两组双触杆结构，两组所述双触杆结构前后安装距离为250mm，且均安装在供电箱3和控制盒4的后方，前后两组双触杆结构用于确定相邻两植株相对位置。

优选的，每组所述双触杆结构均包括触杆安装架201、角度传感器安装架202、角度传感器203、触杆定位单元联轴器204、扭簧205、右触杆206、左触杆207、触杆转动轴208和双排轴承座Ⅰ209，其中，所述触杆安装架201通过螺栓固连在机架2内侧，所述角度传感器安装架202与触杆安装架201焊接连接，所述角度传感器203通过螺栓与角度传感器安装架202固连，通过触杆定位单元联轴器204与触杆转动轴208连接，所述双排轴承座Ⅰ209通过螺栓与触杆安装架201固连，双排轴承座Ⅰ209定位触杆转动轴208，避免其转动时发生摆动，所述左触杆207和右触杆206分别与位于左右两侧的触杆转动轴208垂直固定连接；所述扭簧205套装在触杆转动轴208上，且两端分别与触杆转动轴208的凸起处和触杆安装架201的凸起处固连；机具前进时，右触杆206与左触杆207遇玉米植株受力旋转，带动触杆转动轴208和角度传感器203一同转动，角度传感器203检测右触杆206与左触杆207碰触玉米植株时的摆动角度并实时向控制盒4反馈角度信息，从而通过计算确定玉米植株位置，当触杆脱离玉米植株时，在扭簧205回转力的作用下，右触杆206与左触杆207快速回位。

优选的，所述滑轨避障单元6包括步进电机Ⅰ401、横向滑轨402、滑块Ⅲ403、圆角联轴器404、传动轴405、步进电机Ⅱ406、地脚407、滑块Ⅱ408、纵向滑轨Ⅱ409、接近开关410、滑轨帽411、纵向滑轨Ⅰ412、滑块Ⅰ413、L型连接板414和电机笼415，所述纵向滑轨Ⅰ412和纵向滑轨Ⅱ409通过地脚407固定安装在机架2左右两纵向横梁上方；滑块Ⅰ413、滑块Ⅱ408分别安装在纵向滑轨Ⅰ412与纵向滑轨Ⅱ409上，所述纵向滑轨Ⅰ412和纵向滑轨Ⅱ409的前后两端均套接有滑轨帽411，位于后方的两个滑轨帽411之间通过圆角联轴器404与传动轴405相连，滑块Ⅰ413与滑块Ⅱ408在步进电机Ⅱ406带动下沿机具前进方向移动；所述横向滑轨402通过L型连接板414固定安装在滑块Ⅰ413和滑块Ⅱ408上，横向滑轨402两端均套接有滑轨帽411，位于右侧的滑轨帽411上方与电机笼415固连，所述电机笼415与步进电机Ⅰ401固连，步进电机Ⅰ401和套接于横向滑轨402右侧的滑轨帽411通过圆角联轴器404相连，所述圆角联轴器404套装在电机笼415中，所述滑块Ⅲ403滑动设置于横向滑轨402上，步进电机Ⅰ401为横向滑轨402提供动力，从而带动滑块Ⅲ403在横向滑轨上移动；根据组合双触杆定位单元5确定的玉米植株位置，滑轨避障单元6接受控制盒4的控制指令，确定避障轨迹，通过各个滑块在机具前进方向和/或机具前进垂直方向上带动除草单元7移动，实现精准避障。

优选的，纵向滑轨Ⅰ412、纵向滑轨Ⅱ409和横向滑轨402均采用工字型滑轨轨道。

优选的，接近开关410安装在各个滑轨与滑轨帽411连接处，起到限制行程作用，以避免滑块与滑轨帽411相撞，所述接近开关410的凸台与各个滑轨凹槽卡位安装。

优选的，所述除草单元7通过除草单元安装架8与滑轨避障单元6中的滑块Ⅲ403固连，所述除草单元7还包括三相步进电机501、电机安装架502、除草单元联轴器503、双排轴承座Ⅱ504、除草刀轴505、除草刀安装架506和除草刀连接立轴507，所述三相步进电机501通过螺栓安装在电机安装架502上，所述电机安装架502焊接在除草单元安装架8内侧，所述双排轴承座Ⅱ504通过螺栓与电机安装架502固连，对除草刀轴505进行定位，避免其在转动过程中发生摆动，所述除草刀轴505通过双排轴承座Ⅱ504与除草单元安装架8相连，并通过除草单元联轴器503与三相步进电机501相连，所述除草刀508与除草刀连接立轴507焊接，除草刀连接立轴507通过除草刀安装架506安装在除草刀轴505底端；当三相步进电机501工作时，带动除草刀轴505转动，继而带动除草刀508转动。

优选的，所述除草刀508采用在直角边长为60mm的等腰直角三角形的直角上切除直角边长为20mm的等腰直角三角形而形成的梯形刀，其中，梯形刀的下底部分为刀刃，除草刀508与地面呈10°倾角以使除草过程中达到一定的入土深度；除草机工作前，除草刀508安装保持一个直角边与机具前进方向垂直。

优选的，安装在机具左右中间位置所述除草刀连接立轴507采用细三棱柱体，以对抛起土壤起到细碎作用。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

1)本发明采用组合双触杆结构，结合角度传感器定位玉米行内相邻两植株位置，采用工字型滑轨结构实现机具前进方向和机具前进垂直方向上的位移补偿，根据植株位置确定精确避障轨迹；

2)本发明采用直角三角形切除直角的梯形除草刀，可减小入土阻力，与地面呈一定角度，具有一定入土深度，可有效除去杂草；

3)本发明采用除草刀随滑轨避障装置躲避植株时可在步进电机控制下发生转动，始终保持倾角端入土，同时保持除草宽度不变。实现除草单元3自由度运动。

附图说明

图1为本发明整机斜视图；

图2为本发明组合双触杆定位单元结构示意图；

图3为本发明组合双触杆定位原理示意图；

图4为本发明滑轨避障单元结构示意图；

图5为本发明除草单元结构示意图；

图6为本发明避障轨迹示意图。

图中附图标记为：

1-行走轮、2-机架、3-供电箱、4-控制盒、5-组合双触杆定位单元、6-滑轨避障单元、7-除草单元、8-除草单元安装架，201-触杆安装架，202-角度传感器安装架，203-角度传感器，204-触杆定位单元联轴器，205-扭簧，206-右触杆，207-左触杆，208-触杆转动轴，209-双排轴承座Ⅰ，401-步进电机Ⅰ，402-横向滑轨，403-滑块Ⅲ，404-圆角联轴器，405-传动轴，406-步进电机Ⅱ，407-地脚，408-滑块Ⅱ，409-纵向滑轨Ⅱ，410-接近开关，411-滑轨帽，412-纵向滑轨Ⅰ，413-滑块Ⅰ，414-L型连接板，415-电机笼，501-三相步进电机，502-电机安装架，503-除草单元联轴器，504-双排轴承座Ⅱ，505-除草刀轴，506-除草刀安装架，507-除草刀连接立轴，508-除草刀。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的一个宽泛实施例中，一种双触杆定位式三自由度玉米株间除草机，其特征在于，包括行走轮1，机架2，供电箱3，控制盒4，组合双触杆定位单元5，滑轨避障单元6和除草单元7，其中，

所述行走轮1作为除草机的行走机构；

所述机架2作为供电箱3、控制盒4、组合双触杆定位单元5、滑轨避障单元6和除草单元7的安装载体；

所述供电箱3为除草机各电机供电以提供动力；

所述控制盒4作为除草机的控制单元，实时接收处理信息并发送控制指令控制滑轨避障单元6相对运动，以带动除草单元7精准避障和除草；

所述组合双触杆定位单元5用于对玉米行内相邻两植株进行定位，根据玉米位置信息控制滑轨避障单元6在机具前进方向和机具前进垂直方向二自由度的位移补偿，确定定点精准避障轨迹；

所述除草单元7与滑轨避障单元6固连，所述除草单元7包括除草刀508,所述除草刀508在滑轨避障单元6的带动下水平移动的同时进行竖直方向的转动,从而实现沿避障轨迹进行除草。

优选的，所述供电箱3为电池，安装在与机架2前梁焊接的支撑架一侧；所述控制盒4与供电箱3并排放置且其安装在与机架2前梁焊接的支撑架的另一侧。

优选的，所述组合双触杆定位单元5包括前后安装在机架2上的两组双触杆结构，两组所述双触杆结构前后安装距离为250mm，且均安装在供电箱3和控制盒4的后方，前后两组双触杆结构用于确定相邻两植株相对位置。

优选的，每组所述双触杆结构均包括触杆安装架201、角度传感器安装架202、角度传感器203、触杆定位单元联轴器204、扭簧205、右触杆206、左触杆207、触杆转动轴208和双排轴承座Ⅰ209，其中，所述触杆安装架201通过螺栓固连在机架2内侧，所述角度传感器安装架202与触杆安装架201焊接连接，所述角度传感器203通过螺栓与角度传感器安装架202固连，通过触杆定位单元联轴器204与触杆转动轴208连接，所述双排轴承座Ⅰ209通过螺栓与触杆安装架201固连，双排轴承座Ⅰ209定位触杆转动轴208，避免其转动时发生摆动，所述左触杆207和右触杆206分别与位于左右两侧的触杆转动轴208垂直固定连接；所述扭簧205套装在触杆转动轴208上，且两端分别与触杆转动轴208的凸起处和触杆安装架201的凸起处固连；机具前进时，右触杆206与左触杆207遇玉米植株受力旋转，带动触杆转动轴208和角度传感器203一同转动，角度传感器203检测右触杆206与左触杆207碰触玉米植株时的摆动角度并实时向控制盒4反馈角度信息，从而通过计算确定玉米植株位置，当触杆脱离玉米植株时，在扭簧205回转力的作用下，右触杆206与左触杆207快速回位。

优选的，所述滑轨避障单元6包括步进电机Ⅰ401、横向滑轨402、滑块Ⅲ403、圆角联轴器404、传动轴405、步进电机Ⅱ406、地脚407、滑块Ⅱ408、纵向滑轨Ⅱ409、接近开关410、滑轨帽411、纵向滑轨Ⅰ412、滑块Ⅰ413、L型连接板414和电机笼415，所述纵向滑轨Ⅰ412和纵向滑轨Ⅱ409通过地脚407固定安装在机架2左右两纵向横梁上方；滑块Ⅰ413、滑块Ⅱ408分别安装在纵向滑轨Ⅰ412与纵向滑轨Ⅱ409上，所述纵向滑轨Ⅰ412和纵向滑轨Ⅱ409的前后两端均套接有滑轨帽411，位于后方的两个滑轨帽411之间通过圆角联轴器404与传动轴405相连，滑块Ⅰ413与滑块Ⅱ408在步进电机Ⅱ406带动下沿机具前进方向移动；所述横向滑轨402通过L型连接板414固定安装在滑块Ⅰ413和滑块Ⅱ408上，横向滑轨402两端均套接有滑轨帽411，位于右侧的滑轨帽411上方与电机笼415固连，所述电机笼415与步进电机Ⅰ401固连，步进电机Ⅰ401和套接于横向滑轨402右侧的滑轨帽411通过圆角联轴器404相连，所述圆角联轴器404套装在电机笼415中，所述滑块Ⅲ403滑动设置于横向滑轨402上，步进电机Ⅰ401为横向滑轨402提供动力，从而带动滑块Ⅲ403在横向滑轨上移动；根据组合双触杆定位单元5确定的玉米植株位置，滑轨避障单元6接受控制盒4的控制指令，确定避障轨迹，通过各个滑块在机具前进方向和/或机具前进垂直方向上带动除草单元7移动，实现精准避障。

优选的，纵向滑轨Ⅰ412、纵向滑轨Ⅱ409和横向滑轨402均采用工字型滑轨轨道。

优选的，接近开关410安装在各个滑轨与滑轨帽411连接处，起到限制行程作用，以避免滑块与滑轨帽411相撞，所述接近开关410的凸台与各个滑轨凹槽卡位安装。

优选的，所述除草单元7通过除草单元安装架8与滑轨避障单元6中的滑块Ⅲ403固连，所述除草单元7还包括三相步进电机501、电机安装架502、除草单元联轴器503、双排轴承座Ⅱ504、除草刀轴505、除草刀安装架506和除草刀连接立轴507，所述三相步进电机501通过螺栓安装在电机安装架502上，所述电机安装架502焊接在除草单元安装架8内侧，所述双排轴承座Ⅱ504通过螺栓与电机安装架502固连，对除草刀轴505进行定位，避免其在转动过程中发生摆动，所述除草刀轴505通过双排轴承座Ⅱ504与除草单元安装架8相连，并通过除草单元联轴器503与三相步进电机501相连，所述除草刀508与除草刀连接立轴507焊接，除草刀连接立轴507通过除草刀安装架506安装在除草刀轴505底端；当三相步进电机501工作时，带动除草刀轴505转动，继而带动除草刀508转动。

优选的，所述除草刀508采用在直角边长为60mm的等腰直角三角形的直角上切除直角边长为20mm的等腰直角三角形而形成的梯形刀，其中，梯形刀的下底部分为刀刃，除草刀508与地面呈10°倾角以使除草过程中达到一定的入土深度；除草机工作前，除草刀508安装保持一个直角边与机具前进方向垂直。

优选的，安装在机具左右中间位置所述除草刀连接立轴507采用细三棱柱体，以对抛起土壤起到细碎作用。

下面结合附图，列举本发明的优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明公开一种双触杆定位式3自由度玉米株间除草机，包括行走轮1，机架2，供电箱3，控制盒4，组合双触杆定位单元5，滑轨避障单元6和除草单元7，行走轮1为除草机的行走机构，机架2为供电箱3、控制盒4、组合双触杆定位单元5、滑轨避障单元6和除草单元7的安装载体，供电箱3给除草机各电机供电以提供动力，控制盒4接收处理信息并发送控制指令控制滑轨避障单元6相对运动，带动除草单元7精准避障和除草；组合双触杆定位单元5通过两组双触杆结构和角度传感器对玉米行内相邻两植株进行定位，根据玉米位置信息控制滑轨避障单元6在机具前进方向和机具前进垂直方向二自由度的位移补偿，确定定点精准避障轨迹，除草单元7与滑轨避障单元6通过竖直安装架固连，从而沿避障轨迹进行除草。

供电箱3和控制盒4并排安装在与机架2前梁焊接的支撑架上；组合双触杆定位单元5包括两组双触杆结构，通过螺栓前后安装在机架2的纵向主梁内侧，前后安装距离为25cm且均安装在供电箱3和控制盒4的后方；滑轨避障单元6采用工字型滑轨轨道，通过地脚407安装在机架2的两纵向主梁上，通过竖直的除草单元安装架8与除草单元7固连。

如图2所示为组合双触杆定位单元结构示意图，所述组合双触杆定位单元5包括两组双触杆结构，每组双触杆结构包括：触杆安装架201、角度传感器安装架202、角度传感器203、触杆定位单元联轴器204、扭簧205、右触杆206、左触杆207、触杆转动轴208和双排轴承座Ⅰ209。其中左触杆207和右触杆206各有2个，其余结构各有4个。触杆安装架201通过螺栓固连在机架2内侧，角度传感器安装架202焊接安装在触杆安装架201上，角度传感器203用于检测触杆碰触玉米植株时的摆动角度，其安装座与角度传感器安装架202通过螺栓固连，其内轴心通过触杆定位单元联轴器204与触杆转动轴208固定，双排轴承座Ⅰ209通过双轴承定位触杆旋转轴，避免其转动时发生摆动，与触杆安装架201通过螺栓固连，左触杆207和右触杆206分别与触杆转动轴208垂直固定连接，随着左触杆207和右触杆206摆动，带动触杆转动轴208转动，从而带动角度传感器203的摆动，以此实现触杆摆动角度的检测。扭簧205套装在触杆转动轴208上，触杆越过玉米植株时，实现触杆快速回位。

如图3所示为组合双触杆定位原理示意图，图中L为左触杆207和右触杆206安装距离，中间位置为一玉米行内相邻两玉米植株，两组双触杆结构分别与之相对应，距离为玉米株距250mm，触杆长度为120mm，交叉重叠30mm放置，选取第一组左触杆207安装位置点为相对位置点A，第二组左触杆207安装位置点为相对位置点B，选取相对位置点A为相对原点，根据以下计算公式可得两玉米植株基于此平面内相对于相对位置点A的位置坐标(x₁,y₁)(x₂,y₂)，从而实现定位功能。根据两坐标点可进一步计算两玉米植株的直线度，若其与机具前进方向偏斜一定角度γ，为保证除草刀508始终沿玉米行作定轨迹避障除草，需控制三相步进电机501带动除草刀508相应转动γ。

L＝L₁+L₂

L₃＝L×[sinβ/sin(π-α-β)]

L₄＝L×[sinα/sin(π-α-β)]

其中，L为左触杆207和右触杆206安装距离；X为当前转动角度下玉米植株距离相对位置点A的垂直距离；L₁为玉米植株与左触杆207安装位置点的水平距离；L₂为玉米植株与右触杆206安装位置点的水平距离；L₃为玉米植株与左触杆207安装位置点的直线距离；L₄为玉米植株与右触杆206安装位置点的直线距离；αβ分别为左触杆207和右触杆206摆动角度。

如图4所示为滑轨避障单元结构示意图，包括：步进电机Ⅰ401、横向滑轨402、滑块Ⅲ403、圆角联轴器404、传动轴405、步进电机Ⅱ406、地脚407、滑块Ⅱ408、纵向滑轨Ⅱ409、接近开关410、滑轨帽411、纵向滑轨Ⅰ412、滑块Ⅰ413、L型连接板414和电机笼415。

纵向滑轨Ⅰ412和纵向滑轨Ⅱ409通过地脚407固定安装在机架2左右两纵向横梁上方，滑块Ⅰ413、滑块Ⅱ408分别安装在纵向滑轨Ⅰ412、纵向滑轨Ⅱ409上，两纵向滑轨前后两端分别与滑轨帽411套接，两滑轨后方滑轨帽411通过圆角联轴器404与传动轴405相连，由步进电机Ⅱ406提供动力，从而带动滑块在滑轨上沿机具前进方向移动，横向滑轨402通过L型连接板414固定安装在滑块Ⅰ413和滑块Ⅱ408上，横向滑轨两端与滑轨帽411套接，其右侧滑轨帽411上方与电机笼415固连，电机笼415与步进电机Ⅰ401固连，步进电机Ⅰ401和横向滑轨右侧滑轨帽411通过圆角联轴器404相连，圆角联轴器404套装在电机笼415中，滑块Ⅲ403安装在横向滑轨402上，步进电机Ⅰ401为横向滑轨402提供动力，从而带动滑块Ⅲ403在横向滑轨上移动，基于此滑轨避障单元，滑块Ⅲ403可实现在机具前进方向和机具前进垂直方向上2自由的移动，同时通过调节步进电机Ⅰ401和步进电机Ⅱ406转速及机具前进速度，可实现其在两方向上的位移补偿。接近开关410安装在滑轨与滑轨帽411连接处，起到限制行程作用，避免滑块与滑轨帽411相撞，其凸台与滑轨凹槽卡位安装。

如图5所示为除草单元结构示意图，包括：三相步进电机501、电机安装架502、除草单元联轴器503、双排轴承座Ⅱ504、除草刀轴505、除草刀安装架506、除草刀连接立轴507和除草刀508。

其中电机安装架502与除草单元安装架8焊接固连，三相步进电机501通过螺栓固连在电机安装架502上，其轴心通过除草单元联轴器503与除草刀轴505连接，双排轴承座Ⅱ504通过螺栓与电机安装架502固连，对除草刀轴505进行定位，避免其在转动过程中发生摆动，除草刀508与除草刀连接立轴507焊接固连，除草刀连接立轴507通过除草刀安装架506固定安装在除草刀轴505底端。从而实现当三相步进电机501工作时，带动除草刀轴505转动，继而带动除草刀508转动。除草单元7通过除草单元安装架8与滑轨避障单元6中的滑块Ⅲ403使用螺栓固连，由此，除草刀508可实现3自由度的运动。

本实施例中除草刀508除草宽度为60mm；与地面呈10°倾角，保证除草过程中有一定入土深度，破坏杂草根茎，达到更好除草效果；除草刀508形状为在等腰直角三角形的直角上切除直角边长为20mm的等腰直角三角形而形成的梯形，以减小工作阻力；梯形的下底部分为刀刃，除草机工作前，除草刀508安装保持直角边与机具前进方向垂直，除草刀连接立轴507采用细三棱柱体，对抛起土壤起到细碎作用。

如图6所示为避障轨迹示意图，由组合双触杆定位单元5可通过计算确定玉米行内相邻两植株的位置坐标，为防止除草刀508距离植株过近，破坏玉米根系，根据玉米根茎尺寸在其周围确定保护范围，从而确定精准避障轨迹。每个避障周期总共分为三段，如下图所示：ab段为除草刀508旋出段，bc段为除草刀508前进段，cd段为除草刀508旋进段。如图中所示，除草刀508与地面呈10°倾角，E点处为入土端，当除草刀508到达a点时，为减小入土阻力，使E入土端朝向除草刀508运动方向，控制三相步进电机501正转使除草刀508向右旋转90°，同时控制两纵向滑轨驱动电机反转使其速度与机具前进速度相等，方向相反，实现除草刀508在机具前进方向上的位移补偿，横向滑轨驱动电机正转带动除草刀508向右滑动，躲避植株；除草刀508到达b点时，除草刀508随即进入bc前进段，为减小入土阻力，控制三相步进电机501反转使除草刀508向左旋转90°，同时控制两纵向滑轨驱动电机正转使其速度与机具前进方向一致，横向滑轨驱动电机停转，除草刀508在植株保护范围外沿直线越过玉米植株；除草刀508到达c点时，同样为减小入土阻力，控制三相步进电机501继续反转使除草刀508向左旋转90°，同时控制两纵向滑轨驱动电机反转使其速度与机具前进速度相等，方向相反，再次实现除草刀508在机具前进方向上的位移补偿，横向滑轨驱动电机反转带动除草刀508向左滑动，除草刀508向相邻两玉米植株株间移动；除草刀508到达d点时，除草刀508进到玉米株间，控制三相步进电机501正转使除草刀508向右旋转90°，同时控制两纵向滑轨驱动电机正转使其速度与机具前进方向一致，横向滑轨驱动电机停转，除草刀508在玉米株间沿直线除草，直到到达下一棵玉米植株保护范围临界位置点，除草刀508完成一个避障和除草周期。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种双触杆定位式三自由度玉米株间除草机，其特征在于，包括行走轮(1)，机架(2)，供电箱(3)，控制盒(4)，组合双触杆定位单元(5)，滑轨避障单元(6)和除草单元(7)，其中，

所述行走轮(1)作为除草机的行走机构；

所述机架(2)作为供电箱(3)、控制盒(4)、组合双触杆定位单元(5)、滑轨避障单元(6)和除草单元(7)的安装载体；

所述供电箱(3)为除草机各电机供电以提供动力；

所述控制盒(4)作为除草机的控制单元，实时接收处理信息并发送控制指令控制滑轨避障单元(6)相对运动，以带动除草单元(7)精准避障和除草；

所述组合双触杆定位单元(5)用于对玉米行内相邻两植株进行定位，根据玉米位置信息控制滑轨避障单元(6)在机具前进方向和机具前进垂直方向二自由度的位移补偿，确定定点精准避障轨迹；

所述除草单元(7)与滑轨避障单元(6)固连，所述除草单元(7)包括除草刀(508),所述除草刀(508)在滑轨避障单元(6)的带动下水平移动的同时进行竖直方向的转动,从而实现沿避障轨迹进行除草。

2.根据权利要求1所述的一种双触杆定位式三自由度玉米株间除草机，其特征在于，所述供电箱(3)为电池，安装在与机架(2)前梁焊接的支撑架一侧；所述控制盒(4)与供电箱(3)并排放置且其安装在与机架(2)前梁焊接的支撑架的另一侧。

3.根据权利要求1所述的一种双触杆定位式三自由度玉米株间除草机，其特征在于，所述组合双触杆定位单元(5)包括前后安装在机架(2)上的两组双触杆结构，两组所述双触杆结构前后安装距离为250mm，且均安装在供电箱(3)和控制盒(4)的后方，前后两组双触杆结构用于确定相邻两植株相对位置。

4.根据权利要求3所述的一种双触杆定位式三自由度玉米株间除草机，其特征在于，每组所述双触杆结构均包括触杆安装架(201)、角度传感器安装架(202)、角度传感器(203)、触杆定位单元联轴器(204)、扭簧(205)、右触杆(206)、左触杆(207)、触杆转动轴(208)和双排轴承座Ⅰ(209)，其中，所述触杆安装架(201)通过螺栓固连在机架(2)内侧，所述角度传感器安装架(202)与触杆安装架(201)焊接连接，所述角度传感器(203)通过螺栓与角度传感器安装架(202)固连，且通过触杆定位单元联轴器(204)与触杆转动轴(208)连接；所述双排轴承座Ⅰ(209)通过螺栓与触杆安装架(201)固连，双排轴承座Ⅰ(209)用于定位触杆转动轴(208)，避免其转动时发生摆动；所述左触杆(207)和右触杆(206)分别与位于左右两侧的触杆转动轴(208)垂直固定连接；所述扭簧(205)套装在触杆转动轴(208)上，且两端分别与触杆转动轴(208)的凸起处和触杆安装架(201)的凸起处固连；机具前进时，右触杆(206)与左触杆(207)遇玉米植株受力旋转，带动触杆转动轴(208)和角度传感器(203)一同转动，角度传感器(203)检测右触杆(206)与左触杆(207)碰触玉米植株时的摆动角度并实时向控制盒(4)反馈角度信息，从而通过计算确定玉米植株位置，当触杆脱离玉米植株时，在扭簧(205)回转力的作用下，右触杆(206)与左触杆(207)快速回位。

5.根据权利要求1所述的一种双触杆定位式三自由度玉米株间除草机，其特征在于，所述滑轨避障单元(6)包括步进电机Ⅰ(401)、横向滑轨(402)、滑块Ⅲ(403)、圆角联轴器(404)、传动轴(405)、步进电机Ⅱ(406)、地脚(407)、滑块Ⅱ(408)、纵向滑轨Ⅱ(409)、接近开关(410)、滑轨帽(411)、纵向滑轨Ⅰ(412)、滑块Ⅰ(413)、L型连接板(414)和电机笼(415)，所述纵向滑轨Ⅰ(412)和纵向滑轨Ⅱ(409)通过地脚(407)固定安装在机架(2)左右两纵向横梁上方；滑块Ⅰ(413)、滑块Ⅱ(408)分别安装在纵向滑轨Ⅰ(412)与纵向滑轨Ⅱ(409)上，所述纵向滑轨Ⅰ(412)和纵向滑轨Ⅱ(409)的前后两端均套接有滑轨帽(411)，位于后方的两个滑轨帽(411)之间通过圆角联轴器(404)与传动轴(405)相连，滑块Ⅰ(413)与滑块Ⅱ(408)在步进电机Ⅱ(406)带动下沿机具前进方向移动；所述横向滑轨(402)通过L型连接板(414)固定安装在滑块Ⅰ(413)和滑块Ⅱ(408)上，横向滑轨(402)两端均套接有滑轨帽(411)，位于右侧的滑轨帽(411)上方与电机笼(415)固连，所述电机笼(415)与步进电机Ⅰ(401)固连，步进电机Ⅰ(401)和套接于横向滑轨(402)右侧的滑轨帽(411)通过圆角联轴器(404)相连，所述圆角联轴器(404)套装在电机笼(415)中，所述滑块Ⅲ(403)滑动设置于横向滑轨(402)上，步进电机Ⅰ(401)为横向滑轨(402)提供动力，从而带动滑块Ⅲ(403)在横向滑轨上移动；根据组合双触杆定位单元(5)确定的玉米植株位置，滑轨避障单元(6)接受控制盒(4)的控制指令，确定避障轨迹，通过各个滑块在机具前进方向和/或机具前进垂直方向上带动除草单元(7)移动，实现精准避障。

6.根据权利要求5所述的一种双触杆定位式三自由度玉米株间除草机，其特征在于，纵向滑轨Ⅰ(412)、纵向滑轨Ⅱ(409)和横向滑轨(402)均采用工字型滑轨轨道。

7.根据权利要求5所述的一种双触杆定位式三自由度玉米株间除草机，其特征在于，接近开关(410)安装在各个滑轨与滑轨帽(411)连接处，起到限制行程作用，以避免滑块与滑轨帽(411)相撞，所述接近开关(410)的凸台与各个滑轨凹槽卡位安装。

8.根据权利要求5所述的一种双触杆定位式三自由度玉米株间除草机，其特征在于，所述除草单元(7)通过除草单元安装架(8)与滑轨避障单元(6)中的滑块Ⅲ(403)固连，所述除草单元(7)还包括三相步进电机(501)、电机安装架(502)、除草单元联轴器(503)、双排轴承座Ⅱ(504)、除草刀轴(505)、除草刀安装架(506)和除草刀连接立轴(507)，所述三相步进电机(501)通过螺栓安装在电机安装架(502)上，所述电机安装架(502)焊接在除草单元安装架(8)内侧，所述双排轴承座Ⅱ(504)通过螺栓与电机安装架(502)固连，对除草刀轴(505)进行定位，避免其在转动过程中发生摆动，所述除草刀轴(505)通过双排轴承座Ⅱ(504)与除草单元安装架(8)相连，并通过除草单元联轴器(503)与三相步进电机(501)相连，所述除草刀(508)与除草刀连接立轴(507)焊接，除草刀连接立轴(507)通过除草刀安装架(506)安装在除草刀轴(505)底端；当三相步进电机(501)工作时，带动除草刀轴(505)转动，继而带动除草刀(508)转动。

9.根据权利要求8所述的一种双触杆定位式三自由度玉米株间除草机，其特征在于，所述除草刀(508)采用在直角边长为60mm的等腰直角三角形的直角上切除直角边长为20mm的等腰直角三角形而形成的梯形刀，其中，梯形刀的下底部分为刀刃，除草刀(508)与地面呈10°倾角以使除草过程中达到一定的入土深度；除草机工作前，除草刀(508)安装保持一个直角边与机具前进方向垂直。

10.根据权利要求8所述的一种双触杆定位式三自由度玉米株间除草机，其特征在于，安装在机具左右中间位置所述除草刀连接立轴(507)采用细三棱柱体，以对抛起土壤起到细碎作用。

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