林業(yè)苗圃除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：雜草影響著林業(yè)苗圃苗木的生長(zhǎng)，因此對(duì)林業(yè)苗圃苗床和壟溝上雜草的治理問題不容忽視。林業(yè)苗圃除草作用中大多采用的是人工除草，效率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大。針對(duì)其除草作業(yè)要求，本文設(shè)計(jì)了一款適應(yīng)林地苗圃環(huán)境的除草機(jī)器人。其底盤結(jié)構(gòu)采用三角履帶式底盤，加強(qiáng)了其除草工作過程中的穩(wěn)定性和通過性。除草執(zhí)行器安裝在機(jī)械臂末端，以鏟除的方式進(jìn)行除草作業(yè)工作。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明簡(jiǎn)易可行，易于安裝，精確定位，除草效率高。

關(guān)鍵詞：苗圃除草 機(jī)械除草 機(jī)器人 履帶式底盤

中圖分類號(hào)：S765.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）04（a）-0000-00

1引言

雜草影響著林業(yè)苗圃苗木的生長(zhǎng)，而傳統(tǒng)的除草方法主要是靠人工除草或者化學(xué)藥劑除草。人工除草工作量大、耗時(shí)費(fèi)力、工作效率低，化學(xué)藥劑除草會(huì)給苗木、土壤、生態(tài)環(huán)境甚至人體健康造成損害[1，2]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和現(xiàn)代高效農(nóng)林業(yè)的發(fā)展、農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的提高[3]，國(guó)內(nèi)外的很多科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)廣泛開展了除草機(jī)器人的研究。日本開發(fā)了一種履帶式除草機(jī)器人用來(lái)去除稻田中的雜草。該機(jī)器人改采用電子裝置作為引擎穩(wěn)定前進(jìn)，撥動(dòng)土壤后對(duì)其施壓并將雜草翻動(dòng)出來(lái)。荷蘭研究設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)除草機(jī)器人，采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，具有獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向。南京林業(yè)大學(xué)[4]設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺導(dǎo)航和雜草識(shí)別的農(nóng)田除草機(jī)器人，但該機(jī)器人采用噴藥除草技術(shù)，但處于試驗(yàn)階段。本文旨在設(shè)計(jì)一種適應(yīng)林業(yè)苗圃作業(yè)環(huán)境的履帶式智能除草機(jī)器人。履帶式智能除草機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)由履帶式底盤、除草機(jī)械臂及除草執(zhí)行器組成，底盤部分驅(qū)動(dòng)整車在苗圃壟溝間行進(jìn)，機(jī)械臂及除草執(zhí)行器可通過控制器定位苗床和壟間的雜草從而完成除草工作。

2林業(yè)苗圃除草機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

林業(yè)苗圃除草機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分為履帶式底盤、機(jī)械臂和除草執(zhí)行器三個(gè)部分，其中除草執(zhí)行器為除草鏟，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)苗圃根據(jù)機(jī)器人尺寸確定苗床、壟溝寬度，故該機(jī)器人能橫跨寬度約為750mm苗床進(jìn)行除草作業(yè)。在林業(yè)苗圃中除草作業(yè)時(shí)，機(jī)器人橫跨在苗床的壟溝間，沿著壟溝行走。機(jī)械臂平臺(tái)在苗床上方三維空間內(nèi)移動(dòng)，除草執(zhí)行器安裝在機(jī)械臂的末端。

圖1機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖

1、履帶式底盤 2、機(jī)械臂 3、除草執(zhí)行器 4、驅(qū)動(dòng)模塊

2.1 林業(yè)苗圃除草機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用三角式履帶式底盤結(jié)構(gòu)，能使其在地況復(fù)雜的苗圃中能夠穩(wěn)定有效的進(jìn)行除草作業(yè)。林業(yè)苗圃除草機(jī)器人所利用的是履帶輪式行走機(jī)構(gòu)，具有更好的適應(yīng)性、高性能性和穩(wěn)定性。驅(qū)動(dòng)模塊置于除草機(jī)器人的頂部，底部的兩個(gè)履帶輪為從動(dòng)輪，這樣使得其行走部分變得更加輕巧簡(jiǎn)單。底盤作業(yè)平臺(tái)高度可以上下調(diào)節(jié)，如圖1中所示，使除草機(jī)器人作業(yè)可以適應(yīng)不同時(shí)期、不同高度的苗木，以達(dá)到更好的除草效果。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

由于整機(jī)重量較大，采用履帶式底盤結(jié)構(gòu)，也增加了與地面的摩擦。驅(qū)動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)是直流電機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪軸用梅花聯(lián)軸器相連，如圖1所示。該款機(jī)器人履帶式底盤主要重量在于組成履帶行走結(jié)構(gòu)的輪重和底盤自身重量，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用MAXON DC motor 148867直流電機(jī)。選用MLDS 3610-B型號(hào)明朗驅(qū)動(dòng)器為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。

2.3機(jī)械臂

除草機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)是由位于除草作業(yè)三個(gè)坐標(biāo)軸方向的移動(dòng)絲杠模塊組成，安裝在底盤平臺(tái)底部。其結(jié)構(gòu)如圖1中的機(jī)械臂模塊可看出，機(jī)械臂的x方向?yàn)閴艤祥g移動(dòng)方向，y方向是機(jī)器人行走方向，z是除草作業(yè)方向。x、y、z三個(gè)方向的有效行程分別為300mm、100mm、100mm，移動(dòng)精度為0.01mm，可以除草執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)在苗床上的精確定位。該機(jī)構(gòu)總的來(lái)說(shuō)，能夠較為容易的達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)，并且易于安裝。

2.4除草執(zhí)行器

機(jī)械除草設(shè)備中，除草執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)對(duì)于除草效率、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面影響至關(guān)重要。基于以上因素綜合考慮其除草機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。林業(yè)苗圃除草機(jī)器人的除草執(zhí)行器采用的則就是除草鏟。驅(qū)動(dòng)除草執(zhí)行器作業(yè)的電機(jī)通過L形連接板固定于z軸絲杠平臺(tái)末端上，除草鏟通過一方形連接塊與電機(jī)相連，如圖1中除草執(zhí)行器部分所示。此種除草方式除草效率較高，傷苗率低，精確定位從而減少能耗。這種除草方式可以根據(jù)不同的苗木雜草情況更換不同型號(hào)的除草鏟，更換方便，適用于不同苗木的苗圃除草作業(yè)環(huán)境。

3 實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了模擬除草實(shí)驗(yàn)。除草機(jī)器人從初始位置出發(fā)，到達(dá)實(shí)驗(yàn)指定位置，控制機(jī)械臂定位到雜草位置，利用末端除草鏟除去雜草，如下圖2所示。

（a） 機(jī)器人初步定位除草位置 （d） 機(jī)器人除去雜草

圖2 除草機(jī)器人除草動(dòng)作序圖

通過模擬除草實(shí)驗(yàn)得出，該苗圃除草機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)易于控制，能準(zhǔn)確的到達(dá)指定位置，從而到達(dá)精確除草的效果。

4 結(jié)論

本文提出并闡述了一種林業(yè)苗圃除草機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具體分析了該款機(jī)器人底盤、機(jī)械臂和除草執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)。與同類機(jī)器人相比，該款機(jī)器人具有更好的地面自適應(yīng)功能，精確定位，除草效率高。實(shí)驗(yàn)也證明了該機(jī)器人具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力和精確除草功能，可廣泛應(yīng)用于林業(yè)苗圃。

參考文獻(xiàn)

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