基于雙噴施系統(tǒng)的并聯(lián)除草機器人研制與仿真分析

摘要：為解決草坪與牧草的雜草精準(zhǔn)防控問題，研制出一種基于并聯(lián)執(zhí)行機構(gòu)的精準(zhǔn)噴藥除草機器人，可分別滿足草坪與牧草的精準(zhǔn)除草需求。基于草坪與牧草常見雜草種類和除草劑殺草譜設(shè)計了雙噴施藥系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備2個藥箱，可通過三通電磁閥選擇不同的除草劑；對并聯(lián)機構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)理論計算和ADAMS仿真分析，在MATLAB中繪制出并聯(lián)機構(gòu)的理論工作空間的圖像，可得工作空間在X、Y、Z 軸上的極值，Xmax=320.9 mm、Xmin=?321.3 mm、Ymax=319.5 mm、Ymin=?320.7 mm、Zmax=?175.3 mm、Zmin=?662.8 mm，包含給定工作空間。基于以上結(jié)果制造樣機，并對機器人實際可達(dá)的工作空間范圍進(jìn)行測量。研究結(jié)果表明，基于2套藥液輸送系統(tǒng)的并聯(lián)除草機器人符合設(shè)計要求，可用于除草劑精準(zhǔn)噴施的草坪與牧草雜草防控。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)機構(gòu)；除草機器人；除草劑殺草譜；精準(zhǔn)噴施；運動學(xué)分析doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0559

中圖分類號：S224.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008‐0864（2025）02‐0108‐08

雜草防控是草坪和牧草養(yǎng)護(hù)的重要內(nèi)容[1]，目前化學(xué)除草是雜草防控的主要方式[2]。在自然條件下，通常以地毯式噴施除草劑，這種方式降低了除草劑的利用率且易造成環(huán)境污染，因此需要研制一種用于草坪與牧草精準(zhǔn)噴施的除草機器人。

當(dāng)前國內(nèi)外除草機器人研究主要集中在農(nóng)田以及蔬菜、果園的田間除草，除草執(zhí)行機構(gòu)分為激光除草、機械刀具除草和噴霧除草等[3]。激光除草效率較高，但存在能量過大、灼傷土壤微生物的危害[4]；機械刀具除草研究發(fā)展成熟，但會損傷作物根系[5]；噴霧除草研究方向集中于大型噴霧機械研制，會有浪費除草劑和污染環(huán)境的問題[6]。Bloomer等[7]利用激光除草技術(shù)可以用較小的能量殺死小的多花黑麥草、龍葵及藜、莧屬植物。黃小龍等[8]研制了一款用于蔬菜株間的除草機器人，對除草機器人的爪齒形末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)過實驗，當(dāng)蔬菜株距400 mm左右時能去除96.2%的雜草，當(dāng)蔬菜株距350 mm左右時能去除95.4%的雜草。王子健等[9]設(shè)計的果園除草機采用履帶式行走機構(gòu)和新型雙軸式除草作業(yè)頭機構(gòu)，除草率超過80%。瑞士Adigo 公司生產(chǎn)了EcoRobotix智能除草機器人，其通過2個并聯(lián)機械臂施加微量劑量的除草劑進(jìn)行除草，但該并聯(lián)機器人只用于谷物、甜菜等田間的除草，可防除種類較少[10]。

目前研究大多針對除草機器人的執(zhí)行機構(gòu)對不同環(huán)境下雜草防除的效率，而對雜草的精準(zhǔn)防除比較少。本研究選擇并聯(lián)機械臂作為除草執(zhí)行機構(gòu)，利用其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、精度高和響應(yīng)快等優(yōu)點為精準(zhǔn)除草提供支持。本研究提出了雙噴施藥系統(tǒng)，解決了藥劑選擇單一、除草種類較少等問題；根據(jù)除草高度給定并聯(lián)機構(gòu)工作空間以及根據(jù)除草劑殺草譜的不同設(shè)計兩套藥液輸送統(tǒng)；對并聯(lián)執(zhí)行機構(gòu)行運動學(xué)理論分析和仿真校驗，模擬并聯(lián)機構(gòu)在進(jìn)行除草作業(yè)時各個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)受力與力矩的情況。根據(jù)約束條件繪制機構(gòu)位姿的工作空間，并與樣機的實際工作空間進(jìn)行對比，驗證了除草機器人在實際工作中的可行性。