一种摆动式苗间锄草机械手的制作方法
【专利摘要】本发明属于现代智能农业装备【技术领域】，具体涉及一种智能锄草机器人的摆动式苗间锄草机械手。本发明的目的在于提供一种适用于不同土地的摆动式苗间锄草机械手，该摆动式苗间锄草机械手在不增加控制难度、且保证较大锄草覆盖率的条件下，减小了锄草机械手对土壤质地的要求。本发明采用槽凸轮机构，将液压马达或电机的连续旋转运动转化为往复摆动运动，使控制简易，硬件寿命增加；采用双面槽凸轮机构，通过设计双面槽凸轮轮廓曲线，使两把锄草刀同速对称运动，在保护区一定的情况下，保证了锄草刀在苗间的覆盖率；将旋转式锄草刀转变成摆动式锄草刀，减少锄草刀与土壤的相对运动，改善锄草刀工作状况；加工安装方便，实用性强。
【专利说明】一种摆动式苗间锄草机械手
【技术领域】
[0001]本发明属于现代智能农业装备【技术领域】，具体涉及一种智能锄草机器人的摆动式苗间锄草机械手。
【背景技术】
[0002]农田杂草是农业生产的主要灾害之一，长期以来传统的人工除草一直都是除草的主要方式，但人工除草劳动强度大、效率低、耗时长。现在大面积都在使用化学除草，成功地将劳动力从人工除草活动中释放出来。但是化学除草受天气影响较大，又带来杂草抗药性、生态环境污染等严重问题。
[0003]机械锄草避免了使用化学除草带来的环境和食品安全问题，又有较高的工作效率。目前智能化机械锄草作为精细农业保护性耕作的关键技术之一正在全世界得到重新认识，机械锄草已成为未来除草的发展趋势。智能机械锄草的关键是对株间杂草的精确控制。近年来随着机器视觉和控制技术的飞速发展，作物和杂草识别已不成问题，但与之相配合的锄草机械手比较单一。
[0004]目前，国内外的锄草机械手有齿爪式、旋转式和摆动式几类。齿爪式通过控制多个锄草齿爪在作物苗间伸入和伸出，来实现锄草和避苗，控制较为复杂。旋转式则通过控制带豁口的圆盘锄草刀旋转，控制豁口的位置实现避苗锄草，控制相对简单，两个对称旋转的带豁口圆盘锄草刀也保证了刀盘在苗间有较高的覆盖率，但是这种结构容易因石头崩坏刀盘，所以其适用范围也局限 于沙土地或石块较少的土地。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于不同土地的摆动式苗间锄草机械手，该摆动式苗间锄草机械手在不增加控制难度、且保证较大锄草覆盖率的条件下，减小了锄草机械手对土壤质地的要求。
[0006]为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案:
[0007]—种摆动式苗间锄草机械手，包括液压马达1、箱体盖2、箱体3、锄草刀连接盘5、锄草刀6，所述液压马达I安装在箱体盖2上，箱体盖2安装在箱体3上；其中:
[0008]其还包括左摆杆轴8、第一摆杆13、双面槽凸轮16、第二摆杆17、右摆杆轴18 ;其中，
[0009]所述液压马达I的输出轴与传动轴11相连；所述传动轴11支撑在带座轴承14上，所述双面槽凸轮16固定在传动轴11上；
[0010]左摆杆轴8通过第一带菱形座外球面球轴承7和第二带菱形座外球面球轴承15固定，所述第一带菱形座外球面球轴承7安装在箱体盖2上，所述第二带菱形座外球面球轴承15安装在箱体3上；同样地，右摆杆轴18通过第三带菱形座外球面球轴承71和第四带菱形座外球面球轴承151固定，所述第三带菱形座外球面球轴承71安装在箱体盖2上，所述第四带菱形座外球面球轴承151安装在箱体3上；[0011]带有滚子的所述第一摆杆13通过键周向定位在左摆杆轴8上，该第一摆杆13的滚子在双面槽凸轮16下面的凸轮槽162内运动，形成凸轮副；带有滚子的所述第二摆杆17通过键周向定位在右摆杆轴18上，该第二摆杆17的滚子在双面槽凸轮16上面的凸轮槽161内运动，形成凸轮副；
[0012]两个锄草刀连接盘5分别通过键连接在左摆杆轴8和右摆杆轴18上，由螺母轴向固定；锄草刀6紧固在锄草刀连接盘5上。
[0013]所述摆动式苗间锄草机械手还包括小同步带轮19、同步带21和大同步带轮22 ;其中，
[0014]所述大同步带轮22通过顶丝安装在传动轴11上，所述小同步带轮19通过顶丝安装在编码器10输出轴上，所述编码器10通过螺钉安装在传感器安装盘9上，所述传感器安装盘9通过螺钉固定在所述箱体3上,大同步带轮22通过同步带21带动小同步带轮19旋转；
[0015]检测盘12安装在传动轴11上，齿轮齿传感器20通过螺栓固定在传感器安装盘9上。
[0016]所述检测盘12的上端面与齿轮齿传感器20的下端面之间的垂直距离为1mm，该检测盘12为周向带凸起的金属盘状零件，当检测盘12的凸起旋转至齿轮齿传感器20的下方时，齿轮齿传感器20响应一次。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:采用槽凸轮机构，将液压马达或电机的连续旋转运动转化为往复摆 动运动，使控制简易、硬件寿命增加；采用双面槽凸轮机构，通过设计双面槽凸轮轮廓曲线，使两把锄草刀同速对称运动，在保护区一定的情况下，保证了锄草刀在苗间的覆盖率；将旋转式锄草刀转变成摆动式锄草刀，减少锄草刀与土壤的相对运动，改善锄草刀工作状况；加工安装方便、实用性强。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明的摆动式苗间锄草机械手的外部结构示意图；
[0019]图2为本发明的机械手的箱体内部结构的主视图；
[0020]图3为本发明的机械手的箱体内部结构的俯视图；
[0021]图4为双面槽凸轮的轮廓的曲线图；
[0022]图5为本发明的机械手在工作时锄草刀在苗间运动的轨迹示意图；
[0023]图6为本发明的机械手在工作时锄草刀的最优运动轨迹图；
[0024]图7为本发明的机械手在工作时锄草刀的包络线图。
[0025]图8a为本发明的机械手在工作时锄草刀在苗间运动的轨迹放大图；
[0026]图Sb为本发明的机械手在工作时锄草刀的运动轨迹第一模拟图。
[0027]图8c为本发明的机械手在工作时锄草刀的运动轨迹第二模拟图。
[0028]【主要组件符号说明】
[0029]I液压马达
[0030]2箱体盖
[0031]3 箱体
[0032]4防水接头[0033]5锄草刀连接盘
[0034]6锄草刀
[0035]7第一带菱形座外球面球轴承
[0036]71第三带菱形座外球面球轴承
[0037]8左摆杆轴
[0038]9传感器安装板
[0039]10编码器
[0040]11传动轴
[0041]12检测盘
[0042]13第一摆杆
[0043]14带座轴承
[0044]15第二带菱形座外球面球轴承
[0045]151第四带菱形座外球面球轴承
[0046]16双面槽凸轮
[0047]161双面槽凸轮上面的凸轮槽
[0048]162双面槽凸轮下面的凸轮槽
[0049]17第二摆杆
[0050]18右摆杆轴
[0051]19小同步带轮
[0052]20齿轮齿传感器
[0053]21同步带
[0054]22大同步带轮
[0055]A锄草刀刀片的前刀尖
[0056]B锄草刀刀片的后刀尖
【具体实施方式】
[0057]下面，结合附图与实施例，进一步地详细地解释本发明。
[0058]图1为本发明的摆动式苗间锄草机械手的外部结构示意图；图2和图3分别为所述机械手的箱体内部结构的主视图和俯视图。
[0059]其中，所述摆动式苗间锄草机械手包括液压马达1，该液压马达I也可以替换为电机，所述液压马达I通过螺栓安装在箱体盖2上，箱体盖2通过螺钉安装在箱体3上；液压马达I的输出轴通过平键与传动轴11相连，将扭矩传递给传动轴11，带动传动轴11旋转。
[0060]所述传动轴11支撑在带座轴承14上，双面槽凸轮16通过平键固定在传动轴11上；左摆杆轴8通过第一带菱形座外球面球轴承7和第二带菱形座外球面球轴承15固定，第一带菱形座外球面球轴承7通过螺钉安装在箱体盖2上，第二带菱形座外球面球轴承15通过螺钉安装在箱体3上；同样地，右摆杆轴18通过第三带菱形座外球面球轴承71和第四带菱形座外球面球 轴承151固定，所述第三带菱形座外球面球轴承71通过螺钉安装在箱体盖2上，第四带菱形座外球面球轴承151通过螺钉安装在箱体3上。
[0061]带有滚子的第一摆杆13通过平键周向定位在左摆杆轴8上，该第一摆杆13的滚子在双面槽凸轮16下面的凸轮槽162内运动，形成凸轮副，在本实施例中采用内径为6mm，外径为10_的617/6深沟球轴承作为槽凸轮机构的滚子；带有滚子的第二摆杆17通过平键周向定位在右摆杆轴18上，该第二摆杆17的滚子在双面槽凸轮16上面的凸轮槽161内运动，形成凸轮副。
[0062]两个锄草刀连接盘5分别通过键连接在左摆杆轴8和右摆杆轴18上，由螺母轴向固定；锄草刀6用螺钉紧固在锄草刀连接盘5上。液压马达I驱动双面槽凸轮16转动，通过两个凸轮副将运动传递到左摆杆轴8和右摆杆轴18上，从而带动锄草刀6往复摆动。
[0063]大同步带轮22通过顶丝安装在传动轴11上，小同步带轮19通过顶丝安装在编码器10输出轴上，编码器10通过螺钉安装在传感器安装盘9上，传感器安装盘9通过螺钉固定在箱体3上。大同步带轮22旋转通过同步带21带动小同步带轮19旋转,小同步带轮19带动编码器10旋转，从而检 测传动轴11的转速，编码器10和齿轮齿传感器20的信号线从防水接头4中穿出，连接至控制器上，防水接头4安装在所述箱体3上。编码器10将检测到的速度信息传回控制器，形成速度闭环反馈，这样保证转速的准确性。
[0064]检测盘12安装在传动轴11上，齿轮齿传感器20通过螺栓固定在传感器安装盘9上，检测盘12的上端面与齿轮齿传感器20的下端面之间的垂直距离为1mm。检测盘12为周向带凸起的金属盘状零件，当检测盘12的凸起旋转至齿轮齿传感器20的下方时，齿轮齿传感器20响应一次。检测盘12旋转,每转一周使齿轮齿传感器20响应一次,响应时锄草刀6的位置定义为初始位置。
[0065]图4所示为双面槽凸轮的轮廓的曲线图；图5为本发明的机械手在工作时锄草刀在苗间运动的轨迹示意图；图6和图7为本发明的机械手在工作时锄草刀的最优运动轨迹图和包络线图。
[0066]其中，锄草刀6要实现“避苗”和“锄草”两个动作，则其运动应分成四段:向外摆动打开、停止、向内摆动闭合、停止，前三段共同实现“避苗”，第四段进行“锄草”。这四段运动将双面槽凸轮16转动一周的360°分成四份:推程角、远休止角、回程角及近休止角。如此通过控制双面槽凸轮16的转角，即可控制两把锄草刀6的开合，以完成避苗和锄草任务。
[0067]为避免刚性冲击和柔性冲击，要求锄草刀6的角位移曲线、角速度曲线和角加速度曲线(包括起始点和终止点在内)必须连续，又考虑到摆线运动方程比较简单，故推程段和回程段都采用摆线运动规律。
[0068]根据保护区(见图5，是以作物苗中心为圆心的一个圆，锄草刀6不应进入该区域内)大小确定锄草刀6打开的最大距离。以生菜为例，根据多次生菜地锄草实验，保护区设为Φ80mm。初拟锄草刀6摆动角度为30°，摆杆长度为80mm，凸轮基圆半径为20mm，推程角、远休止角、回程角及近休止角均为90°。
[0069]假定锄草刀6在作物苗前后150mm的范围内完成避苗动作，则在拖拉机带动锄草刀6向前运动150mm的时间内，锄草刀6要完成向外摆动打开、停止、向内摆动闭合三个动作。于是，锄草刀6的摆动速度就和其前进速度建立了关系。
[0070]如图8a为锄草刀在苗间运动的轨迹放大图；图8b为锄草刀的运动轨迹第一模拟图；图8c为锄草刀的运动轨迹第二模拟图。
[0071]根据初拟参数，用作图法获得双面槽凸轮16的轮廓，再根据锄草刀6摆动速度和前进速度之间的关系，模拟锄草刀6的运动轨迹(见图8a至图Sc)。通过覆盖率和入侵率两个参数来评价锄草刀6的运动轨迹(见图8a至图Sc)。设保护区面积为A4，覆盖率和入侵率计算公式如下:
[0072]覆盖率=覆盖面积A1/(覆盖面积A1+未覆盖面积A2) X 100%
[0073]入侵率=入侵面积A3/保护区面积A4X 100%
[0074]显然，覆盖率越大越好，入侵率越小越好。依据此原则，确定凸轮机构的最优参数为:摆杆长83.5mm，锄草刀摆动角度为26°，双面槽凸轮16的推程角、远休止角、回程角及近休止角分别为90°、60。、120。和90。。
[0075]为使凸轮机构具有良好的运转性能，并避免发生自锁，凸轮机构的压力角应小于许用压力角。据此求得，凸轮基圆半 径应大于或等于20.45_。为尽量减小机构尺寸，取凸轮基圆半径为21mm。
[0076]拟设定电机顺时针旋转，则双面槽凸轮16顺时针旋转。以双面槽凸轮16、第二摆杆17和右摆杆轴18组成的凸轮机构为例，建立其数学模型，按反转法作图，获得第二摆杆17的滚子中心坐标(X，y)关于凸轮转角的方程，此即第二摆杆17对应的凸轮机构的滚子中心理论廓线方程。以此绘制出双面槽凸轮上面的凸轮槽161的轮廓，即图4中所示的实线轮廓。同理可得到第一摆杆13对应的凸轮机构的滚子中心理论廓线方程，以此绘制双面槽凸轮下面的凸轮槽162轮廓，即图4中所示的虚线轮廓。
[0077]根据以上参数和方程，建立锄草机械手三维模型并进行仿真。图6和图7为对摆动式苗间锄草机械手进行运动仿真，得到的锄草刀最优运动轨迹，其中图6是锄草刀刀片前刀尖A、锄草刀刀片后刀尖B (见图5)的轨迹，图7是锄草刀的包络线。
[0078]本发明的摆动式苗间锄草机械手为智能锄草机器人的核心部件，主要安装在平行四杆仿形机构上，平行四杆仿形机构为经典且常用的农业机械机构。根据大田种植行数要求相应的增加摆动式苗间锄草机械手，每一个锄草机械手负责一行作物的锄草工作，将若干安装在仿形机构上的摆动式苗间锄草机械手按作物行间距的要求安装在前悬挂或后悬挂智能锄草机器人上。智能锄草机器人通过拖拉机或是农用平台车牵引运动。
[0079]本发明的摆动式苗间锄草机械手是智能锄草机器人的末端执行单元，具体工作过程如下:
[0080]智能锄草机器人被牵引沿作物行运动，本发明的每个摆动式苗间锄草机械手对应一行作物，且作物位于锄草机械手两锄草刀6之间。智能锄草机器人通过作物位置信息实时控制液压马达I或电机的旋转，液压马达I旋转带动传动轴11旋转，从而带动传动轴11上的大同步带轮22、双面槽凸轮16、检测盘12旋转。双面槽凸轮16与左摆杆轴8上的第一摆杆13及左摆杆轴8形成凸轮副，双面槽凸轮16又与右摆杆轴18上的第二摆杆17及右摆杆轴18形成凸轮副；双面槽凸轮16旋转带动第一摆杆13和第二摆杆17往复摆动，进而带动左摆杆轴8和右摆杆轴18往复转动，从而带动与左摆杆轴8和右摆杆轴18连接的锄草刀6往复摆动，且摆动速度相同、方向相反。双面槽凸轮的设计，使得液压马达每转动一圈，即双面槽凸轮16每转动一圈，对称锄草刀开闭一次。
[0081]调整检测盘12相对传动轴11的相对位置，使齿轮齿传感器20响应时，对称锄草刀正好位于打开最大的状态，这时摆动式苗间锄草机械手正好运动到作物苗的位置，从第一棵作物苗到第二棵作物苗期间，控制液压马达旋转一圈，对称锄草刀从打开到闭合再到打开的状态，从而完成避苗锄草的运动，其运动轨迹如图4所示。
【权利要求】
1.一种摆动式苗间锄草机械手，包括液压马达(I)、箱体盖(2)、箱体(3)、锄草刀连接盘(5)、锄草刀(6)，所述液压马达(I)安装在箱体盖(2)上，箱体盖(2)安装在箱体(3)上；其特征在于: 其还包括左摆杆轴(8)、第一摆杆(13)、双面槽凸轮(16)、第二摆杆(17)、右摆杆轴(18);其中， 所述液压马达(I)的输出轴与传动轴(11)相连；所述传动轴(11)支撑在带座轴承(14)上，所述双面槽凸轮(16)固定在传动轴(11)上； 左摆杆轴(8)通过第一带菱形座外球面球轴承(7)和第二带菱形座外球面球轴承(15)固定，所述第一带菱形座外球面球轴承(7)安装在箱体盖(2)上，所述第二带菱形座外球面球轴承(15)安装在箱体(3)上；同样地，右摆杆轴(18)通过第三带菱形座外球面球轴承(71)和第四带菱形座外球面球轴承(151)固定，所述第三带菱形座外球面球轴承(71)安装在箱体盖(2)上，所述第四带菱形座外球面球轴承(151)安装在箱体(3)上； 带有滚子的所述第一摆杆(13)通过键周向定位在左摆杆轴(8)上，该第一摆杆(13)的滚子在双面槽凸轮(16)下面的凸轮槽(162)内运动，形成凸轮副；带有滚子的所述第二摆杆(17)通过键周向定位在右摆杆轴(18)上，该第二摆杆(17)的滚子在双面槽凸轮(16)上面的凸轮槽(161)内运动，形成凸轮副； 两个锄草刀连接盘(5)分别通过键连接在左摆杆轴(8)和右摆杆轴(18)上，由螺母轴向固定；锄草刀(6)紧固在锄草刀连接盘(5)上。
2.如权利要求1所述的一种摆动式苗间锄草机械手，其特征在于: 所述摆动式苗间锄草机械手还包括小同步带轮(19)、同步带(21)和大同步带轮(22)；其中， 所述大同步带轮(22)通过顶丝安装在传动轴(11)上，所述小同步带轮(19)通过顶丝安装在编码器(10)输出轴上，所述编码器(10)通过螺钉安装在传感器安装盘(9)上，所述传感器安装盘(9)通过螺钉固定在所述箱体(3)上，大同步带轮(22)通过同步带(21)带动小同步带轮(19)旋转； 检测盘(12)安装在传动轴(11)上，齿轮齿传感器(20)通过螺栓固定在传感器安装盘(9)上。
3.如权利要求2所述的一种摆动式苗间锄草机械手，其特征在于: 所述检测盘(12)的上端面与齿轮齿传感器(20)的下端面之间的垂直距离为1mm，该检测盘(12)为周向带凸起的金属盘状零件，当检测盘(12)的凸起旋转至齿轮齿传感器(20)的下方时，齿轮齿传感器(20)响应一次。
【文档编号】A01M21/02GK103999582SQ201410255080
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】李伟, 李涛, 张春龙, 陈子文, 李南, 孙哲, 王汉斌 申请人:中国农业大学