一种激光除草机器人

本发明涉及农业机器人的，更具体地，涉及一种激光除草机器人。

背景技术：

1、现代的除草方法主要包括喷药和机器除草。喷药是指利用化学药剂喷洒在田间，通过药剂的作用来杀死杂草。这种方法可以提高除草效率，但也存在着对环境和生态的影响，因为化学药剂可能会对土壤和水源造成污染，久之也会导致杂草产生抗药性，使得除草效果大幅降低。另一种现代的除草方法是机器除草，主要是通过旋转刀片的方式来进行除草，这可以快速、高效地清理田地中的杂草，但容易导致作物苗受到机械伤害。

2、近年来，激光除草作为一种新型的环保除草方法逐渐受到关注。激光除草利用激光束直接照射在杂草上，通过高温灼烧杂草的叶片，达到除草的效果。这种方法不需要化学药剂，也不会产生噪音和空气污染，对土壤和水源的影响较小，具有较高的环保性和可持续性，有望成为未来农业生产中的重要技术。

3、激光除草设备推广过程中最大的阻碍是其精度的控制，容易引起作物苗的机械损伤。现有一种基于四自由度并联机构的激光除草机器人，在移动小车上设有四自由度并联机构，所述四自由度并联机构用于调节激光器的位置和发射激光的方向。所述四自由度并联机构主要由ups型驱动分支组成，包括虎克铰、上连杆、下连杆等，属于多连杆结构，机械结构较为复杂，成本较高，对维护和操作技术要求较高，且定位速度慢。此外，复杂的机械结构对于除草设备整体的整备质量也是一个较大的影响，会进而减少设备的运行时间。

技术实现思路

1、本发明目的在于克服现有的激光除草机器人机械结构复杂、成本高、定位速度慢的缺陷，提供一种激光除草机器人，通过绳索驱动结构代替传统的机械臂结构，提高除草效率，对提高农产品产量具有重大影响。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、本发明提供了一种激光除草机器人，包括可移动主体和控制系统，可移动主体底部设置有一个三自由度平台，所述三自由度平台下连接有激光发射机构，此外，还包括受所述控制系统控制的第一绳索驱动装置和第二绳索驱动装置，第一绳索驱动装置和第二绳索驱动装置分别通过绳索与激光发射机构、三自由度平台连接，其中，第二绳索驱动装置用于控制三自由度平台在x、y、z轴方向上的移动，第一绳索驱动装置用于调节激光发射机构的朝向。

4、本发明的工作原理如下：可移动主体进行路径规划，移动到杂草生长的地方。若杂草所处区域被农作物遮挡，则第一绳索驱动装置、第二绳索驱动装置工作，对应调节激光发射机构、三自由度平台。所述绳索的总长度的固定的且时刻保持紧绷状态，通过对绳索的缠绕改变绳索的长度，使其能够对应地拉动激光发射机构或者三自由度平台，由第二绳索驱动装置的绳索带动三自由度平台进行x、y、z三个方向的平动，由第一绳索驱动装置的绳索带动激光发射机构转动，从而使射出的激光偏转指定角度，使激光能够准确落在杂草的根茎底部，将杂草根除。

5、进一步地，第一绳索驱动装置包括外壳和绳索电机，绳索电机固定在外壳内，外壳固定设置在可移动主体内，绳索电机的输出轴通过扭矩传感器与蜗杆连接，蜗杆轴线的垂直方向还设置有与其啮合的蜗轮；外壳外部设有丝杆，丝杆穿过外壳并与蜗轮连接，丝杆设于外壳外部的一端用于缠绕绳索。绳索电机启动时带动蜗杆旋转，蜗杆带动蜗轮旋转，蜗轮带动丝杆正转或者反转，从而使绳索在丝杆上缠绕更多或者更少，调节绳索没有缠绕部分的长度。绳索收紧时，绳索沿其方向产生一个驱动力，从而控制绳索末端的运动。

6、第二绳索驱动装置的结构与第一绳索驱动装置相同。

7、进一步地，第一绳索驱动装置还包括4-5个绳索滑轮，所述绳索滑轮设置在可移动主体上，第一绳索驱动装置的绳索一端与丝杆连接，另一端依次穿过绳索滑轮后与激光发射机构连接，绳索滑轮改变绳索的方向，使其最终连接到激光发射机构上；

8、第二绳索驱动装置也包括4-5个绳索滑轮，所述绳索滑轮设置在可移动主体上，第一绳索驱动装置的绳索一端与丝杆连接，另一端依次穿过绳索滑轮后与三自由度平台连接。

9、进一步地，激光发射机构包括动平台、定平台、若干绳索套和激光发射头，所述定平台为空心柱体，其固定设置在三自由度平台下部，定平台的周向等距设置有若干绳索套，绳索套的数量和与激光发射机构连接的绳索的数量相同；动平台的结构与定平台的结构相同，所述激光发射头设置在动平台底部，动平台与定平台之间设有连接二者的弹性件，绳索依次穿过设置在定平台和动平台的绳索套后与设置在动平台上的绳索套固定连接。

10、进一步地，绳索套包括与动平台或者定平台固定连接的支架，所述支架上转动连接有两个并排设置的滚轮，两个滚轮之间留有供绳索穿过的缝隙，绳索末端设置有一个体积大于所述缝隙的阻挡球，所述阻挡球无法穿过缝隙，绳索被拉动时，阻挡球起到一个卡住作用，使绳索能够控制动平台的弯曲，进而控制其朝向。

11、进一步地，激光发射机构共有4个，分别等距设置在三自由度平台的边缘位置处。

12、进一步地，三自由度平台包括一块矩形的平板，平板的四个角落处分别设置有吊环，第二绳索驱动装置的绳索与所述吊环连接，平板通过可固定的连接件与可移动主体连接。

13、进一步地，所述连接件包括若干磁流变阻尼伸缩杆，磁流变阻尼伸缩杆一端与可移动主体铰接，另一端与平板铰接，所述磁流变阻尼伸缩杆内部设置有可通电的励磁线圈。三自由度平台静止瞬间，磁流变阻尼伸缩杆内部电流通过励磁线圈，增加阻尼力，限制了磁流变阻尼伸缩杆的伸缩，通过减震提高三自由度平台的稳定性，确保了定位的精准稳定。

14、进一步地，平板底部的中心还设置有摄像机，用于获取图像，摄像机与控制系统通信连接。

15、进一步地，所述可移动主体包括本体，本体的内部设置控制系统、激光仪器，激光仪器与激光发射机构通过激光软管连接，本体前部和/或底部还设置有照明结构，本体底部边缘连接有驱动轮，本体顶部设置有激光雷达，所述激光仪器、照明结构、驱动轮、激光雷达分别与控制系统通信连接。

16、本发明的有益效果是：

17、1.本发明的三自由度平台和激光发射机构均通过绳索驱动装置控制，简化了传统的多连杆结构，使整个控制结构简单、降低生产和维护成本、提高定位速度和除草效率；

18、2.本发明所公开的基于绳索驱动的激光除草机器人能够实现自动驾驶、激光精准定位、分区快速除草功能，在农业领域的应用前景十分巨大。

技术特征：

1.一种激光除草机器人，包括可移动主体(1)和控制系统，可移动主体(1)底部设置有一个三自由度平台(2)，所述三自由度平台(2)下连接有激光发射机构(3)，其特征在于，还包括受所述控制系统控制的第一绳索驱动装置和第二绳索驱动装置，第一绳索驱动装置和第二绳索驱动装置分别通过绳索与激光发射机构(3)、三自由度平台(2)连接，其中，第二绳索驱动装置用于控制三自由度平台(2)的移动，第一绳索驱动装置用于调节激光发射机构(3)的朝向。

2.根据权利要求1所述的激光除草机器人，其特征在于，第一绳索驱动装置包括外壳(4)和绳索电机(5)，绳索电机(5)固定在外壳(4)内，外壳(4)固定设置在可移动主体(1)内，绳索电机(5)的输出轴与蜗杆(7)连接，蜗杆(7)轴线的垂直方向还设置有与其啮合的蜗轮(8)；外壳(4)外部设有丝杆(9)，丝杆(9)穿过外壳(4)并与蜗轮(8)连接，丝杆(9)设于外壳(4)外部的一端用于缠绕绳索；第二绳索驱动装置的结构与第一绳索驱动装置相同。

3.根据权利要求2所述的激光除草机器人，其特征在于，第一绳索驱动装置还包括4-5个绳索滑轮(10)，所述绳索滑轮(10)设置在可移动主体(1)上，第一绳索驱动装置的绳索一端与丝杆(9)连接，另一端依次穿过绳索滑轮(10)后与激光发射机构(3)连接；

4.根据权利要求1或3所述的激光除草机器人，其特征在于，激光发射机构(3)包括动平台(301)、定平台(302)、若干绳索套(303)和激光发射头(304)，所述定平台(302)为空心柱体，其固定设置在三自由度平台(2)下部，定平台(302)的周向等距设置有若干绳索套(303)，绳索套(303)的数量和与激光发射机构(3)连接的绳索的数量相同；动平台(301)的结构与定平台(302)的结构相同，所述激光发射头(304)设置在动平台(301)底部，动平台(301)与定平台(302)之间设有连接二者的弹性件，绳索依次穿过设置在定平台(302)和动平台(301)的绳索套(303)后与设置在动平台(301)上的绳索套(303)固定连接。

5.根据权利要求4所述的激光除草机器人，其特征在于，绳索套(303)包括与动平台(301)或者定平台(302)固定连接的支架，所述支架上转动连接有两个并排设置的滚轮，两个滚轮之间留有供绳索穿过的缝隙，绳索末端设置有一个体积大于所述缝隙的阻挡球。

6.根据权利要求1所述的激光除草机器人，其特征在于，激光发射机构(3)共有4个，分别等距设置在三自由度平台(2)的边缘位置处。

7.根据权利要求1或6所述的激光除草机器人，其特征在于，三自由度平台(2)包括一块矩形的平板(201)，平板(201)的四个角落处分别设置有吊环(202)，第二绳索驱动装置的绳索与所述吊环(202)连接，平板(201)通过可固定的连接件与可移动主体(1)连接。

8.根据权利要求7所述的激光除草机器人，其特征在于，所述连接件包括若干磁流变阻尼伸缩杆(203)，磁流变阻尼伸缩杆(203)一端与可移动主体(1)铰接，另一端与平板(201)铰接，所述磁流变阻尼伸缩杆(203)内部设置有可通电的励磁线圈。

9.根据权利要求7所述的激光除草机器人，其特征在于，平板(201)底部的中心还设置有摄像机(11)，摄像机(11)与控制系统通信连接。

10.根据权利要求1所述的激光除草机器人，其特征在于，所述可移动主体(1)包括本体(101)，本体(101)的内部设置控制系统、激光仪器(103)，激光仪器(103)与激光发射机构(3)通过激光软管(104)连接，本体(101)前部和/或底部还设置有照明结构(105)，本体(101)底部边缘连接有驱动轮(106)，本体(101)顶部设置有激光雷达(107)，所述激光仪器(103)、照明结构(105)、驱动轮(106)、激光雷达(107)分别与控制系统通信连接。

技术总结
本发明公开了一种激光除草机器人，包括可移动主体和控制系统，可移动主体底部设置有一个三自由度平台，所述三自由度平台下连接有激光发射机构，此外，还包括受所述控制系统控制的第一绳索驱动装置和第二绳索驱动装置，第一绳索驱动装置和第二绳索驱动装置分别通过绳索与激光发射机构、三自由度平台连接，其中，第二绳索驱动装置用于控制三自由度平台在X、Y、Z轴方向上的移动，第一绳索驱动装置用于调节激光发射机构的朝向。本发明的三自由度平台和激光发射机构均通过绳索驱动装置控制，简化了传统的多连杆结构，使整个控制结构简单、降低生产和维护成本、提高定位速度和除草效率。

技术研发人员：杨平,陈立浩,谭海杰,林奕帆,张华明,栾天昕,赵秀婷,吴黎明
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11