蕓豆智能除草機器人總體結構設計＊

王 明 ， 董曉威 ， 王 森 ， 張 冰

（黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163319）

0 引言

蕓豆是一種重要的豆科經濟類作物，學名菜豆，俗稱二季豆或四季豆。蕓豆田里主要出現的雜草有稗草、狗尾草、野黍、野燕麥等十幾種，可采用人工或化學除草[1]。隨著生活水平的提高和消費觀念的轉變，市場對無公害、有機蔬菜的需求不斷增加；同時國家也在大力提倡綠色農業，改善農業農村環境，推進農業資源高效利用及生態農業建設。機械除草工作效率較高、對環境污染小，符合綠色農業的發展需要，是有機農業種植過程中最佳的除草方式。

國內外學者進行了不同類型除草機器人的相關研究，近年來持續增加投入，性能不斷提高[2]。Bawden等人基于模塊化設計方法，研制了一種多模式作業的除草機器人，配備了智能視覺識別系統，可根據作業的實際情況選擇機械除草或化學除草[3]。Utstumo等人設計了一種能夠進行精確施藥的智能除草機器人，大幅度地降低了除草劑的使用量[4]。Sori等人研制了一種全自動智能水田除草機器人，通過攪拌土壤阻止雜草進行光合作用，從而達到去除雜草的目的[5]。周俊等人針對除草機器人的導航系統進行了深入的研究，對提高機器人除草準確性和效率具有重要的意義[6-7]。王璨和孫俊等人提出了基于圖像特征和人工神經網絡的雜草識別模型，能夠提高除草機器人雜草識別的準確性，進而提高除草效率[8-9]。筆者針對蕓豆種植過程中雜草的去除問題，設計了基于機器視覺識別技術的兩種除草機器人的總體結構，分別為輪式和履帶式，以滿足蕓豆綠色除草的工作要求。

1 輪式除草機器人

1.1 除草刀設計

剪切式除草刀主要由整體支架、刀片、動力裝置組成，具體結構如圖1所示。剪切式刀具除草精度較高，但效率較低。

圖1 剪切式刀具

1.2 整體結構

除草機器人的結構如圖2所示，采用剪切式刀具，除草刀及機械臂的動作由舵機進行控制，對雜草的適應性強。該智能除草機具有結構簡單、運行穩定、除草準確、不易堵塞的特點。

圖2 輪式除草機器人結構簡圖

2 履帶式除草機器人

2.1 除草刀設計

除草刀片結構如圖3所示，為了保證其使用要求，材料選用65Mn鋼，硬度一般為42～50 HRC。刀盤采用花鍵軸和螺釘進行定位并保證精度，使用緊固螺釘和墊片固定。刀盤與發動機輸出軸的動力傳輸為花鍵，在花鍵軸上加工一個直徑為3 mm的螺紋孔，并通過平頭螺釘頂緊發動機輸出軸上的豁口以達到夾緊的作用。

圖3 刀片結構

刀頭罩結構如圖4所示，在工作的過程中會產生一定的震動，材料選用HT100，該材料滿足精密鑄造加工的使用要求，同時具有吸震、自潤滑性、高壓縮性等特點，可用于箱體、殼體、滑軌等工件的鑄造加工。工件下部分形狀為半包圍結構，上部設置安裝調角接頭的接口，通過M6×45的螺栓與調角接頭連接，固定在旋刀臂的前端。刀頭罩能夠將較高雜草壓倒至旋刀工作高度，提高除草效率；同時起到安全防護與聚攏雜草的作用，避免刀片高速旋轉過程中對操作人員的意外傷害。刀盤高速旋轉時會產生較大的氣流，被切斷的草屑會隨著氣流旋轉并排出，避免由于草屑堆積造成刀盤停轉的情況發生。

圖4 刀頭罩結構

2.2 整體結構

履帶式除草機器人結構如圖5所示，采用雙回旋式刀頭，在一定范圍內可調節高度和寬度以適應不同的壟間距。攏草耙功能為除草后雜草的收集和清理，材料為尼龍，具有彈性好、耐磨性高、價格低廉的優點。刀頭的旋轉由一個直流電機進行驅動，刀頭和攏草耙的升降由舵機控制；移動底盤為履帶式，能夠適應復雜的地面情況。該機器人具有結構緊湊、操作簡單、運行穩定、移動方便、除草效率高的特點。

圖5 履帶式除草機器人結構簡圖

3 結論

筆者設計了基于視覺識別技術的輪式和履帶式兩種除草機器人的總體結構。輪式除草機器人采用剪切式刀具，具有結構簡單、運行穩定、除草準確、不易堵塞的特點，但除草效率相對較低；履帶式除草機器人采用可調節雙回旋式刀頭，配有攏草耙，可進行雜草的收集和清理，具有結構緊湊、操作簡單、運行穩定、移動方便、除草效率高的特點。