王 明 ， 董曉威 ， 王 森 ， 張 冰

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

0 引言

蕓豆是一種重要的豆科經(jīng)濟(jì)類(lèi)作物，學(xué)名菜豆，俗稱(chēng)二季豆或四季豆。蕓豆田里主要出現(xiàn)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(xué)除草[1]。隨著生活水平的提高和消費(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變，市場(chǎng)對(duì)無(wú)公害、有機(jī)蔬菜的需求不斷增加；同時(shí)國(guó)家也在大力提倡綠色農(nóng)業(yè)，改善農(nóng)業(yè)農(nóng)村環(huán)境，推進(jìn)農(nóng)業(yè)資源高效利用及生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)。機(jī)械除草工作效率較高、對(duì)環(huán)境污染小，符合綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要，是有機(jī)農(nóng)業(yè)種植過(guò)程中最佳的除草方式。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了不同類(lèi)型除草機(jī)器人的相關(guān)研究，近年來(lái)持續(xù)增加投入，性能不斷提高[2]。Bawden等人基于模塊化設(shè)計(jì)方法，研制了一種多模式作業(yè)的除草機(jī)器人，配備了智能視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，可根據(jù)作業(yè)的實(shí)際情況選擇機(jī)械除草或化學(xué)除草[3]。Utstumo等人設(shè)計(jì)了一種能夠進(jìn)行精確施藥的智能除草機(jī)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(dòng)智能水田除草機(jī)器人，通過(guò)攪拌土壤阻止雜草進(jìn)行光合作用，從而達(dá)到去除雜草的目的[5]。周俊等人針對(duì)除草機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，對(duì)提高機(jī)器人除草準(zhǔn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雜草識(shí)別模型，能夠提高除草機(jī)器人雜草識(shí)別的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高除草效率[8-9]。筆者針對(duì)蕓豆種植過(guò)程中雜草的去除問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的兩種除草機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)，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(jī)器人

1.1 除草刀設(shè)計(jì)

剪切式除草刀主要由整體支架、刀片、動(dòng)力裝置組成，具體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

除草機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用剪切式刀具，除草刀及機(jī)械臂的動(dòng)作由舵機(jī)進(jìn)行控制，對(duì)雜草的適應(yīng)性強(qiáng)。該智能除草機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、除草準(zhǔn)確、不易堵塞的特點(diǎn)。

圖2 輪式除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 履帶式除草機(jī)器人

2.1 除草刀設(shè)計(jì)

除草刀片結(jié)構(gòu)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(pán)采用花鍵軸和螺釘進(jìn)行定位并保證精度，使用緊固螺釘和墊片固定。刀盤(pán)與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的動(dòng)力傳輸為花鍵，在花鍵軸上加工一個(gè)直徑為3 mm的螺紋孔，并通過(guò)平頭螺釘頂緊發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸上的豁口以達(dá)到夾緊的作用。

圖3 刀片結(jié)構(gòu)

刀頭罩結(jié)構(gòu)如圖4所示，在工作的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的震動(dòng)，材料選用HT100，該材料滿足精密鑄造加工的使用要求，同時(shí)具有吸震、自潤(rùn)滑性、高壓縮性等特點(diǎn)，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(jié)構(gòu)，上部設(shè)置安裝調(diào)角接頭的接口，通過(guò)M6×45的螺栓與調(diào)角接頭連接，固定在旋刀臂的前端。刀頭罩能夠?qū)⑤^高雜草壓倒至旋刀工作高度，提高除草效率；同時(shí)起到安全防護(hù)與聚攏雜草的作用，避免刀片高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)操作人員的意外傷害。刀盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的氣流，被切斷的草屑會(huì)隨著氣流旋轉(zhuǎn)并排出，避免由于草屑堆積造成刀盤(pán)停轉(zhuǎn)的情況發(fā)生。

圖4 刀頭罩結(jié)構(gòu)

2.2 整體結(jié)構(gòu)

履帶式除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用雙回旋式刀頭，在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)高度和寬度以適應(yīng)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(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。刀頭的旋轉(zhuǎn)由一個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，刀頭和攏草耙的升降由舵機(jī)控制；移動(dòng)底盤(pán)為履帶式，能夠適應(yīng)復(fù)雜的地面情況。該機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、移動(dòng)方便、除草效率高的特點(diǎn)。

圖5 履帶式除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)了基于視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的輪式和履帶式兩種除草機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)。輪式除草機(jī)器人采用剪切式刀具，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、除草準(zhǔn)確、不易堵塞的特點(diǎn)，但除草效率相對(duì)較低；履帶式除草機(jī)器人采用可調(diào)節(jié)雙回旋式刀頭，配有攏草耙，可進(jìn)行雜草的收集和清理，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、移動(dòng)方便、除草效率高的特點(diǎn)。