[0001] 本发明涉及农业机器人领域，尤其是涉及一种罩切式玉米行株间除草机器人末端执行器。

[0002] 长期以来，农业生产受到杂草的严重影响，因为杂草与农作物争夺阳光、水分和养分，导致作物产量和品质下降，给农业经济造成巨大损失。特别是玉米作为全球重要的粮食作物之一，其生长期经常受到杂草的干扰。传统的除草方式需要大量的人力投入，且效率低下，可能导致对农作物的损害。因此，研发玉米除草机器人成为了备受关注的课题。机器人能够在狭窄的玉米田间自动执行除草操作，从而减轻人工劳动强度、提高除草效率，并且减少对农药的依赖，符合可持续农业发展的要求。

[0003] 相比传统人工和化学除草，机械除草更为高效，能够在短时间内完成大面积的除草作业，并且减少对农药的依赖，有利于减少环境污染，符合可持续农业发展的要求。然而，玉米除草机器人的设计面临着诸多挑战。首先，机器人需要在狭小的玉米田间精确执行除草操作，确保对杂草的有效清除的同时减少对玉米植株的伤害，这对机器人的操作性能提出了较高要求。其次，现有的末端执行机构难以同时实现玉米的行间和株间除草，增加了除草机器人的重复作业次数，因此，合理设计玉米行株间除草机器人的末端执行器至关重要。优化设计的末端执行器能够确保机器人在狭窄的玉米田间进行精准的除草作业，保证对杂草的有效清除同时减少对玉米植株的损伤。这样的优化设计可以有效改善玉米田间的除草作业，提高农业生产效率，降低劳动强度，并且减少对环境的负面影响，从而促进农业机械化水平的提升。

[0039] 以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

[0040] 除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

[0041] 实施例一

[0042] 如图1‑图9所示，本发明一种罩切式玉米行株间除草机器人末端执行器，包括罩苗防切机构1、旋转切割机构2、除草驱动机构3和末端执行器固定架4，罩苗防切机构1固定在末端执行器固定架4的内部，旋转切割机构2安装在末端执行器固定架4的外侧，末端执行器固定架4的一侧连接除草驱动机构3。

[0043] 罩苗防切机构1包括罩苗驱动电机101、旋转罩壳连接件102、防切旋转罩壳103、防切固定圆盘104、防切旋转圆盘105和伸缩开合机构106，罩苗驱动电机101通过旋转罩壳连接件102实现与防切旋转罩壳103的连接，防切旋转罩壳103和防切旋转圆盘105一体成型，防切固定圆盘104位于罩苗防切机构1的最底端，伸缩开合机构106被限位于防切固定圆盘104和防切旋转圆盘105之间。

[0044] 罩苗驱动电机101是正反转减速电机，防切旋转罩壳103随着罩苗驱动电机101输出轴的转动而转动。n1为罩苗驱动电机101电机轴的输出转速。由于防切固定圆盘104在空间和旋转方向上固定不动，在防切旋转圆盘105转动的作用下，伸缩开合机构106会沿着防切固定圆盘104和防切旋转圆盘105上的异向槽口做既定运动，即：罩苗驱动电机101逆时针转动，伸缩开合机构106会沿着槽口向中心做收缩运动，包围面积减小；反之，罩苗驱动电机101顺时针转动，伸缩开合机构106会沿着槽口向外做扩张运动，包围面积增大，以此实现包围保护玉米植株和与玉米植株分离的运动。

[0045] 伸缩开合机构106由开合机构连接轴107、开口销108、开合机构挡板110和三个滑动法兰轴承109组成；伸缩开合机构106顶端由最上方的滑动法兰轴承109的法兰边与防切旋转圆盘105的槽口配合，法兰轴承109的法兰边又由开口销108轴向限位，伸缩开合机构106底端由开合机构连接轴107下方的轴头与防切固定圆盘104轴向限位，伸缩开合机构106的开合机构连接轴107与防切固定圆盘104和防切旋转圆盘105上异向槽口的配合为平动转动副。

[0046] 防切固定圆盘104和防切旋转圆盘105上的槽口为直线型槽口或者曲线型槽口。

[0047] 伸缩开合机构106、防切固定圆盘104和防切旋转圆盘105上的槽口个数相等，均为m(m≥3)个。

[0048] 考虑到玉米植株在三到五叶期的平均形态尺寸，即：长、宽、高、体积等的平均值，罩苗防切机构1的高度H设计为80～300mm，防切固定圆盘104和防切旋转圆盘105的内径d设计为50～300mm。

[0049] 旋转切割机构2包括除草从动齿轮201、齿轮固定轴承202、驱动旋转连接件203、伞骨形支撑连接管204、方管连接件205、驱动回转轮盘206和分段式伸缩除草刀207，其顶端由上下对置的两个齿轮固定轴承202夹住中间的除草从动齿轮201，下面的齿轮固定轴承202下方是驱动旋转连接件203，它们被自下而上贯穿的螺栓固定在一起，套放在机械臂末端紧固件401上。最底端的分段式伸缩除草刀207通过刀体固定立柱212和螺母副的配合，固定在驱动回转轮盘206上。驱动回转轮盘206通过轮盘固定螺母213和轮盘固定螺栓214的紧固作用，被夹紧在上下两个对置的滚动法兰轴承215中间，并且，通过在整个圆周范围内多组对置的滚动法兰轴承215法兰边结构的夹紧作用下，在竖直方向上被夹持在罩苗防切机构外壳403上方和防切固定圆盘104下方。此外，如图4所示，驱动回转轮盘206上固接了多个方管连接件205，并通过方管连接件205将伞骨形支撑连接管204和驱动回转轮盘206固接在一起，伞骨形支撑连接管204上方与驱动旋转连接件203下方的连接件固接在一起，实现整体的连接作用。当旋转切割机构2逆时针旋转时，分段式伸缩除草刀207在旋转的作用下，伸缩单体控制光轴208会沿着行株差距仿形凸轮406上的除草刀限位滑道405滑动，分段式伸缩除草刀207的伸缩刀体209会被动伸缩，能够对玉米植株周围的杂草进行仿形切割作业，实现杂草的行株间清理功能。

[0050] 分段式伸缩除草刀207为单段刀或多段刀形式，分段式伸缩除草刀207分为固定除草刀和伸缩除草刀。

[0051] 固定除草刀由固定空心刀体211和刀体固定立柱212组成，刀体固定立柱212顶端与驱动回转轮盘206相连，底端焊接在固定空心刀体211上；伸缩除草刀由开口销108、滑动法兰轴承109、伸缩单体控制光轴208、伸缩刀体209和伸缩单体限位滑块210组成，伸缩单体控制光轴208顶端通过开口销108和滑动法兰轴承109的限位作用，自下而上穿过驱动回转轮盘206上的直线槽口，安装在行株差距仿形凸轮406的除草刀限位滑道405上，伸缩单体控制光轴208底端焊接在伸缩刀体209上，伸缩单体限位滑块210焊接在伸缩刀体209下方，伸缩单体限位滑块210主要起到限制分段式伸缩除草刀207切割长度的最大值和最小值的作用。

[0052] 刀体固定立柱212和伸缩单体控制光轴208在竖直方向上，即轴向上是可活动的，驱动回转轮盘206上的固定孔径略大于刀体固定立柱212的轴径，二者属于间隙配合。

[0053] 末端执行器处于非工作状态时，刀体固定立柱212和伸缩单体控制光轴208会在重力的作用下滑落到最底端，但是当整体末端执行器向下移动，即罩苗防切机构进行套苗作业，分段式伸缩除草刀会先触地，继而，刀体固定立柱212和伸缩单体控制光轴208就会穿过驱动回转轮盘206的孔位向上平动。为了在竖直方向上不妨碍罩苗防切机构进行套苗；

[0054] 套苗作业后，整体末端执行器需向上平动，此时，刀体固定立柱212和伸缩单体控制光轴208会自然下垂，这时已经完成套苗作业，该下垂不会影响旋转切草作业。

[0055] 分段式伸缩除草刀207设计为单段刀或多段刀形式(段数N≥2)；考虑到除草刀入土和不入土的情况，土壤的紧实度不同的情况，换取不同形式的刀进行除草作业，分段式伸缩除草刀207设计为直线刀、L形刀、V形刀、弧形刀、螺旋刀或曲线/曲面刀等多种形式；旋转切割机构2上安装有p(p≥1)把分段式伸缩除草刀207；

[0056] 固定空心刀体211向内侧的内切圆直径r1为0～300mm，分段式伸缩除草刀207与驱动回转轮盘206的垂直距离h为0～300mm，固定空心刀体211的长度l1设计为50～500mm，伸缩刀体209的长度l2设计为50～500mm。

[0057] 除草驱动机构3包括除草电机紧固件305、除草驱动齿轮302、除草驱动电机304、除草驱动电机304通过螺栓组与除草电机紧固件305固接，驱动齿轮连接轴301通过螺栓组与除草驱动齿轮302固接，除草驱动电机304的输出轴通过联轴器303与驱动齿轮连接轴301相连。保证除草驱动齿轮302的转向和转速与除草驱动电机304的输出轴的转向和输出转速保持一致。

[0058] 末端执行器固定架4包括机械臂末端紧固件401、罩苗电机固定外壳402、罩苗防切机构外壳403、仿形凸轮连接件404、行株差距仿形凸轮406和除草刀限位滑道405。除草驱动电机304与除草驱动齿轮302的配合方式同样可以将驱动齿轮连接轴301的轴头部位加工成轴套形式，直接套在除草驱动电机304的输出轴上，或将除草驱动齿轮302直接加工成齿轮轴套的形式，与除草驱动电机304的电机轴形成新的配合关系；

[0059] 除草驱动齿轮302与除草从动齿轮201的齿数比z1:z2为10:1～1:10。

[0060] 通过罩苗驱动电机101固接在罩苗电机固定外壳402内部，防切固定圆盘104固接在行株差距仿形凸轮406下方，将罩苗防切机构1自身固定在末端执行器固定架4内部。

[0061] 末端执行器固定架4主要起到固定内部罩苗防切机构1同时连接和搭载外部旋转切割机构2的作用。其中，机械臂末端紧固件401和罩苗电机固定外壳402通过螺栓连接，如图7所示，罩苗电机固定外壳402、罩苗防切机构外壳403和行株差距仿形凸轮406一体成型，除草刀限位滑道405左右两侧的行株差距仿形凸轮406通过多组仿形凸轮连接件固接在一起。

[0062] 行株差距仿形凸轮406上除草刀限位滑道405横向间距LCD，也对应分段式伸缩除草刀207的缩短极限位置，其尺寸参数设计主要取决于玉米植株的种植株距Lz，即LCD＝k1×Lz，Lz为50～500mm。其中，0≤k1≤5，k1为株距差异系数；行株差距仿形凸轮406上除草刀限位滑道405的纵向间距LAB的尺寸参数设计主要取决于玉米植株的种植行距Lh，即LAB＝k2×Lh，Lh为300～1000mm。其中，0≤k2≤5，k2为行距差异系数；行株差距仿形凸轮406上除草刀限位滑道405的对角间距LEF，也对应分段式伸缩除草刀207的伸长极限位置，其尺寸参数设计需要同时考虑到玉米植株的种植株距Lz和种植行距Lh，即 其中，0≤k3≤5，k3为对角间距差异系数。

[0063] 根据不同地区玉米种植的农艺条件不同，即行距株距不同，结合上述参数和计算公式，能够设计适用于对应地区的行侏差距纺形凸轮406的结构和尺寸参数。

[0064] 在罩切式玉米行株间除草机器人末端执行器作业过程中，行株差距仿形凸轮406上的线段CD始终与同行玉米植株的连线保持平行，线段AB始终与同行玉米植株的连线保持垂直。

[0065] 行株差距仿形凸轮406上的除草刀限位滑道405能够根据滑道轨迹，对分段式伸缩除草刀207上的伸缩单体控制光轴208进行限位控制。在驱动回转轮盘206的旋转作用下，伸缩单体控制光轴208会根据除草刀限位滑道405的滑道形状进行回转运动，并在驱动回转轮盘206的直线槽口中进行往复运动，以此保证在切除周围杂草的过程中不会接触划伤周围相邻的玉米植株。

[0066] 因此，本发明采用上述的一种罩切式玉米行株间除草机器人末端执行器，能通过一次作业或者一个动作实现玉米行株间杂草的清理工作，降低了多余能量损耗，提高了杂草清理效率，有利于作物增产；降低了相邻玉米植株被除草刀碰伤的可能性，降低了伤苗率。

[0067] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。