自动切割装置的制作方法

本发明涉及自动化切割应用技术领域，尤其涉及一种自动切割装置。

背景技术：

棉花打顶是种植棉花过程中必不可少的作业。棉花打顶是指在棉花生长过程中，为了抑制棉花顶端优势，促进旁枝生长以及提高产量的必需的工作。随着生产力的不断发展，棉花打顶技术也在不断提高，从原始的手工掐割打顶、手工剪割打顶、手持自动切割打顶到现在的机械自动化打顶，棉花打顶的速度逐步有所提高。

当前实际使用的机械自动化打顶仍然处在试验阶段，还没有形成规模，且机械自动化对棉花种植结构有一定要求，尤其对行距有一定要求，另外目前常使用的机械自动化打顶设备是通过控制高度来实现切割的，对于生长高度不一致的棉田打顶，该种方式会造成棉田的多度打顶或打不到的结果，更重要的是机械自动打顶设备的成本高且打顶速度提高有限。因此，当前大部分的棉花打顶工作还是依赖于人工，对于超过4000万亩棉田的中国新疆南疆地区，人工成本仍然是一个相当高的作业成本。

技术实现要素：

本发明提供了一种自动切割装置，能够解决现有技术中切割装置的切割效率低及质量差的技术问题。

本发明提供了一种自动切割装置，自动切割装置包括：移动基体；机械传动组件，机械传动组件设置在移动基体上；激光器组件，激光器组件设置在移动基体上，激光器组件用于提供切割用的激光源；激光刀具组件，激光刀具组件设置在机械传动组件上且与激光器组件连接，机械传动组件可带动激光刀具组件运动，激光刀具组件通过利用激光器组件提供的激光源以对设定目标进行切割；视觉采集组件，视觉采集组件用于采集设定目标的图像；控制组件，控制组件分别与移动基体、机械传动组件、激光器组件、激光刀具组件和视觉采集组件连接，控制组件用于控制视觉采集组件采集设定目标的图像并根据所采集的设定目标的图像控制移动基体和机械传动组件动作以使激光刀具组件靠近设定目标并打开激光器组件以完成对设定目标的切割。

进一步地，自动切割装置还包括无线通讯模块和远程控制器，远程控制器通过无线通讯模块与控制组件连接。

进一步地，机械传动组件包括固定座和伸缩杆，固定座设置在移动基体上，伸缩杆与固定座连接，视觉采集组件和激光刀具组件均设置在伸缩杆上。

进一步地，视觉采集组件包括相机悬臂和相机，相机悬臂的一端与伸缩杆连接，相机悬臂的另一端与相机连接。

进一步地，视觉采集组件还包括数据线和电源线，自动切割装置还包括电池，电池设置在移动基体内，相机悬臂为中空管体，数据线和电源线同时穿设在中空管体内，数据线的一端与控制组件连接，数据线的另一端与相机连接，电源线的一端与电池连接，电源线的另一端与相机连接。

进一步地，激光器组件包括激光器电源和激光管，激光器电源与控制组件连接，控制组件用于控制激光器电源的打开和关闭，激光管与激光器电源连接，激光管用于在激光器电源处于打开状态时发出激光。

进一步地，激光刀具组件包括激光光纤、激光刀具架和激光刀具镜组，激光光纤与激光管连接，激光刀具架设置在伸缩杆上且分别与激光光纤和激光刀具镜组连接，激光刀具架用于将激光光纤传输的激光传输到激光刀具镜组，激光刀具镜组用于实现对设定目标的切割。

进一步地，激光刀具架包括刀具架体和光纤耦合器，刀具架体固定设置在伸缩杆上，光纤耦合器设置在刀具架体的一端且与激光光纤连接，激光刀具镜组设置在刀具架体的另一端，光纤耦合器用于将激光光纤传输的激光传输到激光刀具镜组。

进一步地，激光刀具镜组包括反射镜组和激光陷阱，反射镜组由多个呈角度设置的反射镜组成，激光陷阱设置在反射镜组的末端，激光陷阱用于将多个反射镜反射的激光限制在反射镜组的内部。

进一步地，移动基体包括无人机或机器人。

应用本发明的技术方案，通过视觉采集组件采集待切割物体的图像，并将采集到的待切割物体的图像反馈至控制组件，控制组件对接收到的图像进行分析处理，搜索并定位待切割物体的位置，并自动识别需要切割的位置，然后控制组件控制移动基体和机械传动组件动作以使激光刀具组件靠近设定目标，此时，控制组件控制激光器组件打开，以通过激光刀具组件完成对设定目标的切割操作。此种方式相对于现有技术而言，极大地降低了切割操作的人工成本，提高了生产效率。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的自动切割装置的结构示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的自动切割装置的各部分连接的简化结构示意图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的自动切割装置的各部分连接的详细结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、移动基体；20、机械传动组件；21、固定座；22、伸缩杆；30、激光器组件；31、激光器电源；32、激光管；40、激光刀具组件；41、激光光纤；42、激光刀具架；43、激光刀具镜组；50、视觉采集组件；51、相机悬臂；52、相机；60、控制组件；70、无线通讯模块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1至图3所示，根据本发明的具体实施例提供了一种自动切割装置，该自动切割装置包括移动基体10、机械传动组件20、激光器组件30、激光刀具组件40、视觉采集组件50和控制组件60，其中，机械传动组件20设置在移动基体10上，激光器组件30设置在移动基体10上，激光器组件30用于提供切割用的激光源，激光刀具组件40设置在机械传动组件20上且与激光器组件30连接，机械传动组件20可带动激光刀具组件40运动，激光刀具组件40通过利用激光器组件30提供的激光源以对设定目标进行切割，视觉采集组件50用于采集设定目标的图像以及视觉识别，控制组件60分别与移动基体10、机械传动组件20、激光器组件30、激光刀具组件40和视觉采集组件50连接，控制组件60用于控制视觉采集组件50采集设定目标的图像并根据所采集的设定目标的图像控制移动基体10和机械传动组件20动作以使激光刀具组件40靠近设定目标并打开激光器组件30以对设定目标进行切割。

应用此种配置方式，通过视觉采集组件50采集待切割物体的图像，并将采集到的待切割物体的图像反馈至控制组件60，控制组件60对接收到的图像进行分析处理，搜索并定位待切割物体的位置，并自动识别需要切割的位置，然后控制组件60控制移动基体10和机械传动组件20动作以使激光刀具组件40靠近设定目标，此时，控制组件60控制激光器组件30打开，以通过激光刀具组件40完成对设定目标的切割操作。此种方式相对于现有技术而言，极大地降低了切割操作的人工成本，提高了生产效率。

进一步地，在本发明中，为了实现切割过程中的远程控制，可将自动切割装置配置为还包括无线通讯模块70和远程控制器，远程控制器通过无线通讯模块70与控制组件60连接。

作为本发明的一个具体实施例，可采用具备数据接收、数据计算、数据输出、无线通讯、数据存储功能的小型计算机作为控制组件60，控制组件60包括控制器和应用软件，应用软件运行在控制器上，应用软件通过控制器实现对移动基体10、机械传动组件20、激光器组件30、激光刀具组件40和视觉采集组件50的控制，以实现各个组件之间的协同工作。控制器具备数据接收、数据计算、数据输出、无线通讯、数据存储功能各自对应的接口。其中，控制组件60设置在移动基体10上，控制组件60的体积小于移动基体10限定的体积，质量小于移动基体10限定的质量，控制组件60能够实现对移动基体10和机械传动组件20的运动进行控制、对视觉采集组件50的视频数据进行分析处理、对激光刀具组件40的位置进行控制、对激光器组件30的开关进行控制以及与远程控制器进行通信。此外，可采用一组具有发射和接收数据流功能的无线通讯设备和有线通讯设备的集成硬件作为无线通讯模块70，通讯组件配备移动通讯功能，其可以与远程控制器进行无线通讯。无线通讯模块70可与控制组件60集成设计。

进一步地，在本发明中，为了能够实现对设定目标图像的有效采集及切割，可将机械传动组件20配置为包括固定座21和伸缩杆22，固定座21设置在移动基体10上，伸缩杆22与固定座21连接，视觉采集组件50和激光刀具组件40均设置在伸缩杆22上。

应用此种配置方式，在自动切割装置运行的过程中，视觉采集组件50采集设定目标的图像并将采集到的图像反馈至控制组件60，控制组件60对接受到的设定目标的图像进行分析，以确定待切割设定目标的位置，此时控制组件60分别向移动基体10和机械传动组件20输出控制信号以控制移动基体10沿着水平方向移动以及机械传动组件20的伸缩杆22沿着竖直方向移动，通过移动基体10和机械传动组件20的运动以带动激光刀具组件40靠近设定目标，从而完成对设定目标的切割操作。

作为本发明的一个具体实施例，如图3所示，固定座21固定设置在移动基体10上，为了减轻自动切割装置的整体重量，可将固定座21和伸缩杆22两个部分所使用的材料均设置为低密度材料，例如可采用铝材作为固定座21和伸缩杆2的材料。作为本发明的其他实施例，也可以选用铝材以外的其他材料来制作固定座21和伸缩杆22。此外，为了实现伸缩杆22的移动，伸缩杆22可由多节嵌套管组成或者由多级机械臂组合而成，组成伸缩杆22的套管或者机械臂的刚度以满足激光刀具组件40和视觉采集组件50的正常载荷及运动载荷为准。机械传动组件20的伸缩长度以满足实际环境要求为标准，即机械传动组件20的最大伸长值可以使得激光刀具组件40对指定距离的目标进行切割操作。其中，伸缩杆22的动力传动方式首选采用液压形式，也可以考虑采用气动或机械螺纹副传动的方式。

进一步地，在本发明中，为了实现对设定目标的图像采集，可将视觉采集组件50配置为包括相机悬臂51和相机52，相机悬臂51的一端与伸缩杆22连接，相机悬臂51的另一端与相机52连接。

应用此种配置方式，通过将相机悬臂51的一端设置为与伸缩杆22连接，相机悬臂51的另一端与相机52连接，从而伸缩杆22能够带动相机52沿着竖直方向移动，以使得相机52能够有效地采集到设定目标的图像，提高相机52所采集图像的清晰度。

作为本发明的一个具体实施例，视觉采集组件50包括一个或者一组工业相机，其中相机配备相应的光学镜头。相机52可采用常规的数码相机，优选彩色相机，必要情况下也可采用黑白相机。光学镜头与相机52的空间分辨率相匹配，光学镜头的实际分辨率高于相机探测器的像素分辨率。相机探测器的像素分辨率不小于1024×768。视觉采集组件50的总质量小于移动基体10的限定质量范围。相机52的拍摄模式支持单张拍摄和连续拍摄，连续拍摄的帧频最大值不小于30fps(幅/秒)。相机52的景深的最大范围不小于100mm，相机52的质量不做明确限制，但通常情况下，选择质量小于500g的相机。

此外，在本发明中，视觉采集组件50还包括数据线和电源线，自动切割装置还包括电池，电池设置在移动基体10内，为了提高自动切割装置的结构紧凑性，可将相机悬臂51设置为中空管体，数据线和电源线同时穿设在中空管体内，数据线的一端与控制组件60连接，数据线的另一端与相机52连接，电源线的一端与电池连接，电源线的另一端与相机52连接。

作为本发明的一个具体实施例，相机悬臂51的材料优选铝质材料或者其他轻型材料，结构采用方管或圆管，以保证相机52的数据线和电源线可以从相机悬臂51的中空结构中穿过去。相机悬臂51的一端与伸缩杆22连接并固定，相机悬臂51的另一端与相机52固定连接，在伸缩杆22的伸缩过程中可通过相机悬臂51带动相机52移动。

进一步地，在本发明中，为了实现对设定目标的切割操作，可将激光器组件30配置为包括激光器电源31和激光管32，激光器电源31与控制组件60连接，控制组件60用于控制激光器电源31的打开和关闭，激光管32与激光器电源31连接，激光管32用于在激光器电源31处于打开状态时发出激光。

作为本发明的一个具体实施例，激光器组件30为典型的高功率激光器。激光管32的波长不受限制，优选红外波段，特殊情况下可以考虑可见光波段，在红外波段中，优选1550nm的近红外激光管，激光器组件30的输出功率范围优选50w至400w，但不限于该范围，通常适用的功率值超过100w，可以根据实际使用调整激光器组件30的输出功率范围。激光器组件30的类型不限，优选光纤激光器。激光器组件30的尺寸根据移动基体10的可负载体积限制，通常最大长度值不大于1000mm，激光器组件30发出的光束直径小于10mm。

进一步地，在本发明中，为了实现对设定目标的切割操作，可将激光刀具组件40配置为包括激光光纤41、激光刀具架42和激光刀具镜组43，激光光纤41与激光管32连接，激光刀具架42设置在伸缩杆22上且分别与激光光纤41和激光刀具镜组43连接，激光刀具架42用于将激光光纤41传输的激光传输到激光刀具镜组43，激光刀具镜组43用于实现对设定目标的切割。其中，激光刀具组件40的位置、功率和方向均可调。

具体地，如图3所示，激光光纤41的上端与激光器组件30连接，激光光纤71的下端与激光刀具架42连接，激光刀具架42固定并支撑激光刀具镜组43，激光刀具架42固定在机械传动组件20的伸缩杆22上，当激光器组件30的开关被打开时，激光可以通过激光光纤41输出到激光刀具镜组43。

在本发明中，为了实现激光的稳定传输，可将激光刀具架42配置为包括刀具架体和光纤耦合器，刀具架体固定设置在伸缩杆22上，光纤耦合器设置在刀具架体的一端且与激光光纤41连接，激光刀具镜组43设置在刀具架体的另一端，光纤耦合器用于将激光光纤41传输的激光传输到激光刀具镜组43。

作为本发明的一个具体实施例，为了保证激光的传输效率，可将激光光纤41配置为单模光纤，激光光纤41的透过波长与激光器组件30的波长一致，激光光纤41的衰减率不大于1％，激光刀具架42的材料为轻质材料，在激光刀具架42的一端安装设置光纤耦合器，光纤耦合器用于将激光光纤41传输的激光传输到激光刀具镜组43。

进一步地，在本发明中，为了实现对设定目标的有效切割，可将激光刀具镜组43配置为包括反射镜组和激光陷阱，反射镜组由多个呈角度设置的反射镜组成，激光陷阱设置在反射镜组的末端，激光陷阱用于将多个反射镜反射的激光限制在反射镜组的内部。

作为本发明的一个具体实施例，反射镜组由多个呈角度设置的反射镜组成，反射镜组的整体结构呈一个矩形，但不限于矩形结构，多个反射镜的反射率都不小于90％，优选反射率大于99％的反射镜，在反射镜组中，沿着光路的方向，末端设置激光陷阱，激光陷阱用于将多个反射镜反射的激光限制在反射镜组的内部。

作为本发明的其他实施例，激光刀具组件40也可采用其他结构，在不改变激光光纤41和激光刀具架42的情况下，改变激光刀具镜组43也可以实现本发明切割的功能。此种方式为开放式结构，即在反射镜组的末端不设置激光陷阱，此种方式虽然能够实现设定目标的切割操作，然而，由于该种方式无法限制激光的运动轨迹，因此安全性较差。

作为本发明的又一实施例，激光刀具组件40还可以设计成扫描结构，即在不改变激光光纤41和激光刀具架42的情况下，改变激光刀具镜组43也可以实现本发明切割的功能。具体地，将激光刀具镜组43设置为完全开放的结构，并为其配备机械扫描装置，以实现激光刀具镜组43的环形扫描或者弧形扫描，从而实现设定目标的切割操作。

进一步地，在本发明中，移动基体10包括无人机或机器人。必要情况下，也可采用直升机作为移动基体10。

为了对本发明有进一步地了解，下面以无人机作为移动基体10的自动切割装置对棉花进行打顶的具体过程进行详细说明。

当采用无人机作为移动基体10时，机械传动组件20、激光器组件30、激光刀具组件40、视觉采集组件50、控制组件60和无线通讯模块70均直接或间隔地固定设置在无人机上，无人机的载重量足够大，无人机携带激光器组件30等所使用的电能等能源，保证工作过程中的电力供应。在棉花打顶的过程中，视觉采集组件50采集棉花的图像并将采集到的棉花图像反馈至控制组件60，控制组件60对接受到的棉花图像进行分析，以确定待切割棉花顶端的位置。此时控制组件60分别向无人机的控制系统和机械传动组件20输出控制信号，无人机的控制系统根据控制组件60输出的控制信号控制无人机在空中沿着水平方向飞行，机械传动组件20根据控制组件60输出的控制信号控制伸缩杆22沿着竖直方向移动，通过无人机和机械传动组件20的运动以带动激光刀具组件40靠近棉花顶端，当自动切割设备完成棉花顶端的定位和瞄准后，控制组件60控制打开激光器组件30，并通过激光刀组件40完成对棉花顶端的切割。

可替换地，当采用机器人作为移动基体10时，机械传动组件20、激光器组件30、激光刀具组件40、视觉采集组件50、控制组件60和无线通讯模块70均直接或间隔地固定设置在机器人上，具体地，激光器组件30、控制组件60和无线通讯模块70可固定设置在机器人内部，机械传动组件20、激光刀具组件40和视觉采集组件50可悬挂在机器人的机械臂上，以灵活控制各部件的位置。机器人的载重量足够大，机器人携带激光器组件30等所使用的电能等能源，保证工作过程中的电力供应。在棉花打顶的过程中，机器人携带整个设备在地面上移动，机器人在运动的过程中，其运动位置受控制组件60的控制。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。