獨(dú)立三維空間果園多功能作業(yè)裝備設(shè)計(jì)
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摘要：針對(duì)當(dāng)前果園規(guī)?；N植背景下對(duì)果樹各項(xiàng)作業(yè)和生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高效機(jī)械化的實(shí)際需求，研究人員研發(fā)了一種電動(dòng)自走雙臂獨(dú)立三維空間果園多功能作業(yè)裝備，實(shí)現(xiàn)了打頂、抹芽、剪枝、噴藥和果實(shí)采摘等作業(yè)多功能一體化。該裝備能夠提供雙人同時(shí)、連續(xù)以及安全作業(yè)的自走式作業(yè)平臺(tái)，并配備自動(dòng)監(jiān)測(cè)與操控系統(tǒng)以及采摘弧形柔性旋轉(zhuǎn)運(yùn)輸滾道，達(dá)到降低勞動(dòng)強(qiáng)度并保證人身安全，同時(shí)提高作業(yè)效率與果品質(zhì)量的目的。
關(guān)鍵詞：多功能；監(jiān)控系統(tǒng)；弧形柔性旋轉(zhuǎn)運(yùn)輸滾道；自動(dòng)計(jì)量裝置
1背景分析
1.1國內(nèi)
根據(jù)觀研報(bào)告網(wǎng)發(fā)布的《2021年中國水果種植產(chǎn)業(yè)分析報(bào)告-產(chǎn)業(yè)規(guī)?，F(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析》，目前我國是全球水果第一生產(chǎn)大國[1]，果園面積不斷擴(kuò)大，2020年我國果園面積穩(wěn)定在1333.333萬公頃左右，2021年果園面積可達(dá)1369.846萬公頃。果園機(jī)械化是果業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要組成部分[2]，而現(xiàn)階段我國果園總體機(jī)械化水平相對(duì)較低，大部分果園還是依賴人工種植管理作業(yè)[3]。人工采摘管理作業(yè)不僅效率低下，還要來回搬運(yùn)采摘工具上下攀爬，造成危險(xiǎn)系數(shù)高、水果易損壞等問題，制約著水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，果業(yè)采摘作業(yè)與機(jī)械化的有效融合，不僅能夠顯著提高采摘效率[4-5]，節(jié)約生產(chǎn)成本，而且最大限度地降低了水果的損耗，提高了種植戶的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)實(shí)現(xiàn)果園全機(jī)械化具有現(xiàn)實(shí)意義[6]。
1.2國外
相比國外，我國的采摘機(jī)械起步較晚[7]。歐美國家在20世紀(jì)40年代便開始進(jìn)行對(duì)采摘機(jī)械的研究。20世紀(jì)60年代中期，美國針對(duì)不同果樹的高度采摘，設(shè)計(jì)出了輔助水果采摘的水果采摘升降平臺(tái)車[8]。20世紀(jì)90年代，日本研究出自走式采摘車，自走式采摘車具有較好的爬坡能力與回轉(zhuǎn)能力，且機(jī)體擺動(dòng)小、行走穩(wěn)定。但只適合在坡度15°~30°的地區(qū)使用，不適合大規(guī)模自然生長的果園種植模式，實(shí)際應(yīng)用十分受限。因此，結(jié)合上述果園采摘管理作業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，急需研究設(shè)計(jì)一款具有果樹打頂、抹芽、剪枝、噴藥以及果實(shí)采摘作業(yè)等多種用途的果園多功能裝備，實(shí)現(xiàn)打頂、抹芽、剪枝、噴藥、果實(shí)采摘等作業(yè)多功能一體化。
2整機(jī)設(shè)計(jì)方案
2.1主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
1）針對(duì)當(dāng)前規(guī)?；N植果園作業(yè)機(jī)械化程度不足的問題進(jìn)行分析，確定了一種果園多功能裝備的總體最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)果園果樹的高效、高質(zhì)、多功能與安全作業(yè)。2）設(shè)計(jì)了自走式電動(dòng)底盤搭載可獨(dú)立控制的三維空間雙臂旋轉(zhuǎn)升降工作臺(tái)，平行四桿機(jī)構(gòu)控制升降平臺(tái)往垂直方向移動(dòng)，液壓系統(tǒng)控制平臺(tái)升降旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)不同高度多維度果園作業(yè)。3）設(shè)計(jì)了雷達(dá)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)作業(yè)狀態(tài)，并顯示在駕駛室里，以適應(yīng)果園復(fù)雜作業(yè)環(huán)境，保證了作業(yè)者安全作業(yè)，協(xié)助駕駛員完成協(xié)同作業(yè)。4）針對(duì)果實(shí)采摘作業(yè)，設(shè)計(jì)了弧形柔性旋轉(zhuǎn)輸送滾道、風(fēng)機(jī)清選裝置以及自動(dòng)稱重系統(tǒng)等，保證果實(shí)的品相和采摘質(zhì)量。
2.2系統(tǒng)組成和功能
2.2.1駕駛行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。駕駛行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向器、離合器等。通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)使小車獲得在地面行走的動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)小車的行駛。當(dāng)小車需要變速時(shí)，駕駛員踩下離合器可以阻止動(dòng)力的傳輸來實(shí)現(xiàn)換擋；當(dāng)小車換向時(shí)，轉(zhuǎn)向器會(huì)使左右車輪實(shí)現(xiàn)差速，保證順利轉(zhuǎn)向。2.2.2動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電瓶、動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)、充電器等。電瓶向發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力源，通過動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)可以將動(dòng)力傳輸?shù)杰囕?，而電瓶可以通過充電器進(jìn)行電量的補(bǔ)充。2.2.3作業(yè)系統(tǒng)作業(yè)系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)液壓缸、平行四桿機(jī)構(gòu)、作業(yè)平臺(tái)、弧形柔性旋轉(zhuǎn)運(yùn)輸滾道、控制平臺(tái)、清選裝置、自動(dòng)計(jì)量裝置、升降液壓缸和液壓控制裝置組成。作業(yè)者進(jìn)入作業(yè)平臺(tái)，通過控制平臺(tái)操作旋轉(zhuǎn)液壓缸和升降液壓缸，完成作業(yè)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)和升降，到達(dá)作業(yè)位置。作業(yè)者可以通過弧形柔性旋轉(zhuǎn)運(yùn)輸滾道、清選裝置和自動(dòng)計(jì)量裝置完成對(duì)果實(shí)的采摘和除雜。2.2.4監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)主要由攝像頭和顯示裝置組成。通過攝像頭拍攝作業(yè)者作業(yè)情況和環(huán)境，將拍攝到的情況顯示到駕駛室的顯示裝置上。方便駕駛員移動(dòng)果園多功能管理機(jī)，完成協(xié)同作業(yè)，同時(shí)保障作業(yè)者安全作業(yè)。
3關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)
3.1雙臂旋轉(zhuǎn)升降工作臺(tái)
雙臂旋轉(zhuǎn)升降工作臺(tái)由旋轉(zhuǎn)液壓缸、平行四桿機(jī)構(gòu)、升降液壓缸、液壓控制系統(tǒng)以及旋轉(zhuǎn)支座組成。項(xiàng)目研發(fā)的果園多功能裝備采用了果樹多種作業(yè)通用的雙臂旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)，在結(jié)構(gòu)上采用電動(dòng)自走底盤搭載雙臂液壓雙人獨(dú)立旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)，配置作業(yè)人員安全保障機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)升降平臺(tái)的操縱裝置位于作業(yè)平臺(tái)一側(cè)，由作業(yè)人員獨(dú)立操縱；搭載電動(dòng)自動(dòng)底盤，可實(shí)現(xiàn)整機(jī)自走式連續(xù)雙人作業(yè)，能夠取代果農(nóng)反復(fù)攀爬梯凳或者借助普通升降平臺(tái)斷點(diǎn)式作業(yè)的煩瑣工況：裝備的單臂外側(cè)旋轉(zhuǎn)可以達(dá)到90°，能夠?qū)崿F(xiàn)果樹樹冠打頂、抹芽、剪枝、噴藥、嫁接扦插、人工授粉，以及寬幅、無死角的果實(shí)采摘作業(yè)；平行四桿機(jī)構(gòu)則能保證作業(yè)平臺(tái)始終為垂直地面狀態(tài)，協(xié)同平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確保作業(yè)安全。旋轉(zhuǎn)升降工作臺(tái)如圖1所示。圖1旋轉(zhuǎn)升降工作臺(tái)
3.2振動(dòng)輸送道
振動(dòng)輸送道由作業(yè)平臺(tái)、弧形柔性旋轉(zhuǎn)滾道、清選裝置、收集箱支架組成。在水果采摘期，將采摘下的果實(shí)通過弧形柔性旋轉(zhuǎn)滾道輸送，經(jīng)除雜后進(jìn)入收集箱，果實(shí)受到來自樹葉雜質(zhì)和果實(shí)果柄的阻力而停止。輸送道通過內(nèi)層的振動(dòng)使它們的相對(duì)位置發(fā)生變化，使得雜質(zhì)不再影響果實(shí)的通過，從而繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)收集箱?？梢暂p松實(shí)現(xiàn)較高效率的果實(shí)采摘和去雜工作，極大節(jié)省人力資源。振動(dòng)輸送道如圖2所示。
3.3監(jiān)控系統(tǒng)
監(jiān)控系統(tǒng)由控制平臺(tái)、自動(dòng)計(jì)量裝置系統(tǒng)等組成。裝備集成了自動(dòng)化的工作監(jiān)控系統(tǒng)，作業(yè)平臺(tái)的站立筒上方設(shè)置操控系統(tǒng)，方便作業(yè)人員自行控制調(diào)節(jié)平臺(tái)升降和旋轉(zhuǎn)到最佳作業(yè)位置；針對(duì)采摘作業(yè)平臺(tái)還設(shè)置有自動(dòng)稱重計(jì)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)達(dá)到既定重量后報(bào)警，實(shí)現(xiàn)減少果實(shí)損傷、便于后期延長存儲(chǔ)時(shí)間以及提高果實(shí)品相的目的。同時(shí)，裝備設(shè)有多處監(jiān)控裝置，監(jiān)控果樹周圍環(huán)境，保障作業(yè)人員人身安全。并將整機(jī)行走路線、整機(jī)工作狀態(tài)顯示于駕駛監(jiān)控屏，包括整機(jī)行走狀態(tài)、工作臺(tái)位置與作業(yè)狀況等，以方便控制工作路線和前進(jìn)速度，完成協(xié)同作業(yè)，同時(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)環(huán)境，確保作業(yè)人員人身安全。控制平臺(tái)如圖3所示，計(jì)量托盤如圖4所示。
4主要技術(shù)指標(biāo)
主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
5優(yōu)勢(shì)分析
5.1功能多
本文研發(fā)的果園多功能裝備，是一種電動(dòng)自走雙臂獨(dú)立三維空間運(yùn)動(dòng)果園多功能裝備，采用電動(dòng)自走底盤設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)雙臂液壓雙人獨(dú)立旋轉(zhuǎn)升降。雙臂旋轉(zhuǎn)升降工作臺(tái)通過液壓系統(tǒng)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，液壓缸控制平行四桿機(jī)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)了打頂、抹芽、剪枝、噴藥、果實(shí)采摘、人工授粉等一系列精密作業(yè)的多功能一體化，解決了果農(nóng)作業(yè)時(shí)需反復(fù)攀爬梯凳的問題。
5.2作業(yè)范圍廣
液壓系統(tǒng)外側(cè)可旋轉(zhuǎn)180°，同時(shí)旋轉(zhuǎn)升降工作臺(tái)可以緊貼樹干進(jìn)行作業(yè)，實(shí)現(xiàn)半球面作業(yè)。在果樹樹冠打頂、抹芽、剪枝、噴藥、果實(shí)采摘、人工授粉等作業(yè)實(shí)現(xiàn)無死角，控制平臺(tái)升降旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)不同高度多維度果園作業(yè)。液壓系統(tǒng)提高了作業(yè)平臺(tái)的穩(wěn)定性，保證了作業(yè)的精密程度。雙臂旋轉(zhuǎn)升降工作臺(tái)作業(yè)時(shí)均可獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)自主作業(yè)，提高了作業(yè)效率。
5.3自動(dòng)化
設(shè)置弧形柔性旋轉(zhuǎn)運(yùn)輸滾道、變速清選裝置、自動(dòng)稱重計(jì)量、報(bào)警系統(tǒng)等。在水果采摘期將采摘下的果實(shí)通過弧形柔性旋轉(zhuǎn)運(yùn)輸滾道，經(jīng)篩選除雜后進(jìn)入收集箱，避免了果實(shí)的磕碰，果實(shí)損傷小，便于延長存儲(chǔ)期。同時(shí)，大大降低了后期果實(shí)清選的難度，減少了后期清選果實(shí)所需的人力物力。
5.4智能化
智能化顯示工作狀態(tài)。該機(jī)工作狀態(tài)利用多個(gè)攝像頭和傳感器，通過不同位置的監(jiān)控裝置，將圖像顯示在駕駛室前方的顯示屏上，顯示變速清選狀況、果箱中水果狀態(tài)、自動(dòng)稱重計(jì)量、工作臺(tái)位置及工作狀況，使駕駛者更好地了解作業(yè)情況，便于控制工作線路和前進(jìn)速度。
5.5效率高
整機(jī)在果園作業(yè)中取得了良好的效果，解決了以往果園作業(yè)存在的問題，大大提高了果園作業(yè)的工作效率。使用操作簡單、應(yīng)用范圍廣，可以應(yīng)用于不同種類的果園，提高果園作業(yè)的機(jī)械化程度。同時(shí)，作業(yè)平臺(tái)上搭載了作業(yè)站立桶，合理設(shè)置旋轉(zhuǎn)臂高度和半徑，在不影響果農(nóng)作業(yè)便捷性的同時(shí)，為果農(nóng)作業(yè)安全提供了保障。作業(yè)平臺(tái)上可以放置果農(nóng)的作業(yè)工具，為果農(nóng)進(jìn)行多項(xiàng)作業(yè)提供便利。
6結(jié)語
本研究介紹了一款可實(shí)現(xiàn)打頂、抹芽、剪枝、噴藥、果實(shí)采摘等作業(yè)多功能一體化的裝置，可以有效地解決果農(nóng)在采摘管理作業(yè)過程反復(fù)上下登高、攀爬梯凳或普通升降平臺(tái)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、勞務(wù)成本高且人身安全得不到保障的問題，改善采摘過程以及采摘倒運(yùn)過程出現(xiàn)的水果破損以及含雜率高等現(xiàn)象。本文所設(shè)計(jì)的裝置具有多功能作業(yè)平臺(tái)、安全作業(yè)站立桶、自動(dòng)運(yùn)輸篩選裝置，可三維空間作業(yè)、高空作業(yè)，能很好地適應(yīng)果園特殊作業(yè)環(huán)境。隨著高新技術(shù)的發(fā)展與國家政策支持，我國果園機(jī)械化及果園機(jī)械裝備轉(zhuǎn)型升級(jí)，果園機(jī)械采摘不斷朝著自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，果園采摘裝備的應(yīng)用將極大地提高采摘效率，促進(jìn)果業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，推動(dòng)鄉(xiāng)村振興的發(fā)展，更是增加果農(nóng)收入、實(shí)現(xiàn)全面小康、助力鄉(xiāng)村振興的有效途徑[9]。隨著農(nóng)業(yè)從業(yè)者的減少及老齡化趨勢(shì)不斷加大，采摘機(jī)械的開發(fā)利用具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場(chǎng)前景[10]。因此該設(shè)備的設(shè)計(jì)對(duì)于果園采摘機(jī)械具有很大的意義。
作者:高磊 趙昕昱 謝雨軒 閆什 李京謙 蔡善儒 單位:山東理工大學(xué)