獨立三維空間果園多功能作業(yè)裝備設計

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摘要：針對當前果園規(guī)模化種植背景下對果樹各項作業(yè)和生產實現(xiàn)高效機械化的實際需求，研究人員研發(fā)了一種電動自走雙臂獨立三維空間果園多功能作業(yè)裝備，實現(xiàn)了打頂、抹芽、剪枝、噴藥和果實采摘等作業(yè)多功能一體化。該裝備能夠提供雙人同時、連續(xù)以及安全作業(yè)的自走式作業(yè)平臺，并配備自動監(jiān)測與操控系統(tǒng)以及采摘弧形柔性旋轉運輸滾道，達到降低勞動強度并保證人身安全，同時提高作業(yè)效率與果品質量的目的。

關鍵詞：多功能；監(jiān)控系統(tǒng)；弧形柔性旋轉運輸滾道；自動計量裝置

1背景分析

1.1國內

根據(jù)觀研報告網發(fā)布的《2021年中國水果種植產業(yè)分析報告-產業(yè)規(guī)?，F(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析》，目前我國是全球水果第一生產大國[1]，果園面積不斷擴大，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1369.846萬公頃。果園機械化是果業(yè)高質量發(fā)展的重要組成部分[2]，而現(xiàn)階段我國果園總體機械化水平相對較低，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，還要來回搬運采摘工具上下攀爬，造成危險系數(shù)高、水果易損壞等問題，制約著水果產業(yè)的發(fā)展。因此，果業(yè)采摘作業(yè)與機械化的有效融合，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，提高了種植戶的經濟效益，對實現(xiàn)果園全機械化具有現(xiàn)實意義[6]。

1.2國外

相比國外，我國的采摘機械起步較晚[7]。歐美國家在20世紀40年代便開始進行對采摘機械的研究。20世紀60年代中期，美國針對不同果樹的高度采摘，設計出了輔助水果采摘的水果采摘升降平臺車[8]。20世紀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能力，且機體擺動小、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，實際應用十分受限。因此，結合上述果園采摘管理作業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，急需研究設計一款具有果樹打頂、抹芽、剪枝、噴藥以及果實采摘作業(yè)等多種用途的果園多功能裝備，實現(xiàn)打頂、抹芽、剪枝、噴藥、果實采摘等作業(yè)多功能一體化。

2整機設計方案

2.1主要設計內容

1）針對當前規(guī)?；N植果園作業(yè)機械化程度不足的問題進行分析，確定了一種果園多功能裝備的總體最優(yōu)方案，實現(xiàn)對果園果樹的高效、高質、多功能與安全作業(yè)。2）設計了自走式電動底盤搭載可獨立控制的三維空間雙臂旋轉升降工作臺，平行四桿機構控制升降平臺往垂直方向移動，液壓系統(tǒng)控制平臺升降旋轉，實現(xiàn)不同高度多維度果園作業(yè)。3）設計了雷達自動監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測作業(yè)狀態(tài)，并顯示在駕駛室里，以適應果園復雜作業(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）針對果實采摘作業(yè)，設計了弧形柔性旋轉輸送滾道、風機清選裝置以及自動稱重系統(tǒng)等，保證果實的品相和采摘質量。

2.2系統(tǒng)組成和功能

2.2.1駕駛行走轉向系統(tǒng)。駕駛行走轉向系統(tǒng)包括驅動電機、轉向器、離合器等。通過驅動電機使小車獲得在地面行走的動力，實現(xiàn)小車的行駛。當小車需要變速時，駕駛員踩下離合器可以阻止動力的傳輸來實現(xiàn)換擋；當小車換向時，轉向器會使左右車輪實現(xiàn)差速，保證順利轉向。2.2.2動力驅動系統(tǒng)。動力驅動系統(tǒng)包括電瓶、動力輸出機構、充電器等。電瓶向發(fā)動機提供動力源，通過動力輸出機構可以將動力傳輸?shù)杰囕?，而電瓶可以通過充電器進行電量的補充。2.2.3作業(yè)系統(tǒng)作業(yè)系統(tǒng)主要由旋轉液壓缸、平行四桿機構、作業(yè)平臺、弧形柔性旋轉運輸滾道、控制平臺、清選裝置、自動計量裝置、升降液壓缸和液壓控制裝置組成。作業(yè)者進入作業(yè)平臺，通過控制平臺操作旋轉液壓缸和升降液壓缸，完成作業(yè)平臺的旋轉和升降，到達作業(yè)位置。作業(yè)者可以通過弧形柔性旋轉運輸滾道、清選裝置和自動計量裝置完成對果實的采摘和除雜。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。方便駕駛員移動果園多功能管理機，完成協(xié)同作業(yè)，同時保障作業(yè)者安全作業(yè)。

3關鍵技術設計

3.1雙臂旋轉升降工作臺

雙臂旋轉升降工作臺由旋轉液壓缸、平行四桿機構、升降液壓缸、液壓控制系統(tǒng)以及旋轉支座組成。項目研發(fā)的果園多功能裝備采用了果樹多種作業(yè)通用的雙臂旋轉升降平臺，在結構上采用電動自走底盤搭載雙臂液壓雙人獨立旋轉升降平臺，配置作業(yè)人員安全保障機構，旋轉升降平臺的操縱裝置位于作業(yè)平臺一側，由作業(yè)人員獨立操縱；搭載電動自動底盤，可實現(xiàn)整機自走式連續(xù)雙人作業(yè)，能夠取代果農反復攀爬梯凳或者借助普通升降平臺斷點式作業(yè)的煩瑣工況：裝備的單臂外側旋轉可以達到90°，能夠實現(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、無死角的果實采摘作業(yè)；平行四桿機構則能保證作業(yè)平臺始終為垂直地面狀態(tài)，協(xié)同平臺實時監(jiān)測系統(tǒng)確保作業(yè)安全。旋轉升降工作臺如圖1所示。圖1旋轉升降工作臺

3.2振動輸送道

振動輸送道由作業(yè)平臺、弧形柔性旋轉滾道、清選裝置、收集箱支架組成。在水果采摘期，將采摘下的果實通過弧形柔性旋轉滾道輸送，經除雜后進入收集箱，果實受到來自樹葉雜質和果實果柄的阻力而停止。輸送道通過內層的振動使它們的相對位置發(fā)生變化，使得雜質不再影響果實的通過，從而繼續(xù)運動，到達收集箱。可以輕松實現(xiàn)較高效率的果實采摘和去雜工作，極大節(jié)省人力資源。振動輸送道如圖2所示。

3.3監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)由控制平臺、自動計量裝置系統(tǒng)等組成。裝備集成了自動化的工作監(jiān)控系統(tǒng)，作業(yè)平臺的站立筒上方設置操控系統(tǒng)，方便作業(yè)人員自行控制調節(jié)平臺升降和旋轉到最佳作業(yè)位置；針對采摘作業(yè)平臺還設置有自動稱重計量系統(tǒng)，可以實現(xiàn)達到既定重量后報警，實現(xiàn)減少果實損傷、便于后期延長存儲時間以及提高果實品相的目的。同時，裝備設有多處監(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。并將整機行走路線、整機工作狀態(tài)顯示于駕駛監(jiān)控屏，包括整機行走狀態(tài)、工作臺位置與作業(yè)狀況等，以方便控制工作路線和前進速度，完成協(xié)同作業(yè)，同時監(jiān)測作業(yè)環(huán)境，確保作業(yè)人員人身安全?？刂破脚_如圖3所示，計量托盤如圖4所示。

4主要技術指標

主要技術指標如表1所示。

5優(yōu)勢分析

5.1功能多

本文研發(fā)的果園多功能裝備，是一種電動自走雙臂獨立三維空間運動果園多功能裝備，采用電動自走底盤設計，實現(xiàn)雙臂液壓雙人獨立旋轉升降。雙臂旋轉升降工作臺通過液壓系統(tǒng)獨立實現(xiàn)旋轉，液壓缸控制平行四桿機構。實現(xiàn)了打頂、抹芽、剪枝、噴藥、果實采摘、人工授粉等一系列精密作業(yè)的多功能一體化，解決了果農作業(yè)時需反復攀爬梯凳的問題。

5.2作業(yè)范圍廣

液壓系統(tǒng)外側可旋轉180°，同時旋轉升降工作臺可以緊貼樹干進行作業(yè)，實現(xiàn)半球面作業(yè)。在果樹樹冠打頂、抹芽、剪枝、噴藥、果實采摘、人工授粉等作業(yè)實現(xiàn)無死角，控制平臺升降旋轉，實現(xiàn)不同高度多維度果園作業(yè)。液壓系統(tǒng)提高了作業(yè)平臺的穩(wěn)定性，保證了作業(yè)的精密程度。雙臂旋轉升降工作臺作業(yè)時均可獨立控制，實現(xiàn)自主作業(yè)，提高了作業(yè)效率。

5.3自動化

設置弧形柔性旋轉運輸滾道、變速清選裝置、自動稱重計量、報警系統(tǒng)等。在水果采摘期將采摘下的果實通過弧形柔性旋轉運輸滾道，經篩選除雜后進入收集箱，避免了果實的磕碰，果實損傷小，便于延長存儲期。同時，大大降低了后期果實清選的難度，減少了后期清選果實所需的人力物力。

5.4智能化

智能化顯示工作狀態(tài)。該機工作狀態(tài)利用多個攝像頭和傳感器，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)、自動稱重計量、工作臺位置及工作狀況，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速度。

5.5效率高

整機在果園作業(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、應用范圍廣，可以應用于不同種類的果園，提高果園作業(yè)的機械化程度。同時，作業(yè)平臺上搭載了作業(yè)站立桶，合理設置旋轉臂高度和半徑，在不影響果農作業(yè)便捷性的同時，為果農作業(yè)安全提供了保障。作業(yè)平臺上可以放置果農的作業(yè)工具，為果農進行多項作業(yè)提供便利。

6結語

本研究介紹了一款可實現(xiàn)打頂、抹芽、剪枝、噴藥、果實采摘等作業(yè)多功能一體化的裝置，可以有效地解決果農在采摘管理作業(yè)過程反復上下登高、攀爬梯凳或普通升降平臺，導致生產效率低、勞務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過程出現(xiàn)的水果破損以及含雜率高等現(xiàn)象。本文所設計的裝置具有多功能作業(yè)平臺、安全作業(yè)站立桶、自動運輸篩選裝置，可三維空間作業(yè)、高空作業(yè)，能很好地適應果園特殊作業(yè)環(huán)境。隨著高新技術的發(fā)展與國家政策支持，我國果園機械化及果園機械裝備轉型升級，果園機械采摘不斷朝著自動化和智能化方向發(fā)展，果園采摘裝備的應用將極大地提高采摘效率，促進果業(yè)經濟的發(fā)展，推動鄉(xiāng)村振興的發(fā)展，更是增加果農收入、實現(xiàn)全面小康、助力鄉(xiāng)村振興的有效途徑[9]。隨著農業(yè)從業(yè)者的減少及老齡化趨勢不斷加大，采摘機械的開發(fā)利用具有巨大的經濟效益和廣闊的市場前景[10]。因此該設備的設計對于果園采摘機械具有很大的意義。

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