溫室采摘車的機(jī)電液一體化設(shè)計(jì)

王 鴻，顧金梅，李 飛，李 楊

嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江嘉興 314100

當(dāng)今時(shí)代是個(gè)科技高速發(fā)展的時(shí)代，各種新的技術(shù)和新的理論不斷出現(xiàn)。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，現(xiàn)代溫室種植模式得到廣泛的重視，對(duì)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式帶來了較大沖擊，給農(nóng)業(yè)機(jī)械開發(fā)和研究提出了許多新的挑戰(zhàn)，隨著新的農(nóng)業(yè)機(jī)械的不斷出現(xiàn)又促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。

隨著中國(guó)人口越來越多，民以食為天，不僅吃飽，吃的更好，隨著人們生活水平的不斷提高，人們更注重合理膳食，而水果在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色，因?yàn)樗粌H富含豐富的營(yíng)養(yǎng)而且有助于消化，同時(shí)還有降血壓，減緩衰老，減肥瘦身，皮膚保養(yǎng)，明目抗癌等功效。水果的需求量越來越大，然而采摘水果卻成了困擾果農(nóng)們的難題，需大量人力物力。為了解決摘果難題、高效采果，同時(shí)不損傷果皮，降低勞動(dòng)成本，促成水果大眾化，我們?cè)O(shè)計(jì)了將廣泛應(yīng)用在溫室農(nóng)業(yè)作物收獲的溫室采摘機(jī)械。

1 溫室采摘車的基本機(jī)構(gòu)的組成

1.1 溫室采摘車的設(shè)計(jì)理念

根據(jù)總體設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)方案，并且組織樣機(jī)生產(chǎn)加工、標(biāo)準(zhǔn)件、電氣元件以及其他設(shè)備的選型，設(shè)計(jì)出一種小型移動(dòng)式可自動(dòng)連續(xù)升降的溫室農(nóng)作物果實(shí)采摘車，該采摘車設(shè)計(jì)的主要要求如下。

1）要具備可靠性好、精度高的檢測(cè)系統(tǒng)，以便于準(zhǔn)確地識(shí)別和定位成熟的果實(shí)。

2）要具備柔性和靈巧性都比較好的機(jī)械手及末端執(zhí)行器，能夠在作業(yè)過程中躲避障礙物，這就要求機(jī)械手具有一定的冗余度。由于采摘對(duì)象為樹上的小果子，果實(shí)質(zhì)地柔軟易損傷，要求設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器時(shí)，能快速準(zhǔn)確地切除果實(shí)，并確保不損壞果實(shí)[1]。

3）由于作業(yè)對(duì)象分布的隨機(jī)性，要求采摘機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中能夠不斷探測(cè)和判斷目標(biāo)，并根據(jù)要求采摘果實(shí)，這個(gè)過程中的數(shù)據(jù)處理量相當(dāng)大，要求采摘機(jī)器人必須具備實(shí)時(shí)性高的控制系統(tǒng)，通常采用開放式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。

4）研究采摘機(jī)器人的主要目的之一是代替人工作業(yè)，提高采摘效率；同時(shí)，還要注意保證采摘的成功率，盡量避免采摘到不成熟的果實(shí)。

5）在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法來設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)，而且機(jī)構(gòu)必須緊湊，以便于能夠更靈活地作業(yè)[2]。

6）由于采摘機(jī)器人的操作者是農(nóng)民，操作過程必須簡(jiǎn)單，而且要盡可能地降低成本，以確保更好地推廣。

1.2 采摘車的基本組成

根據(jù)采摘車的功能、設(shè)計(jì)參數(shù)和采摘車應(yīng)實(shí)行的運(yùn)動(dòng)要求，采摘車需要具備相應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，其主要組成：原動(dòng)部分、傳動(dòng)部分、工作部分、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng).通過各個(gè)部分的互相協(xié)調(diào)，保證采摘車的正常運(yùn)行和其功能的實(shí)現(xiàn)。使其能在一定范圍內(nèi)保持良好的穩(wěn)定性，并能精確的隨著需要上下前后移動(dòng)。

2 溫室采摘車各部件的設(shè)計(jì)及篩選

2.1 原動(dòng)部分和傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)

由于溫室采摘車主要工作于溫室大棚內(nèi)，自身有一定的重量，且設(shè)計(jì)任務(wù)要求溫室采摘車有一定的行駛速度，選擇電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)溫室采摘車在地面上的行駛。在電動(dòng)機(jī)的選取方面，對(duì)兩種電動(dòng)機(jī)的選取進(jìn)行了比較，其中電子式的無極調(diào)速器比機(jī)械式的精度更高，普遍適用于日常的電瓶車等較廣范圍，而機(jī)械式的調(diào)速器操作不夠靈活，在一定程度上影響了實(shí)際的功能，故選用電子式無極調(diào)速器[3]。另外，對(duì)于傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)，由于工作空間大小已經(jīng)限定，要求采摘車整體緊湊，使用方便可靠，成本低廉，且可用在低速重載有沖擊振動(dòng)的工作條件下，因此，行走傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選用鏈傳動(dòng)。采用履帶結(jié)構(gòu)，使采摘車在各種情況下的大棚內(nèi)部如履平地，可以平穩(wěn)的行走。

2.2 工作部分設(shè)計(jì)

采摘車工作部分分為底盤、行走系統(tǒng)、舉升系統(tǒng)、工作平臺(tái).其中底盤和工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，下面主要介紹舉升系統(tǒng)和行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

1）舉升系統(tǒng)。

考慮到本課題溫室栽培中的多種因素：抬升高度不是很高、承載重量不是很大，并且造價(jià)要求相對(duì)較低，擬采用剪叉液壓升降臺(tái)，通常，液壓剪叉式升降平臺(tái)主要用于載人高空作業(yè)和低高度提升重物[4]?，F(xiàn)將其用在溫室采摘中簡(jiǎn)單可靠，而且升降自如，可合理利用空間，方便使用。在選擇系統(tǒng)前，通過比較氣動(dòng)控制和液壓控制，其中，氣動(dòng)控制的精度較低，會(huì)隨著氣壓差的變化而過高或過低的升降，相對(duì)而言，液壓的精度較高，承受壓力較大。故選用液壓控制讓其更加靈活，更精確的采摘果實(shí)。其工作原理如圖1、2 所示。

2）行走系統(tǒng)。

溫室采摘車行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮采摘車能夠平穩(wěn)地進(jìn)行前進(jìn)后退動(dòng)作，由于操作的工人基本上都是農(nóng)民，所以造作需要簡(jiǎn)單方便，成本低?；谏鲜鰡栴}我采用了后輪驅(qū)動(dòng)，前輪從動(dòng)的行駛系統(tǒng)，就像普通的農(nóng)業(yè)收割機(jī)，真正方便農(nóng)民的實(shí)際操作。另外，將前輪裝在輪盤上徑向轉(zhuǎn)動(dòng)，使其能夠自動(dòng)改變方向。類似于挖掘機(jī)的行走方式和其履帶結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的采摘車能夠較為方便的適應(yīng)各種地形。

圖1 單側(cè)剪叉結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖

圖2 舉升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 液壓系統(tǒng)

采摘車工作臺(tái)的升降采用液壓傳動(dòng)，由于液壓包和液壓缸各具獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要組合成各種不同的甚至是分離式的結(jié)構(gòu)方式。與同規(guī)格常規(guī)液壓站相比，液壓動(dòng)力包具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)保養(yǎng)方便的特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛用于我國(guó)的工程機(jī)械、汽車、農(nóng)機(jī)、機(jī)床等各個(gè)行業(yè)[5]。由此，我們選擇液壓動(dòng)力包作為溫室采摘車的驅(qū)動(dòng)裝置，液壓缸為執(zhí)行元件。

液壓動(dòng)力包是一種微型液壓動(dòng)力源。其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，適用于采摘車這類小型設(shè)備采摘車液壓升降過程為：當(dāng)舉升平臺(tái)時(shí).電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵泵油，經(jīng)單向閥進(jìn)入油缸，油缸推動(dòng)平臺(tái)上升；當(dāng)平臺(tái)下降時(shí)，電磁閥通電、換向，缸中的油經(jīng)過電磁閥、節(jié)流閥流回油箱，平臺(tái)落下；舉升工作平臺(tái)時(shí)，由油缸中的活塞桿伸出，推動(dòng)又架臂運(yùn)動(dòng)，將工作平臺(tái)舉升至所需高度位置；下降時(shí)可借助自身重力作用降到規(guī)定位置.液壓缸是將電機(jī)、泵、閥、缸、油箱緊湊地連接在一起的整套液壓裝置，將其布置在剪叉式結(jié)構(gòu)的下剪叉臂之間，使升降平臺(tái)的行程可達(dá)到液壓缸行程的8～9 倍，減小了液壓缸的長(zhǎng)度與直徑，最大限度地減小了液壓缸的體積，便于在較狹小的空間內(nèi)布置液壓缸。另外，由于液壓缸已經(jīng)布置在舉升系統(tǒng)的剪叉結(jié)構(gòu)上，因此液壓包和液壓缸采取的是分離式的結(jié)構(gòu)方式。

4 控制部分

控制部分主要借鑒于遙控玩具汽車的遙控裝置，控制采摘車的前進(jìn)后退左右移動(dòng)以及升降平臺(tái)的升降移動(dòng)。無線遙控距離可達(dá)200m，并且采摘車縱向正反向行駛可在0m/min～30m/min 的速度范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)速，保持一定的精確性。

遙控系統(tǒng)的控制主要分為兩部分，一部分為行走系統(tǒng)的控制，另一部分為舉升系統(tǒng)的控制。出于方便方面考慮，將兩部分的系統(tǒng)分開控制，當(dāng)其行走系統(tǒng)工作時(shí)，同樣可以操控其舉升系統(tǒng)，方便行走時(shí)通過一些障礙物，另外也可以單獨(dú)操作其中一個(gè)系統(tǒng)，方便其準(zhǔn)確采摘。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，通過繼電器和熔斷器對(duì)其電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)，防止電動(dòng)機(jī)的燒壞，保護(hù)電路的安全。

5 結(jié)論

基于目前的狀況，國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)械化農(nóng)業(yè)并未給與相當(dāng)?shù)闹匾?，或者說基本國(guó)情的限制，很難大規(guī)模機(jī)械化，通過研究設(shè)計(jì)高效、廉價(jià)、操作靈活，性能可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便的機(jī)器，同時(shí)免除高空摘果的危險(xiǎn)性，有良好的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。

設(shè)計(jì)的溫室采摘車結(jié)合了機(jī)械設(shè)計(jì)，電氣，液壓，自動(dòng)控制理論等多門學(xué)科的知識(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)其自由的前后左右運(yùn)動(dòng)、升降等動(dòng)作，基本上達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。其中，該設(shè)計(jì)的主要研究成果有：1）利用蓄電池供電，液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，機(jī)械構(gòu)造采摘車的主體，有效的將機(jī)電液統(tǒng)一起來，使其功能更加完善；2）該設(shè)計(jì)巧妙的采用了連桿機(jī)構(gòu)使得液壓升降臺(tái)能夠穩(wěn)定的完成升降動(dòng)作；3）在設(shè)計(jì)中運(yùn)用了生活中的遙控玩具汽車的遙控裝置，讓采摘車的控制方便快捷了很多；4）充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，活動(dòng)靈活，操作方便的特點(diǎn)。

最后，將其經(jīng)過完善并通過生產(chǎn)制造成產(chǎn)品投入市場(chǎng)，將會(huì)具有很高的實(shí)用價(jià)值。

[1]崔玉潔，張祖立，白曉虎.采摘機(jī)器人的研究進(jìn)展與現(xiàn)狀分折［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2007（2）.

[2]張鐵中，徐麗明，湯慘映.果蔬采摘機(jī)器人研究進(jìn)展與展望［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006（5）.

[3]徐麗明.果蔬果實(shí)收獲機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題和對(duì)策［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（5）：38-142.

[4]劉安琦.溫室采摘車的機(jī)電液一體化設(shè)計(jì)[D].北京工業(yè)大學(xué)，2009.

[5]高自成，李立君，劉浩.油茶果采摘機(jī)物料收集裝置的選型研究與設(shè)計(jì)［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(10).