遠程遙控式智能果園噴藥機器人的設計

曹瑋鑫 張金磚 李東坤 汪鵬 夏旻飛 康璐

摘要：針對果園病蟲害防治難的問題，設計了一種適合遠程遙控操作的智能噴藥機器人。經試驗驗證，該機田間作業最大爬坡角達33°，作業速度達5.65 km/h，機械臂水平調節角度能達到180°，噴藥高度能達到1～3 m，無線控制和視頻傳輸在無遮擋環境下可傳輸距離200 m，少量遮擋環境下為100 m。該機為果園病蟲害防治提供了一種新的方法。

關鍵詞：果園噴藥機器人；關鍵部件；設計

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）08-0114-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.08.028

Design on Remote Control Orchard Spraying Robot

CAO Wei-xin，ZHANG Jin-zhuan，LI Dong-kun，WANG Peng，XIA Min-fei，KANG Lu

（School of Engineering，Anhui Agricultural University，Hefei 230036，China）

Abstract： In view of the difficult problem of insect pest control in orchard， an intelligent spraying robot suitable for romote control operation was desigened. After testing the machine field maximum climbing angle of 33 degrees，the operating speed of up to 5.65 km/h，the mechanical arm level adjustment angle can reach 180 degrees，spraying height can reach 1～3 m，wireless video transmission and control in no circumstances can block 200 m transmission distance，a small amount of occlusion under the environment of 100 m. This machine provides a new method for the prevention and control of orchard diseases and insect pests.

Key words： orchard spraying；key component；design

植保機械以其高效率、低污染的優勢在現代農業發展的病蟲害防治及糧果高產方面起到了關鍵作用，國內外相關學者在植保機械方面進行了各方面的研究。如龔艷等[1]建立了植保機械適用性綜合評價指標體系，為植保機械的推廣應用提供了科學依據，王杰等[2]從風機的性能、模擬及試驗研究方面分析了植保機械專用風機的研究現狀，蔡晨等[3]研制出了小型助力推車式果園噴霧機，邱白晶等[4]對變量噴霧技術進行了研究分析。此外，在植保機械的噴霧機性能關鍵技術、動力底盤、噴霧機噴桿結構優化、噴霧機機架減震設計、自動對靶噴霧控制系統、遠程控制系統設計等方面亦進行了大量研究試驗[5-10]。國內諸多學者對植保機械進行了大量研究，取得了豐碩的成果，但針對果園智能噴藥機械尚需進一步研究。

本研究針對果園智能噴藥機械，設計研發了一種遠程遙控式智能噴藥機器人，該機采用橡膠履帶行走機構具有轉彎半徑小、接地面積大、跨溝越埂能力強等特點，采用噴藥機械臂機構具有根據不同果樹調節噴頭噴藥形式達到噴藥分布均勻的優勢。

1 整機結構

遠程遙控式智能噴藥機器人的結構如圖1所示，主要由行走機構、藥液檢測機構、藥液供給機構、霧化調節機構、噴霧機械臂機構、圖像采集裝置和終端控制器組成。其中，噴藥裝置和圖像采集裝置均固定安裝在行走機構上并隨著行走機構的移動而移動；噴藥裝置用于噴射藥液；圖像采集裝置用于采集行走機構的行走路況視頻；終端控制器用于獲取圖像采集裝置所采的信息，并根據獲取的信息控制噴藥裝置進行噴藥作業。

噴藥機器人在作業時，由電機驅動行走機構前進、后退或轉向；圖像采集裝置采集現場作業環境并傳輸至終端控制器；藥液供給機構將藥液輸送至高壓噴槍；噴藥機械臂機構根據不同的果樹形狀，調節噴藥豎直和水平方向上的角度，對果樹進行定向噴藥；霧化調節機構根據實際噴霧需求，通過遠程電機控制得到合適的噴嘴霧化形狀；藥液檢測機構實時監控藥箱藥液的存有量，以便及時補充。遠程遙控式智能噴藥機器人的主要結構參數如表1所示。

2 關鍵機構設計

2.1 行走機構

2.1.1 行走機構工作原理 車體的輪履結構如圖2所示。行走機構在工作時，減速電機為其提供驅動力，采用兩輪等速同向驅動模式進行前進和后退，采用兩輪差速差向驅動模式進行轉向和調頭。

2.1.2 行走機構結構設計數據

1）爬坡能力設計。 橡膠履帶式在爬坡時遇到以下兩種阻力，即：

運動阻力Wy=0.12Gcosα （1）

式中，0.12——運動阻力系數，G——樣機自重（N），α——坡度角。

樣機自重在斜坡方向的自重Wp=Gsinα， （2）

最大牽引力T不應小于這兩種阻力之和，即：

T≥Wy+Wp （3）

保證底盤在爬坡時不打滑：

？漬Gcosα≥T （4）

式中，？漬-履帶與地面的附著系數（表2）。

聯立式（1）～式（4），即可求得最大坡度角為？漬=33°，表示最大的爬坡能力。

2）行走速度設計。機器人在噴藥作業時，其最大的行走速度為：

Vmax=2πrn=2π×75×10-3×200=5.65 km/h

其中，r-驅動輪節圓半徑（m），n-減速電機提供的轉速（r/min）。

2.2 噴霧機械臂機構設計

2.2.1 噴霧機械臂機構工作原理 噴霧機械臂機構結構如圖3所示。高壓噴槍固定在大臂的噴槍固定座上，隨大臂同步運動。大臂舵機控制噴霧機械臂的大臂運動，擺臂舵機控制雙擺臂運動，隨著雙擺臂運動，進而帶動拉桿的運動，拉桿、大臂和小臂形成一個省力杠桿機構，在拉桿的牽引下，小臂發生運動。在大臂舵機和擺臂舵機的協調運動下，噴霧機械臂實現豎直方向的角度調節。旋轉頸內裝有旋轉軸承，在底部旋轉舵機的控制下，噴霧機械臂機構可以實現水平方向的旋轉。

2.2.2 噴霧機械臂機構設計數據

1）噴霧機械臂機構力學模型搭建。噴霧機械臂機構主要涉及的數據為機械臂驅動力。對杠桿-連桿機械臂進行力學模型簡化，主要涉及的部件有擺臂舵機、大臂舵機、擺臂、拉桿大臂和小臂。力學簡化模型如圖4所示。

2）噴霧機械臂機構參數計算。擺臂舵機扭矩2.5×10-1 N·m，擺臂長度80×10-3 m，計算可得扭矩力F=■≈3.1 N，機械臂驅動力為F機械臂=■×3.1=9.3 N。

2.3 霧化調節機構

霧化調節機構結構如圖5所示。霧化機構主要由減速電機、導向鍵槽、導向鍵和調節絲桿四個部分組成。噴霧作業時，根據實際噴霧需要，減速電機通過聯軸器帶動調節絲桿，減速電機在導向鍵槽內前進或者后退，完成調節絲桿的松緊。當減速電機正向旋轉時，調節絲桿變緊，電機在導向鍵槽內前移，噴嘴液滴為團霧狀；當減速電機反向旋轉時，調節絲桿變松，電機在導向槽內后移，噴嘴液滴為射流狀。

2.4 藥液檢測機構

藥液檢測機構原理如圖6所示。藥液檢測系統具體實現功能步驟為：通過液位傳感器檢測液位，檢測到最低液位（藥箱藥液的10%）和最高液位（藥箱藥液的90%）時，然后將信息通過主機WiFi模塊上傳給從機的WiFi模塊，從機收到后進行相應的處理，當液位處于最低和最高液位時，蜂鳴器不報警；否則，蜂鳴器報警。

3 實證試驗

3.1 試驗條件

2016年11月于安徽農業大學農萃園對樣機進行了速度測定、機械臂水平調節角度測量、噴藥高度、霧化狀況測試、藥液檢測測試以及傳輸距離測試。試驗用液體為不含懸浮雜質的清水，液體溫度和場地溫度均為19 ℃，自然風速小于1 m/s。

3.2 試驗結果與分析

根據試驗數據計算獲得的試驗結果參數如表3所示。樣機試驗表明，噴藥機器人噴藥較為流暢，能夠實現預期的各項作業功能。

4 結論

1）根據果園作業特點設計了一種遠程遙控式智能噴藥機器人。該機能提高機器在各種作業環境下的通過性能，具有能應對噴霧作業過程中振動的能力，同時能適應不同高度果樹的施藥作業要求，也能調節高壓噴嘴的霧化形狀，以達到噴藥分布均勻的優勢。

2）該機行走速度能達5.65 km/h，機械臂水平調節角度能達到180°，噴藥高度能達到1～3 m，藥箱液位達到最低液位（藥箱藥液的10%）和最高液位（藥箱藥液的90%）時能自動報警。該機可實現果園噴藥作業的自動化，同時可降低勞動力成本，避免藥物對作業人員造成健康傷害。

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