冬季韭菜管理、運輸機器人設計

劉鈺杰，郭詠荃，姜國振，宋敬敬

（1.沈陽工業大學工程實訓中心，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽工業大學管理學院，遼寧 沈陽 110870；3.沈陽市汽車工程學校，遼寧 沈陽 110122）

種植反季節蔬菜是調節居民季節飲食環境、保障菜籃子供應的主要途徑之一[1]，其中冬季韭菜就是人民非常喜愛的餐桌蔬菜之一[2]。韭菜又名懶人草、草鐘乳、扁菜等，屬于百合科多年生草本植物，具有抗寒、耐熱、抗蟲病等優點[3]。冬季韭菜在山東濰坊地區廣泛種植，以夏天管理、冬季依靠保溫棚使其反季節生長然后收割韭菜為主要方式，為保證韭菜生長均勻，拉長收獲期，韭菜保溫棚一般以窄、低、長為主。本文以濰坊地區某鄉鎮種植棚為例，寬度為2.5 m左右，高度為1.1 m左右，長度根據地塊決定，一般大于40 m，如圖1所示。如此狹長的環境中，農民在棚里工作，受棚內空間限制，完成彎腰運輸、跪地翻土、爬行噴藥等工作，嚴重影響身體健康。近年來，新機具、新技術被廣泛應用于蔬菜生產各環節[4]，設計一種專用于冬季韭菜管理、運輸的機器人以減輕農民的體力勞動十分有必要。

圖1 冬季韭菜棚

1 冬季韭菜棚內部空間及土地狀態研究

1.1 冬季韭菜棚的內部空間

韭菜棚內部空間的合理測量是機器人設計的首要工作。北方韭菜的種植一般為起壟栽培，壟栽10行，行距250 mm左右，壟的寬度為2.5 m左右[5]。韭菜根屬于弦線根的須根系，沒有主側根，主要分布在100 mm～300 mm深的耕作層[4]。秋天天氣轉涼之后，需要搭建近半圓形韭菜棚將韭菜壟完全覆蓋，如圖2所示。韭菜棚的最大寬度一般為2.5 m，韭菜壟的中間需要做立柱將棚內竹批頂起至1.1 m的高度，防止被保溫草簾和大雪壓塌，立柱一般選用直徑為80 mm的圓木或50×100 mm的水泥柱，使用圓木的韭菜棚較多；韭菜棚上每隔1.2 m會有立柱頂起竹批來支撐整個棚膜；韭菜棚出口一般為棚截面的3/5。

圖2 冬季韭菜棚結構圖

1.2 割韭菜前后土地的變化情況及處理

冬季培育韭菜之前首先用旋耕機將土打散，再在處理干凈韭菜枯葉的土地上蓋上50 mm～80 mm的覆土，此時土質較為松軟，有利于韭菜穿破土壤長出新葉。進入收割時，需要農民進入大棚中收割打捆，在收獲頭刀韭菜的過程中，不斷踩踏松軟土質，泥土會變硬甚至輕微板結，此時機器人在較硬的土地上載重運輸，受到的阻力相對較小，但會進一步加大泥土板結的程度，泥土板結后二刀韭菜的莖葉受泥土阻擋無法長出，這時需要機器人攜帶翻土裝置將土地翻松即可。二刀韭菜生長過程中因棚內溫度高、濕度大、有割口影響會產生灰霉病，需要噴灑藥劑防止韭菜潰爛。

2 機器人整體方案設計及主要技術指標

2.1 整機結構

機器人的整體方案需要滿足機器人所使用的空間環境、地面環境和具備的功能。冬季韭菜運輸、管理機器人由機器人本體、翻土裝置和撒藥裝置組成，如圖3所示，機器人本體與翻土裝置和撒藥裝置可以單獨裝配使用，根據韭菜生產活動的不同選擇相應的組合。機器人本體可單獨運行完成在狹長棚中運輸韭菜的工作；機器人本體與翻土裝置組合可完成土壤的翻耕；機器人本體與撒藥裝置也可單獨配合，完成撒藥工作；機器人本體上留有與翻土裝置和撒藥裝置以及電氣控制的接口，方便快速安裝調試。

圖3 機器人整體設計方案

2.2 工作原理

機器人本體設計整體較矮，總體高度200 mm，寬度450 mm，在運輸韭菜過程中，裝韭菜的筐高度500 mm，加上本體總高度為750 mm，如果機器人本體繼續加高則在運行過程中會撞壞上方韭菜棚的結構。機器人運行時兩側距離棚邊及立柱有一定距離，機器人本體離立柱的距離為150 mm～450 mm，否則會出現運行碰撞的現象；機器人電池倉及控制系統采用下沉式設計，不占用機器人工作平臺；機器人的行走機構充分考慮在土地較為松軟的環境下工作，首先考慮設計的結構為履帶式，但是履帶式結構成本較高且結構復雜，維修和養護較為困難，農機具的設計應首先保證實用性與可靠性[6]；因此創新行走機構，采用單側兩輪同驅結構，一個電機通過鏈條就能驅動兩個輪子，減少電氣元件，提高可靠性，降低成本；翻土裝置是多個翻勾并排，利用直動推桿推動機構深入土層，將土翻松；撒藥裝置由藥桶、藥桶固定裝置、高壓泵以及防刮噴藥桿組成。

2.3 主要技術參數

韭菜管理、運輸機器人技術參數如表1所示。

表1 冬季韭菜管理、運輸機器人技術參數

3 主要工作部件設計

3.1 機器人結構設計

機器人在運輸韭菜、翻松土地和撒藥工作過程中，需要在松軟土質上進行，在松軟土地上運行最好的為履帶式結構，但其結構復雜、可靠性差、維護不方便，并考慮成本等因素，在本設計中不能使用，因此根據土地的實際條件采用單側兩輪同驅結構，其能夠代替履帶式結構，整個結構如圖4所示。單側的兩個輪子7的動力來源于電機1，電機1將動力輸出經過減速器2提高扭矩后，使輪軸3運轉，輪軸3上通過鍵帶動鏈輪4與輪子7同時轉動，鏈輪4上掛有鏈條5，鏈條通過小鏈輪6的張緊帶動另一側的鏈輪4轉動，鏈輪4與輪軸3通過鍵連接，輪軸3與輪子7連接，實現同步轉動。

圖4 單側兩輪同驅結構

整個機器人底盤有四個輪子、兩個驅動同時控制，運行原理與坦克類似，可以實現直線行駛（雙向）、左右轉彎和原地打轉等運行動作。根據兩側同驅結構的差速進行轉向控制和曲線運動控制，轉動的方向和曲線運動的半徑可通過兩輪旋轉方向及兩輪的速度差Δv來得到[7]，機器人運動學模型如圖5所示。

圖5 機器人運動模型

假設機器人正在做轉彎運動，由運動學可知：

上式中，vz為合速度即機器人運行中心的速度，vw為轉彎方向外側輪速，vn為轉彎方向內側輪速。

上式中，ω為曲線運動角速度，L為兩個單側兩輪同驅結構的輪距。由式（1）和式（2）可得曲線運動的轉彎半徑R：

根據式（1）、式（2）、式（3）得，當vw=vn時，機器人的運行速度vz=vw=vn，轉彎半徑R=∞，機器人實現直線行駛。當vw=-vn時，轉彎半徑R=0，機器人原地打轉。當vw≠vn和vw≠-vn時，機器人根據速度的差值，按照半徑R旋轉。

3.2 翻土裝置設計

翻土裝置主要由多齒翻土耙1、旋轉鉸鏈2、電動推桿3和推桿支架4組成，如圖6所示，主要對被踩踏板結的土壤進行翻松。其工作原理如下：多齒翻土耙1通過旋轉鉸鏈2與車體連接，且多齒翻土耙1能繞旋轉鉸鏈2轉動，轉動通過電動推桿3推動，電動推桿3一端通過推桿支架4連接到機器人本體。工作中的機器人進入棚中時電動推桿3收回，多齒翻土耙1隨之上揚，不會插入土地，進入棚中后，通過控制系統使電動推桿3伸出，連接的多齒翻土耙1回繞著旋轉鉸鏈下插，電動推桿3的推動力為1 400 N，能夠克服泥土阻力，多齒翻土耙1的翻土齒長為120 mm，插入土壤中的深度大于50 mm，控制機器人運行將棚中泥土翻松。

圖6 翻土裝置結構

3.3 撒藥裝置設計

撒藥裝置主要由噴霧桿1、藥桶固定套2、藥桶3、高壓泵4組成，如圖7所示。機器人背有藥桶，藥桶通過藥桶固定套固定于機器人本體上，藥桶固定套上安裝高壓泵，高壓泵的進水端通過水管與藥桶連接進行吸水，高壓泵的出水端通過水管與噴霧桿連接，實施噴藥工作。

圖7 撒藥裝置結構

4 自動控制系統設計

控制系統主要由人機交互、執行裝置、主控系統和安全管理四大部分組成，如圖8所示。人機交互由SP2手柄對機器人進行控制，對執行裝置發出控制信號，一鍵啟停可保證機器人在遇到 危險時及時停機，保護操作人員安全并減少危害與損失[8-9]；主控系統接收人機交互和安全管理的信號，并進行判斷和處理，控制執行裝置執行相應動作。

圖8 翻土裝置結構

5 結論與分析

綜上所述，蔬菜規模化、產業化發展的關鍵在于機械化和智能化收獲，以取得更快的上市時間，獲得最大的經濟效益[10]。研究小組針對冬季保溫棚韭菜管理運輸的實際情況設計了此款機器人，主要包括機器人本體、翻土裝置、撒藥裝置和控制系統四部分。根據使用環境，可以單獨使用機器人本體運輸，運輸重量達到70 kg；翻土裝置和機器人本體結合進行土壤翻松，翻松深度最大達到80 mm，一遍翻松土壤便達到韭菜生長的條件；機器人和撒藥裝置配合對韭菜農田進行撒藥工作，單次撒藥面積不低于160 m2，且噴施的均勻程度與人工噴施均勻程度一致。冬季韭菜管理、運輸機器人能夠輔助農民的田間工作，減輕農民的體力勞動，促進冬季韭菜的田間管理標準化，進而提高韭菜產量。