“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)下智能花椒采摘機(jī)設(shè)計(jì)研究

史志遠(yuǎn) 靳雨欣 鄭楊碩 冉秋藝

摘要：為解決現(xiàn)有花椒采摘機(jī)在適應(yīng)性上存在缺陷、椒農(nóng)接受度低的問(wèn)題。基于“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)理論，根據(jù)現(xiàn)有農(nóng)機(jī)技術(shù)構(gòu)建智能采摘機(jī)功能模型，并分析影響采摘機(jī)設(shè)計(jì)的“人”與“環(huán)境”因素，針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新。通過(guò)分析結(jié)果準(zhǔn)確設(shè)計(jì)采摘機(jī)的采摘方式、尺寸造型、交互方式、運(yùn)輸動(dòng)力系統(tǒng)，使采摘自動(dòng)化程度、效率品質(zhì)、易用性、貼合環(huán)境程度有明顯提升，滿足椒農(nóng)使用需求。該設(shè)計(jì)方法也為提升農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)應(yīng)用水平，進(jìn)而全面推動(dòng)鄉(xiāng)村振興提供借鑒與啟示。

關(guān)鍵詞：“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)理論 花椒 智能農(nóng)機(jī) 采摘機(jī)設(shè)計(jì) 鄉(xiāng)村振興

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-0069（2022）11-0150-04

Abstract：In order to solve the problems that the existing Zanthoxylum bungeanum Maxim pickers have defects in adaptability and low acceptance of farmers. Based on the "man-machine-environment" system theory. According to the existing agricultural machinery technology，the intelligent picking machine function model is constructed，and the "man" and "environmental" factors that affect the design of the picking machine are analyzed，and the design innovation is carried out in a targeted manner. Accurately design the picking method，size and shape，interaction method，and transportation power system of the picking machine according to the analysis results. so that the degree of picking automation，efficiency，quality，ease of use，and fit for the environment have been significantly，improved to meet the needs of farmers. This design method also provides reference and inspiration for improving the level of research and development and application of agricultural machinery and equipment，and then comprehensively promoting rural revitalization.

Keywords：“Man-Machine-Environment” system theory Zanthoxylum bungeanum Maxim Intelligent agricultural Machinery design of picking machine Rural vitalization

引言

花椒是集油料、香料、藥用于一體的經(jīng)濟(jì)植物，有“五寶樹(shù)”之稱[1]。隨著火鍋及眾多川菜品牌的流行，花椒作為主要調(diào)料，其市場(chǎng)需求與種植產(chǎn)業(yè)不斷增大。目前花椒基本靠手工采摘，該采摘方式的眾多弊端成為制約花椒種植產(chǎn)業(yè)的主要瓶頸。得益于農(nóng)業(yè)機(jī)械研究的發(fā)展，市面上也出現(xiàn)各類手持采摘機(jī)、智能采摘設(shè)備，但由于忽視“人-機(jī)-環(huán)境”的關(guān)系，采摘機(jī)在適應(yīng)性上存在缺陷，導(dǎo)致椒農(nóng)對(duì)采摘機(jī)的接受度普遍不高。在相關(guān)學(xué)者對(duì)花椒采摘機(jī)的研究中，李凱欣[2]、劉蒙蒙[3]對(duì)花椒采摘及控制系統(tǒng)、采摘機(jī)器人及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，張永梅[4]、楊萍[5]分析花椒果實(shí)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)與可行性，使其能夠精準(zhǔn)識(shí)別、定位花椒果實(shí)的母枝并準(zhǔn)確計(jì)算出采摘點(diǎn)。以上學(xué)者研究的重點(diǎn)主要集中在采摘機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，但缺乏使用者、環(huán)境等限定性因素的考慮。本文以“中國(guó)花椒之鄉(xiāng)”漢源縣漢源花椒為例，基于現(xiàn)有花椒采摘智能識(shí)別、農(nóng)機(jī)自走系統(tǒng)等技術(shù)，以“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，從“人”“機(jī)”“環(huán)境”三個(gè)維度進(jìn)行分析并設(shè)計(jì)，使花椒采摘更加智能化、易接受化，進(jìn)而提高花椒采收效率。

一、設(shè)計(jì)背景

漢源花椒，古稱黎椒，在漢源縣已有2100多年的栽培歷史，因其果色紅潤(rùn)，粒大油重、香氣濃郁、麻味醇厚，深受消費(fèi)者喜愛(ài)，位居全國(guó)花椒銷售之冠。漢源縣位于四川西南部，其日照、濕度、溫度、土壤、海拔均適宜花椒生長(zhǎng)。漢源花椒產(chǎn)量極大，數(shù)字花椒基地已達(dá)到5萬(wàn)畝，以2021年漢源花椒統(tǒng)計(jì)量為例，其預(yù)計(jì)產(chǎn)量已達(dá)到4000萬(wàn)余公斤，預(yù)計(jì)產(chǎn)值高達(dá)9.8億元，品牌價(jià)值高達(dá)49.65億元。

花椒種植屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，目前漢源花椒產(chǎn)業(yè)采摘機(jī)械化水平較低，且漢源花椒的特性決定了其手工采摘難度大、效率低：（1）花椒樹(shù)身布滿皮刺，葉片邊緣亦有細(xì)小鋸齒，椒農(nóng)采摘時(shí)極易被刮傷。（2）花椒果穗為一簇，緊挨著小葉與花芽，如圖1所示的4個(gè)部位均可以作為采摘點(diǎn)。花椒采摘需盡量保證花椒穗的完整性，不能連枝帶果地掐摘，以免將花芽一并摘下，影響來(lái)年結(jié)果。在掐摘過(guò)程中指肚易被葉片邊緣的鋸齒及葉柄小刺扎破，指甲縫也易產(chǎn)生刺痛感。（3）花椒果表皮有凸起油腺點(diǎn)，碰破油腺會(huì)導(dǎo)致花椒曬干后顏色發(fā)黑，成色降低。（4）花椒對(duì)采摘時(shí)間要求十分嚴(yán)格，采摘期僅有40余天[6]，且早摘香氣不明顯，晚摘果實(shí)開(kāi)裂脫落，短時(shí)間內(nèi)需要大量勞動(dòng)力。當(dāng)前農(nóng)村青壯年較少，勞動(dòng)力短缺，雇傭外地工人費(fèi)用較高，采摘一公斤鮮花椒成本高達(dá)5-6塊，人力采摘成本極高，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)增產(chǎn)不增收的情況。市面上常用的花椒采摘機(jī)盡管能夠提高采摘效率，但其暴力式的采摘方式嚴(yán)重破壞花椒品質(zhì)，也影響了花椒來(lái)年發(fā)芽結(jié)果，這也成為椒農(nóng)不愿使用該類采摘機(jī)的主要原因。

綜上所述，隨著花椒產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，椒農(nóng)對(duì)花椒采摘機(jī)械化有著強(qiáng)烈需求，同時(shí)也對(duì)采摘機(jī)有更高的適應(yīng)性要求。

二、“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)理論模型

人類社會(huì)發(fā)展歷史即是人、機(jī)、環(huán)境相互關(guān)聯(lián)、相互制約、相互促進(jìn)的歷史。“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)是基于以人為本的原則、在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中更多地考慮人與環(huán)境的因素，更好地發(fā)揮人的能力、提高人的效率[7]，實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)等目標(biāo)。“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)是將三者視為一個(gè)整體系統(tǒng)，在研究單個(gè)子系統(tǒng)影響因素時(shí)探究三者之間的作用與反作用關(guān)系，使其形成內(nèi)部子系統(tǒng)相互影響、關(guān)聯(lián)的綜合性系統(tǒng)。

在花椒采摘機(jī)“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)研究分析中，“人”是產(chǎn)品的使用者，即花椒采摘機(jī)的最直接接觸者；“機(jī)”是人使用并控制的產(chǎn)品，本文指花椒采摘機(jī)；“環(huán)境”包括有形的自然環(huán)境、無(wú)形的社會(huì)環(huán)境和人文環(huán)境。花椒采摘機(jī)的使用環(huán)境是由自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境、人文環(huán)境中的一部分構(gòu)成。花椒采摘機(jī)的工作過(guò)程可視作由人、采摘機(jī)、使用環(huán)境組合構(gòu)成的完整系統(tǒng)，包含3個(gè)層次互動(dòng)關(guān)系：（1）人與機(jī)，指用戶的正向使用及反向獲取體驗(yàn)反饋的雙向互動(dòng)；（2）機(jī)與環(huán)境，指采摘機(jī)的形態(tài)、功能、部件與其種植環(huán)境、采摘、運(yùn)輸環(huán)境的貼合；（3）人與環(huán)境，指用戶與作業(yè)環(huán)境的相互作用，這一關(guān)系體現(xiàn)為用戶對(duì)作業(yè)環(huán)境的認(rèn)知及操作方式、習(xí)慣，如圖2所示。

三、“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)下花椒采摘機(jī)設(shè)計(jì)

在智能花椒采摘機(jī)設(shè)計(jì)階段，首先根據(jù)現(xiàn)有智能農(nóng)機(jī)研究技術(shù)，構(gòu)建完整智能采摘機(jī)功能模型。并將采摘機(jī)放置于“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)中，將其融入“人-機(jī)”“人-環(huán)”的分析中，綜合“技術(shù)”條件的影響因素，對(duì)花椒采摘機(jī)的作業(yè)方式、技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)、尺寸、造型、材質(zhì)、色彩等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

（一）“機(jī)”的概念與組成

智能花椒采摘機(jī)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)采摘系統(tǒng)對(duì)花椒進(jìn)行采摘，實(shí)現(xiàn)花椒采摘功能。除此之外，智能采摘機(jī)若要實(shí)現(xiàn)集儲(chǔ)存、運(yùn)輸為一體，仍需涵蓋以下如花椒采摘機(jī)儲(chǔ)存、采摘機(jī)行走等功能，涉及系統(tǒng)組件主要包括：自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、履帶行走底盤(pán)系統(tǒng)、通訊與控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、花椒集存系統(tǒng)等。

當(dāng)前市面花椒采摘形式較多，有高枝剪切式、機(jī)械振動(dòng)式、氣吸、手持槍形式等。漢源椒農(nóng)常用的是手持槍形電動(dòng)采摘機(jī)，刀頭多為梳齒型、雙面M鋸齒型、勾切型，但在采摘機(jī)的采摘系統(tǒng)選擇時(shí)，需重點(diǎn)考慮采摘環(huán)境因素，減少因收割破壞花椒品質(zhì)與影響花芽等實(shí)際問(wèn)題。與此同時(shí)，花椒機(jī)的行走、儲(chǔ)存功能也受限于環(huán)境因素。一般情況下，履帶式行走系統(tǒng)是山坡環(huán)境下最佳選擇之一，但履帶尺寸、形式多樣，如何設(shè)計(jì)適用于漢源花椒種植地的履帶需要在環(huán)境因素中進(jìn)行具體討論。同樣，采摘機(jī)儲(chǔ)存功能也受限于種植環(huán)境的規(guī)模與作業(yè)時(shí)長(zhǎng)影響，并進(jìn)而影響到采摘機(jī)的尺寸與造型設(shè)計(jì)。

（二）“人”因素對(duì)花椒采摘機(jī)設(shè)計(jì)影響分析

智能花椒采摘機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)符合使用者的生理和心理需求，使用者生理需求因素對(duì)采摘機(jī)的造型、材質(zhì)、色彩、使用方式設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響；心理需求因素影響采摘機(jī)的自動(dòng)化程度、交互設(shè)計(jì)、環(huán)保特性、造型設(shè)計(jì)等方面（如圖3）。

在當(dāng)前漢源花椒產(chǎn)業(yè)中，勞動(dòng)力資源短缺、椒農(nóng)普遍年齡偏高已成為當(dāng)前急需解決的問(wèn)題，且椒農(nóng)在接受度與認(rèn)知水平方面也相對(duì)欠缺，這也對(duì)采摘機(jī)在易用性方面提出更高的要求。隨著城市化發(fā)展速度加快，農(nóng)村的年輕一代多數(shù)人缺少務(wù)農(nóng)經(jīng)驗(yàn)，很難再像祖輩一樣從事“累苦”農(nóng)活。未來(lái)人才回流農(nóng)村形成農(nóng)民職業(yè)化需要借助智能農(nóng)械設(shè)備，讓用戶如使用電腦、手機(jī)般控制設(shè)備，進(jìn)行農(nóng)業(yè)工作。[8]因此，大規(guī)模采摘機(jī)械化已然成為花椒種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，同時(shí)椒農(nóng)在采摘機(jī)的功能屬性與交互體驗(yàn)方面需要更多的關(guān)注與優(yōu)化。

在人機(jī)交互方面，椒農(nóng)對(duì)采摘機(jī)的控制可通過(guò)交互屏幕完成，其中包含：（1）對(duì)行走系統(tǒng)與采摘系統(tǒng)的控制。（2）借助可視化地圖選擇采摘區(qū)域，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器協(xié)同合作進(jìn)行采摘。（3）使用面板關(guān)聯(lián)移動(dòng)終端，當(dāng)集存箱滿或發(fā)生故障時(shí)及時(shí)向椒農(nóng)的移動(dòng)終端發(fā)送提醒，以便椒農(nóng)快速響應(yīng)并處理，減少因機(jī)器故障帶來(lái)的實(shí)際損失，提升椒農(nóng)對(duì)采摘機(jī)的掌控感。

在造型設(shè)計(jì)方面，采摘機(jī)多以產(chǎn)品功能提示作用為主，旨在輔助采摘機(jī)功能更好地發(fā)揮，用戶更易掌握使用方法。花椒采摘機(jī)機(jī)身材質(zhì)由于環(huán)境復(fù)雜，采用不銹鋼金屬材料并噴涂防腐防銹油漆，使采摘機(jī)具有更耐腐蝕性與強(qiáng)度。在采摘機(jī)色彩選擇上，結(jié)合使用環(huán)境的因素，機(jī)械臂與主體色彩選擇視覺(jué)沖擊較強(qiáng)的橙色，便于用戶清晰觀察采摘機(jī)所處位置。機(jī)械臂部分部件采用與橙色形成對(duì)比更加豐富的銀灰色，部件分色噴涂并組裝，使產(chǎn)品整體具備更強(qiáng)層次感與整體質(zhì)感。

（三）“環(huán)境”因素對(duì)花椒采摘機(jī)設(shè)計(jì)影響分析

“人”“機(jī)”兩者均處于“環(huán)境”因素中，“機(jī)”受“環(huán)境”因素影響較大，直接決定采摘機(jī)的正常運(yùn)作以及采摘效率。“環(huán)境”因素對(duì)采摘機(jī)造型、材質(zhì)、色彩、技術(shù)有著極大的影響（如圖4）。通過(guò)對(duì)漢源地區(qū)花椒種植地調(diào)研，從有形與無(wú)形兩個(gè)方面對(duì)“環(huán)境”因素進(jìn)行分析。智能花椒采摘機(jī)主要受限于有形環(huán)境因素影響，即：采摘環(huán)境、運(yùn)輸環(huán)境、與種植環(huán)境，在下文中會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)。而無(wú)形環(huán)境中則是更多指導(dǎo)、賦能“機(jī)”的設(shè)計(jì)。花椒作為高附加值農(nóng)產(chǎn)品，在不與糧食作物爭(zhēng)土地的同時(shí)充分能夠利用荒山并獲得較高的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，符合我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)、綠色產(chǎn)業(yè)等發(fā)展戰(zhàn)略。2022年中央一號(hào)文件指出長(zhǎng)期穩(wěn)定支持丘陵山區(qū)小型機(jī)械、智能機(jī)械研發(fā)制造，并重點(diǎn)支持履帶式作業(yè)[9]。同時(shí)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展進(jìn)入第三代信息化技術(shù)體系，這個(gè)階段農(nóng)機(jī)創(chuàng)新體系的核心思維方式就是把農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕畔⒓夹g(shù)為核心的高科技智能農(nóng)業(yè)裝備[8]，政策的支持不斷推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化程度、行走系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的升級(jí)與發(fā)展。

1.種植環(huán)境分析與設(shè)計(jì)

漢源花椒屬于紅花椒類，由于紅花椒種植特性，種植地一般選在背風(fēng)、向陽(yáng)山地坡上，以成片造林或林糧間種植。花椒樹(shù)每株之間留有固定株距，便于苗木生長(zhǎng)、椒農(nóng)管理采摘，株距一般為3000mm×4000mm或2000mm×2000mm。漢源花椒種植間距多為2000mm×2000mm。

針對(duì)種植環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)采摘機(jī)身尺寸及底盤(pán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。花椒采摘機(jī)機(jī)身尺寸（長(zhǎng)×寬×高）設(shè)計(jì)為1200mm×800mm×700mm，機(jī)械臂伸直長(zhǎng)度為1500mm，采摘高度范圍為500mm-2200mm，采摘最大半徑為3000mm。采摘機(jī)底盤(pán)采用倒梯形履帶底盤(pán)，使采摘機(jī)能夠適應(yīng)更加復(fù)雜的地形，并具有通過(guò)性良好、轉(zhuǎn)彎半徑小、穩(wěn)定性優(yōu)良、爬坡能力強(qiáng)、可變速等優(yōu)點(diǎn)。履帶單側(cè)外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）設(shè)計(jì)為1200mm×150mm×280mm，履帶軌距為550mm，轉(zhuǎn)彎半徑小于1500mm，在硬質(zhì)與松軟的路面環(huán)境下，底盤(pán)的跑偏率分別是3.45%和0.78%，可以通過(guò)25°的斜坡，穩(wěn)定性和爬坡能力優(yōu)良[10]。履帶系統(tǒng)由履帶、驅(qū)動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、拖帶輪、緊張裝置、車架組成，實(shí)現(xiàn)加減速、直行、轉(zhuǎn)彎等功能。履帶底盤(pán)的行走速度設(shè)計(jì)為3個(gè)檔位，從而滿足行走、爬坡、采摘等作業(yè)要求，1、2檔用于作業(yè)，3檔用于行走。

行走系統(tǒng)采用以嵌入式PC處理器為核心，結(jié)合IOT技術(shù)和Linuxi嵌入式系統(tǒng)，搭載RFID、視覺(jué)傳感器、VZ-XJGY-1300G雙目相機(jī)以Eye-in-hand的方式水平放置于機(jī)身前端、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)、局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等進(jìn)行傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)[11]。線路規(guī)劃采用多級(jí)PID沿線控制、動(dòng)態(tài)PID沿邊控制和BFS算法以及基于有限狀態(tài)機(jī)的目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航算法完成基于柵格法的全路徑規(guī)劃[12]。

2.采摘環(huán)境分析與設(shè)計(jì)

花椒樹(shù)的頂端優(yōu)勢(shì)和枝條垂直優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)。在花椒種植過(guò)程中，為方便椒農(nóng)采摘，貼近地面的枝條與過(guò)長(zhǎng)枝條將會(huì)被修剪到合適長(zhǎng)度，兩樹(shù)之間通常留出一人能夠通過(guò)的寬度。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)[13]中百分位99的最大肩寬為486mm，計(jì)算為500mm，在減去500mm后花椒水平生長(zhǎng)半徑為1500mm。果穗生長(zhǎng)垂直區(qū)間大致為500mm-2000mm，水平生長(zhǎng)直徑在3000mm內(nèi)，枝條的生長(zhǎng)情況影響采摘機(jī)末端執(zhí)行器活動(dòng)范圍的設(shè)計(jì)。花椒果柄為0.5～0.9mm，且位于果實(shí)與小葉中間，采摘點(diǎn)范圍有限，影響末端執(zhí)行器的形態(tài)、大小、切斷方式。

采摘系統(tǒng)由機(jī)械臂與末端執(zhí)行器組成：（1）機(jī)械臂材料選擇變壁厚的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料，使機(jī)械臂輕量化，與等壁厚的鋁合金機(jī)械臂相比，重量降低了90.9%[14]。機(jī)械臂的控制算法使用模糊算法和RBFNN算法結(jié)合的方法，使機(jī)械臂能適應(yīng)復(fù)雜的采摘環(huán)境[2]。（2）末端執(zhí)行器由兩個(gè)夾持裝置和四個(gè)切斷裝置組成，在小臂滑軌上自由變換位置與角度，結(jié)合廣角彩色攝像頭以Eye-to-hand的方法分別放在夾持和切斷裝置上。攝像機(jī)識(shí)別花椒果穗母枝采用Otsu與K-means聚類算法，再結(jié)合圖像相減法，在圖像中得出采摘點(diǎn)坐標(biāo)后，根據(jù)三維世界坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換定位采摘點(diǎn)的三維世界坐標(biāo)，從而控制末端執(zhí)行器進(jìn)行采摘，如圖5所示[5]。

機(jī)械臂肩關(guān)節(jié)的尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為140mm×140mm×150mm，大長(zhǎng)臂長(zhǎng)500mm，小長(zhǎng)臂長(zhǎng)700mm，腕關(guān)節(jié)長(zhǎng)350mm，夾持裝置長(zhǎng)120mm，切斷裝置長(zhǎng)100mm，夾子尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為25mm×50mm×12mm，剪刀頭尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為10mm×20mm×5mm。夾持裝置頂端由兩半圓夾組成，在采摘過(guò)程中將切斷裝置附近的樹(shù)枝夾住，防止樹(shù)枝晃動(dòng)，方便切斷裝置采摘，夾持力設(shè)定為3N。切斷裝置的剪刀由刀頭、橡膠墊組成，在采摘時(shí)橡膠墊起到防滑的作用，輔助刀頭切段果穗母枝，切斷力設(shè)定為5N。

兩個(gè)腕關(guān)節(jié)可以在小長(zhǎng)臂上350mm的軌道上自由滑動(dòng)，末端執(zhí)行器與腕關(guān)節(jié)都設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和扭動(dòng)關(guān)節(jié)，可用來(lái)調(diào)整末端執(zhí)行器的空間姿態(tài)。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的步進(jìn)電機(jī)選用藤尺公司的D2BLD75-12A-30S型號(hào)，扭動(dòng)關(guān)節(jié)選用D0BLD40-12A-30S型電機(jī)[3]。腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)夾持裝置與切斷裝置傾斜、旋轉(zhuǎn)，夾住枝條，進(jìn)行采摘，花椒垂直掉落進(jìn)下方的收集箱。

在采摘機(jī)工作時(shí)長(zhǎng)需求方面，動(dòng)力系統(tǒng)在大面積采摘環(huán)境中應(yīng)具備較強(qiáng)的續(xù)航能力。動(dòng)力系統(tǒng)使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，標(biāo)定功率為17kW，轉(zhuǎn)速為2200/rpm，動(dòng)力底盤(pán)主要由履帶底盤(pán)、配重塊、液壓系統(tǒng)、遙控控制系統(tǒng)、柴油機(jī)、變速箱、離合器等部件組成。動(dòng)力通過(guò)V帶從柴油發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)離合器傳輸變速箱輸入軸，并傳遞給后動(dòng)力輸出軸和提升液壓泵，提升和輸出作業(yè)機(jī)具的動(dòng)力，履帶底盤(pán)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示[15]。

3.運(yùn)輸環(huán)境分析與設(shè)計(jì)

運(yùn)輸環(huán)境不僅包括采摘機(jī)自身的運(yùn)輸，而且也包括花椒的運(yùn)輸。在農(nóng)村面包車的使用頻率最高，可作為主要運(yùn)輸工具。以五菱榮光為例，后備箱進(jìn)門寬度為1200mm，高度為1270mm，縱深為370mm-1580mm[16]。花椒摘下后應(yīng)該集中堆放晾曬或放進(jìn)烘房中烘干，在此過(guò)程中花椒果實(shí)不宜經(jīng)過(guò)多次拿放，以免油腺破裂。采摘機(jī)機(jī)身的設(shè)計(jì)應(yīng)該同時(shí)考慮運(yùn)輸與種植環(huán)境，在滿足正常使用的情況下方便運(yùn)輸。

針對(duì)花椒運(yùn)輸環(huán)境，花椒收集箱采用抽屜式設(shè)計(jì)，尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為450mm×600mm×300mm，采摘機(jī)工作前用戶需要將防雨罩抽出，機(jī)身與底座由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接可以360°旋轉(zhuǎn)，使收集箱與采摘裝置一直出于上下垂直狀態(tài)，花椒果穗垂直掉落進(jìn)收集箱內(nèi)。在收集箱滿后，用戶可以直接取出收集箱進(jìn)行傾倒清理，避免過(guò)多觸碰果實(shí)。

（四）“人-機(jī)-環(huán)境”影響下智能花椒采摘機(jī)設(shè)計(jì)

將“技術(shù)”條件分別融入“人”與“環(huán)境”因素，作用于采摘機(jī)的設(shè)計(jì)，形成最終智能花椒采摘機(jī)設(shè)計(jì)方案。采摘機(jī)由自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、履帶行走底盤(pán)系統(tǒng)、通訊與控制系統(tǒng)、末端執(zhí)行器系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、花椒集存系統(tǒng)等組成。新型行走系統(tǒng)和采摘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠減少操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度；整機(jī)操控可通過(guò)智能屏幕完成，并且支持智能屏幕或移動(dòng)終端選擇作業(yè)區(qū)域、接收提示，更加符合使用者需求；造型設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，結(jié)合使用環(huán)境與用戶視覺(jué)特性，采用高強(qiáng)度的鋼板與防銹防腐工藝處理，選擇橙色與黑色為主體顏色；考慮山地、坡地的種植環(huán)境，底盤(pán)設(shè)計(jì)選擇倒梯形底盤(pán)，穩(wěn)定性和爬坡能力優(yōu)良；末端執(zhí)行器由兩個(gè)夾持裝置與四個(gè)切斷裝置組成，并且均帶有攝像頭，在采摘過(guò)程中能夠精準(zhǔn)識(shí)別果穗與采摘點(diǎn)，腕關(guān)節(jié)與末端執(zhí)行器均帶有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)與扭動(dòng)關(guān)節(jié)，用于調(diào)整末端執(zhí)行器的空間姿態(tài)，符合末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)精度要求；花椒收集箱采用抽屜式；發(fā)動(dòng)機(jī)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，保證充足的動(dòng)力，如圖6所示。

結(jié)語(yǔ)

基于“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)理論模型，對(duì)“人-機(jī)”“環(huán)境-機(jī)”進(jìn)行了深入分析，根據(jù)“人”與“環(huán)境”兩個(gè)因素的影響對(duì)采摘機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新，使花椒采摘自動(dòng)化，采摘效率、采摘精準(zhǔn)度大幅提升。新型采摘機(jī)為當(dāng)前花椒基本靠手工采摘、勞動(dòng)力短缺、采摘成本高等問(wèn)題提供有效解決方案，使花椒產(chǎn)業(yè)在增產(chǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)增收，更加滿足椒農(nóng)使用需求。結(jié)果表明“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)理論在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)有著良好的指導(dǎo)作用，使花椒采摘機(jī)的設(shè)計(jì)既能符合用戶需求，又能適應(yīng)作業(yè)環(huán)境。該類設(shè)計(jì)方法對(duì)我國(guó)多樣化的地貌特征所需的多樣化農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)有著一定指導(dǎo)意義，也為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)的推進(jìn)，特別是山區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)帶來(lái)積極的影響，在一定程度上推動(dòng)鄉(xiāng)村振興。

基金項(xiàng)目：本論文得到中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：2021VI040）。

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