基于慧魚組合式智能多元一體化大蔥機的研究

湯靖雯

（江西機電職業技術學院，江西 南昌 330013）

0 引言

蔥屬蔬菜，在我國蔬菜生產中占有極其重要的地位，其種植面積占蔬菜總播種面積的10%，產量占總產量的7%。根據調查，我國大蔥多采用傳統手工收割方式，存在工作效率低、勞動強度大、成本高、品質不穩定等明顯問題[1-2]。目前，市面上大蔥機功能單一，自動化程度低。

基于此，筆者以現代大蔥種植農民對高效低耗的大蔥農用機械的迫切需求為出發點，研究設計了松土、收割、捆綁、傳送、切割、裝運、播種、澆水一體化的新能源智能大蔥機[3-4]。該多元一體化智能大蔥機作品圖如圖1所示，模型圖如圖2所示。

圖1 作品圖

圖2 模型圖

1 創作思路與作品構思

1.1 創作思路

為了解放農民雙手，緩解耕作壓力，本研究團隊設計了集松土、收取、捆綁、傳送、切割、裝運、播種、澆水、覆土為一體的智能全自動大蔥機。

通過對大蔥機的市場調查及對使用者使用感受的問卷調查，發現目前我國大蔥收割方式大多是傳統的手工收割，但手工收割存在明顯缺點，例如工作效率低、勞動強度大、成本高、品質不穩定等。為了解決這些問題，本研究團隊設計了一款多元一體化智能大蔥機——“蔥”慧機，并進行了試驗，試驗結果表明，該“蔥”慧機極大地提高了大蔥收割的工作效率，降低了農民勞動強度。

1.2 作品構思

因為慧魚模型的多樣化讓設計有了無限的可能，研究團隊結合實際情況并進行了多種嘗試，經過比較和篩選，最終研發出了多元一體化智能大蔥機。該多元一體化智能大蔥機由智能控制系統、行走裝置、收取裝置、傳送裝置、捆綁裝置、多功能夾爪裝置、切割裝置、播種裝置及清潔能源裝置等構成，具有操作自動化、功能模塊化、智能化等特點。

1）智能控制裝置：由TXT控制器與計算機組成，接通開關后，程序自動運行。

2）行走裝置：電機帶動帶輪傳遞給履帶進行走動。

3）收取裝置：電機帶動齒輪嚙合轉動再帶動輪子，使皮帶進行轉動，從而實現收蔥功能。

4）多功能夾爪裝置：①上下移動。由電機帶動齒輪箱在齒條上進行移動，從而實現上下移動功能。②前后移動。運用了輪系的分路傳動，由電機帶動主齒輪，再由主齒輪帶動嚙合的兩個副齒輪，最后經過鋼管的傳遞從而實現前后移動功能。③左右移動。運用了螺旋機構，由電機帶動齒輪，再由齒輪傳遞給螺桿完成左右移動。

5）捆綁裝置：利用偏心輪結構，通過電機帶動連桿使膠帶進行圓周運動，實現捆綁。

6）切割裝置：根據不同買家的需求可以進行選擇性切割，利用電機帶動齒輪箱在齒條上移動，實現上下、前后運動并進行切割。

7）播種裝置：利用電機帶動齒輪箱，再由齒輪箱帶動齒條進行上下移動，當覆土擋板下降啟動時，紅色擋板會同時升起，在抖動下種子會掉出并順著藍色滑梯掉入土壤中，再由覆土擋板將土壤蓋到種子上方，在播種時灑水裝置也會啟動進行澆水。

8）清潔能源裝置：利用太陽能板將太陽能轉化為電能為蓄電池持續供電，實現了節能環保。

9）輔助裝置：內置松土裝置、澆水裝置、覆土裝置等。

2 創新設計與產品分析

2.1 市場產品分析

通過市場調查和產品分析，發現目前市面上大蔥收割機的種類和數量都比較少，并且功能單一。我國市面上的智能收蔥機水平有待提高，種類有待豐富，智能化市場有待開發[5-6]。因此，構思研發功能更齊全、性價比更高的智能大蔥收割、捆綁、切割、運輸、播種一體化農用機具有重要的現實意義。

2.2 作品創新點

1）高效收取播種，功能多樣[7-8]。該作品功能多樣齊全，擁有松土、收取、播種、澆水、覆土等多樣功能，可以大幅度提高大蔥耕作效率，解放了農民的雙手，減少了農民的耕作壓力，相比傳統大蔥機，該作品更具有優勢。

2）智能捆綁，可控切割。目前市面上的農機大多是把大蔥收完后扔在地上，再讓農民去捆綁，考慮到節省人力和時間，在大蔥收割機上設計捆綁功能，大大提高了工作效率。同時，考慮到有部分買家不想要蔥葉，在運輸時就可以把蔥葉切掉，且切掉的葉子還會推入土壤中作為養料，但也可以根據需要保留蔥葉。這滿足了不同消費者的消費需求，同時實現了資源最大化利用。

3）多功能夾爪，智能靈活。該作品采用了多功能夾爪裝置，可以進行全方位移動。在捆綁時，可以按壓大蔥起到穩固作用；捆綁結束后，可以將大蔥推上鏈條進行二次運輸，當到了一定時間收納箱裝滿時，還可以起到運輸作用。

4）清潔能源，低碳環保。利用太陽能板將太陽能轉化為電能，為蓄電池持續供電，實現了節能環保。

3 各部分結構及工作原理

智能多元一體化大蔥機具有自動收蔥播種澆水、智能捆綁切割、自動傳輸等功能，可以通過智能手機、電腦等終端進行遠程控制。其組成可分為：行走裝置、收取裝置、傳送裝置、捆綁裝置、多功能夾爪裝置、定制化切割裝置、播種裝置、清潔能源裝置、智能控制裝置[9-10]。試驗結果表明，該多元一體化智能大蔥機使用便捷，控制智能，效率高，極大地降低了農民的勞動強度，市場應用前景廣闊。

3.1 行走裝置

結合土質結構、高低不一等多種因素考慮，行走裝置最終采用坦克履帶。通過電機帶動帶輪傳遞到履帶，再帶動后方的輪子來實現行走功能。采用履帶的主要優勢如下：1）支承面積大，接地比壓小，下陷度小，滾動阻力小，更適合在松軟或泥濘場地進行作業；2）越野機動性好，可以在有些凹凸的地面上行走，可以跨越障礙物，爬坡、越溝等性能均優于輪式行走機構。行走裝置如圖3所示。

圖3 行走裝置

3.2 收取裝置

收取裝置采用了帶傳動，利用電機帶動齒輪再帶動傾斜的傳送帶完成大蔥自下而上的收取。在收取前，松土裝置下降，將大蔥根部土壤鏟松，方便傳送帶進行收取；當完成收取后，松土裝置自動上升，防止與地面摩擦受損。相對于傳統的大蔥收取方式，采用傾斜傳送帶收取大蔥效率更高。收取裝置如圖4所示。

圖4 收取裝置

3.3 傳送裝置

傳送裝置采取了常見的傳送帶形式。利用電機帶動齒輪，再傳動給皮帶，使收取的大蔥能夠平穩安全地落入U形托盤中。傳送裝置如圖5所示。

圖5 傳送裝置

3.4 捆綁裝置

捆綁裝置采用了偏心輪機構，其具有以下優點：1）可調節性好，可以根據不同的綁扎要求調整繩索的緊度和長度，非常靈活；2）高效節能，可以快速而準確地完成綁扎過程，大大提高了工作效率，同時也節約了人力和能源；3）結構簡單，易于維護和維修。捆綁裝置如圖6所示。

圖6 捆綁裝置

3.5 多功能夾爪裝置

多功能夾爪裝置可以實現上下、前后、左右全方位移動，多功能夾爪裝置如圖7所示。該裝置具有以下特點：1）上下移動。由電機帶動齒輪箱在齒條上進行移動，從而實現上下移動功能。2）前后移動。運用輪系的分路傳動，由電機帶動主齒輪，再由主齒輪帶動嚙合的兩個副齒輪，最后經過鋼管的傳遞從而實現前后移動功能。3）左右移動。運用螺旋機構，由電機帶動齒輪，再由齒輪傳遞給螺桿完成左右移動。在U形托盤裝滿蔥時，多功能夾爪裝置可將蔥根推出進行捆綁，在捆綁時按壓大蔥起到穩固的作用。捆綁結束后，可以將大蔥推上鏈條進行二次運輸，當到了一定時間收納箱裝滿時，還可以起到運輸作用。

圖7 多功能夾爪裝置

3.6 定制化切割裝置

可根據客戶需求，選擇是否對大蔥進行切割。當大蔥需要切割時，切割裝置利用電機帶動齒輪箱在齒條上移動，實現上下、前后運動進行切割，完成切割后將大蔥推到收納箱中。切下來的葉子會順著滑梯落入土中變成養料。當大蔥不需要切割時，切片會將大蔥直接推入收納箱中。切割裝置如圖8所示。

圖8 切割裝置

3.7 播種裝置

播種裝置利用電機帶動齒輪箱，再由齒輪箱帶動齒條進行上下移動，當覆土擋板下降啟動時，紅色擋板會同時升起，在抖動下種子會掉出，并順著藍色滑梯掉入土壤中，再由覆土擋板將土壤蓋到種子上方，在播種時灑水裝置也會自動啟動并進行澆水。播種裝置如圖9所示。

圖9 播種裝置

3.8 清潔能源裝置

清潔能源低碳環保，因此研究團隊利用太陽能板將太陽能轉化為電能，為蓄電池持續供電，實現了節能環保。清潔能源裝置如圖10所示。

圖10 清潔能源裝置

3.9 智能控制系統

智能控制系統由ROBO Pro控制軟件、TXT、限位開關、氣動裝置和位置傳感器組成。通過位置傳感器進行檢測，當檢測到大蔥后，智能大蔥收割機開始前進，同時收取裝置啟動，開始收蔥；當位置傳感器檢測不到大蔥時，智能大蔥收割機將進行轉彎并前進直到檢測到大蔥。位置傳感器如圖11所示。對于TXT控制器的接口，本研究團隊對其進行了擴展操作，保證作品所需的電源、輸入信號、輸出信號都可以連入控制器中，由控制器對各電機、傳感器的運行狀態進行監控，進一步保證了大蔥收取運行的可靠性。

圖11 位置傳感器

4 推廣應用價值

多元一體化智能大蔥機，有以下推廣應用價值：

1）節省時間和人力。多元一體化大蔥機，將松土、收取、捆綁、傳送、切割、裝運、播種、澆水、覆土等功能融為一體，大大提高了工作效率，解放了農民的雙手。

2）智能控制。簡單明了，僅需按一下開關，機器就會自行運動。

3）定制服務，可控切割。可根據客戶需求，選擇是否對大蔥進行切割，切割下來的葉子會落入土中化為養料。

4）環保。利用清潔能源供電，減少了石油能源的使用，節約用電，保護環境。

5）通用智能農機。可以收取類似大蔥的作物，只需調整環境參數、判別要素和執行順序，便可以應用于不同的作業對象、作業環境或執行不同的功能。