基于生態可持續的藤類作物智能收種農機設計

摘要：經過對現階段中國北方農業地區藤類作物種植區種植生態計劃的梳理和分析，以該區域內農機功能適應性情況研究作為切入點，并借農業機械模塊化設計來應對該區域農業生態可持續的復雜性要求。首先，運用桌面調研的方法分析了現階段農業發展狀況；其次，通過SWOT分析等方法分析現階段暢銷農機設計優缺點；再次，借助用戶訪談等方法定位設計；接著建立服務系統藍圖、原型建立論證其實用性；最后，在設計反思后完成了智能收種農機的設計推演。完成實地測試后得到三維裝備模型。通過農機的 “智能播種及收獲”“秸稈回收預處理”等模塊的切換，證實產品可以對農田合理生態規劃，使該區域農業生態可持續的設計理念得以發展和呈現。

關鍵詞：智慧農機設計；生態平衡；可持續設計；模塊化思維；農機交互設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）04-0136-05

Abstract：The objective is to take the study of the functional adaptability of agricultural machinery in the region as an entry point after the analysis of the planting ecological plan in the current stage of the agricultural region of northern China，and to respond to the complex requirements of sustainable agroecology in the region by means of the modular design of agricultural machinery.The method was to analyze the current stage of agricultural development by desktop research firstly；secondly，to analyze the advantages and disadvantages of the current stage of agricultural machine design by SWOT analysis；to position the design by means of user interviews；then to proceed to build a prototype to prove its practicality；finally，to reflect on the design and completed the design projection of the intelligent harvesting and planting agricultural machine.3D equipment model after completion of field tests.Through the switching of modules such as \"intelligent sowing and harvesting\" and \"straw recycling and pre-treatment\" of the farm machine，it was confirmed that the product can make reasonable ecological planning of the farmland，so that the design concept of sustainable agriculture in the region can be developed and presented.

Keywords：Intelligent farm machinery design；Ecological balance；Sustainable design；Modular thinking；Interaction design for agricultural machinery

引言

2022年10月，黨的二十大報告中提出“全面推進鄉村振興”“堅持農業農村優先發展”等關鍵詞，反映出國家對于堅決推進農業發展的堅強決心。近5年中，農業發展腳步雖愈發加快，但生態化轉型不足、機械化農機購買量與使用量不匹配等的問題也隨之產生。在對現有農機產品的研究與分析中，發現因多數進口農機不能很好地適應中國農田的原因，經常出現農機使用方式與農機自身功能不匹配的情況。在農田收獲方面，廢棄作物根莖葉因數量巨大不能回收或者回收后不能利用形成污染等問題也使農機助力生態化轉型的概念也沒有得到良好的呈現。以中國藤類種植為例，學者唐瀚[1]提出的品種同質化、檢疫性病害蔓延與學者楚簫[2]提到的30年來藤類植物在培育中產生大量無用藤蔓無法回收利用的問題依然沒有得到良好的解決。基于以上問題，項目以實現農業生態可持續為目標；以藤類種植區的作物及其農副遺留產品的收種為示范；以模塊化方式提供農機設計啟示，通過農機實現農業生態化轉型的可行性方案。

一、基于農業發展中的現實問題

（一）羅列問題探索設計方向

中國大部區域著手生態化農業的轉型工作時，產生的問題也漸漸顯現，其一，從生態農業角度出發，生態農產品的規模逐漸擴大，產品的種類范圍不斷增長，服務原有作物的從農業者與他們所使用的農業器具上限制了農業規模的進一步擴展；其二，從農用機械覆蓋率的角度出發，據統計自2015年起，中國西部地區以隆化縣農機站為代表的農業區的農機數量以每年20%的幅度增長[3]其農機使用率卻只有總數量的52%。其三，從勞作人員的角度出發，年輕的從農人員進城務工數量大幅上升，高素質農機操作人員缺乏嚴重，高齡操作手的農機知識儲備極度不足且不愿參加培訓，農機作業的效率大大降低。

（二）根據目的尋找科學依據

從中國自1978年至2016年的農業投入、產出與TFP指數對比折線圖中能夠得到結論，我國農業在過去幾年的勞動生產能力長期低于工業產業中的服務業，農業全要素生產率的增長幅度逐年減緩的同時，農業的地區差異性在不斷地擴大，受影響的農業發展活力長期處于不足的狀態[4]。而其中，農業生產方式的固定老舊、農業跨區域、跨環節延伸效果差、農業增值產品分配不合理問題間接導致了土地、勞動力資源缺失，嚴重制約了農業生態化轉型與農業生產活力的提升。從對比數據中可知，農作物產量與農業機械化的水平的進一步提高能夠產生相互推進的作用。兩者進入一種良性循環的同時，也在證明農機的推廣與優化改良意義的重要性[5]。

（三）分析現狀著手調查分析

人們的生活水平提高，對于飲食與健康已經不單單是停留于“如何吃飽”的基礎要求上，南京日報一篇名為《健康食品更暢銷，國產水果唱主角》的報道中提到，人們消費的新特點在于購買新鮮健康的果蔬，尤其是以西瓜、蘋果為主的國產水果[6]。中國的最主要藤類作物——西瓜的產量早在2013年就以66.75%數據位列世界第一。但是進一步調研發現，2020年西瓜產量數據6024萬噸與2011年的西瓜產量數據6025萬噸幾乎持平且略有下降。究其原因后發現，制約西瓜甜瓜的“品種同質化現象嚴重”“加工環節重視不夠，設備相對落后”等阻礙問題都直接或間接地將矛頭指向了農田機械化工作的不充足、大量無用藤蔓無法回收利用的問題[7]。

二、實地調研探尋理論支撐

（一）訪農業“打柴人”劃農田“山中事”

中國古語道“欲知山中事，須問打柴人”，在用戶調研方面，將使用農機用戶與未使用農機用戶的用戶原話提取、用戶觸媒情況統計以及用戶UX MAP的制作等方式進行系統性調研。

首先，在對原話提取調研階段結果進行整理與概括的過程中，訪問地點位于山東省青島市嶗山區街道桑園社區，有效訪問樣本30份，以上受訪者均從事農業活動，使用農機用戶樣本13份，未使用農機用戶樣本17份。該階段主題目的是尋找未使用農機用戶的原因與解決辦法，提取了原話出現次數超過5次的用戶原話進行了著重展示，如表1。其次，隨著中國經濟與科技的發展，從農用戶的觸媒情況也逐漸可以作為一項重要的參考數據，其中電子產品以電視、電腦、手機使用量為主，App軟件以微信、互聯網使用量為主。

1.考察量產農機

考察量產農機的主要分為前期對于FENDT、CLAAS、CNH、JOHN DEERE等現有農機品牌進行的以SWOT分析法模型，以及后期的實際機型近距離觀察、拍照、測量調研。在SWOT調研矩陣分析結果中，可以比較全面、更科學地了解每一個目標廠家的優勢。FENDT公司的農機交互設計是其最突出的特點；CLASS公司最突出的特點是其生產的可折疊式農機零件，收放自如、即開即用；CNH公司所設計的農機產品尺寸和功能豐富，在這個品牌下的農機擁有更多的功能思路的拓展與創新；JOHN DEERE公司在農機設計的過程中更加注重生態的保護與綠色農業工作機制的建立。根據制作的評價報告進行客觀的數據與意向分析，能夠得出在即將開始進行設計的農機產品中的部分設計思路，即生態保護型綠色農機、優化繁雜交互過程、節省空間的折疊結構、具有差異化的品類。

2.放眼未來農機

在未來概念農機的探索中，綜合設計比賽中的農機概念作品后，選擇了一款名為HIDRONEK的獲獎作品為代表的產品。整理分析結果后得到了部分使用結論例如：其一，未來農機的使用或許可以采用無人駕駛的交互形式進行工作；其二，在輪胎的設計上應該有更多的形態嘗試以解決中國農區地形復雜多變的問題；其三，在藤類植物的收獲問題上應該嘗試更多的收集方式，加入更多模塊化功能零件，如生態化可持續處理模塊等。

（二）匯集農機“金剛鉆”總攬設計“瓷器活”

1.判斷各功能的運用可行性

綜合前期3個階段的桌面調研以及實地調研，根據前期的方案靈感制作QFD質量模型，如圖1的構建為功能的篩選提供有力證據。經圖表計算，農機的主要功能以藤類作物采摘設計為主其次為無人駕駛與模塊化結構設計的設計思路，在各個模塊化結構中需要包括以產品運輸、輪胎差異化設計、生物堆肥、自主維修為先后順序的設計。

在對于藤蔓類秸稈肥料化與能源化利用的方面的調研中，如表2，根據數據可以得到結論，西瓜藤蔓經過青貯的處理方式后，其粗纖維經過進一步水解為低糖，其所含營養成分并沒有明顯降低數值。

2.分析確定農機架構

本文分別對于農機服務流程、農機外殼各零件尺寸兩個方面對于農機的預定義架構進行了設計與分析，如圖2，后又對無人駕駛架構進行了進一步的細化工作。

三、著手實踐建立設計原型

（一）分析理念確定設計策略

1.探尋空白定位意向

在農機服務流程圖中，如圖1，本文規劃了育種播種、智能采摘、產品運輸3個步驟以完成整個農機操作的服務。其中，需要人工操作的，如作物枝葉整理、小面積藥物噴灑與落實、根莖葉按需預處理選擇等細節問題均可使用遙控指揮農機進行小部分的細節作業。在農機收獲采摘模塊與堆肥預處理模塊完成第一批作物收集以及堆肥預處理的狀態下，播種模塊可以將準備好的肥料取出后在第二批作物播種結束后進行施肥操作。所有模塊在同一時間按計劃完成不同的工作。落實生態化、減少遺落根莖葉形成污染的同時，減少了田地收獲與再次播種期間的田地空白期。

完善設計策略后，本文利用設計定位法模型對于現階段的量產農機進行了分別以價格差異、功能差異、心理差異、技術差異4個方向的區域劃分，從中探尋設計空白后最后給予即將進行設計的產品較為明確的設計定位：功能上的定位：無人駕駛、藤類植物采摘、生物堆肥、農產品運輸、農作物保護；結構上的定位：模塊化艙體、履帶式輪胎、采摘機械臂。在設計意向關鍵詞中提取出“科技”“沉穩”“高效”3個關鍵詞，并尋找了與之相對應的意向圖片。

2.實踐計劃的制訂

按照制作的設計流程圖，如圖3，結束了前兩個階段的設計調研與設計定位后，準備正式進入設計實踐的工作當中，在接下來的建立設計原型的階段中，將從設計草圖原型開始尋找設計靈感，經歷結構原型、模型原型、交互原型后，對于所有原型展開用戶的測試工作并記錄數據與評估。

（二）依據策略建立設計原型

1.草圖原型建立

草圖原型的繪制前，本文主要對履帶的受力分析與尺寸、堆肥瓜藤原料的利用價值、采摘機械臂的選擇、預處理模塊的零件選擇進行了詳細的數據計算與規劃，為草圖的繪制做好準備。在農機輪胎差異化的進一步討論中，因為考慮到農機在中國農田崎嶇地形的適應性，對于穩定性較強的履帶式輪胎進行了著重討論，在青宗翼等[9]將履帶式農機的上坡與下坡，如圖4，進行了詳細的力學分析。

在數值計算后，獲得了農機履帶設計的最基本參數要求，如表3。

根據總結的輪胎物理的計算公式得出的數據作為基礎尺寸參考，并在農機在收獲采摘與貨物運送兩個工作模塊的區別上做出了模塊解體后分別工作的設計方式，以完成模塊化的理念。

在農機生態化模塊的設計上，為提高模塊的生態化物料提供效率，應設計為青貯、堆肥等工作提供原料的預處理模塊，如表4，使用者可按需進行瓜藤利用的預處理后，將生產出的原料投入使用。使用者只需要通過操縱屏幕完成工作類型模式的選擇，預處理模塊便可以進行工作。

關于采摘機械臂的討論中，如表5，分析采摘機械臂自由度的優缺點可以看出，4自由度的采摘機械臂更加適合瓜田的果實采摘環境，4個自由度分別為腰關節、肩關節、肘關節、腕關節，其中腰關節與腕關節為球形關節，肘關節與肩關節為圓形旋轉關節。

2. 3D模型原型建立

依據草圖原型建立3D模型，如圖5，能夠更好地為空間想象提供更加直觀的思路，零件架構與尺寸的合理性，模型與模型之間的關系是否存在穿模以及缺失的情況，都能在界面當中得以呈現。

（三）基于評估進行設計迭代

1.實體原型組裝與測試

為彌補3D原型缺失的實體空間感，決定根據3D原型建立實體原型，如圖5，并進行組裝測試。實體原型的建立目的是在空間感良好的情況下更好地觀察產品形態、產品零件銜接、產品架構等產品生產上的實際問題，以此來更好地論證設計理念的合理性。實體模型建立的過程中，模型的轉換、機械零件的插接、履帶式輪胎的轉動、升降結構的規劃都會以最直觀的形式呈現，并且提供有力的可行性論證。同時，實體模型的建立也是一個對于草圖原型、3D模型原型的一次設計迭代與反思。同等比例縮小狀態下的實體結構，如機械臂的運作結構、艙體的伸縮結構、模塊之間的銜接結構是否能正常制造與功能是否能正常實現是這一階段的重點問題。因為考慮到瓜田采摘環境的場地局限性，在3D原型的基礎上，將履帶與艙體都進行了伸縮結構的設計，以及機械臂的存放倉也一并設計在了后期的艙體之上。在制動模塊上添加了變速遙控馬達以達到模擬預期制動模塊尋找其他連接模塊與進行掃描工作的目的。所有的伸縮結構都使用國產微型滑塊MGN7型號進行連接，模塊與模塊之間采用0.5cm與1.5cm為半徑的磁力為20的圓形磁鐵與塑料卡扣，配合模擬模塊連接的運行工作，如圖5。在產品的CMF上也做了初期的討論，對部分零件做了噴漆和石膏粉的上色處理，在艙體中添加了隔熱材料以計算艙體的客容量條件。

原型測試小組的建立是能夠在集思廣益的思路中探尋同一原型的不同使用方法，可以讓設計者很好地脫離自身所沉浸其中的設計舒適區域。在此過程中，以視頻拍攝的方式，如圖6，記錄下用戶使用的過程并進行整理，尋找設計最新的設計迭代方向。

2.交互原型組裝與測試

交互原型的組裝與測試，目的是將此原型的設計還原于其本身的工作環境中，基于環境尋找設計漏洞的同時論證交互原型的使用可行性。在前期的實體模型建立中，已經添加了部分的遙控編程模塊，如圖5，以實體模型的尺寸為基礎，模擬產品的使用環境，測試遙控交互裝置的可實現性無人駕駛、遠程遙控、裝備拆卸等交互過程在這一階段得以測試并記錄。在所有工作結束后完成了最終的效果圖原型的制作，見圖6，檢查前期所有步驟合理性的同時，為后期的模型3D打印以及模型CMF的設計做好了前期準備工作。

3.設計反思提出迭代計劃

在綜上所有階段的設計結束后，需反思最后的設計結果。最終產出的產品在對于“可持續”的基本主題上雖然通過將藤蔓收集后無害化預處理的方式得以體現，但是在回收過程中所消耗的燃料以及排放的尾氣問題依然不能作為一個很好的設計結果得以呈現。在藤類植物的收獲上，機械臂零件的設計與結構的合理性上依然存在行為動作有所復雜、采摘結構不夠簡單高效的設計缺陷，需要進一步改進。在履帶式輪胎的應用上，履帶雖然在農田中展現了良好的適應性，但是在貨物運送的服務階段，履帶對于送貨速度的提升帶來了阻礙，如果多生產一組普通類輪胎則又會增加一部分成本造成更多的資本消耗。以上問題應該在未來的新一次設計迭代中進行改進。

結論

通過以上對于針對農業生態可持續性的模塊化智能收種農機在藤類種植區的設計與實踐，提出了藤類植物的選種、種植、農藥噴灑、果實收獲、藤蔓堆肥與農機模塊化工作、系統化服務流程的設計思想。加強了農機位于中國藤類種植區的運作適應性與機械覆蓋性。同時，經過總結與評估，在農機的模塊化鏈接與切換可行性的設計與實踐以及用于產品的收獲采摘的機械零件的巧妙設計上依然存在著運行方式簡易化操作設計不足、服務流程銜接細節不明確等缺陷問題，需要繼續進行設計的迭代與反思。在未來對于該產品設計與實踐的任務中，希望該產品所提供的設計思路能應用于更多品類農作物的種植工作中。讓該產品的設計思想與落地性實踐得到進一步的補充與加強。同時，在設計思想的呈現與對于社會的發展預示本領仍需要進一步的學習與探索。以此來彌補在本次設計上的缺點，為農機設計的可實現性提供明確的方向。

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