丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺設(shè)計(jì)

摘" 要：針對丘區(qū)果園作業(yè)環(huán)境艱苦、人工作業(yè)效率低、安全隱患多等現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一款減少污染風(fēng)險和提高生產(chǎn)力的丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺。首先，結(jié)合園藝技術(shù)確定了丘區(qū)果園電動作業(yè)平臺的技術(shù)參數(shù)；然后，依據(jù)工作原理對丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺的車架、行走機(jī)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和采摘機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，行走機(jī)構(gòu)采用三角履帶輪機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用后置驅(qū)動方式，采摘機(jī)構(gòu)采用機(jī)械手結(jié)構(gòu)，同時對丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺的整機(jī)進(jìn)行了建模；最后，對丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺的控制流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：丘區(qū)果園；履帶式；電動；作業(yè)平臺；設(shè)計(jì)

收稿日期：2023-05-26

基金項(xiàng)目：四川省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（24QYCX0023）

作者簡介：呂秋榮 （2000—），男，四川南充人，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)器人視覺檢測技術(shù)。

通信作者：吳昊榮 （1989—），女，寧夏靈武人，博士，講師，主要從事機(jī)器視覺檢測技術(shù)研究。

0" 引言

丘陵地區(qū)的果園作業(yè)主要以人工為主，且大部分地區(qū)需使用人工梯架進(jìn)行采摘、修剪等工作，工作效率低下且存在著較大的安全隱患［1］。隨著城市化進(jìn)程的加速，果農(nóng)老齡化問題日益嚴(yán)重。且水果成熟期比較集中，收獲時間短暫，勞動力匱乏限制了果園的發(fā)展，而果園規(guī)模化發(fā)展為果園機(jī)械化作業(yè)提供了先決條件。歐美國家在作業(yè)平臺的研發(fā)較早，大多采用輪式行走機(jī)構(gòu)，控制方式以液壓控制為主，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜［2］。而與我國相近的日本和韓國，由于其果園多數(shù)位于丘陵山區(qū)，因此其果園作業(yè)平臺多采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，升降機(jī)構(gòu)大多采用折臂式、剪叉式等［3］。國內(nèi)果園作業(yè)平臺主要包含牽引式作業(yè)平臺和自走式作業(yè)平臺。牽引式果園作業(yè)平臺大多采用輪式行走機(jī)構(gòu)，并由動力機(jī)械提供動力，多為單一的平臺機(jī)構(gòu)另加輔助功能，一般不能夠升降，其結(jié)構(gòu)相對簡單，功能較為單一，且轉(zhuǎn)彎半徑較大［4］，如威海現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備有限公司生產(chǎn)的FT1型、FT2型牽引式果園作業(yè)平臺。自走式果園作業(yè)平臺具備小轉(zhuǎn)彎半徑、靈活運(yùn)動的特點(diǎn)，適用范圍廣泛。

2012年河北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的履帶式多功能果園作業(yè)平臺，采用履帶式行走機(jī)構(gòu)和剪叉式升降機(jī)構(gòu)，可單人完成作業(yè)需求操作，但作業(yè)平臺尺寸較小、舉升高度有限，不能實(shí)現(xiàn)多人連續(xù)性采摘以及無法完成較高位置的采摘和剪枝作業(yè)［5］。2018年山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的多功能遙控作業(yè)平臺，通過遙控方式進(jìn)行控制，采用折疊臂式升降機(jī)構(gòu)和電液式雙向調(diào)平機(jī)構(gòu)，可以在一定程度上提高作業(yè)人員安全性［2］。隨著環(huán)保問題的關(guān)注，適用于現(xiàn)代新型果園的種植模式，集采摘、運(yùn)輸功能一體的履帶式小型果園電動作業(yè)平臺將是未來丘區(qū)果園的必備之選。

1" 丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺技術(shù)要求及工作原理

1.1" 丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺技術(shù)要求

丘陵地區(qū)果園與平原地區(qū)果園不同，路面不平，坑洼較多，特別是雨后的道路泥濘，復(fù)雜的工作環(huán)境要求作業(yè)平臺要有較強(qiáng)的越障能力和行駛功能恢復(fù)能力。其次，現(xiàn)代新型果園中果樹株距一般為3.5 m×1.5 m、樹高3～4 m，因此要求作業(yè)平臺整機(jī)體形較小，能夠?qū)崿F(xiàn)較大弧度的轉(zhuǎn)動。再者，當(dāng)前國家大力提倡節(jié)能減排，降低污染物排放，所以要求作業(yè)平臺采用清潔環(huán)保的電力驅(qū)動。最后，作業(yè)平臺的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮安全因素，具有足夠的承載能力。丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺技術(shù)要求如表1所示。

1.2" 丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺工作原理

丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺是一種專門用于水果采摘及運(yùn)輸?shù)淖鳂I(yè)機(jī)械。該作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。三角履帶輪安裝于機(jī)械底盤后端的左右兩側(cè)；傳動系統(tǒng)使用直流電機(jī)，通過萬向傳動裝置將動力傳遞到左右兩側(cè)三角履帶輪；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動齒條，再通過相應(yīng)的連桿使2個轉(zhuǎn)向輪沿著作業(yè)平臺行駛方向偏轉(zhuǎn)1個角度，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動；采摘機(jī)構(gòu)安裝于機(jī)械底盤的前端部分。工作時，驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動行走機(jī)構(gòu)，到達(dá)作業(yè)位置后，水果采摘臂通過電機(jī)控制采摘夾的動作，將采摘夾伸到樹上的水果旁邊，然后通過采摘夾的合攏把水果采摘下來，經(jīng)采摘臂底座旋轉(zhuǎn)后將水果放進(jìn)車斗中。

2" 丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1" 車架的設(shè)計(jì)

車架是驅(qū)動作業(yè)平臺行走的載體，承載著作業(yè)平臺各個機(jī)構(gòu)的重量。設(shè)計(jì)作業(yè)平臺車架時，需要考慮載重能力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等。首先是載重能力，在確定了承重能力之后，就可以進(jìn)行材料選擇；其次是在作業(yè)過程中，車架需要經(jīng)受各種外部力的作用，例如路面顛簸、載物的沖擊等，因此車架還需要考慮到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度特性。

2.2" 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺行走機(jī)構(gòu)采用三角履帶輪，三角履帶輪一般由橡膠履帶、驅(qū)動輪、張緊輪、張緊裝置、支重輪、承重支架和導(dǎo)向輪構(gòu)成。履帶式行走裝置由連接回轉(zhuǎn)支承裝置的行走支架通過支重輪和履帶將載荷傳至地面。履帶呈封閉環(huán)繞過驅(qū)動輪和導(dǎo)向輪，當(dāng)履帶由于磨損而伸長時可由張緊裝置調(diào)整其松緊度。

2.3" 傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺傳動系統(tǒng)如圖2所示，為使作業(yè)平臺運(yùn)動穩(wěn)定可靠，在本作業(yè)平臺的傳動系統(tǒng)中加入差速器和萬向傳動裝置。

差速器可以將驅(qū)動電機(jī)的動力通過齒輪和傳動軸傳遞到2個驅(qū)動輪上，在直線行駛時，差速器使2個驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)速度保持一致。當(dāng)車輛行駛過彎道時，內(nèi)側(cè)輪與外側(cè)輪需要以不同的速度旋轉(zhuǎn)，這時候差速器就會自動調(diào)整傳動力矢量，讓2個驅(qū)動輪可以以不同的速度旋轉(zhuǎn)。

萬向節(jié)連接差速器與驅(qū)動輪，當(dāng)作業(yè)平臺行駛過彎道時，傳動軸需要隨著轉(zhuǎn)向而發(fā)生位置變化，而萬向節(jié)在這個過程中可以旋轉(zhuǎn)和傾斜以適應(yīng)傳動軸的位置變化，并維持傳動軸的傳遞效率。此外，由于傳動軸可能會發(fā)生縱向移動，萬向節(jié)必須能夠承受相應(yīng)的伸縮變形，以確保傳動軸不受損壞。

2.4" 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了獲得具有較好的穩(wěn)定性和承載能力的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作業(yè)平臺，采用了后置驅(qū)動方式，其中轉(zhuǎn)向輪并不作為驅(qū)動輪，只用于支撐和轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)的輸出軸通過驅(qū)動直齒條進(jìn)行驅(qū)動，然后再通過連桿將2個轉(zhuǎn)向輪沿著行駛方向偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)如圖3所示。

2.5" 采摘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

水果采摘機(jī)械臂是一種針對無人化或半自動化水果采摘的機(jī)械設(shè)備，其作用是在一定的載荷和一定的速度條件下，能夠完成水果采摘的要求。由于需要大量采摘水果，機(jī)械臂要求具有高效的采摘能力，同時，由于果樹高低不一樣，因此機(jī)械臂需要具有可調(diào)節(jié)的作業(yè)范圍，以便適應(yīng)不同大小的果樹。水果采摘機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖4所示。

機(jī)械手臂只用于水果的采摘，負(fù)載較小，可采用伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，由于機(jī)械手臂底部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動需要一定的定位控制精度，故采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)。為了使機(jī)械臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定工作，將回轉(zhuǎn)電機(jī)固定在底座上，使用螺栓連接將機(jī)械手臂與底部回轉(zhuǎn)軸連接，確保電機(jī)的輸出軸能夠與機(jī)械手臂的旋轉(zhuǎn)軸對齊，通過齒輪傳動裝置能讓機(jī)械手臂完成回轉(zhuǎn)運(yùn)動。

水果形狀是不規(guī)則的，要使末端執(zhí)行器具有良好的通用性，能夠抓住任意形狀，所以設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器采用三指結(jié)構(gòu)。相較于兩指結(jié)構(gòu)，三指結(jié)構(gòu)采摘水果的穩(wěn)定性更好。

2.6" 整機(jī)的三維裝配

在完成全部零部件的三維設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行三維裝配，以下是傳動機(jī)構(gòu)的部件裝配流程：1）打開SolidWorks軟件，在打開的空白窗口中，選擇“文件”—“新建”—“裝配”；2）在“裝配”界面中，選擇“插入零部件”，并依次導(dǎo)入需要的各個零部件，包括三角履帶輪、差速器、萬向傳動機(jī)構(gòu)等；3）在“裝配”界面中，選擇“配合”—“約束類型”，并通過選擇不同的約束類型對各個零件進(jìn)行定位和旋轉(zhuǎn)操作。比如，可以選擇“平行”約束來保證2個三角履帶輪平行等；4）如需查看內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以選擇“剖切”的功能，在“裝配”界面中，選擇“剖切”—“全局剖切”，并設(shè)置剖切面的位置和方向。

在進(jìn)行三維裝配時，需要注意各個零部件之間的定位、旋轉(zhuǎn)和限制條件。傳動系統(tǒng)三維裝配如圖5所示，丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺整機(jī)裝配如圖6所示。

3" 丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺用于果園采摘、運(yùn)輸作業(yè)的機(jī)械設(shè)備，涉及多個控制模塊之間的協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)動及作業(yè)的精確控制和管理。丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺的控制要求如下：1）行駛控制模塊包括1個驅(qū)動電機(jī)和1個轉(zhuǎn)向電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能；2）采摘控制模塊是丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺中重要的控制部件，其主要作用是控制采摘高度和采摘方向。通過改變控制信號的參數(shù)，采摘控制模塊可以調(diào)整采摘臂的高度和方向，以滿足不同的農(nóng)業(yè)作業(yè)需求；3）電池管理系統(tǒng)是能源存儲裝置，可以監(jiān)測和控制電池的充放電狀態(tài)，并提供電池保護(hù)和維護(hù)功能；4）在丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺中，還需要設(shè)置一些系統(tǒng)安全控制模塊，在檢測到緊急情況時自動停止行駛和采摘作業(yè)。

丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺需要進(jìn)行多種復(fù)雜控制操作。單片機(jī)具有性價比高、通用性強(qiáng)、易于維護(hù)和技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，能夠在短時間內(nèi)完成大量計(jì)算和邏輯判斷，可以為丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺提供高效穩(wěn)定的控制支持［6］。丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺控制系統(tǒng)選用AT89S52單片機(jī)，其控制方式如圖7所示。

4" 結(jié)語

丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)平臺是一種專門針對果園作業(yè)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，其電動驅(qū)動系統(tǒng)能夠提供持續(xù)穩(wěn)定的動力輸出，可適應(yīng)各種地形，具有多功能、高效率、安全性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著人工智能的發(fā)展和5G技術(shù)的普及，智能化設(shè)備已成為重要的發(fā)展趨勢，未來的電動作業(yè)平臺可以配備傳感器和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對果園環(huán)境和果樹生長狀況的監(jiān)測和分析，并據(jù)此進(jìn)行智能化作業(yè)調(diào)整。履帶式電動作業(yè)平臺具有廣闊的發(fā)展前景，且隨著人們對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量要求的不斷提高，丘區(qū)果園履帶式電動作業(yè)將會得到不斷改進(jìn)和完善。

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