王 鴻，顧金梅，李 飛，李 楊

嘉興學(xué)院機電工程學(xué)院，浙江嘉興 314100

當(dāng)今時代是個科技高速發(fā)展的時代，各種新的技術(shù)和新的理論不斷出現(xiàn)。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，現(xiàn)代溫室種植模式得到廣泛的重視，對傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式帶來了較大沖擊，給農(nóng)業(yè)機械開發(fā)和研究提出了許多新的挑戰(zhàn)，隨著新的農(nóng)業(yè)機械的不斷出現(xiàn)又促進了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。

隨著中國人口越來越多，民以食為天，不僅吃飽，吃的更好，隨著人們生活水平的不斷提高，人們更注重合理膳食，而水果在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色，因為它不僅富含豐富的營養(yǎng)而且有助于消化，同時還有降血壓，減緩衰老，減肥瘦身，皮膚保養(yǎng)，明目抗癌等功效。水果的需求量越來越大，然而采摘水果卻成了困擾果農(nóng)們的難題，需大量人力物力。為了解決摘果難題、高效采果，同時不損傷果皮，降低勞動成本，促成水果大眾化，我們設(shè)計了將廣泛應(yīng)用在溫室農(nóng)業(yè)作物收獲的溫室采摘機械。

1 溫室采摘車的基本機構(gòu)的組成

1.1 溫室采摘車的設(shè)計理念

根據(jù)總體設(shè)計中的設(shè)計方案，并且組織樣機生產(chǎn)加工、標(biāo)準(zhǔn)件、電氣元件以及其他設(shè)備的選型，設(shè)計出一種小型移動式可自動連續(xù)升降的溫室農(nóng)作物果實采摘車，該采摘車設(shè)計的主要要求如下。

1）要具備可靠性好、精度高的檢測系統(tǒng)，以便于準(zhǔn)確地識別和定位成熟的果實。

2）要具備柔性和靈巧性都比較好的機械手及末端執(zhí)行器，能夠在作業(yè)過程中躲避障礙物，這就要求機械手具有一定的冗余度。由于采摘對象為樹上的小果子，果實質(zhì)地柔軟易損傷，要求設(shè)計末端執(zhí)行器時，能快速準(zhǔn)確地切除果實，并確保不損壞果實[1]。

3）由于作業(yè)對象分布的隨機性，要求采摘機器人在運動過程中能夠不斷探測和判斷目標(biāo)，并根據(jù)要求采摘果實，這個過程中的數(shù)據(jù)處理量相當(dāng)大，要求采摘機器人必須具備實時性高的控制系統(tǒng)，通常采用開放式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。

4）研究采摘機器人的主要目的之一是代替人工作業(yè)，提高采摘效率；同時，還要注意保證采摘的成功率，盡量避免采摘到不成熟的果實。

5）在機構(gòu)設(shè)計過程中，要進行機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)分析，應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計的方法來設(shè)計機器人的機構(gòu)，而且機構(gòu)必須緊湊，以便于能夠更靈活地作業(yè)[2]。

6）由于采摘機器人的操作者是農(nóng)民，操作過程必須簡單，而且要盡可能地降低成本，以確保更好地推廣。

1.2 采摘車的基本組成

根據(jù)采摘車的功能、設(shè)計參數(shù)和采摘車應(yīng)實行的運動要求，采摘車需要具備相應(yīng)功能的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，其主要組成：原動部分、傳動部分、工作部分、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng).通過各個部分的互相協(xié)調(diào)，保證采摘車的正常運行和其功能的實現(xiàn)。使其能在一定范圍內(nèi)保持良好的穩(wěn)定性，并能精確的隨著需要上下前后移動。

2 溫室采摘車各部件的設(shè)計及篩選

2.1 原動部分和傳動部分設(shè)計

由于溫室采摘車主要工作于溫室大棚內(nèi)，自身有一定的重量，且設(shè)計任務(wù)要求溫室采摘車有一定的行駛速度，選擇電動機為原動機來驅(qū)動溫室采摘車在地面上的行駛。在電動機的選取方面，對兩種電動機的選取進行了比較，其中電子式的無極調(diào)速器比機械式的精度更高，普遍適用于日常的電瓶車等較廣范圍，而機械式的調(diào)速器操作不夠靈活，在一定程度上影響了實際的功能，故選用電子式無極調(diào)速器[3]。另外，對于傳動部分的設(shè)計，由于工作空間大小已經(jīng)限定，要求采摘車整體緊湊，使用方便可靠，成本低廉，且可用在低速重載有沖擊振動的工作條件下，因此，行走傳動機構(gòu)選用鏈傳動。采用履帶結(jié)構(gòu)，使采摘車在各種情況下的大棚內(nèi)部如履平地，可以平穩(wěn)的行走。

2.2 工作部分設(shè)計

采摘車工作部分分為底盤、行走系統(tǒng)、舉升系統(tǒng)、工作平臺.其中底盤和工作平臺結(jié)構(gòu)較簡單，下面主要介紹舉升系統(tǒng)和行走系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容。

1）舉升系統(tǒng)。

考慮到本課題溫室栽培中的多種因素：抬升高度不是很高、承載重量不是很大，并且造價要求相對較低，擬采用剪叉液壓升降臺，通常，液壓剪叉式升降平臺主要用于載人高空作業(yè)和低高度提升重物[4]?，F(xiàn)將其用在溫室采摘中簡單可靠，而且升降自如，可合理利用空間，方便使用。在選擇系統(tǒng)前，通過比較氣動控制和液壓控制，其中，氣動控制的精度較低，會隨著氣壓差的變化而過高或過低的升降，相對而言，液壓的精度較高，承受壓力較大。故選用液壓控制讓其更加靈活，更精確的采摘果實。其工作原理如圖1、2 所示。

2）行走系統(tǒng)。

溫室采摘車行走系統(tǒng)的設(shè)計主要考慮采摘車能夠平穩(wěn)地進行前進后退動作，由于操作的工人基本上都是農(nóng)民，所以造作需要簡單方便，成本低?；谏鲜鰡栴}我采用了后輪驅(qū)動，前輪從動的行駛系統(tǒng)，就像普通的農(nóng)業(yè)收割機，真正方便農(nóng)民的實際操作。另外，將前輪裝在輪盤上徑向轉(zhuǎn)動，使其能夠自動改變方向。類似于挖掘機的行走方式和其履帶結(jié)構(gòu)，所設(shè)計的采摘車能夠較為方便的適應(yīng)各種地形。

圖1 單側(cè)剪叉結(jié)構(gòu)簡化示意圖

圖2 舉升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3 液壓系統(tǒng)

采摘車工作臺的升降采用液壓傳動，由于液壓包和液壓缸各具獨立的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要組合成各種不同的甚至是分離式的結(jié)構(gòu)方式。與同規(guī)格常規(guī)液壓站相比，液壓動力包具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，操作簡單，維護保養(yǎng)方便的特點，現(xiàn)已廣泛用于我國的工程機械、汽車、農(nóng)機、機床等各個行業(yè)[5]。由此，我們選擇液壓動力包作為溫室采摘車的驅(qū)動裝置，液壓缸為執(zhí)行元件。

液壓動力包是一種微型液壓動力源。其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，適用于采摘車這類小型設(shè)備采摘車液壓升降過程為：當(dāng)舉升平臺時.電動機帶動油泵泵油，經(jīng)單向閥進入油缸，油缸推動平臺上升；當(dāng)平臺下降時，電磁閥通電、換向，缸中的油經(jīng)過電磁閥、節(jié)流閥流回油箱，平臺落下；舉升工作平臺時，由油缸中的活塞桿伸出，推動又架臂運動，將工作平臺舉升至所需高度位置；下降時可借助自身重力作用降到規(guī)定位置.液壓缸是將電機、泵、閥、缸、油箱緊湊地連接在一起的整套液壓裝置，將其布置在剪叉式結(jié)構(gòu)的下剪叉臂之間，使升降平臺的行程可達到液壓缸行程的8～9 倍，減小了液壓缸的長度與直徑，最大限度地減小了液壓缸的體積，便于在較狹小的空間內(nèi)布置液壓缸。另外，由于液壓缸已經(jīng)布置在舉升系統(tǒng)的剪叉結(jié)構(gòu)上，因此液壓包和液壓缸采取的是分離式的結(jié)構(gòu)方式。

4 控制部分

控制部分主要借鑒于遙控玩具汽車的遙控裝置，控制采摘車的前進后退左右移動以及升降平臺的升降移動。無線遙控距離可達200m，并且采摘車縱向正反向行駛可在0m/min～30m/min 的速度范圍內(nèi)無級調(diào)速，保持一定的精確性。

遙控系統(tǒng)的控制主要分為兩部分，一部分為行走系統(tǒng)的控制，另一部分為舉升系統(tǒng)的控制。出于方便方面考慮，將兩部分的系統(tǒng)分開控制，當(dāng)其行走系統(tǒng)工作時，同樣可以操控其舉升系統(tǒng)，方便行走時通過一些障礙物，另外也可以單獨操作其中一個系統(tǒng)，方便其準(zhǔn)確采摘。在設(shè)計電路時，通過繼電器和熔斷器對其電動機進行保護，防止電動機的燒壞，保護電路的安全。

5 結(jié)論

基于目前的狀況，國內(nèi)對機械化農(nóng)業(yè)并未給與相當(dāng)?shù)闹匾暎蛘哒f基本國情的限制，很難大規(guī)模機械化，通過研究設(shè)計高效、廉價、操作靈活，性能可靠，結(jié)構(gòu)簡便的機器，同時免除高空摘果的危險性，有良好的市場前景和應(yīng)用價值。

設(shè)計的溫室采摘車結(jié)合了機械設(shè)計，電氣，液壓，自動控制理論等多門學(xué)科的知識，能夠?qū)崿F(xiàn)其自由的前后左右運動、升降等動作，基本上達到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。其中，該設(shè)計的主要研究成果有：1）利用蓄電池供電，液壓系統(tǒng)提供動力，機械構(gòu)造采摘車的主體，有效的將機電液統(tǒng)一起來，使其功能更加完善；2）該設(shè)計巧妙的采用了連桿機構(gòu)使得液壓升降臺能夠穩(wěn)定的完成升降動作；3）在設(shè)計中運用了生活中的遙控玩具汽車的遙控裝置，讓采摘車的控制方便快捷了很多；4）充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單，活動靈活，操作方便的特點。

最后，將其經(jīng)過完善并通過生產(chǎn)制造成產(chǎn)品投入市場，將會具有很高的實用價值。

[1]崔玉潔，張祖立，白曉虎.采摘機器人的研究進展與現(xiàn)狀分折［J］.農(nóng)機化研究，2007（2）.

[2]張鐵中，徐麗明，湯慘映.果蔬采摘機器人研究進展與展望［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2006（5）.

[3]徐麗明.果蔬果實收獲機器人的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題和對策［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004，20（5）：38-142.

[4]劉安琦.溫室采摘車的機電液一體化設(shè)計[D].北京工業(yè)大學(xué)，2009.

[5]高自成，李立君，劉浩.油茶果采摘機物料收集裝置的選型研究與設(shè)計［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2011，31(10).