張義勝，宮玉敏，侯心愛，刁培松，張銀平，黃道跟，郭 剛

(1.淄博市農業(yè)機械研究所,山東 淄博 255086；2.山東理工大學，山東 淄博 255000;3.山東魯虹農業(yè)科技股份有限公司，山東 曲阜 273100)

0 引言

植物保護是農業(yè)生產的重要工作。農作物病蟲害防治是勞動強度最大的田間勞動[1]，藥物防治是確保農業(yè)穩(wěn)產增收的重要措施[2]，而植保機械的自動化水平成為降低勞動強度，提高植物保護成效的關鍵。

目前，我國大田作物生長期的追施肥、病蟲害防治等田間管理機械的研制尚處于起步階段，主要存在的問題是可靠性差、故障率高、機械結構復雜、性能差等[3]。其中噴霧設備比較落后，很多地方還在使用背負式的手動噴霧設備或者是高壓噴槍，不僅藥量大、用藥不均勻，而且還會嚴重污染環(huán)境[4]。農藥過量使用會帶來生產成本增加、農產品殘留超標、作物藥害、環(huán)境污染等問題，直接威脅農業(yè)可持續(xù)發(fā)展[5]。

傳統(tǒng)噴藥方式采用人工式噴藥，不僅工作強度大、噴藥不均勻，且可能出現重噴、漏噴等情況，無法保證噴霧質量，對環(huán)境也會產生一定的污染，使作物產生抗藥性，增加作物感染寄生蟲的風險[6]。

我國作為農業(yè)生產大國，丘陵山區(qū)地帶占國土面積的10%[7]。廣大山區(qū)或丘陵地區(qū)種植地塊面積小，道路狹窄，大型植保機械不方便進入土地作業(yè)。

為滿足市場需求，克服傳統(tǒng)噴藥方式存在的缺點，研制了3WP-200型智能植保機器人。

1 植保機器人結構及工作原理

3WP-200型智能植保機器人主要技術指標如下：

遙控四輪自走式；

最小離地間隙≥15 cm；

輪距65～70 cm；

行進速度2.4～9.6 km·h-1；

遙控距離≤1 000 m；

藥箱容量200 L；

藥泵流量≥6 L·min-1；

工作壓力0.2～0.3 MPa；

大田除草作業(yè)寬度6～8 m；

葡萄專用作業(yè)高度≤2 m；

果樹型作業(yè)高度≤6 m。

如圖1所示，為3WP-200型智能植保機器人結構,由動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)4部分組成。

動力系統(tǒng)由5.5 kW汽油發(fā)電機和交直流轉換器組成，也可更換為蓄電池。動力系統(tǒng)最后輸出直流電，分別為行走系統(tǒng)的轉向電機、四輪驅動電機、噴霧系統(tǒng)中的藥泵、噴槍電機、控制系統(tǒng)、控制器等提供電力。

控制系統(tǒng)由控制器和遙控器組成。機器人作業(yè)時，工作人員通過遙控器遠程操作，控制器通過天線接收到信號后，向各系統(tǒng)發(fā)出相應指令，控制植保機器人的前進、后退、停止、轉向和作業(yè)。

行走系統(tǒng)由四輪驅動機構和轉向電機組成。每個行走輪上方安裝有轉向電機，每個行走輪中心安裝有驅動電機，完成植保機器人的行走及轉向工作。

噴霧系統(tǒng)由藥泵、藥液箱、噴灑裝置組成。噴霧系統(tǒng)開關由遙控器控制，藥泵為農用3缸柱塞泵，藥泵將藥液箱中藥液輸送到噴灑裝置。

植保機器人采用后置式噴灑裝置，配置噴槍擺動噴灑、噴頭裝載于垂直噴桿噴灑、噴頭裝載于橫向噴桿噴灑三種結構型式，分別滿足果樹、葡萄架、大田農藥噴灑需求。

1.保護罩；2.藥液箱；3.機架；4.驅動輪；5.藥泵；6.控制系統(tǒng)；7.前車架總成；8.發(fā)電機；9.噴槍擺動噴灑裝置；10.保護架；11.藥泵進口；12.壓力調節(jié)閥門；13.藥泵出口a；14.藥泵出口b；15.整流穩(wěn)壓模塊；16.換熱器圖1 噴槍擺動噴灑植保機器人結構圖

2 三種噴灑裝置結構

2.1 噴槍擺動噴灑裝置

如圖2所示,噴槍擺動噴灑裝置由擺動機構、電機護罩、電機、減速機、噴灑裝置固定板、噴灑機構組成。

如圖3所示，擺動機構總成由螺栓、電機擺動拉桿、連接桿、關節(jié)軸承、螺母、噴灑機構及擺動機構連接桿等組成。

藥泵兩個出水口分別連接到兩個噴槍，兩個噴槍固定在擺動機構上。電機做旋轉運動，帶動擺動機構左右往復擺動，進而帶動噴槍一邊噴灑，一邊左右擺動。兩個噴槍通過搖擺可以實現180°無死角全方位噴灑，噴槍噴霧距離大、覆蓋面廣，可用于果樹植保作業(yè)，作業(yè)高度在6 m以內。

電機采用直流小型齒輪減速電機，功率40 W，額定電壓24 V，轉速3 000 r·min-1。減速機減速比120∶1，即減速機最高輸出轉速為25 r·min-1。調整輸入電壓的大小，可改變輸出轉速的大小,即改變擺動機構的擺動頻率。

1.擺動機構；2.電機護罩；3.電機；4.減速機；5.固定板；6.噴灑機構圖2 噴槍擺動噴灑裝置結構圖

1.擺動拉桿；2.連接桿；3.關節(jié)軸承；4.關節(jié)軸承；5.連接桿；6.銷軸；7.銷軸圖3 擺動機構總成

1.彎頭；2.噴頭；3.軟管卡子；4.軟管1；5.軟管2；6.接頭；7.軟管3；8.軟管4；9.三通；10.卡箍；11.豎管底部固定段；12.豎管底部T型連接段；13.進水軟管；14.橫桿；15.噴頭固定卡子圖4 噴灑裝置(垂直安裝)結構圖

2.2 噴頭裝載于垂直噴桿噴灑裝置

如圖4所示,噴灑裝置替換為桁架式，即噴桿垂直安裝，噴桿上均勻設置12個噴頭，藥泵兩個出口分別與垂直噴桿噴灑裝置兩個進水口連接軟管連接，藥液通過12個噴頭進行噴施。

垂直噴桿噴灑裝置適用于對獼猴桃、葡萄、西紅柿、黃瓜等爬藤果蔬進行噴灑作業(yè)，作業(yè)高度在2 m以內。

2.3 噴頭裝于橫向噴桿噴灑裝置

如圖5所示,噴桿橫向安裝時，噴桿上均勻設置12個噴頭，藥泵兩個出口分別連接到橫向噴桿噴灑裝置兩個進水連接軟管，藥液通過12個噴頭噴向植物。橫向噴桿噴灑裝置可以進行大田、葉菜類的噴霧作業(yè)，作業(yè)寬度為6～8 m。

1.彎頭；2.軟管；3.噴頭；4.三通；5.噴頭固定卡子；6.斜拉桿；7.進水軟管；8.T型固定架；9.卡箍；10.軟管卡子；11.橫桿圖5 噴灑裝置(橫向安裝)結構圖

3 噴灑量測試

2020年9月14日，在淄博市農業(yè)機械研究所院內，對3WP-200型智能植保機器人2#樣機進行了噴灑量初步測試。測試按照T/CAMA 22-2019《噴桿式植保機器人》、GB/T24677.2-2009《噴桿噴霧機試驗方法》等標準進行。測試項目為噴槍噴灑量、噴桿噴頭噴灑量、噴桿上各噴頭噴霧量變異系數、噴頭防滴性能測量等。試驗地塊平整，試驗介質為常溫下不含固體懸浮物的清水。

三種噴灑裝置試驗壓力均設定額定工作壓力為0.3 MPa。

3.1 噴槍噴灑量測定

測定工作開始之前，首先對噴槍進行檢查，確認出口無堵塞現象時，方可進行測定。

噴槍的數量為2個，總的清水排量為20 L,記錄測試時間，然后計算單位時間內噴槍的噴灑量。測試次數為3次。噴槍流量檢測場地見圖6，測定結果見表1。

圖6 噴槍流量檢測

表1 噴槍流量檢測結果

3.2 噴桿噴頭噴灑量測定

測定工作開始之前，首先對噴頭進行檢查，確認出口無堵塞現象時，方可進行測定。

由于噴桿橫向安裝及垂直安裝，噴頭噴灑量一致，因此只記錄噴桿橫向安裝時噴頭噴灑量。

噴桿橫向安裝，噴頭的數量為12個?？偟那逅帕繛?0 L,記錄測試時間，然后計算單位時間內噴桿噴頭的噴灑量。測試次數為3次，測定場地見圖7，測定結果見表2。

圖7 橫向安裝噴桿噴頭噴灑量測定

表2 噴頭流量檢測結果

3.3 噴桿噴頭噴霧量變異系數測定

噴桿上各噴頭的噴霧量變異系數按照GB/T24677.2-2009中5.3的規(guī)定執(zhí)行。根據標準要求，植保機器人在額定工作壓力下噴霧時，噴桿上各噴頭的噴霧量變異系效應不大于15%。

試驗前，按噴頭制造廠提供的壓力和流量指標對噴頭進行檢驗，合格后方可在植保機上裝配。

試驗壓力為額定工作壓力0.3 MPa，測定噴桿上每個噴頭的噴霧量，噴頭的數量為12個。用塑料袋盛接霧流，袋口密封嚴實，避免霧滴飛濺或外流。測定時間1 min，試驗次數三次，按式(1)～(3)[8]計算噴霧量變異系數。

(1)

(2)

(3)

式中q1、……、qn—各噴頭噴霧量，L·min-1；

n—噴頭數量，個；

∑q—噴頭的總噴霧量，L·min-1；

S—標準差，L·min-1；

CV—噴霧量變異系數,%。

這里只記錄噴桿橫向安裝的測試數據,測定結果見表3。計算結果表明，各噴頭的噴霧量變異系數為7.8%，符合標準要求。

表3 噴頭噴霧量變異系數測定結果

噴頭噴霧量的大小取決于工作壓力的大小和噴頭的結構尺寸。當噴頭有堵塞現象時，影響噴霧量的大小，進而影響噴頭的噴霧量變異系數。

3.4 噴桿噴頭防滴性能的測量

噴桿噴頭防滴性能測量按照GB/T 24677.2-2009中5.4的規(guī)定執(zhí)行。

植保機在額定工作壓力下進行噴霧，停止噴霧5 s后計時，觀察出現滴漏現象的噴頭數，計數各噴頭1 min內滴漏的液滴數，出現滴漏現象的噴頭數量應不大于噴頭總數的10%，且單個滴漏噴頭滴漏的液滴數應不大于10 滴·min-1。測定結果記入表4。測定結果表明，第一次測試時，1號噴頭滴漏5 滴·min-1；第二次測試時，6號噴頭滴漏2 滴·min-1；第三次測試時，11號噴頭滴漏5 滴·min-1；三次測試噴頭滴漏總數為12 滴·min-1，噴頭滴漏的平均值為1，符合標準要求。

表4 噴頭滴漏的液滴數測定結果

4 結論

(1)3WP-200型智能植保機器人，噴灑裝置后置設計，配置噴槍擺動噴灑、噴頭裝載于豎向噴桿噴灑、噴頭裝載于橫向噴桿噴灑三種結構型式，一機多用，分別滿足果樹、葡萄架、大田農藥噴灑需求,大大提高了機具的適用性。

(2)使用3WP-200型智能植保機器人，一人操作便可輕松完成整個噴藥工作，極大地提高了植保作業(yè)效率,減輕農戶的勞動強度。噴灑均勻，減少用藥量，降低作業(yè)成本，避免了藥液在空氣中彌散造成人員中毒的危險，減輕對土壤污染。

(3)試驗表明，噴槍噴灑量、噴桿噴頭噴灑量、噴桿上各噴頭噴霧量變異系數、噴頭防滴性能的測量等指標均符合有關標準要求。

(03)