徐 航,萬志遠(yuǎn),孫銘澤

(山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,山東 德州 253072)

0 引言

農(nóng)田雜草已成為危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一。我國(guó)傳統(tǒng)的除草方式主要為人工除草和化學(xué)除草,人工除草不但需要消耗大量的體力、精力,而且除草效果十分有限;化學(xué)除草雖能對(duì)雜草生長(zhǎng)起到抑制作用,但易造成環(huán)境污染,不符合可持續(xù)發(fā)展理念[1-2]。應(yīng)用機(jī)械除草方式較為環(huán)保,效率一般為人工除草的10～15倍,減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度、可有效節(jié)約勞動(dòng)力成本、提高農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入[3-4]。農(nóng)業(yè)機(jī)械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分,是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要推動(dòng)力[5],運(yùn)用科學(xué)的管理手段和先進(jìn)適用的農(nóng)機(jī)裝備來提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和農(nóng)民收入。

機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ),是機(jī)電一體化系統(tǒng)所有功能要素的主要支持結(jié)構(gòu)。除草機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅決定著除草機(jī)器人的外觀,還決定著除草機(jī)的功能、工作時(shí)的可靠性和靈活性[6-7]。目前,主流的除草機(jī)只有除草功能沒有收草功能,且不能鏟除多年生草本植物。針對(duì)此問題,設(shè)計(jì)了一種智能除草收草機(jī),實(shí)現(xiàn)除草、收草的一體化流程,還能將回收的草進(jìn)行再利用。對(duì)比傳統(tǒng)除草方式,除草機(jī)的平均除草合格率為94.20%,平均粉碎率為92.29%[8],能有效提升農(nóng)業(yè)除草的效率,減少化學(xué)藥劑殘留,適宜推廣使用。

1 總體方案設(shè)計(jì)

智能除草收草機(jī)主要由4部分組成,制動(dòng)結(jié)構(gòu)、除草結(jié)構(gòu)、鏟草過濾結(jié)構(gòu)和收集結(jié)構(gòu)。在本文機(jī)器裝置介紹中,去掉了制動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),因?yàn)榇瞬糠值膬?nèi)容沒有進(jìn)行改進(jìn),所以不再進(jìn)行詳細(xì)的贅述。具體的機(jī)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.除草結(jié)構(gòu);2.鏟草過濾結(jié)構(gòu);3.機(jī)架;4.收集結(jié)構(gòu);5.推塊;6.第一伸縮桿; 7.滾動(dòng)柱;8.圓柱鋸齒;9.第四伸縮桿;10.壓板;11.艙門;12.收集箱;13.輸送帶;14.第二伸縮桿;15.鏟草刀;16.除草輪;17.除草刀圖1 機(jī)器結(jié)構(gòu)示意圖

智能除草收草機(jī)中的除草結(jié)構(gòu)位于機(jī)架前端,包括與機(jī)架固定的推塊,一對(duì)結(jié)構(gòu)相同的第一伸縮桿,第一伸縮桿下端轉(zhuǎn)動(dòng)連接著除草輪,除草輪外圓周均布有多個(gè)除草刀,除草刀為鐮刀狀結(jié)構(gòu)。鏟草過濾結(jié)構(gòu)包括一對(duì)結(jié)構(gòu)相同的第二伸縮桿、鏟草刀、輸送帶、滾動(dòng)柱,滾動(dòng)柱外圓周均布有多個(gè)圓柱鋸齒。收集機(jī)構(gòu)位于機(jī)架的后端,包括第四伸縮桿(第四伸縮桿下端與壓板固定連接)和收集箱組成。

智能除草收草機(jī)利用除草結(jié)構(gòu)中的推塊先將較高的雜草推倒,再通過第一伸縮桿將除草輪調(diào)制適宜除草的位置,除草輪滾動(dòng)帶動(dòng)除草刀將雜草鏟除,雜草鏟除后通過鏟草過濾結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鏟草刀將雜草鏟起,并通過滾動(dòng)柱輔助將雜草推送至輸送帶,通過輸送帶將雜草輸送至收集箱中。在此過程中,輸送帶將傳輸中攜帶泥土的雜草進(jìn)行過濾,雜草被輸送至收集結(jié)構(gòu)內(nèi),收集結(jié)構(gòu)中的第四伸縮桿帶動(dòng)壓板下壓,將雜草壓縮成塊狀,然后通過收集箱中的連桿結(jié)構(gòu)相互配合將雜草送出收集箱。

2 機(jī)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 除草結(jié)構(gòu)

除草結(jié)構(gòu)位于機(jī)架前側(cè),包括與機(jī)架固定的推塊,一對(duì)結(jié)構(gòu)相同的第一伸縮桿、除草刀、除草輪(圖2)。其位置及連接關(guān)系:推塊可以是三角形的,也可以是其他形狀,只要保持推塊右前端為傾斜的面,且上端面大于下端面,能將較高的雜草推到即可;第一伸縮桿下端轉(zhuǎn)動(dòng)連接著除草輪,除草輪外圓周均勻分布多個(gè)除草刀,除草刀為鐮刀狀結(jié)構(gòu);除草輪可變速轉(zhuǎn)動(dòng),通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)除草輪轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)除草刀轉(zhuǎn)動(dòng),從而將雜草鏟除。機(jī)架上固定的第一伸縮桿為電動(dòng)推桿,其下端與除草輪轉(zhuǎn)動(dòng)連接,通過所處環(huán)境進(jìn)行伸縮調(diào)節(jié),從而去控制除草裝置的豎直高度,達(dá)到鏟除雜草的最佳高度。

1.第一伸縮桿;2.推塊;3.除草刀;4.除草輪圖2 除草結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 鏟草過濾結(jié)構(gòu)

鏟草過濾結(jié)構(gòu)包括與機(jī)架鉸接的鏟草刀、一對(duì)結(jié)構(gòu)相同的第二伸縮桿、滾動(dòng)柱、圓柱鋸齒、輸送帶和驅(qū)動(dòng)電機(jī)(圖3)。

1.鏟草刀;2.圓柱鋸齒;3.第二伸縮桿;4.滾動(dòng)柱;5.輸送帶;6.驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖3 鏟草過濾結(jié)構(gòu)示意圖

其位置及連接關(guān)系:鏟草刀右側(cè)鉸接第二伸縮桿,第二伸縮桿上端與機(jī)架鉸接固定。通過鏟草刀的上下擺動(dòng)來控制與地面之間的距離,方便將雜草鏟起,第二伸縮桿也采用電動(dòng)推桿的形式,通過第二伸縮桿的伸縮實(shí)現(xiàn)鏟草刀的擺動(dòng)。滾動(dòng)柱與機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)連接,滾動(dòng)柱位于鏟草刀上方,滾動(dòng)柱外圓周圍均布有多個(gè)圓柱鋸齒。電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)柱轉(zhuǎn)動(dòng),滾動(dòng)柱轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)雜草向上傳輸。輸送帶位于鏟草刀左側(cè),且開設(shè)多個(gè)過濾孔,這樣在輸送雜草的過程中,雜草中夾雜的泥土可通過過濾孔被過濾掉,同時(shí)雜草隨著輸送帶傳輸至收集裝置中。

工作時(shí),除草結(jié)構(gòu)除掉雜草后,鏟草過濾結(jié)構(gòu)中的第二伸縮桿控制鏟草刀放入地下,隨著機(jī)器的前進(jìn),前端的鏟草刀將雜草鏟起,滾動(dòng)柱在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)輸送帶運(yùn)動(dòng),在輸送雜草的過程中,輸送帶上的過濾孔,將雜草帶上來的泥土過濾掉,最后通過輸送帶將雜草運(yùn)輸至收集箱內(nèi),完成鏟草過濾工作。

2.3 收集結(jié)構(gòu)

收集結(jié)構(gòu)包括收集箱、壓板、第四伸縮桿(圖4a)。收集箱主要構(gòu)件包括艙門、第一連桿、第二連桿、第三伸縮桿和擋板(圖4b)。輸送帶輸送雜草至收集箱內(nèi),通過壓板的豎直滑動(dòng)將雜草壓縮,第四伸縮桿下端與壓板固定連接,上端與機(jī)架固定連接。收集箱左側(cè)鉸接艙門,艙門可擺動(dòng)打開,當(dāng)工作完成后,通過艙門打開收集箱,將收集后的雜草取出。

1.收集箱;2.壓板;3.第四伸縮桿;4.艙門;5.第一連桿;6.第三伸縮桿;7.第二連桿;8.擋板圖4 收集結(jié)構(gòu)示意圖

工作時(shí),當(dāng)輸送帶將雜草輸送到收集箱后,收集箱上端的壓板在第四伸縮桿的伸縮下豎直滑動(dòng)壓縮,使收集箱中的雜草變成草餅狀,以此來增大空間。當(dāng)收集箱中的雜草集滿后,第三伸縮桿向下端伸縮較小的距離,帶動(dòng)第二連桿,第二連桿帶動(dòng)第一連桿,第一連桿帶動(dòng)收集箱向外移動(dòng)。艙門設(shè)計(jì)成擺動(dòng)結(jié)構(gòu),當(dāng)連桿結(jié)構(gòu)將收集箱送出后,艙門自動(dòng)打開將雜草排出,完成收集工作。

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由用戶界面(信息接收平板)、控制主機(jī)、各類傳感裝置和受控設(shè)備組成。傳感裝置連接控制主機(jī),傳感裝置收到信息后向控制主機(jī)傳輸信號(hào),從而信息接收平板對(duì)控制主機(jī)下達(dá)指令實(shí)現(xiàn)對(duì)受控設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制。信息接收平板能夠?qū)Χ嗦吩O(shè)備進(jìn)行控制,用戶只需要坐在信息接收平板前,就可以直觀地操作智能除草收草機(jī),包括控制機(jī)器行走、除草鏟草等。整機(jī)啟動(dòng)后,由控制中心進(jìn)行自檢,若各個(gè)部位工作正常,智能除草收草機(jī)的工作部位由原來位置移動(dòng)到工作位置,再開始工作,推塊將雜草推倒,除草結(jié)構(gòu)中第一伸縮桿的內(nèi)置電機(jī)帶有力反饋功能,當(dāng)?shù)谝簧炜s桿帶動(dòng)除草輪到達(dá)地面后,第一伸縮桿的內(nèi)置電機(jī)給控制主機(jī)傳輸力反饋信息?？刂浦鳈C(jī)分析后,控制除草輪轉(zhuǎn)動(dòng),除草的同時(shí)鏟草過濾結(jié)構(gòu)開始運(yùn)作,將雜草鏟起進(jìn)行運(yùn)輸。收集結(jié)構(gòu)中的第四伸縮桿,在控制主機(jī)的控制下進(jìn)行定時(shí)壓縮,當(dāng)收集箱中的雜草填滿后,控制主機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿將雜草運(yùn)出。

2.5 元件采用的種類及作用

第一伸縮桿采用的是電動(dòng)推桿伸縮桿(深圳卓創(chuàng)傳動(dòng)科技有限公司,卓創(chuàng)傳動(dòng)科技品牌的ZCO1A型電動(dòng)推桿)。ZCO1A型號(hào)的電動(dòng)推桿(圖5)可配對(duì)到PLC系統(tǒng)中,還可在里面加裝壓力傳感器、配置編碼器,通過變頻器或控制器控制,實(shí)現(xiàn)精確定位,控制電動(dòng)推桿的伸縮長(zhǎng)度,當(dāng)接觸到地面后給予控制系統(tǒng)力反饋信息[9]。

圖5 ZCO1A型電動(dòng)推桿

控制器選用ESP32系列單片機(jī)的ESP32-S為主控制器,ESP32是由樂鑫公司(ESPRESSIF)推出的一款集成WiFi功能的微控制器(圖6)。ESP32芯片具有主頻32位雙核處理器,CPU正常工作速度為80 MHz,最高可達(dá)240 MHz,其SRAM最大支持16 MB片外SPI Flash,WiFi協(xié)議支持多種協(xié)議,速度高達(dá)150 Mbps,藍(lán)牙協(xié)議支持藍(lán)牙v4.2完整標(biāo)準(zhǔn),包含傳統(tǒng)藍(lán)牙(BR/EDR)和低功耗藍(lán)牙(BLE),同時(shí)還具備豐富的外設(shè)接口,如GPIO、SPI、UART等常用接口,適用于智能除草收草機(jī)的控制主機(jī)要求[10-11]。

圖6 ESP32控制器

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款智能除草收草機(jī),通過此機(jī)器的除草結(jié)構(gòu)、鏟草過濾結(jié)構(gòu)和收集結(jié)構(gòu),完成對(duì)田間地頭、農(nóng)業(yè)果園中雜草的鏟除和收集工作。解決現(xiàn)在農(nóng)業(yè)中農(nóng)藥殘留、除雜草不徹底、雜草易再生等問題。對(duì)目前市面上只有除草功能沒有收草功能的除草機(jī)進(jìn)行了改造升級(jí)。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)提升了農(nóng)業(yè)除草效率,使雜草廢物利用,減少農(nóng)業(yè)雜草再生的煩惱,提高了農(nóng)民生產(chǎn)效率。