湯靖雯

（江西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引言

蔥屬蔬菜，在我國蔬菜生產(chǎn)中占有極其重要的地位，其種植面積占蔬菜總播種面積的10%，產(chǎn)量占總產(chǎn)量的7%。根據(jù)調(diào)查，我國大蔥多采用傳統(tǒng)手工收割方式，存在工作效率低、勞動強度大、成本高、品質(zhì)不穩(wěn)定等明顯問題[1-2]。目前，市面上大蔥機功能單一，自動化程度低。

基于此，筆者以現(xiàn)代大蔥種植農(nóng)民對高效低耗的大蔥農(nóng)用機械的迫切需求為出發(fā)點，研究設(shè)計了松土、收割、捆綁、傳送、切割、裝運、播種、澆水一體化的新能源智能大蔥機[3-4]。該多元一體化智能大蔥機作品圖如圖1所示，模型圖如圖2所示。

圖1 作品圖

圖2 模型圖

1 創(chuàng)作思路與作品構(gòu)思

1.1 創(chuàng)作思路

為了解放農(nóng)民雙手，緩解耕作壓力，本研究團隊設(shè)計了集松土、收取、捆綁、傳送、切割、裝運、播種、澆水、覆土為一體的智能全自動大蔥機。

通過對大蔥機的市場調(diào)查及對使用者使用感受的問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)目前我國大蔥收割方式大多是傳統(tǒng)的手工收割，但手工收割存在明顯缺點，例如工作效率低、勞動強度大、成本高、品質(zhì)不穩(wěn)定等。為了解決這些問題，本研究團隊設(shè)計了一款多元一體化智能大蔥機——“蔥”慧機，并進行了試驗，試驗結(jié)果表明，該“蔥”慧機極大地提高了大蔥收割的工作效率，降低了農(nóng)民勞動強度。

1.2 作品構(gòu)思

因為慧魚模型的多樣化讓設(shè)計有了無限的可能，研究團隊結(jié)合實際情況并進行了多種嘗試，經(jīng)過比較和篩選，最終研發(fā)出了多元一體化智能大蔥機。該多元一體化智能大蔥機由智能控制系統(tǒng)、行走裝置、收取裝置、傳送裝置、捆綁裝置、多功能夾爪裝置、切割裝置、播種裝置及清潔能源裝置等構(gòu)成，具有操作自動化、功能模塊化、智能化等特點。

1）智能控制裝置：由TXT控制器與計算機組成，接通開關(guān)后，程序自動運行。

2）行走裝置：電機帶動帶輪傳遞給履帶進行走動。

3）收取裝置：電機帶動齒輪嚙合轉(zhuǎn)動再帶動輪子，使皮帶進行轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)收蔥功能。

4）多功能夾爪裝置：①上下移動。由電機帶動齒輪箱在齒條上進行移動，從而實現(xiàn)上下移動功能。②前后移動。運用了輪系的分路傳動，由電機帶動主齒輪，再由主齒輪帶動嚙合的兩個副齒輪，最后經(jīng)過鋼管的傳遞從而實現(xiàn)前后移動功能。③左右移動。運用了螺旋機構(gòu)，由電機帶動齒輪，再由齒輪傳遞給螺桿完成左右移動。

5）捆綁裝置：利用偏心輪結(jié)構(gòu)，通過電機帶動連桿使膠帶進行圓周運動，實現(xiàn)捆綁。

6）切割裝置：根據(jù)不同買家的需求可以進行選擇性切割，利用電機帶動齒輪箱在齒條上移動，實現(xiàn)上下、前后運動并進行切割。

7）播種裝置：利用電機帶動齒輪箱，再由齒輪箱帶動齒條進行上下移動，當(dāng)覆土擋板下降啟動時，紅色擋板會同時升起，在抖動下種子會掉出并順著藍(lán)色滑梯掉入土壤中，再由覆土擋板將土壤蓋到種子上方，在播種時灑水裝置也會啟動進行澆水。

8）清潔能源裝置：利用太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能為蓄電池持續(xù)供電，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。

9）輔助裝置：內(nèi)置松土裝置、澆水裝置、覆土裝置等。

2 創(chuàng)新設(shè)計與產(chǎn)品分析

2.1 市場產(chǎn)品分析

通過市場調(diào)查和產(chǎn)品分析，發(fā)現(xiàn)目前市面上大蔥收割機的種類和數(shù)量都比較少，并且功能單一。我國市面上的智能收蔥機水平有待提高，種類有待豐富，智能化市場有待開發(fā)[5-6]。因此，構(gòu)思研發(fā)功能更齊全、性價比更高的智能大蔥收割、捆綁、切割、運輸、播種一體化農(nóng)用機具有重要的現(xiàn)實意義。

2.2 作品創(chuàng)新點

1）高效收取播種，功能多樣[7-8]。該作品功能多樣齊全，擁有松土、收取、播種、澆水、覆土等多樣功能，可以大幅度提高大蔥耕作效率，解放了農(nóng)民的雙手，減少了農(nóng)民的耕作壓力，相比傳統(tǒng)大蔥機，該作品更具有優(yōu)勢。

2）智能捆綁，可控切割。目前市面上的農(nóng)機大多是把大蔥收完后扔在地上，再讓農(nóng)民去捆綁，考慮到節(jié)省人力和時間，在大蔥收割機上設(shè)計捆綁功能，大大提高了工作效率。同時，考慮到有部分買家不想要蔥葉，在運輸時就可以把蔥葉切掉，且切掉的葉子還會推入土壤中作為養(yǎng)料，但也可以根據(jù)需要保留蔥葉。這滿足了不同消費者的消費需求，同時實現(xiàn)了資源最大化利用。

3）多功能夾爪，智能靈活。該作品采用了多功能夾爪裝置，可以進行全方位移動。在捆綁時，可以按壓大蔥起到穩(wěn)固作用；捆綁結(jié)束后，可以將大蔥推上鏈條進行二次運輸，當(dāng)?shù)搅艘欢〞r間收納箱裝滿時，還可以起到運輸作用。

4）清潔能源，低碳環(huán)保。利用太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，為蓄電池持續(xù)供電，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。

3 各部分結(jié)構(gòu)及工作原理

智能多元一體化大蔥機具有自動收蔥播種澆水、智能捆綁切割、自動傳輸?shù)裙δ?，可以通過智能手機、電腦等終端進行遠(yuǎn)程控制。其組成可分為：行走裝置、收取裝置、傳送裝置、捆綁裝置、多功能夾爪裝置、定制化切割裝置、播種裝置、清潔能源裝置、智能控制裝置[9-10]。試驗結(jié)果表明，該多元一體化智能大蔥機使用便捷，控制智能，效率高，極大地降低了農(nóng)民的勞動強度，市場應(yīng)用前景廣闊。

3.1 行走裝置

結(jié)合土質(zhì)結(jié)構(gòu)、高低不一等多種因素考慮，行走裝置最終采用坦克履帶。通過電機帶動帶輪傳遞到履帶，再帶動后方的輪子來實現(xiàn)行走功能。采用履帶的主要優(yōu)勢如下：1）支承面積大，接地比壓小，下陷度小，滾動阻力小，更適合在松軟或泥濘場地進行作業(yè)；2）越野機動性好，可以在有些凹凸的地面上行走，可以跨越障礙物，爬坡、越溝等性能均優(yōu)于輪式行走機構(gòu)。行走裝置如圖3所示。

圖3 行走裝置

3.2 收取裝置

收取裝置采用了帶傳動，利用電機帶動齒輪再帶動傾斜的傳送帶完成大蔥自下而上的收取。在收取前，松土裝置下降，將大蔥根部土壤鏟松，方便傳送帶進行收??；當(dāng)完成收取后，松土裝置自動上升，防止與地面摩擦受損。相對于傳統(tǒng)的大蔥收取方式，采用傾斜傳送帶收取大蔥效率更高。收取裝置如圖4所示。

圖4 收取裝置

3.3 傳送裝置

傳送裝置采取了常見的傳送帶形式。利用電機帶動齒輪，再傳動給皮帶，使收取的大蔥能夠平穩(wěn)安全地落入U形托盤中。傳送裝置如圖5所示。

圖5 傳送裝置

3.4 捆綁裝置

捆綁裝置采用了偏心輪機構(gòu)，其具有以下優(yōu)點：1）可調(diào)節(jié)性好，可以根據(jù)不同的綁扎要求調(diào)整繩索的緊度和長度，非常靈活；2）高效節(jié)能，可以快速而準(zhǔn)確地完成綁扎過程，大大提高了工作效率，同時也節(jié)約了人力和能源；3）結(jié)構(gòu)簡單，易于維護和維修。捆綁裝置如圖6所示。

圖6 捆綁裝置

3.5 多功能夾爪裝置

多功能夾爪裝置可以實現(xiàn)上下、前后、左右全方位移動，多功能夾爪裝置如圖7所示。該裝置具有以下特點：1）上下移動。由電機帶動齒輪箱在齒條上進行移動，從而實現(xiàn)上下移動功能。2）前后移動。運用輪系的分路傳動，由電機帶動主齒輪，再由主齒輪帶動嚙合的兩個副齒輪，最后經(jīng)過鋼管的傳遞從而實現(xiàn)前后移動功能。3）左右移動。運用螺旋機構(gòu)，由電機帶動齒輪，再由齒輪傳遞給螺桿完成左右移動。在U形托盤裝滿蔥時，多功能夾爪裝置可將蔥根推出進行捆綁，在捆綁時按壓大蔥起到穩(wěn)固的作用。捆綁結(jié)束后，可以將大蔥推上鏈條進行二次運輸，當(dāng)?shù)搅艘欢〞r間收納箱裝滿時，還可以起到運輸作用。

圖7 多功能夾爪裝置

3.6 定制化切割裝置

可根據(jù)客戶需求，選擇是否對大蔥進行切割。當(dāng)大蔥需要切割時，切割裝置利用電機帶動齒輪箱在齒條上移動，實現(xiàn)上下、前后運動進行切割，完成切割后將大蔥推到收納箱中。切下來的葉子會順著滑梯落入土中變成養(yǎng)料。當(dāng)大蔥不需要切割時，切片會將大蔥直接推入收納箱中。切割裝置如圖8所示。

圖8 切割裝置

3.7 播種裝置

播種裝置利用電機帶動齒輪箱，再由齒輪箱帶動齒條進行上下移動，當(dāng)覆土擋板下降啟動時，紅色擋板會同時升起，在抖動下種子會掉出，并順著藍(lán)色滑梯掉入土壤中，再由覆土擋板將土壤蓋到種子上方，在播種時灑水裝置也會自動啟動并進行澆水。播種裝置如圖9所示。

圖9 播種裝置

3.8 清潔能源裝置

清潔能源低碳環(huán)保，因此研究團隊利用太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，為蓄電池持續(xù)供電，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。清潔能源裝置如圖10所示。

圖10 清潔能源裝置

3.9 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)由ROBO Pro控制軟件、TXT、限位開關(guān)、氣動裝置和位置傳感器組成。通過位置傳感器進行檢測，當(dāng)檢測到大蔥后，智能大蔥收割機開始前進，同時收取裝置啟動，開始收蔥；當(dāng)位置傳感器檢測不到大蔥時，智能大蔥收割機將進行轉(zhuǎn)彎并前進直到檢測到大蔥。位置傳感器如圖11所示。對于TXT控制器的接口，本研究團隊對其進行了擴展操作，保證作品所需的電源、輸入信號、輸出信號都可以連入控制器中，由控制器對各電機、傳感器的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，進一步保證了大蔥收取運行的可靠性。

圖11 位置傳感器

4 推廣應(yīng)用價值

多元一體化智能大蔥機，有以下推廣應(yīng)用價值：

1）節(jié)省時間和人力。多元一體化大蔥機，將松土、收取、捆綁、傳送、切割、裝運、播種、澆水、覆土等功能融為一體，大大提高了工作效率，解放了農(nóng)民的雙手。

2）智能控制。簡單明了，僅需按一下開關(guān)，機器就會自行運動。

3）定制服務(wù)，可控切割?？筛鶕?jù)客戶需求，選擇是否對大蔥進行切割，切割下來的葉子會落入土中化為養(yǎng)料。

4）環(huán)保。利用清潔能源供電，減少了石油能源的使用，節(jié)約用電，保護環(huán)境。

5）通用智能農(nóng)機。可以收取類似大蔥的作物，只需調(diào)整環(huán)境參數(shù)、判別要素和執(zhí)行順序，便可以應(yīng)用于不同的作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境或執(zhí)行不同的功能。