劉鈺杰，郭詠荃，姜國振，宋敬敬

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)工程實訓(xùn)中心，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；3.沈陽市汽車工程學(xué)校，遼寧 沈陽 110122）

種植反季節(jié)蔬菜是調(diào)節(jié)居民季節(jié)飲食環(huán)境、保障菜籃子供應(yīng)的主要途徑之一[1]，其中冬季韭菜就是人民非常喜愛的餐桌蔬菜之一[2]。韭菜又名懶人草、草鐘乳、扁菜等，屬于百合科多年生草本植物，具有抗寒、耐熱、抗蟲病等優(yōu)點[3]。冬季韭菜在山東濰坊地區(qū)廣泛種植，以夏天管理、冬季依靠保溫棚使其反季節(jié)生長然后收割韭菜為主要方式，為保證韭菜生長均勻，拉長收獲期，韭菜保溫棚一般以窄、低、長為主。本文以濰坊地區(qū)某鄉(xiāng)鎮(zhèn)種植棚為例，寬度為2.5 m左右，高度為1.1 m左右，長度根據(jù)地塊決定，一般大于40 m，如圖1所示。如此狹長的環(huán)境中，農(nóng)民在棚里工作，受棚內(nèi)空間限制，完成彎腰運輸、跪地翻土、爬行噴藥等工作，嚴(yán)重影響身體健康。近年來，新機具、新技術(shù)被廣泛應(yīng)用于蔬菜生產(chǎn)各環(huán)節(jié)[4]，設(shè)計一種專用于冬季韭菜管理、運輸?shù)臋C器人以減輕農(nóng)民的體力勞動十分有必要。

圖1 冬季韭菜棚

1 冬季韭菜棚內(nèi)部空間及土地狀態(tài)研究

1.1 冬季韭菜棚的內(nèi)部空間

韭菜棚內(nèi)部空間的合理測量是機器人設(shè)計的首要工作。北方韭菜的種植一般為起壟栽培，壟栽10行，行距250 mm左右，壟的寬度為2.5 m左右[5]。韭菜根屬于弦線根的須根系，沒有主側(cè)根，主要分布在100 mm～300 mm深的耕作層[4]。秋天天氣轉(zhuǎn)涼之后，需要搭建近半圓形韭菜棚將韭菜壟完全覆蓋，如圖2所示。韭菜棚的最大寬度一般為2.5 m，韭菜壟的中間需要做立柱將棚內(nèi)竹批頂起至1.1 m的高度，防止被保溫草簾和大雪壓塌，立柱一般選用直徑為80 mm的圓木或50×100 mm的水泥柱，使用圓木的韭菜棚較多；韭菜棚上每隔1.2 m會有立柱頂起竹批來支撐整個棚膜；韭菜棚出口一般為棚截面的3/5。

圖2 冬季韭菜棚結(jié)構(gòu)圖

1.2 割韭菜前后土地的變化情況及處理

冬季培育韭菜之前首先用旋耕機將土打散，再在處理干凈韭菜枯葉的土地上蓋上50 mm～80 mm的覆土，此時土質(zhì)較為松軟，有利于韭菜穿破土壤長出新葉。進入收割時，需要農(nóng)民進入大棚中收割打捆，在收獲頭刀韭菜的過程中，不斷踩踏松軟土質(zhì)，泥土?xí)冇采踔凛p微板結(jié)，此時機器人在較硬的土地上載重運輸，受到的阻力相對較小，但會進一步加大泥土板結(jié)的程度，泥土板結(jié)后二刀韭菜的莖葉受泥土阻擋無法長出，這時需要機器人攜帶翻土裝置將土地翻松即可。二刀韭菜生長過程中因棚內(nèi)溫度高、濕度大、有割口影響會產(chǎn)生灰霉病，需要噴灑藥劑防止韭菜潰爛。

2 機器人整體方案設(shè)計及主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 整機結(jié)構(gòu)

機器人的整體方案需要滿足機器人所使用的空間環(huán)境、地面環(huán)境和具備的功能。冬季韭菜運輸、管理機器人由機器人本體、翻土裝置和撒藥裝置組成，如圖3所示，機器人本體與翻土裝置和撒藥裝置可以單獨裝配使用，根據(jù)韭菜生產(chǎn)活動的不同選擇相應(yīng)的組合。機器人本體可單獨運行完成在狹長棚中運輸韭菜的工作；機器人本體與翻土裝置組合可完成土壤的翻耕；機器人本體與撒藥裝置也可單獨配合，完成撒藥工作；機器人本體上留有與翻土裝置和撒藥裝置以及電氣控制的接口，方便快速安裝調(diào)試。

圖3 機器人整體設(shè)計方案

2.2 工作原理

機器人本體設(shè)計整體較矮，總體高度200 mm，寬度450 mm，在運輸韭菜過程中，裝韭菜的筐高度500 mm，加上本體總高度為750 mm，如果機器人本體繼續(xù)加高則在運行過程中會撞壞上方韭菜棚的結(jié)構(gòu)。機器人運行時兩側(cè)距離棚邊及立柱有一定距離，機器人本體離立柱的距離為150 mm～450 mm，否則會出現(xiàn)運行碰撞的現(xiàn)象；機器人電池倉及控制系統(tǒng)采用下沉式設(shè)計，不占用機器人工作平臺；機器人的行走機構(gòu)充分考慮在土地較為松軟的環(huán)境下工作，首先考慮設(shè)計的結(jié)構(gòu)為履帶式，但是履帶式結(jié)構(gòu)成本較高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修和養(yǎng)護較為困難，農(nóng)機具的設(shè)計應(yīng)首先保證實用性與可靠性[6]；因此創(chuàng)新行走機構(gòu)，采用單側(cè)兩輪同驅(qū)結(jié)構(gòu)，一個電機通過鏈條就能驅(qū)動兩個輪子，減少電氣元件，提高可靠性，降低成本；翻土裝置是多個翻勾并排，利用直動推桿推動機構(gòu)深入土層，將土翻松；撒藥裝置由藥桶、藥桶固定裝置、高壓泵以及防刮噴藥桿組成。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

韭菜管理、運輸機器人技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 冬季韭菜管理、運輸機器人技術(shù)參數(shù)

3 主要工作部件設(shè)計

3.1 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

機器人在運輸韭菜、翻松土地和撒藥工作過程中，需要在松軟土質(zhì)上進行，在松軟土地上運行最好的為履帶式結(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、維護不方便，并考慮成本等因素，在本設(shè)計中不能使用，因此根據(jù)土地的實際條件采用單側(cè)兩輪同驅(qū)結(jié)構(gòu)，其能夠代替履帶式結(jié)構(gòu)，整個結(jié)構(gòu)如圖4所示。單側(cè)的兩個輪子7的動力來源于電機1，電機1將動力輸出經(jīng)過減速器2提高扭矩后，使輪軸3運轉(zhuǎn)，輪軸3上通過鍵帶動鏈輪4與輪子7同時轉(zhuǎn)動，鏈輪4上掛有鏈條5，鏈條通過小鏈輪6的張緊帶動另一側(cè)的鏈輪4轉(zhuǎn)動，鏈輪4與輪軸3通過鍵連接，輪軸3與輪子7連接，實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動。

圖4 單側(cè)兩輪同驅(qū)結(jié)構(gòu)

整個機器人底盤有四個輪子、兩個驅(qū)動同時控制，運行原理與坦克類似，可以實現(xiàn)直線行駛（雙向）、左右轉(zhuǎn)彎和原地打轉(zhuǎn)等運行動作。根據(jù)兩側(cè)同驅(qū)結(jié)構(gòu)的差速進行轉(zhuǎn)向控制和曲線運動控制，轉(zhuǎn)動的方向和曲線運動的半徑可通過兩輪旋轉(zhuǎn)方向及兩輪的速度差Δv來得到[7]，機器人運動學(xué)模型如圖5所示。

圖5 機器人運動模型

假設(shè)機器人正在做轉(zhuǎn)彎運動，由運動學(xué)可知：

上式中，vz為合速度即機器人運行中心的速度，vw為轉(zhuǎn)彎方向外側(cè)輪速，vn為轉(zhuǎn)彎方向內(nèi)側(cè)輪速。

上式中，ω為曲線運動角速度，L為兩個單側(cè)兩輪同驅(qū)結(jié)構(gòu)的輪距。由式（1）和式（2）可得曲線運動的轉(zhuǎn)彎半徑R：

根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）得，當(dāng)vw=vn時，機器人的運行速度vz=vw=vn，轉(zhuǎn)彎半徑R=∞，機器人實現(xiàn)直線行駛。當(dāng)vw=-vn時，轉(zhuǎn)彎半徑R=0，機器人原地打轉(zhuǎn)。當(dāng)vw≠vn和vw≠-vn時，機器人根據(jù)速度的差值，按照半徑R旋轉(zhuǎn)。

3.2 翻土裝置設(shè)計

翻土裝置主要由多齒翻土耙1、旋轉(zhuǎn)鉸鏈2、電動推桿3和推桿支架4組成，如圖6所示，主要對被踩踏板結(jié)的土壤進行翻松。其工作原理如下：多齒翻土耙1通過旋轉(zhuǎn)鉸鏈2與車體連接，且多齒翻土耙1能繞旋轉(zhuǎn)鉸鏈2轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動通過電動推桿3推動，電動推桿3一端通過推桿支架4連接到機器人本體。工作中的機器人進入棚中時電動推桿3收回，多齒翻土耙1隨之上揚，不會插入土地，進入棚中后，通過控制系統(tǒng)使電動推桿3伸出，連接的多齒翻土耙1回繞著旋轉(zhuǎn)鉸鏈下插，電動推桿3的推動力為1 400 N，能夠克服泥土阻力，多齒翻土耙1的翻土齒長為120 mm，插入土壤中的深度大于50 mm，控制機器人運行將棚中泥土翻松。

圖6 翻土裝置結(jié)構(gòu)

3.3 撒藥裝置設(shè)計

撒藥裝置主要由噴霧桿1、藥桶固定套2、藥桶3、高壓泵4組成，如圖7所示。機器人背有藥桶，藥桶通過藥桶固定套固定于機器人本體上，藥桶固定套上安裝高壓泵，高壓泵的進水端通過水管與藥桶連接進行吸水，高壓泵的出水端通過水管與噴霧桿連接，實施噴藥工作。

圖7 撒藥裝置結(jié)構(gòu)

4 自動控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要由人機交互、執(zhí)行裝置、主控系統(tǒng)和安全管理四大部分組成，如圖8所示。人機交互由SP2手柄對機器人進行控制，對執(zhí)行裝置發(fā)出控制信號，一鍵啟?？杀ＷC機器人在遇到 危險時及時停機，保護操作人員安全并減少危害與損失[8-9]；主控系統(tǒng)接收人機交互和安全管理的信號，并進行判斷和處理，控制執(zhí)行裝置執(zhí)行相應(yīng)動作。

圖8 翻土裝置結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論與分析

綜上所述，蔬菜規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵在于機械化和智能化收獲，以取得更快的上市時間，獲得最大的經(jīng)濟效益[10]。研究小組針對冬季保溫棚韭菜管理運輸?shù)膶嶋H情況設(shè)計了此款機器人，主要包括機器人本體、翻土裝置、撒藥裝置和控制系統(tǒng)四部分。根據(jù)使用環(huán)境，可以單獨使用機器人本體運輸，運輸重量達(dá)到70 kg；翻土裝置和機器人本體結(jié)合進行土壤翻松，翻松深度最大達(dá)到80 mm，一遍翻松土壤便達(dá)到韭菜生長的條件；機器人和撒藥裝置配合對韭菜農(nóng)田進行撒藥工作，單次撒藥面積不低于160 m2，且噴施的均勻程度與人工噴施均勻程度一致。冬季韭菜管理、運輸機器人能夠輔助農(nóng)民的田間工作，減輕農(nóng)民的體力勞動，促進冬季韭菜的田間管理標(biāo)準(zhǔn)化，進而提高韭菜產(chǎn)量。