遠(yuǎn)程遙控式智能果園噴藥機(jī)器人的設(shè)計(jì)

曹瑋鑫 張金磚 李東坤 汪鵬 夏旻飛 康璐

摘要：針對(duì)果園病蟲(chóng)害防治難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種適合遠(yuǎn)程遙控操作的智能噴藥機(jī)器人。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該機(jī)田間作業(yè)最大爬坡角達(dá)33°，作業(yè)速度達(dá)5.65 km/h，機(jī)械臂水平調(diào)節(jié)角度能達(dá)到180°，噴藥高度能達(dá)到1～3 m，無(wú)線控制和視頻傳輸在無(wú)遮擋環(huán)境下可傳輸距離200 m，少量遮擋環(huán)境下為100 m。該機(jī)為果園病蟲(chóng)害防治提供了一種新的方法。

關(guān)鍵詞：果園噴藥機(jī)器人；關(guān)鍵部件；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2018）08-0114-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.08.028

Design on Remote Control Orchard Spraying Robot

CAO Wei-xin，ZHANG Jin-zhuan，LI Dong-kun，WANG Peng，XIA Min-fei，KANG Lu

（School of Engineering，Anhui Agricultural University，Hefei 230036，China）

Abstract： In view of the difficult problem of insect pest control in orchard， an intelligent spraying robot suitable for romote control operation was desigened. After testing the machine field maximum climbing angle of 33 degrees，the operating speed of up to 5.65 km/h，the mechanical arm level adjustment angle can reach 180 degrees，spraying height can reach 1～3 m，wireless video transmission and control in no circumstances can block 200 m transmission distance，a small amount of occlusion under the environment of 100 m. This machine provides a new method for the prevention and control of orchard diseases and insect pests.

Key words： orchard spraying；key component；design

植保機(jī)械以其高效率、低污染的優(yōu)勢(shì)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的病蟲(chóng)害防治及糧果高產(chǎn)方面起到了關(guān)鍵作用，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在植保機(jī)械方面進(jìn)行了各方面的研究。如龔艷等[1]建立了植保機(jī)械適用性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為植保機(jī)械的推廣應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)，王杰等[2]從風(fēng)機(jī)的性能、模擬及試驗(yàn)研究方面分析了植保機(jī)械專用風(fēng)機(jī)的研究現(xiàn)狀，蔡晨等[3]研制出了小型助力推車式果園噴霧機(jī)，邱白晶等[4]對(duì)變量噴霧技術(shù)進(jìn)行了研究分析。此外，在植保機(jī)械的噴霧機(jī)性能關(guān)鍵技術(shù)、動(dòng)力底盤(pán)、噴霧機(jī)噴桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化、噴霧機(jī)機(jī)架減震設(shè)計(jì)、自動(dòng)對(duì)靶噴霧控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面亦進(jìn)行了大量研究試驗(yàn)[5-10]。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)植保機(jī)械進(jìn)行了大量研究，取得了豐碩的成果，但針對(duì)果園智能噴藥機(jī)械尚需進(jìn)一步研究。

本研究針對(duì)果園智能噴藥機(jī)械，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種遠(yuǎn)程遙控式智能噴藥機(jī)器人，該機(jī)采用橡膠履帶行走機(jī)構(gòu)具有轉(zhuǎn)彎半徑小、接地面積大、跨溝越埂能力強(qiáng)等特點(diǎn)，采用噴藥機(jī)械臂機(jī)構(gòu)具有根據(jù)不同果樹(shù)調(diào)節(jié)噴頭噴藥形式達(dá)到噴藥分布均勻的優(yōu)勢(shì)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程遙控式智能噴藥機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由行走機(jī)構(gòu)、藥液檢測(cè)機(jī)構(gòu)、藥液供給機(jī)構(gòu)、霧化調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、噴霧機(jī)械臂機(jī)構(gòu)、圖像采集裝置和終端控制器組成。其中，噴藥裝置和圖像采集裝置均固定安裝在行走機(jī)構(gòu)上并隨著行走機(jī)構(gòu)的移動(dòng)而移動(dòng)；噴藥裝置用于噴射藥液；圖像采集裝置用于采集行走機(jī)構(gòu)的行走路況視頻；終端控制器用于獲取圖像采集裝置所采的信息，并根據(jù)獲取的信息控制噴藥裝置進(jìn)行噴藥作業(yè)。

噴藥機(jī)器人在作業(yè)時(shí)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)前進(jìn)、后退或轉(zhuǎn)向；圖像采集裝置采集現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境并傳輸至終端控制器；藥液供給機(jī)構(gòu)將藥液輸送至高壓噴槍；噴藥機(jī)械臂機(jī)構(gòu)根據(jù)不同的果樹(shù)形狀，調(diào)節(jié)噴藥豎直和水平方向上的角度，對(duì)果樹(shù)進(jìn)行定向噴藥；霧化調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)根據(jù)實(shí)際噴霧需求，通過(guò)遠(yuǎn)程電機(jī)控制得到合適的噴嘴霧化形狀；藥液檢測(cè)機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)控藥箱藥液的存有量，以便及時(shí)補(bǔ)充。遠(yuǎn)程遙控式智能噴藥機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 行走機(jī)構(gòu)

2.1.1 行走機(jī)構(gòu)工作原理 車體的輪履結(jié)構(gòu)如圖2所示。行走機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，減速電機(jī)為其提供驅(qū)動(dòng)力，采用兩輪等速同向驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行前進(jìn)和后退，采用兩輪差速差向驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行轉(zhuǎn)向和調(diào)頭。

2.1.2 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

1）爬坡能力設(shè)計(jì)。 橡膠履帶式在爬坡時(shí)遇到以下兩種阻力，即：

運(yùn)動(dòng)阻力Wy=0.12Gcosα （1）

式中，0.12——運(yùn)動(dòng)阻力系數(shù)，G——樣機(jī)自重（N），α——坡度角。

樣機(jī)自重在斜坡方向的自重Wp=Gsinα， （2）

最大牽引力T不應(yīng)小于這兩種阻力之和，即：

T≥Wy+Wp （3）

保證底盤(pán)在爬坡時(shí)不打滑：

？漬Gcosα≥T （4）

式中，？漬-履帶與地面的附著系數(shù)（表2）。

聯(lián)立式（1）～式（4），即可求得最大坡度角為？漬=33°，表示最大的爬坡能力。

2）行走速度設(shè)計(jì)。機(jī)器人在噴藥作業(yè)時(shí)，其最大的行走速度為：

Vmax=2πrn=2π×75×10-3×200=5.65 km/h

其中，r-驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓半徑（m），n-減速電機(jī)提供的轉(zhuǎn)速（r/min）。

2.2 噴霧機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 噴霧機(jī)械臂機(jī)構(gòu)工作原理 噴霧機(jī)械臂機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示。高壓噴槍固定在大臂的噴槍固定座上，隨大臂同步運(yùn)動(dòng)。大臂舵機(jī)控制噴霧機(jī)械臂的大臂運(yùn)動(dòng)，擺臂舵機(jī)控制雙擺臂運(yùn)動(dòng)，隨著雙擺臂運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)拉桿的運(yùn)動(dòng)，拉桿、大臂和小臂形成一個(gè)省力杠桿機(jī)構(gòu)，在拉桿的牽引下，小臂發(fā)生運(yùn)動(dòng)。在大臂舵機(jī)和擺臂舵機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)下，噴霧機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)豎直方向的角度調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)頸內(nèi)裝有旋轉(zhuǎn)軸承，在底部旋轉(zhuǎn)舵機(jī)的控制下，噴霧機(jī)械臂機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)水平方向的旋轉(zhuǎn)。

2.2.2 噴霧機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

1）噴霧機(jī)械臂機(jī)構(gòu)力學(xué)模型搭建。噴霧機(jī)械臂機(jī)構(gòu)主要涉及的數(shù)據(jù)為機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)力。對(duì)杠桿-連桿機(jī)械臂進(jìn)行力學(xué)模型簡(jiǎn)化，主要涉及的部件有擺臂舵機(jī)、大臂舵機(jī)、擺臂、拉桿大臂和小臂。力學(xué)簡(jiǎn)化模型如圖4所示。

2）噴霧機(jī)械臂機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算。擺臂舵機(jī)扭矩2.5×10-1 N·m，擺臂長(zhǎng)度80×10-3 m，計(jì)算可得扭矩力F=■≈3.1 N，機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)力為F機(jī)械臂=■×3.1=9.3 N。

2.3 霧化調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

霧化調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖5所示。霧化機(jī)構(gòu)主要由減速電機(jī)、導(dǎo)向鍵槽、導(dǎo)向鍵和調(diào)節(jié)絲桿四個(gè)部分組成。噴霧作業(yè)時(shí)，根據(jù)實(shí)際噴霧需要，減速電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)調(diào)節(jié)絲桿，減速電機(jī)在導(dǎo)向鍵槽內(nèi)前進(jìn)或者后退，完成調(diào)節(jié)絲桿的松緊。當(dāng)減速電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，調(diào)節(jié)絲桿變緊，電機(jī)在導(dǎo)向鍵槽內(nèi)前移，噴嘴液滴為團(tuán)霧狀；當(dāng)減速電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，調(diào)節(jié)絲桿變松，電機(jī)在導(dǎo)向槽內(nèi)后移，噴嘴液滴為射流狀。

2.4 藥液檢測(cè)機(jī)構(gòu)

藥液檢測(cè)機(jī)構(gòu)原理如圖6所示。藥液檢測(cè)系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)功能步驟為：通過(guò)液位傳感器檢測(cè)液位，檢測(cè)到最低液位（藥箱藥液的10%）和最高液位（藥箱藥液的90%）時(shí)，然后將信息通過(guò)主機(jī)WiFi模塊上傳給從機(jī)的WiFi模塊，從機(jī)收到后進(jìn)行相應(yīng)的處理，當(dāng)液位處于最低和最高液位時(shí)，蜂鳴器不報(bào)警；否則，蜂鳴器報(bào)警。

3 實(shí)證試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2016年11月于安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了速度測(cè)定、機(jī)械臂水平調(diào)節(jié)角度測(cè)量、噴藥高度、霧化狀況測(cè)試、藥液檢測(cè)測(cè)試以及傳輸距離測(cè)試。試驗(yàn)用液體為不含懸浮雜質(zhì)的清水，液體溫度和場(chǎng)地溫度均為19 ℃，自然風(fēng)速小于1 m/s。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得的試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)如表3所示。樣機(jī)試驗(yàn)表明，噴藥機(jī)器人噴藥較為流暢，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的各項(xiàng)作業(yè)功能。

4 結(jié)論

1）根據(jù)果園作業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程遙控式智能噴藥機(jī)器人。該機(jī)能提高機(jī)器在各種作業(yè)環(huán)境下的通過(guò)性能，具有能應(yīng)對(duì)噴霧作業(yè)過(guò)程中振動(dòng)的能力，同時(shí)能適應(yīng)不同高度果樹(shù)的施藥作業(yè)要求，也能調(diào)節(jié)高壓噴嘴的霧化形狀，以達(dá)到噴藥分布均勻的優(yōu)勢(shì)。

2）該機(jī)行走速度能達(dá)5.65 km/h，機(jī)械臂水平調(diào)節(jié)角度能達(dá)到180°，噴藥高度能達(dá)到1～3 m，藥箱液位達(dá)到最低液位（藥箱藥液的10%）和最高液位（藥箱藥液的90%）時(shí)能自動(dòng)報(bào)警。該機(jī)可實(shí)現(xiàn)果園噴藥作業(yè)的自動(dòng)化，同時(shí)可降低勞動(dòng)力成本，避免藥物對(duì)作業(yè)人員造成健康傷害。

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