遠程遙控式智能果園噴藥機器人的設(shè)計

曹瑋鑫 張金磚 李東坤 汪鵬 夏旻飛 康璐

摘要：針對果園病蟲害防治難的問題，設(shè)計了一種適合遠程遙控操作的智能噴藥機器人。經(jīng)試驗驗證，該機田間作業(yè)最大爬坡角達33°，作業(yè)速度達5.65 km/h，機械臂水平調(diào)節(jié)角度能達到180°，噴藥高度能達到1～3 m，無線控制和視頻傳輸在無遮擋環(huán)境下可傳輸距離200 m，少量遮擋環(huán)境下為100 m。該機為果園病蟲害防治提供了一種新的方法。

關(guān)鍵詞：果園噴藥機器人；關(guān)鍵部件；設(shè)計

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：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

植保機械以其高效率、低污染的優(yōu)勢在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的病蟲害防治及糧果高產(chǎn)方面起到了關(guān)鍵作用，國內(nèi)外相關(guān)學者在植保機械方面進行了各方面的研究。如龔艷等[1]建立了植保機械適用性綜合評價指標體系，為植保機械的推廣應(yīng)用提供了科學依據(jù)，王杰等[2]從風機的性能、模擬及試驗研究方面分析了植保機械專用風機的研究現(xiàn)狀，蔡晨等[3]研制出了小型助力推車式果園噴霧機，邱白晶等[4]對變量噴霧技術(shù)進行了研究分析。此外，在植保機械的噴霧機性能關(guān)鍵技術(shù)、動力底盤、噴霧機噴桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化、噴霧機機架減震設(shè)計、自動對靶噴霧控制系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)設(shè)計等方面亦進行了大量研究試驗[5-10]。國內(nèi)諸多學者對植保機械進行了大量研究，取得了豐碩的成果，但針對果園智能噴藥機械尚需進一步研究。

本研究針對果園智能噴藥機械，設(shè)計研發(fā)了一種遠程遙控式智能噴藥機器人，該機采用橡膠履帶行走機構(gòu)具有轉(zhuǎn)彎半徑小、接地面積大、跨溝越埂能力強等特點，采用噴藥機械臂機構(gòu)具有根據(jù)不同果樹調(diào)節(jié)噴頭噴藥形式達到噴藥分布均勻的優(yōu)勢。

1 整機結(jié)構(gòu)

遠程遙控式智能噴藥機器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由行走機構(gòu)、藥液檢測機構(gòu)、藥液供給機構(gòu)、霧化調(diào)節(jié)機構(gòu)、噴霧機械臂機構(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構(gòu)上并隨著行走機構(gòu)的移動而移動；噴藥裝置用于噴射藥液；圖像采集裝置用于采集行走機構(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行噴藥作業(yè)。

噴藥機器人在作業(yè)時，由電機驅(qū)動行走機構(gòu)前進、后退或轉(zhuǎn)向；圖像采集裝置采集現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境并傳輸至終端控制器；藥液供給機構(gòu)將藥液輸送至高壓噴槍；噴藥機械臂機構(gòu)根據(jù)不同的果樹形狀，調(diào)節(jié)噴藥豎直和水平方向上的角度，對果樹進行定向噴藥；霧化調(diào)節(jié)機構(gòu)根據(jù)實際噴霧需求，通過遠程電機控制得到合適的噴嘴霧化形狀；藥液檢測機構(gòu)實時監(jiān)控藥箱藥液的存有量，以便及時補充。遠程遙控式智能噴藥機器人的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵機構(gòu)設(shè)計

2.1 行走機構(gòu)

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

2.1.2 行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)

1）爬坡能力設(shè)計。 橡膠履帶式在爬坡時遇到以下兩種阻力，即：

運動阻力Wy=0.12Gcosα （1）

式中，0.12——運動阻力系數(shù)，G——樣機自重（N），α——坡度角。

樣機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）

保證底盤在爬坡時不打滑：

？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。機器人在噴藥作業(yè)時，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)動輪節(jié)圓半徑（m），n-減速電機提供的轉(zhuǎn)速（r/min）。

2.2 噴霧機械臂機構(gòu)設(shè)計

2.2.1 噴霧機械臂機構(gòu)工作原理 噴霧機械臂機構(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，隨大臂同步運動。大臂舵機控制噴霧機械臂的大臂運動，擺臂舵機控制雙擺臂運動，隨著雙擺臂運動，進而帶動拉桿的運動，拉桿、大臂和小臂形成一個省力杠桿機構(gòu)，在拉桿的牽引下，小臂發(fā)生運動。在大臂舵機和擺臂舵機的協(xié)調(diào)運動下，噴霧機械臂實現(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)舵機的控制下，噴霧機械臂機構(gòu)可以實現(xiàn)水平方向的旋轉(zhuǎn)。

2.2.2 噴霧機械臂機構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)

1）噴霧機械臂機構(gòu)力學模型搭建。噴霧機械臂機構(gòu)主要涉及的數(shù)據(jù)為機械臂驅(qū)動力。對杠桿-連桿機械臂進行力學模型簡化，主要涉及的部件有擺臂舵機、大臂舵機、擺臂、拉桿大臂和小臂。力學簡化模型如圖4所示。

2）噴霧機械臂機構(gòu)參數(shù)計算。擺臂舵機扭矩2.5×10-1 N·m，擺臂長度80×10-3 m，計算可得扭矩力F=■≈3.1 N，機械臂驅(qū)動力為F機械臂=■×3.1=9.3 N。

2.3 霧化調(diào)節(jié)機構(gòu)

霧化調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖5所示。霧化機構(gòu)主要由減速電機、導向鍵槽、導向鍵和調(diào)節(jié)絲桿四個部分組成。噴霧作業(yè)時，根據(jù)實際噴霧需要，減速電機通過聯(lián)軸器帶動調(diào)節(jié)絲桿，減速電機在導向鍵槽內(nèi)前進或者后退，完成調(diào)節(jié)絲桿的松緊。當減速電機正向旋轉(zhuǎn)時，調(diào)節(jié)絲桿變緊，電機在導向鍵槽內(nèi)前移，噴嘴液滴為團霧狀；當減速電機反向旋轉(zhuǎn)時，調(diào)節(jié)絲桿變松，電機在導向槽內(nèi)后移，噴嘴液滴為射流狀。

2.4 藥液檢測機構(gòu)

藥液檢測機構(gòu)原理如圖6所示。藥液檢測系統(tǒng)具體實現(xiàn)功能步驟為：通過液位傳感器檢測液位，檢測到最低液位（藥箱藥液的10%）和最高液位（藥箱藥液的90%）時，然后將信息通過主機WiFi模塊上傳給從機的WiFi模塊，從機收到后進行相應(yīng)的處理，當液位處于最低和最高液位時，蜂鳴器不報警；否則，蜂鳴器報警。

3 實證試驗

3.1 試驗條件

2016年11月于安徽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)萃園對樣機進行了速度測定、機械臂水平調(diào)節(jié)角度測量、噴藥高度、霧化狀況測試、藥液檢測測試以及傳輸距離測試。試驗用液體為不含懸浮雜質(zhì)的清水，液體溫度和場地溫度均為19 ℃，自然風速小于1 m/s。

3.2 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算獲得的試驗結(jié)果參數(shù)如表3所示。樣機試驗表明，噴藥機器人噴藥較為流暢，能夠?qū)崿F(xiàn)預期的各項作業(yè)功能。

4 結(jié)論

1）根據(jù)果園作業(yè)特點設(shè)計了一種遠程遙控式智能噴藥機器人。該機能提高機器在各種作業(yè)環(huán)境下的通過性能，具有能應(yīng)對噴霧作業(yè)過程中振動的能力，同時能適應(yīng)不同高度果樹的施藥作業(yè)要求，也能調(diào)節(jié)高壓噴嘴的霧化形狀，以達到噴藥分布均勻的優(yōu)勢。

2）該機行走速度能達5.65 km/h，機械臂水平調(diào)節(jié)角度能達到180°，噴藥高度能達到1～3 m，藥箱液位達到最低液位（藥箱藥液的10%）和最高液位（藥箱藥液的90%）時能自動報警。該機可實現(xiàn)果園噴藥作業(yè)的自動化，同時可降低勞動力成本，避免藥物對作業(yè)人員造成健康傷害。

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