果園單人操控式小型升降管理機設計

江世界，劉繼展，馬瑞娟，趙升燚，李 男，王江山

(1.江蘇大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院 果樹研究所，南京 210014)

0 引言

截止到2015年，我國的水果種植面積接近1 282萬hm2，水果產(chǎn)量達到2.7億t。果樹的剪枝、授粉、套袋、采果、蔬果等都需要在空中完成作業(yè)，人工攀爬、借助扶梯或者簡易平臺等傳統(tǒng)的空中作業(yè)形式安全性差、作業(yè)強度大、效率低，且需要頻繁地上下以及挪動，操作不便。因此，發(fā)展便捷的果園空中作業(yè)輔助裝備對果園產(chǎn)業(yè)具有重要的意義。

歐美等發(fā)達國家的果園升降平臺發(fā)展較為成熟[1-2]，但我國果園以矮化密植居多，且不同地域、新老果園的規(guī)格、地形條件不一，樹冠郁閉情況嚴重，國外各類升降裝備普遍特定模式、尺寸偏大且價格高昂而無法適應國內果園的應用[3]。國內寇元哲[4]、樊桂菊[5]、買合木江·巴吐爾[6]等開發(fā)了折臂式升降平臺，王建超[7]等研制了懸掛式升降平臺，新疆機械研究院[8]、劉大為[9-10]等人研發(fā)了剪叉式升降平臺。該類果園升降平臺采用傳統(tǒng)的駕駛與作業(yè)分開方式，尺寸較大且需要不同人員配合操縱作業(yè)，因而在果園的實際應用受到了限制。目前，駕駛作業(yè)一體的果園升降平臺已成為另一大發(fā)展趨勢，北京市農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定推廣站、孫振杰等[11]、張花哲等[12]、李磊等[13]的成果有力推動了臺上操控型果園升降平臺的發(fā)展；但上述機型尺寸偏大，更小型化單人臺上操控的果園升降平臺的研發(fā)將成為滿足現(xiàn)有郁閉果園內靈活作業(yè)的客觀需要。

單人、小型化客觀上對果園升降平臺操作使用的便捷性和丘陵作業(yè)的安全性提出了更高要求。人機工程學設計是保證小型化與安全性有機協(xié)調、單人操控與作業(yè)的便捷性的前提，但現(xiàn)有研究較為缺乏。

針對現(xiàn)有果園升降平臺研發(fā)的不足，本文進行了果園單人操控式小型升降管理機設計，并進行了室內性能測試和果園作業(yè)的性能驗證。

1 果園規(guī)格與環(huán)境調研

我國果園規(guī)格多樣，不同區(qū)域、不同果樹品種、不同種植模式間存在著較大差異。在江蘇省不同地區(qū)的桃園、梨園展開了廣泛的實地調研，調研發(fā)現(xiàn)：

1)果樹多種植在小于15°的丘陵緩坡上，同時地形起伏較大，對管理機的通過性和作業(yè)安全性提出了一定要求。

2)目前，老齡的非標準果園和新建的標準化果園并存。以桃樹種植為例，非標準化果園的種植方式不規(guī)范，種植密集且規(guī)格多樣，如鎮(zhèn)江市樟山桃園的平均株距和行距分別為2.5m和3m，且樹冠偏矮，樹冠交接造成行間郁閉[見圖1(a)]；新建標準化果園也根據(jù)不同果樹品種的采光要求和栽培模式更新存在不同的規(guī)格，如株距和行距分別為2m和6m的一行一溝模式[見圖1(b)]，行間開設寬排水溝，地面情況復雜；株距和行距均為4m的三行兩溝模式[見圖1(c)]，滿足果園排水需求的同時，為機械化作業(yè)提供了便利條件；株距和行距分別為3m和5m的無排水溝起壟模式[見圖1(d)]，行間距較寬且地面平整，更便于果園機械化作業(yè)。

(a) 2.5m×3m (b) 2m×6m

(c) 4m×4m (d) 3m×5m圖1 丘陵果園特征Fig.1 The characteristics of hilly orchards

3)老齡非標準化果園和各類標準化果園的樹冠高度差異較大， 既有不同品種和樹齡的因素， 也有栽培模式的變化。傳統(tǒng)矮化密植的果樹較低矮，但其存在樹冠郁閉、結果平面化及易滋生病蟲的不足，因而新建果園逐步抬高主枝角度，樹冠平均高度由2.5m抬高到3m(見表1)，有效改善了通風透光和提高了水果品質。樹冠高度的增加，使輔助作業(yè)的小高度升降裝備成為客觀需求。

4)目前，果園的種植規(guī)模普遍偏小，除儀征捺山133.3hm2水晶梨園、溧陽平湖20hm2油桃園和部分科研種植的較大規(guī)模種植以外，普遍種植規(guī)模在2～3.3hm2左右。

2 整體方案

2.1 設計目標

根據(jù)果園的現(xiàn)狀的調研，為有效適應丘陵果園的果樹種植模式和果園作業(yè)需求，圍繞實現(xiàn)小型化的單人操控進行果園升降管理機的研發(fā)。

1)為實現(xiàn)樹冠高度的小升降輔助作業(yè)并保證各類規(guī)格果園的通過性，同時滿足較小種植規(guī)模的成本與效益要求，以小型化為果園升降管理機設計的首要目標。

2)為實現(xiàn)機身的小型化并便于較小規(guī)模果園的靈活使用、減少勞動力耗費，選擇單人操控-作業(yè)模式，并通過便捷化操控設計實現(xiàn)單人方便地升降、上下工作臺和駕駛及空中作業(yè)。

表1 樹冠高度的正態(tài)分布Table 1 Normal distribution of canopy height

2.2 設計方案

果園單人操控式小型升降管理機由小型電動履帶底盤、剪叉升降機構、集成操控工作臺和自動安全防護系統(tǒng)構成，如圖2所示。

1)小型電動履帶底盤和輕量小升程升降機構組合，實現(xiàn)機身的小型化，滿足各類果園的密植郁閉和復雜地面條件下的靈活通過性，并極大地降低成本和能耗；

2)升降工作臺上的集成式操控/工具盒，單人實現(xiàn)底盤的行進、轉向、點動與升降及空中作業(yè)的便捷集成操控，并以電動收放式側板結構實現(xiàn)操作者與貨品的便捷上下，從而實現(xiàn)單人的隨時方便作業(yè)，并減少果園管理的人力耗費。

1.集成操控/工具盒 2.工作臺 3.電動履帶底盤 4.剪叉升降機構 5.收放側板 6.丁字活撐腳圖2 果園單人操控式小型升降管理機設計總體結構Fig.2 Structure of the single-operated small lifting manager for hilly orchards

3 升降管理機的小型化設計

3.1 基于人機工程學的果園作業(yè)升降范圍分析

3.1.1 人機工程的參數(shù)關系方程

升降范圍與抬升高度是升降管理機的關鍵參數(shù)，抬升高度必須滿足對果樹管理作業(yè)的要求，但抬升高度必須由升降機收縮的最低離地高度和升降范圍結合來實現(xiàn)，過大的最低離地高度將導致側板過度傾斜，影響操作者與貨品的便捷上下；而過大的升降范圍亦將增加剪叉的級數(shù)和水平尺寸，從而導致底盤尺寸變大與升降翻倒風險的矛盾，并增加了系統(tǒng)復雜性且對平臺穩(wěn)定性造成影響。因此，將果樹高度和人體尺寸結合，根據(jù)人機工程學原理確定合理的升降范圍，對果園升降機的性能具有關鍵意義。

由圖3建立果園空中作業(yè)的人體-果樹參數(shù)關系為

h1+hb≥he

(1)

h1+hc≥hd

(2)

式中h1—升降機抬升最大離地高度(mm)；

hb—長時間抬臂作業(yè)的手部高度(mm)；

he—長時間抬臂作業(yè)的適宜離地高度(mm)；

hc—抬臂極限作業(yè)高度(mm)；

hd—空中作業(yè)極限離地高度(mm)。

在升降機工作臺上對樹冠進行伸臂管理作業(yè)時，肩、臂、手部肌肉長時間承受靜負荷導致疲勞；長時間抬頭作業(yè)也將導致頸部的疲憊并嚴重影響作業(yè)效率。根據(jù)人機工程學原理，應盡可能讓手臂長時間處于較自然的水平狀態(tài)，頭部亦不高于視線的自然水平狀態(tài)；同時，空中抬臂作業(yè)的極限高度hd亦應滿足果樹管理高度范圍的完整覆蓋需要。

圖3 果園空中作業(yè)的人體-果樹參數(shù)關系Fig.3 Parameter relations between human body and fruit tree in for aerial work in orchard

3.1.2 人體尺寸參數(shù)的確定

按《GBT12985-1991 在產(chǎn)品設計中應用人體尺寸百分位數(shù)的通則》，選用成年人體尺寸百分位數(shù)5%作為設計尺寸上限值的依據(jù)，并計入相應的功能修正量。根據(jù)《GB10000-88 中國成年人人體尺寸》數(shù)據(jù)，男、女成年5%百分位數(shù)的人體肩高分別為1 281mm和1 195mm、中指指尖點上舉高分別為1 971mm和1 845mm。

根據(jù)概率論，兩個相互獨立正態(tài)分布的任意線性組合仍服從正態(tài)分布，同時以15mm計入穿鞋修正量，即將1 253mm作為長時間抬臂作業(yè)的手部高度hb、以1 923mm作為抬臂極限作業(yè)高度hc。

3.1.3 樹冠高度取值的確定

由不同果園的樹冠高度采樣測量結果(見表1)，每一個桃園的樹冠高度符合正態(tài)分布，則相互獨立的正態(tài)分布的任意線性組合仍服從正態(tài)分布，剔除極少異常情況，以98%百分位數(shù)的測量統(tǒng)計結果作為設計中的樹冠高度取值。同時，樹冠采收、剪枝等作業(yè)高度通常低于樹尖高度，分別以樹冠高度取值的80%和95%作為長時間抬臂作業(yè)的適宜離地高度he和空中作業(yè)極限離地高度hd，計算得：he=2 847.8mm,hd=3 381.8mm。

3.1.4 分析結果

將人體尺寸hb、hc與樹冠作業(yè)尺寸he、hd分別代入式(1)和式(2)得：h1≥1 954.8mm且h1≥1 458.8mm，綜合兩項并考慮安全余量，以1 625mm作為設計的抬升離地高度。

3.2 防側翻的底盤小型化關鍵參數(shù)設計

3.2.1 側翻臨界參數(shù)關系

空中作業(yè)時，人體往往貼近工作臺一側伸臂完成，而從通過性與行駛穩(wěn)定角度考慮底盤橫向尺寸亦較小，但離地高度和坡度的影響可能產(chǎn)生側翻風險。

操作者在果園空中作業(yè)時，當整體重心的偏離超過地面支撐的豎直平面時，則會發(fā)生側翻。在發(fā)生側翻的臨界狀態(tài)下，果園管理機與人體的總重心落在通過側翻地面支點的豎直線上，即

(3)

式中mi—各對象的質量(kg)；

由圖4得

m1(W1-HAtanα)cosα+m2(W1-HBtanα)cosα+
m3(W1-HCtanα)cosα+m4(W1-W2-
HDtanα)cosα=0

(4)

式中m1、m2、m3、m4—底盤、升降機、集成操控工作臺、人體的質量(kg)；

HA—底盤的重心離地高度(mm)；

HB、HC、HD—最大抬升高度時的升降機、集成操控工作臺、人體的重心離地高度(mm)；

W1—側翻地面支點E到升降機中心線的距離(mm)；

W2—人體重心D距升降機中心線的偏移量(mm)；

α—地面坡度(rad)。

3.2.2 防側翻的底盤尺寸參數(shù)設計

由式(4)進一步可得

(5)

其中，W1反映了底盤的寬度。由式(5)發(fā)現(xiàn)：當在一定果園地面坡度α上空中作業(yè)時，升降機與工作平臺、人體的重心離地高度HB和HC越大，則要求更大的底盤寬度才能保證不發(fā)生側翻；作業(yè)時人體的重心偏移W2所導致側翻風險的增加要求以更大的底盤寬度來防止。

底盤寬度加大將導致升降管理機相應尺寸的變大，對果園行間郁閉空間的通過性和靈活作業(yè)、轉向均造成不利影響。因而進一步有

(6)

式中 [W]—防止側翻的底盤最小設計寬度(mm)；

k1—底盤寬度與側翻地面支點距離放大系數(shù)；

k2—安全系數(shù)。

A.底盤重心 B.升降機與工作平臺重心 C.集成操控工作臺重心 D.人體重心 E.側翻地面支點圖4 升降平臺果園作業(yè)的側翻臨界狀態(tài)Fig.4 Critical rollover state of the lifting platform in orchard operation

3.2.3 關鍵參數(shù)的確定

1)式(6)中：HA、HB、HC決定于管理機的部件材料、結構尺寸和抬升高度，HD則決定于人體高度與抬升高度。

根據(jù)人體工程學，人體重心位置位于人體高度的56%，同時以15mm計入穿鞋修正量，即

HD=h1+0.56hr+15

(7)

式中hr—人體的極限高度(mm)。

式(6)中，作業(yè)時的人體重心偏移量W2決定于工作臺尺寸和人體尺寸(見圖3)，當工作臺與底盤寬度一致時，有

W2=[W]/2-Br/2

(8)

式中Br—人體的立姿腹厚(mm)。

2)由式(7)、式(8)可知：人體的尺寸越大，則HD越大而W2越小；同時，人體的尺寸與質量m4間存在相關性。

為充分考慮不同人體的差異，根據(jù)式(6)得到充分適應操作者的防側翻底盤最小設計寬度，根據(jù)《GB10000-88 中國成年人人體尺寸》和《GB-T 13547-1992 工作空間人體尺寸》數(shù)據(jù)，分別以成年人體5%、50%和95%百分位數(shù)的身高、體重和立姿腹厚代入式(6)～式(8)(見表2)，以其中最小的[W]計算結果作為底盤最小設計寬度。

表2 成年人人體尺寸Table 2 Body size of adults

4 單人操控的便捷化設計

4.1 無障礙上下通道設計

4.1.1 丁字活撐腳結構的提出

在收放側板的無障礙通道設計中，收放側板釋放后的坡度越大越不便于操作人員與物品的上下。由圖5可知：對作業(yè)所需升降范圍與承載量所決定的一定收縮離地高度，側板的高度越大越能獲得更小的側板釋放坡度β，但側板的合理高度需根據(jù)操作者伸臂作業(yè)的需要來確定。

為保證空中作業(yè)的安全，護欄高度ha與側板高度均應高于人體的重心，但側板高度過大將對行進和作業(yè)過程中視線造成影響，其太小則導致側板落地坡度變大導致上下工作臺困難。

為解決側板高度與釋放坡度的矛盾，設計了收放側板尾端的丁字活撐腳結構，在側板尾端設置外傾斜口，丁字活撐腳與外傾斜口相鉸連。當側板豎起后，由重力使丁字活撐腳自動貼靠側板；而當側板釋放時，由重力保證丁字活撐腳始終懸垂并搭于側面，由丁字活撐腳的高度來有效減小側板的落地坡度。

4.1.2 丁字活撐腳式收放側板的參數(shù)方程

由圖5得

l1sinβ+l2sin(β+γ)+l3=h2

(9)

式中l(wèi)1—收放直側板長度，取l1與護欄的高度ha一致(mm)；

l2—收放側板斜口長度(mm)；

l3—丁字活撐腳高度(mm)；

β—側板的落地坡度(rad)；

γ—收放側板斜口的傾角(rad)。

對收放側板，有

hc=l1+l2cosγ

(10)

式中hc—側板高度(mm)。

根據(jù)《GB50096-1999住宅設計規(guī)范》的樓梯設計標準，為上下工作臺的便捷，增加外傾斜口和丁字活撐腳后，收放側板釋放搭于地面的離地高度不大于175mm，即

l3+l2sin(β+γ)=175

(11)

1.履帶底盤 2升降臺底板 3.收放側板斜口 4.丁字活撐腳 5.收放直側板圖5 收放側板的結構參數(shù)示意圖Fig.5 Diagram of structural parameters of the retractable side-plate

4.2 集成控制盒

1)為便于果農(nóng)的臺上操作，臺上集成控制盒上布置底盤操控手柄、側板收放鍵與升降鍵，分別進行底盤、側板與升降機的操控，同時設置總開關與指示燈并將工具箱與控制盒集成為一體。

2)為方便果農(nóng)啟動管理機和進入工作臺，在機身下方布置側板收放鍵和總開關，與操控盒上的側板收放鍵和總開關構成雙控。

3)底盤采用雙側電機獨立驅動，操控手柄以雙電位器方式控制雙側電機的轉速，根據(jù)手柄推動方向實現(xiàn)進/退與左右轉向，根據(jù)手柄推動幅度控制進/退速度和轉彎半徑。

4)人在空中狀態(tài)下能夠操控管理機進行位置調整，從而使果農(nóng)完成對樹冠各個位置的管理作業(yè)，將大大提升管理機的實用性，可通過手柄的小幅推動滿足點動工況的操控需求。

5 樣機與試驗驗證

5.1 樣機開發(fā)

根據(jù)式(1)～式(7)進行結構設計及參數(shù)計算，完成了果園單人操控式小型升降管理機的開發(fā)，如圖6所示。該機的主要技術參數(shù)與性能指標如表3～表6所示。

1.工具箱 2.總開關 3.操控手柄 4.側板收放鍵 5.升降鍵圖6 樣機與集成控制盒Fig.6 The prototype and the integrated control box表3 樣機關鍵結構參數(shù)Table 3 Key structural parameters of the prototype

類別收縮離地高度h2/mm側板高度ha /mm斜口傾角γ/(°)底盤寬度W/mm丁字活撐腳高度/mm參數(shù)775133037800175

表4 樣機適應性指標參數(shù)Table 4 Adaptive index parameters of the prototype

表5 樣機幾何性指標參數(shù)Table 5 Geometric index parameters of the prototype

表6 樣機運動/動力指標參數(shù)Table 6 Kinematic/dynamic parameters of the prototype

該管理機采用了直流雙驅電動底盤和液壓3級剪叉結構，尺寸和質量分別僅為1 200mm×800mm(長×寬)、350kg，與現(xiàn)有的柑橘園升降作業(yè)平臺(1 800mm×900mm、756kg)[11-12]、履帶式多功能果園作業(yè)平臺(2 555mm×1 020mm、1 015kg)[13]以及豐茂菲迪自走式多功能果園移動平臺(3 200mm×1 300mm、2 150kg)等相比，明顯實現(xiàn)了果園升降管理機的小型化。

與機身的小型化配套，手柄-按鍵組合式集成操控盒實現(xiàn)了工作臺上的便捷控制(見圖7)，同時通過小外傾斜口和自動貼靠的丁字活撐腳結構，使側板落地坡度β從40.2°下降為26.7°，保證了操作者的便捷上下，并可實現(xiàn)小型機身在20°坡度地面、1.4m/s速度的安全行進和15°坡度地面及極限作業(yè)高度3.5m的空中安全作業(yè)。

5.2 驗證試驗

2017年12月-2018年1月，在江蘇大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室和江蘇省農(nóng)業(yè)科學院溧水植物基地桃園分別進行了樣機的性能測試和作業(yè)驗證試驗。室內性能測試結果表明：樣機能夠在0°～20°坡度的地面平穩(wěn)行進，側傾15°時能夠滿足3.5m的極限作業(yè)高度，如圖7(a)所示。與側板直接落地時操作者需借助拉拽繩索上下工作臺相比[見圖7(b1)]，加裝丁字活撐腳結構后側板落地坡度滿足了操作者無輔助便捷上下工作臺的需求,如圖7(b2)所示。

(a1) 收縮 (a2) 空中作業(yè) (a) 側傾性能測試

(b1) 側板落地(無撐腳) (b2) 側板落地(有撐腳) (b) 上下性能測試圖7 室內性能測試Fig.7 Experiments of performance in laboratory

果園現(xiàn)場試驗表明：樣機能夠在有樹根、淺溝的果園松軟地面順利通行和靈活轉向，在各行間及樹冠間的通過性良好[見圖8(a)]，升降范圍能夠滿足對不同樹冠空中管理作業(yè)的需要，如圖8(b)所示。

(a) 行進 (b) 作業(yè)圖8 果園作業(yè)試驗Fig.8 Experiments in orchard

6 結論

1)對多個果園進行了參數(shù)調研，進而根據(jù)樹冠高度、人體尺寸的正態(tài)分布規(guī)律和丘陵果園的應用需求，基于人機工程學進行了果園升降管理機的小型化設計，機身長寬和質量僅為1 200mm×800mm、350kg，僅為現(xiàn)有產(chǎn)品的1/6～1/2。

2)開發(fā)了工作臺上集成操控盒，并基于人機工程學進行了工作臺和丁字活撐腳式自動收放側板的優(yōu)化設計，實現(xiàn)了單人便捷臺上集成操控和人員及物品的無障礙便捷上下。

3)性能測試和作業(yè)驗證試驗結果表明：樣機能夠在0°～20°坡度的地面平穩(wěn)行進，在果園復雜地面的通過性良好；側傾15°時能夠滿足3.5m高度的作業(yè)要求，丁字活撐腳結構使收放側板落地坡度從40.2°下降為26.7°，操作者可無輔助便捷上下工作臺。