山核桃采收一體無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)構(gòu)想與矛盾分析

趙嘉輝 ， 張耀中 ， 夏志鵬 ， 婁 軻

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000）

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及林果種植面積的不斷增加，林果產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)林果產(chǎn)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民增收致富的新亮點(diǎn)和支柱性產(chǎn)業(yè)[1]。以山核桃為例，因其果殼可制活性炭，果殼、果皮、枝葉可生產(chǎn)天然植物燃料，總苞可提取單寧，木材可制作家具并供軍工使用，總體經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，逐漸成為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)作物。2003年以來(lái)，在各地方政府的支持與鼓勵(lì)下，山核桃的種植面積不斷增加，產(chǎn)量穩(wěn)步快速增長(zhǎng)，科研院所及相關(guān)單位對(duì)其的研究也不斷深入[2]。

山核桃一般生長(zhǎng)在比較陡峭的山上，平均坡度為25°左右，有的甚至達(dá)35°～45°。因生長(zhǎng)地形起伏大，大型機(jī)械進(jìn)入困難，所以其生產(chǎn)采摘機(jī)械化水平長(zhǎng)期處于較落后的狀態(tài)，至今仍然有大量的農(nóng)民通過(guò)人工爬樹和竹竿敲打等原始方式進(jìn)行采摘，如圖1所示。經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的變化促使許 多年輕人外出打工，農(nóng)村勞動(dòng)力人口數(shù)量下降并呈嚴(yán)重老齡化趨勢(shì)，在山核桃摘收的季節(jié)，常會(huì)出現(xiàn)傷亡情況。隨著山核桃產(chǎn)量的不斷增加，現(xiàn)有人力難以滿足采摘需求，山核桃的采摘技術(shù)及方案的設(shè)計(jì)應(yīng)得到重視，這不僅能夠有效提高山核桃種植地區(qū)的機(jī)械化水平，促進(jìn)山核桃走向現(xiàn)代化，還有利于減少安全隱患，促進(jìn)社會(huì)的穩(wěn)定和諧。

圖1 農(nóng)民采摘山核桃時(shí)的場(chǎng)景（圖片源于網(wǎng)絡(luò)）

1 山核桃采摘產(chǎn)業(yè)目前存在的問(wèn)題

山核桃對(duì)采摘的時(shí)間精度要求較高。其主要在每年的九月初、白露前后成熟，過(guò)早過(guò)晚采摘都會(huì)對(duì)山核桃的產(chǎn)量造成影響，適時(shí)采收十分重要。由于種植地區(qū)高度高，坡度陡，采摘難度大，危險(xiǎn)系數(shù)高，為了不錯(cuò)過(guò)采摘季，果農(nóng)通常都會(huì)進(jìn)行連續(xù)的高強(qiáng)度工作，會(huì)因疲勞導(dǎo)致大量安全事故，因此山核桃也被稱為“血核桃”。由于其采摘強(qiáng)度大、時(shí)間精度高，果農(nóng)通常會(huì)雇用大量勞動(dòng)力，勞動(dòng)力成本占總投入的比重高達(dá)50%，而機(jī)械化采摘效率則是人工采摘的5～10倍[3]。由此可見，林果業(yè)走向規(guī)模化已具備現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，但目前機(jī)械化采摘設(shè)備存在智能化水平低、體積大等問(wèn)題，不適用于山地等復(fù)雜地形，無(wú)法滿足現(xiàn)有的需求。

1.1 國(guó)內(nèi)采摘設(shè)備

目前常見的輔助人工采摘設(shè)備為便攜式山核桃高空采摘機(jī)[4]，如圖2所示。該設(shè)備主要基于山核桃果實(shí)與樹枝分離的拍打力而設(shè)計(jì)，能夠滿足不同高度的作業(yè)需求，并且通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)確定了拍打頻率范圍在10.00 Hz～13.33 Hz時(shí)，果實(shí)的采凈率和枝芽損傷率較恰當(dāng)，但一次采凈率無(wú)法達(dá)到百分之百，依然需要進(jìn)行二次采摘。因其需要依靠人工手持，振動(dòng)對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生一定的傷害，故整體效率不是很高。

圖2 仿人工拍打高空便攜式山核桃采摘裝置結(jié)構(gòu)示意圖

輔助人工采摘設(shè)備還包括柴秀洪等研發(fā)的2011-36A型山核桃采摘機(jī)。該機(jī)器主要由自動(dòng)感應(yīng)負(fù)載變頻發(fā)電機(jī)、可調(diào)節(jié)伸縮特種材質(zhì)管、阻尼式采打機(jī)械頭及放線器組成，調(diào)節(jié)高度為4.0 m ～13.5 m，可360°任意旋轉(zhuǎn)，具備自動(dòng)保護(hù)電路功能。果農(nóng)不需要爬樹就能輕松摘果，工作效率高出人工采打的3倍。這種設(shè)備稱為旋轉(zhuǎn)敲打摘果器，即通過(guò)各種不同的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)采摘，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高采摘效率，增加安全性。浙江淳安山核桃協(xié)會(huì)研究的“山核桃安全采摘安全帶”如圖3所示[5]，其主要利用蹦極原理，同時(shí)借鑒了汽車安全帶的特點(diǎn)，在保證安全的前提下不對(duì)人的采摘造成束縛，保證了靈活性。其能夠在感受到人下墜的瞬間鎖死安全繩，保證安全性。

圖3 山核桃安全采摘安全帶

現(xiàn)有的果品采摘機(jī)械從配套動(dòng)力上可分為自走式、懸掛式和牽引式；從工作原理上一般分為氣力振動(dòng)式和機(jī)械振動(dòng)式。其中，機(jī)械振動(dòng)式根據(jù)產(chǎn)生振動(dòng)方式不同又分為振搖式、撞擊式和切割式[6]。機(jī)械振動(dòng)式對(duì)樹干、樹根等都會(huì)造成損害，最后可能會(huì)導(dǎo)致果品產(chǎn)量下降。現(xiàn)有的山核桃采摘器為伸縮式林果采摘機(jī)器臂[7]和爬樹式山核桃采摘機(jī)器人[8]。 浙江農(nóng)林大學(xué)的李小亮[9]通過(guò)對(duì)山核桃樹各級(jí)枝干構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型，獲得了三種不同胸徑范圍的山核桃樹的振動(dòng)角頻率，最后通過(guò)大量的實(shí)踐分析得出了“基于振動(dòng)的便攜式山核桃采摘樣機(jī)”，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。其基本工作原理就是利用汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)鋼絲軟軸和傳動(dòng)軸把扭矩傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)汽油機(jī)輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到一定時(shí)，偏心大齒輪所帶動(dòng)推桿產(chǎn)生的振動(dòng)力符合將樹枝上果實(shí)振落的條件，從而進(jìn)行振動(dòng)采摘。但其采用的還是機(jī)械振動(dòng)法，長(zhǎng)期使用會(huì)對(duì)人和樹枝造成一定的傷害，并且采凈率在85%左右，無(wú)法達(dá)到一次性清零的效果。

圖4 基于振動(dòng)的便攜式山核桃采摘樣機(jī)

1.2 國(guó)外采摘設(shè)備

澳大利亞的核桃由于良好的自然條件和技術(shù)支持，市場(chǎng)潛能很大。其通過(guò)噴施乙烯的辦法使核桃的成熟期趨于一致，一次性采摘率達(dá)到100%。早在1999年，澳大利亞核桃采摘已基本實(shí)現(xiàn)了全程機(jī)械化采收，其采摘過(guò)程如下：先由振動(dòng)落果機(jī)將大部分核桃落到地面，接著用清掃集條機(jī)將它們聚集，再由撿拾清選機(jī)將它們清選后成箱。通過(guò)此過(guò)程，生產(chǎn)效率將達(dá)到最大化。采摘機(jī)械主要是由美國(guó)、加拿大和澳大利亞等國(guó)生產(chǎn)的振動(dòng)落果機(jī)、清掃集條機(jī)和撿拾清選機(jī)[10]。

2 設(shè)計(jì)概念構(gòu)想與驗(yàn)證

2.1 產(chǎn)品初步構(gòu)想理念

本研究基于對(duì)山核桃的采摘需求、國(guó)內(nèi)地形特征等現(xiàn)有狀況的調(diào)研，提出了智能化采收一體無(wú)人機(jī)的構(gòu)想，如圖5所示，其中伸縮桿采用如圖6所示的管狀伸縮桿[11]。基于其伸縮的性能添加智能控制系統(tǒng)，可減小整機(jī)體積，適應(yīng)果樹枝葉茂密的狀況；機(jī)身增添兩個(gè)攝像頭，利用機(jī)器人視覺實(shí)現(xiàn)雙目立體視覺數(shù)據(jù)，通過(guò)三角測(cè)量原理確定山核桃的位置；利用機(jī)械手旋轉(zhuǎn)采摘，將果實(shí)與果柄分離，并將其放入感應(yīng)盒中。為避免山核桃在空中意外灑落，當(dāng)機(jī)械手采摘到山核桃時(shí)會(huì)自動(dòng)打開開口，等到采摘完畢就自動(dòng)關(guān)閉，待收納盒重量達(dá)到一定限度時(shí)，無(wú)人機(jī)返航將山核桃運(yùn)回指定位置，盒子下開口打開，傾倒山核桃。循環(huán)往復(fù)，直至采摘完畢。

圖5 采摘一體機(jī)設(shè)計(jì)構(gòu)想

圖6 管狀伸縮桿

2.2 應(yīng)用TRIZ理論解決概念設(shè)計(jì)中的問(wèn)題

上述概念設(shè)計(jì)在實(shí)踐中存在著明顯的待解決問(wèn)題，例如無(wú)人機(jī)體積大小和果樹茂盛枝葉是否有矛盾，果樹枝葉是否對(duì)飛行的無(wú)人機(jī)有干擾等等。由蘇聯(lián)Genrich Altshuller團(tuán)隊(duì)于1946年開始研究的TRIZ理論（發(fā)明問(wèn)題的解決理論）[12]，對(duì)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。該理論體系主要包括創(chuàng)新思維方法與問(wèn)題分析方法，技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則，技術(shù)矛盾解決原理，創(chuàng)新問(wèn)題標(biāo)準(zhǔn)解法，發(fā)明問(wèn)題解決算法ARIZ，基于物理、化學(xué)、幾何學(xué)等工程學(xué)原理而構(gòu)建的知識(shí)庫(kù)。其中，“技術(shù)矛盾解決原理”適用于解決山核桃采收一體無(wú)人機(jī)的矛盾。

1）定義技術(shù)矛盾。技術(shù)矛盾1：無(wú)人機(jī)高空飛行可以解決因地形地勢(shì)復(fù)雜，大型機(jī)械無(wú)法進(jìn)入的問(wèn)題，但是山地地形、果樹枝葉、復(fù)雜氣流會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行造成一定的影響。技術(shù)矛盾2：采摘機(jī)械手對(duì)山核桃的采摘效果最佳，相比振動(dòng)而言，對(duì)枝葉沒有傷害，但是無(wú)人機(jī)旋翼產(chǎn)生的下壓風(fēng)場(chǎng)和氣流會(huì)對(duì)山核桃樹的枝干造成振動(dòng)和損傷。

2）確定技術(shù)矛盾中欲改善和被惡化的參數(shù)，建立問(wèn)題模型。矛盾1：改善的參數(shù)，行進(jìn)便利；惡化的參數(shù)，無(wú)人機(jī)穩(wěn)定性。矛盾2：改善的參數(shù)，采摘效果好；惡化的參數(shù)，枝干損傷率。

3）將改善和惡化的參數(shù)歸納為阿奇舒勒通用工程參數(shù)。矛盾1中，改善的參數(shù)為“行進(jìn)便利”，即改善的參數(shù)是第14參數(shù)“速度”（運(yùn)動(dòng)物體的速度，單位時(shí)間物體活動(dòng)過(guò)程或作用）；惡化的參數(shù)為“無(wú)人機(jī)穩(wěn)定性”，惡化的參數(shù)是第13參數(shù)“結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性”（系統(tǒng)的完整性及系統(tǒng)組成部分之間的關(guān)系，整個(gè)物體或系統(tǒng)受外在因素影響而維持不變的能力）。問(wèn)題就變成了參數(shù)14和參數(shù)13之間的矛盾即“速度”與“結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性”之間的矛盾。

矛盾2中，改善的參數(shù)為“采摘效果好”，即改善的參數(shù)是第38參數(shù)“易受傷性”（一個(gè)物體或系統(tǒng)保護(hù)自己或它的用戶不受危害的能力，一個(gè)物體或系統(tǒng)抵抗外部損壞的能力）；惡化的參數(shù)為“枝干損傷率”，惡化的參數(shù)是第31參數(shù)“有害的副作用”（物體產(chǎn)生的有害因素造成系統(tǒng)效應(yīng)或完成功能質(zhì)量降低的有害因素，這些有害因素來(lái)自物體或系統(tǒng)操作的一部分）。問(wèn)題就變成了參數(shù)38和參數(shù)31之間的矛盾，即“易受傷性”和“有害的副作用”之間的矛盾。

4）尋找改善和惡化通用工程參數(shù)對(duì)應(yīng)在阿奇舒勒矛盾矩陣中重疊的部分，確定發(fā)明原理。將參數(shù)14和參數(shù)13代入矛盾矩陣，如表1所示，查找兩對(duì)技術(shù)參數(shù)行列交匯處對(duì)應(yīng)的創(chuàng)新原理中的28-信息的遺漏，2-靜止物體的重量，3-運(yùn)動(dòng)物體的尺寸，5-運(yùn)動(dòng)物體的面積，33-兼容性或連通性，18-功率。將參數(shù)38和參數(shù)31代入矛盾矩陣，通過(guò)表1查找兩對(duì)技術(shù)參數(shù)行列交匯處對(duì)應(yīng)的創(chuàng)新原理中的35-可靠性，31-有害的副作用，1-運(yùn)動(dòng)物體的重量，33-兼容性或連通性，16-運(yùn)動(dòng)物體消耗的能量，21-結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，11-信息（資料）的數(shù)量。

表1 阿奇舒勒矛盾矩陣表

5）利用發(fā)明原理確定解決技術(shù)矛盾的方案。阿奇舒勒矛盾矩陣給出的原理不一定能夠解決本設(shè)計(jì)中的問(wèn)題。通過(guò)問(wèn)題分析轉(zhuǎn)化為TRIZ的一般問(wèn)題，再利用發(fā)明原理、技術(shù)效應(yīng)或進(jìn)化理論得到問(wèn)題的一般解，而后通過(guò)具體問(wèn)題具體分析得到矛盾的特解。根據(jù)TRIZ矩陣中列出的先后順序，對(duì)所建議的發(fā)明原理進(jìn)行分析并選擇適用的發(fā)明原理。通過(guò)分析，選擇了最合適的發(fā)明原理：33-兼容性或連通性、5-運(yùn)動(dòng)物體的面積、31-有害的副作用。首先，基于解決矛盾1的發(fā)明原理33-兼容性或連通性，該系統(tǒng)和其他系統(tǒng)能夠聯(lián)合推出解決方案1：

在設(shè)計(jì)中配備三個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)裝置，分別為前置動(dòng)態(tài)雷達(dá)、上視雷達(dá)和仿地雷達(dá)。利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能以及機(jī)器視覺等智能化技術(shù)，讓其在復(fù)雜的山區(qū)環(huán)境中有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，保證自己的穩(wěn)定性。

其次，基于解決矛盾1的發(fā)明原理5-運(yùn)動(dòng)物體的面積（面積是指物體內(nèi)部或外部的任意尺寸），推出解決方案2：

通過(guò)擴(kuò)大無(wú)人機(jī)的面積來(lái)提升其抗風(fēng)能力，也可將四軸的無(wú)人機(jī)提升為六軸。通過(guò)旋轉(zhuǎn)帶螺距的槳葉產(chǎn)生下壓風(fēng)形成升力，做方位移動(dòng)，通過(guò)改變反方向電機(jī)轉(zhuǎn)速提高升力，使飛機(jī)產(chǎn)生傾角，利用升力被分解為向后的推力以及向上的升力來(lái)提升其穩(wěn)定性。

最后，基于解決矛盾2的發(fā)明原理31-有害的副作用（有害的副作用是指造成系統(tǒng)效應(yīng)或完成功能質(zhì)量降低的有害因素，這些有害因素來(lái)自物體或系統(tǒng)操作的一部分）而推出解決方案3：

為無(wú)人機(jī)的旋翼添加保護(hù)罩作為其擋板，以防止高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流對(duì)山核桃樹的枝葉造成損傷。

6）方案評(píng)價(jià)。方案評(píng)價(jià)表如表2所示。方案1增加了成本的投入，且實(shí)施的難度較大，但是帶來(lái)的效果會(huì)提升；方案2雖然增加了穩(wěn)定性，但是由于面積變大以及軸變多，會(huì)導(dǎo)致其便攜性降低；方案3雖然能夠?qū)ι胶颂覙涞闹θ~形成保護(hù)，但可能會(huì)增加無(wú)人機(jī)的重量，也需要根據(jù)特定形狀的空氣動(dòng)力學(xué)特性重新設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)，目前來(lái)看成本較高，實(shí)施起來(lái)相對(duì)困難。

表2 方案評(píng)價(jià)表

3 總結(jié)與展望

山核桃是我國(guó)大力發(fā)展的經(jīng)濟(jì)作物，但是由于生長(zhǎng)地形限制，其采收機(jī)械化處于較低水平。自無(wú)人農(nóng)場(chǎng)的概念提出以后，本研究構(gòu)想設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)摘收一體機(jī)，利用TRIZ理論對(duì)技術(shù)矛盾分析原理進(jìn)行了初步分析，且得到的解決方案都各有優(yōu)劣，還需進(jìn)一步的驗(yàn)證。要得到最優(yōu)的創(chuàng)新方案，還要后續(xù)配合TRIZ理論的創(chuàng)新問(wèn)題標(biāo)準(zhǔn)解法，發(fā)明問(wèn)題解決算法ARIZ，基于物理、化學(xué)、幾何學(xué)等工程學(xué)原理而構(gòu)建的知識(shí)庫(kù)進(jìn)行下一步驗(yàn)證。

本研究后續(xù)會(huì)通過(guò)實(shí)地調(diào)研法、觀察法、訪談法等對(duì)山核桃種植地區(qū)的現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行總結(jié)歸納，獲取模型構(gòu)建所需的全部數(shù)據(jù)，再運(yùn)用TRIZ理論對(duì)其他幾步進(jìn)行方案優(yōu)化，最終借助MBD技術(shù)[13]構(gòu)建三維模型，以直觀準(zhǔn)確地展示產(chǎn)品的工藝信息，全方位模擬構(gòu)造實(shí)體模型，減少后期的損失。還可通過(guò)MBD模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，為后期的批量化生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。除已經(jīng)展示的功能之外，日后還可將修剪枝葉、授粉、灑水等功能進(jìn)行整合，研制多功能一體化無(wú)人機(jī)。