智能除草收草機設計

徐 航,萬志遠,孫銘澤

(山東華宇工學院 機械工程學院,山東 德州 253072)

0 引言

農田雜草已成為危害農業生產的重要因素之一。我國傳統的除草方式主要為人工除草和化學除草,人工除草不但需要消耗大量的體力、精力,而且除草效果十分有限;化學除草雖能對雜草生長起到抑制作用,但易造成環境污染,不符合可持續發展理念[1-2]。應用機械除草方式較為環保,效率一般為人工除草的10～15倍,減輕農民勞動強度、可有效節約勞動力成本、提高農民的經濟收入[3-4]。農業機械化是農業現代化的重要組成部分,是農業可持續發展的重要推動力[5],運用科學的管理手段和先進適用的農機裝備來提高農業生產效率、農產品質量和農民收入。

機械結構是機電一體化的基礎,是機電一體化系統所有功能要素的主要支持結構。除草機器人的機械結構不僅決定著除草機器人的外觀,還決定著除草機的功能、工作時的可靠性和靈活性[6-7]。目前,主流的除草機只有除草功能沒有收草功能,且不能鏟除多年生草本植物。針對此問題,設計了一種智能除草收草機,實現除草、收草的一體化流程,還能將回收的草進行再利用。對比傳統除草方式,除草機的平均除草合格率為94.20%,平均粉碎率為92.29%[8],能有效提升農業除草的效率,減少化學藥劑殘留,適宜推廣使用。

1 總體方案設計

智能除草收草機主要由4部分組成,制動結構、除草結構、鏟草過濾結構和收集結構。在本文機器裝置介紹中,去掉了制動結構的設計,因為此部分的內容沒有進行改進,所以不再進行詳細的贅述。具體的機器結構示意圖如圖1所示。

1.除草結構;2.鏟草過濾結構;3.機架;4.收集結構;5.推塊;6.第一伸縮桿; 7.滾動柱;8.圓柱鋸齒;9.第四伸縮桿;10.壓板;11.艙門;12.收集箱;13.輸送帶;14.第二伸縮桿;15.鏟草刀;16.除草輪;17.除草刀圖1 機器結構示意圖

智能除草收草機中的除草結構位于機架前端,包括與機架固定的推塊,一對結構相同的第一伸縮桿,第一伸縮桿下端轉動連接著除草輪,除草輪外圓周均布有多個除草刀,除草刀為鐮刀狀結構。鏟草過濾結構包括一對結構相同的第二伸縮桿、鏟草刀、輸送帶、滾動柱,滾動柱外圓周均布有多個圓柱鋸齒。收集機構位于機架的后端,包括第四伸縮桿(第四伸縮桿下端與壓板固定連接)和收集箱組成。

智能除草收草機利用除草結構中的推塊先將較高的雜草推倒,再通過第一伸縮桿將除草輪調制適宜除草的位置,除草輪滾動帶動除草刀將雜草鏟除,雜草鏟除后通過鏟草過濾結構內部的鏟草刀將雜草鏟起,并通過滾動柱輔助將雜草推送至輸送帶,通過輸送帶將雜草輸送至收集箱中。在此過程中,輸送帶將傳輸中攜帶泥土的雜草進行過濾,雜草被輸送至收集結構內,收集結構中的第四伸縮桿帶動壓板下壓,將雜草壓縮成塊狀,然后通過收集箱中的連桿結構相互配合將雜草送出收集箱。

2 機器結構設計

2.1 除草結構

除草結構位于機架前側,包括與機架固定的推塊,一對結構相同的第一伸縮桿、除草刀、除草輪(圖2)。其位置及連接關系:推塊可以是三角形的,也可以是其他形狀,只要保持推塊右前端為傾斜的面,且上端面大于下端面,能將較高的雜草推到即可;第一伸縮桿下端轉動連接著除草輪,除草輪外圓周均勻分布多個除草刀,除草刀為鐮刀狀結構;除草輪可變速轉動,通過電機驅動除草輪轉動,帶動除草刀轉動,從而將雜草鏟除。機架上固定的第一伸縮桿為電動推桿,其下端與除草輪轉動連接,通過所處環境進行伸縮調節,從而去控制除草裝置的豎直高度,達到鏟除雜草的最佳高度。

1.第一伸縮桿;2.推塊;3.除草刀;4.除草輪圖2 除草結構示意圖

2.2 鏟草過濾結構

鏟草過濾結構包括與機架鉸接的鏟草刀、一對結構相同的第二伸縮桿、滾動柱、圓柱鋸齒、輸送帶和驅動電機(圖3)。

1.鏟草刀;2.圓柱鋸齒;3.第二伸縮桿;4.滾動柱;5.輸送帶;6.驅動電機圖3 鏟草過濾結構示意圖

其位置及連接關系:鏟草刀右側鉸接第二伸縮桿,第二伸縮桿上端與機架鉸接固定。通過鏟草刀的上下擺動來控制與地面之間的距離,方便將雜草鏟起,第二伸縮桿也采用電動推桿的形式,通過第二伸縮桿的伸縮實現鏟草刀的擺動。滾動柱與機架轉動連接,滾動柱位于鏟草刀上方,滾動柱外圓周圍均布有多個圓柱鋸齒。電機驅動滾動柱轉動,滾動柱轉動帶動雜草向上傳輸。輸送帶位于鏟草刀左側,且開設多個過濾孔,這樣在輸送雜草的過程中,雜草中夾雜的泥土可通過過濾孔被過濾掉,同時雜草隨著輸送帶傳輸至收集裝置中。

工作時,除草結構除掉雜草后,鏟草過濾結構中的第二伸縮桿控制鏟草刀放入地下,隨著機器的前進,前端的鏟草刀將雜草鏟起,滾動柱在電機的驅動下帶動輸送帶運動,在輸送雜草的過程中,輸送帶上的過濾孔,將雜草帶上來的泥土過濾掉,最后通過輸送帶將雜草運輸至收集箱內,完成鏟草過濾工作。

2.3 收集結構

收集結構包括收集箱、壓板、第四伸縮桿(圖4a)。收集箱主要構件包括艙門、第一連桿、第二連桿、第三伸縮桿和擋板(圖4b)。輸送帶輸送雜草至收集箱內,通過壓板的豎直滑動將雜草壓縮,第四伸縮桿下端與壓板固定連接,上端與機架固定連接。收集箱左側鉸接艙門,艙門可擺動打開,當工作完成后,通過艙門打開收集箱,將收集后的雜草取出。

1.收集箱;2.壓板;3.第四伸縮桿;4.艙門;5.第一連桿;6.第三伸縮桿;7.第二連桿;8.擋板圖4 收集結構示意圖

工作時,當輸送帶將雜草輸送到收集箱后,收集箱上端的壓板在第四伸縮桿的伸縮下豎直滑動壓縮,使收集箱中的雜草變成草餅狀,以此來增大空間。當收集箱中的雜草集滿后,第三伸縮桿向下端伸縮較小的距離,帶動第二連桿,第二連桿帶動第一連桿,第一連桿帶動收集箱向外移動。艙門設計成擺動結構,當連桿結構將收集箱送出后,艙門自動打開將雜草排出,完成收集工作。

2.4 控制系統

控制系統由用戶界面(信息接收平板)、控制主機、各類傳感裝置和受控設備組成。傳感裝置連接控制主機,傳感裝置收到信息后向控制主機傳輸信號,從而信息接收平板對控制主機下達指令實現對受控設備進行相應的控制。信息接收平板能夠對多路設備進行控制,用戶只需要坐在信息接收平板前,就可以直觀地操作智能除草收草機,包括控制機器行走、除草鏟草等。整機啟動后,由控制中心進行自檢,若各個部位工作正常,智能除草收草機的工作部位由原來位置移動到工作位置,再開始工作,推塊將雜草推倒,除草結構中第一伸縮桿的內置電機帶有力反饋功能,當第一伸縮桿帶動除草輪到達地面后,第一伸縮桿的內置電機給控制主機傳輸力反饋信息。控制主機分析后,控制除草輪轉動,除草的同時鏟草過濾結構開始運作,將雜草鏟起進行運輸。收集結構中的第四伸縮桿,在控制主機的控制下進行定時壓縮,當收集箱中的雜草填滿后,控制主機驅動連桿將雜草運出。

2.5 元件采用的種類及作用

第一伸縮桿采用的是電動推桿伸縮桿(深圳卓創傳動科技有限公司,卓創傳動科技品牌的ZCO1A型電動推桿)。ZCO1A型號的電動推桿(圖5)可配對到PLC系統中,還可在里面加裝壓力傳感器、配置編碼器,通過變頻器或控制器控制,實現精確定位,控制電動推桿的伸縮長度,當接觸到地面后給予控制系統力反饋信息[9]。

圖5 ZCO1A型電動推桿

控制器選用ESP32系列單片機的ESP32-S為主控制器,ESP32是由樂鑫公司(ESPRESSIF)推出的一款集成WiFi功能的微控制器(圖6)。ESP32芯片具有主頻32位雙核處理器,CPU正常工作速度為80 MHz,最高可達240 MHz,其SRAM最大支持16 MB片外SPI Flash,WiFi協議支持多種協議,速度高達150 Mbps,藍牙協議支持藍牙v4.2完整標準,包含傳統藍牙(BR/EDR)和低功耗藍牙(BLE),同時還具備豐富的外設接口,如GPIO、SPI、UART等常用接口,適用于智能除草收草機的控制主機要求[10-11]。

圖6 ESP32控制器

3 結語

本文設計了一款智能除草收草機,通過此機器的除草結構、鏟草過濾結構和收集結構,完成對田間地頭、農業果園中雜草的鏟除和收集工作。解決現在農業中農藥殘留、除雜草不徹底、雜草易再生等問題。對目前市面上只有除草功能沒有收草功能的除草機進行了改造升級。本產品設計提升了農業除草效率,使雜草廢物利用,減少農業雜草再生的煩惱,提高了農民生產效率。