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摘要：針對當(dāng)前果園規(guī)模化種植背景下對果樹各項作業(yè)和生產(chǎn)實現(xiàn)高效機械化的實際需求，研究人員研發(fā)了一種電動自走雙臂獨立三維空間果園多功能作業(yè)裝備，實現(xiàn)了打頂、抹芽、剪枝、噴藥和果實采摘等作業(yè)多功能一體化。該裝備能夠提供雙人同時、連續(xù)以及安全作業(yè)的自走式作業(yè)平臺，并配備自動監(jiān)測與操控系統(tǒng)以及采摘弧形柔性旋轉(zhuǎn)運輸滾道，達到降低勞動強度并保證人身安全，同時提高作業(yè)效率與果品質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞：多功能；監(jiān)控系統(tǒng)；弧形柔性旋轉(zhuǎn)運輸滾道；自動計量裝置

1背景分析

1.1國內(nèi)

根據(jù)觀研報告網(wǎng)發(fā)布的《2021年中國水果種植產(chǎn)業(yè)分析報告-產(chǎn)業(yè)規(guī)?，F(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析》，目前我國是全球水果第一生產(chǎn)大國[1]，果園面積不斷擴大，2020年我國果園面積穩(wěn)定在1333.333萬公頃左右，2021年果園面積可達1369.846萬公頃。果園機械化是果業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要組成部分[2]，而現(xiàn)階段我國果園總體機械化水平相對較低，大部分果園還是依賴人工種植管理作業(yè)[3]。人工采摘管理作業(yè)不僅效率低下，還要來回搬運采摘工具上下攀爬，造成危險系數(shù)高、水果易損壞等問題，制約著水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，果業(yè)采摘作業(yè)與機械化的有效融合，不僅能夠顯著提高采摘效率[4-5]，節(jié)約生產(chǎn)成本，而且最大限度地降低了水果的損耗，提高了種植戶的經(jīng)濟效益，對實現(xiàn)果園全機械化具有現(xiàn)實意義[6]。

1.2國外

相比國外，我國的采摘機械起步較晚[7]。歐美國家在20世紀(jì)40年代便開始進行對采摘機械的研究。20世紀(jì)60年代中期，美國針對不同果樹的高度采摘，設(shè)計出了輔助水果采摘的水果采摘升降平臺車[8]。20世紀(jì)90年代，日本研究出自走式采摘車，自走式采摘車具有較好的爬坡能力與回轉(zhuǎn)能力，且機體擺動小、行走穩(wěn)定。但只適合在坡度15°~30°的地區(qū)使用，不適合大規(guī)模自然生長的果園種植模式，實際應(yīng)用十分受限。因此，結(jié)合上述果園采摘管理作業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，急需研究設(shè)計一款具有果樹打頂、抹芽、剪枝、噴藥以及果實采摘作業(yè)等多種用途的果園多功能裝備，實現(xiàn)打頂、抹芽、剪枝、噴藥、果實采摘等作業(yè)多功能一體化。

2整機設(shè)計方案

2.1主要設(shè)計內(nèi)容

1）針對當(dāng)前規(guī)?；N植果園作業(yè)機械化程度不足的問題進行分析，確定了一種果園多功能裝備的總體最優(yōu)方案，實現(xiàn)對果園果樹的高效、高質(zhì)、多功能與安全作業(yè)。2）設(shè)計了自走式電動底盤搭載可獨立控制的三維空間雙臂旋轉(zhuǎn)升降工作臺，平行四桿機構(gòu)控制升降平臺往垂直方向移動，液壓系統(tǒng)控制平臺升降旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)不同高度多維度果園作業(yè)。3）設(shè)計了雷達自動監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測作業(yè)狀態(tài)，并顯示在駕駛室里，以適應(yīng)果園復(fù)雜作業(yè)環(huán)境，保證了作業(yè)者安全作業(yè)，協(xié)助駕駛員完成協(xié)同作業(yè)。4）針對果實采摘作業(yè)，設(shè)計了弧形柔性旋轉(zhuǎn)輸送滾道、風(fēng)機清選裝置以及自動稱重系統(tǒng)等，保證果實的品相和采摘質(zhì)量。

2.2系統(tǒng)組成和功能

2.2.1駕駛行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。駕駛行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向器、離合器等。通過驅(qū)動電機使小車獲得在地面行走的動力，實現(xiàn)小車的行駛。當(dāng)小車需要變速時，駕駛員踩下離合器可以阻止動力的傳輸來實現(xiàn)換擋；當(dāng)小車換向時，轉(zhuǎn)向器會使左右車輪實現(xiàn)差速，保證順利轉(zhuǎn)向。2.2.2動力驅(qū)動系統(tǒng)。動力驅(qū)動系統(tǒng)包括電瓶、動力輸出機構(gòu)、充電器等。電瓶向發(fā)動機提供動力源，通過動力輸出機構(gòu)可以將動力傳輸?shù)杰囕?，而電瓶可以通過充電器進行電量的補充。2.2.3作業(yè)系統(tǒng)作業(yè)系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)液壓缸、平行四桿機構(gòu)、作業(yè)平臺、弧形柔性旋轉(zhuǎn)運輸滾道、控制平臺、清選裝置、自動計量裝置、升降液壓缸和液壓控制裝置組成。作業(yè)者進入作業(yè)平臺，通過控制平臺操作旋轉(zhuǎn)液壓缸和升降液壓缸，完成作業(yè)平臺的旋轉(zhuǎn)和升降，到達作業(yè)位置。作業(yè)者可以通過弧形柔性旋轉(zhuǎn)運輸滾道、清選裝置和自動計量裝置完成對果實的采摘和除雜。2.2.4監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)主要由攝像頭和顯示裝置組成。通過攝像頭拍攝作業(yè)者作業(yè)情況和環(huán)境，將拍攝到的情況顯示到駕駛室的顯示裝置上。方便駕駛員移動果園多功能管理機，完成協(xié)同作業(yè)，同時保障作業(yè)者安全作業(yè)。

3關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

3.1雙臂旋轉(zhuǎn)升降工作臺

雙臂旋轉(zhuǎn)升降工作臺由旋轉(zhuǎn)液壓缸、平行四桿機構(gòu)、升降液壓缸、液壓控制系統(tǒng)以及旋轉(zhuǎn)支座組成。項目研發(fā)的果園多功能裝備采用了果樹多種作業(yè)通用的雙臂旋轉(zhuǎn)升降平臺，在結(jié)構(gòu)上采用電動自走底盤搭載雙臂液壓雙人獨立旋轉(zhuǎn)升降平臺，配置作業(yè)人員安全保障機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)升降平臺的操縱裝置位于作業(yè)平臺一側(cè)，由作業(yè)人員獨立操縱；搭載電動自動底盤，可實現(xiàn)整機自走式連續(xù)雙人作業(yè)，能夠取代果農(nóng)反復(fù)攀爬梯凳或者借助普通升降平臺斷點式作業(yè)的煩瑣工況：裝備的單臂外側(cè)旋轉(zhuǎn)可以達到90°，能夠?qū)崿F(xiàn)果樹樹冠打頂、抹芽、剪枝、噴藥、嫁接扦插、人工授粉，以及寬幅、無死角的果實采摘作業(yè)；平行四桿機構(gòu)則能保證作業(yè)平臺始終為垂直地面狀態(tài)，協(xié)同平臺實時監(jiān)測系統(tǒng)確保作業(yè)安全。旋轉(zhuǎn)升降工作臺如圖1所示。圖1旋轉(zhuǎn)升降工作臺

3.2振動輸送道

振動輸送道由作業(yè)平臺、弧形柔性旋轉(zhuǎn)滾道、清選裝置、收集箱支架組成。在水果采摘期，將采摘下的果實通過弧形柔性旋轉(zhuǎn)滾道輸送，經(jīng)除雜后進入收集箱，果實受到來自樹葉雜質(zhì)和果實果柄的阻力而停止。輸送道通過內(nèi)層的振動使它們的相對位置發(fā)生變化，使得雜質(zhì)不再影響果實的通過，從而繼續(xù)運動，到達收集箱?？梢暂p松實現(xiàn)較高效率的果實采摘和去雜工作，極大節(jié)省人力資源。振動輸送道如圖2所示。

3.3監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)由控制平臺、自動計量裝置系統(tǒng)等組成。裝備集成了自動化的工作監(jiān)控系統(tǒng)，作業(yè)平臺的站立筒上方設(shè)置操控系統(tǒng)，方便作業(yè)人員自行控制調(diào)節(jié)平臺升降和旋轉(zhuǎn)到最佳作業(yè)位置；針對采摘作業(yè)平臺還設(shè)置有自動稱重計量系統(tǒng)，可以實現(xiàn)達到既定重量后報警，實現(xiàn)減少果實損傷、便于后期延長存儲時間以及提高果實品相的目的。同時，裝備設(shè)有多處監(jiān)控裝置，監(jiān)控果樹周圍環(huán)境，保障作業(yè)人員人身安全。并將整機行走路線、整機工作狀態(tài)顯示于駕駛監(jiān)控屏，包括整機行走狀態(tài)、工作臺位置與作業(yè)狀況等，以方便控制工作路線和前進速度，完成協(xié)同作業(yè)，同時監(jiān)測作業(yè)環(huán)境，確保作業(yè)人員人身安全?？刂破脚_如圖3所示，計量托盤如圖4所示。

4主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

5優(yōu)勢分析

5.1功能多

本文研發(fā)的果園多功能裝備，是一種電動自走雙臂獨立三維空間運動果園多功能裝備，采用電動自走底盤設(shè)計，實現(xiàn)雙臂液壓雙人獨立旋轉(zhuǎn)升降。雙臂旋轉(zhuǎn)升降工作臺通過液壓系統(tǒng)獨立實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，液壓缸控制平行四桿機構(gòu)。實現(xiàn)了打頂、抹芽、剪枝、噴藥、果實采摘、人工授粉等一系列精密作業(yè)的多功能一體化，解決了果農(nóng)作業(yè)時需反復(fù)攀爬梯凳的問題。

5.2作業(yè)范圍廣

液壓系統(tǒng)外側(cè)可旋轉(zhuǎn)180°，同時旋轉(zhuǎn)升降工作臺可以緊貼樹干進行作業(yè)，實現(xiàn)半球面作業(yè)。在果樹樹冠打頂、抹芽、剪枝、噴藥、果實采摘、人工授粉等作業(yè)實現(xiàn)無死角，控制平臺升降旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)不同高度多維度果園作業(yè)。液壓系統(tǒng)提高了作業(yè)平臺的穩(wěn)定性，保證了作業(yè)的精密程度。雙臂旋轉(zhuǎn)升降工作臺作業(yè)時均可獨立控制，實現(xiàn)自主作業(yè)，提高了作業(yè)效率。

5.3自動化

設(shè)置弧形柔性旋轉(zhuǎn)運輸滾道、變速清選裝置、自動稱重計量、報警系統(tǒng)等。在水果采摘期將采摘下的果實通過弧形柔性旋轉(zhuǎn)運輸滾道，經(jīng)篩選除雜后進入收集箱，避免了果實的磕碰，果實損傷小，便于延長存儲期。同時，大大降低了后期果實清選的難度，減少了后期清選果實所需的人力物力。

5.4智能化

智能化顯示工作狀態(tài)。該機工作狀態(tài)利用多個攝像頭和傳感器，通過不同位置的監(jiān)控裝置，將圖像顯示在駕駛室前方的顯示屏上，顯示變速清選狀況、果箱中水果狀態(tài)、自動稱重計量、工作臺位置及工作狀況，使駕駛者更好地了解作業(yè)情況，便于控制工作線路和前進速度。

5.5效率高

整機在果園作業(yè)中取得了良好的效果，解決了以往果園作業(yè)存在的問題，大大提高了果園作業(yè)的工作效率。使用操作簡單、應(yīng)用范圍廣，可以應(yīng)用于不同種類的果園，提高果園作業(yè)的機械化程度。同時，作業(yè)平臺上搭載了作業(yè)站立桶，合理設(shè)置旋轉(zhuǎn)臂高度和半徑，在不影響果農(nóng)作業(yè)便捷性的同時，為果農(nóng)作業(yè)安全提供了保障。作業(yè)平臺上可以放置果農(nóng)的作業(yè)工具，為果農(nóng)進行多項作業(yè)提供便利。

6結(jié)語

本研究介紹了一款可實現(xiàn)打頂、抹芽、剪枝、噴藥、果實采摘等作業(yè)多功能一體化的裝置，可以有效地解決果農(nóng)在采摘管理作業(yè)過程反復(fù)上下登高、攀爬梯凳或普通升降平臺，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、勞務(wù)成本高且人身安全得不到保障的問題，改善采摘過程以及采摘倒運過程出現(xiàn)的水果破損以及含雜率高等現(xiàn)象。本文所設(shè)計的裝置具有多功能作業(yè)平臺、安全作業(yè)站立桶、自動運輸篩選裝置，可三維空間作業(yè)、高空作業(yè)，能很好地適應(yīng)果園特殊作業(yè)環(huán)境。隨著高新技術(shù)的發(fā)展與國家政策支持，我國果園機械化及果園機械裝備轉(zhuǎn)型升級，果園機械采摘不斷朝著自動化和智能化方向發(fā)展，果園采摘裝備的應(yīng)用將極大地提高采摘效率，促進果業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，推動鄉(xiāng)村振興的發(fā)展，更是增加果農(nóng)收入、實現(xiàn)全面小康、助力鄉(xiāng)村振興的有效途徑[9]。隨著農(nóng)業(yè)從業(yè)者的減少及老齡化趨勢不斷加大，采摘機械的開發(fā)利用具有巨大的經(jīng)濟效益和廣闊的市場前景[10]。因此該設(shè)備的設(shè)計對于果園采摘機械具有很大的意義。

作者:高磊 趙昕昱 謝雨軒 閆什 李京謙 蔡善儒 單位:山東理工大學(xué)