一種新型小麥播種機(jī)器人的研制

張汝航， 劉曉義， 韓騰飛， 黎明宇

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展最重要是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能機(jī)械化，這樣不僅效率高，而且能達(dá)到操作一致，質(zhì)量可以得到保障，更易達(dá)到農(nóng)業(yè)技術(shù)的要求，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，提高收益。通過農(nóng)業(yè)機(jī)械化與作物栽培流程進(jìn)行融合，可以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、高產(chǎn)、高效的目標(biāo)。

現(xiàn)通過對(duì)比國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)種植機(jī)械[1-5]，設(shè)計(jì)一款新型小麥播種機(jī)器人。該機(jī)田間作業(yè)時(shí)，將生物旋耕、播種、施肥、平土、鎮(zhèn)壓一次完成，大大簡(jiǎn)化了小麥播種時(shí)的生產(chǎn)流程，有利于進(jìn)一步提高播種效率和解放生產(chǎn)力[6-10]。

(1)根據(jù)功效需求擬定機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案：包括機(jī)器人挪移平臺(tái)、大體布局結(jié)構(gòu)等。

(2)小麥播種機(jī)器人結(jié)構(gòu)建立和電參數(shù)確定：包括機(jī)器人整體部分和各功效模塊的結(jié)構(gòu)規(guī)劃、各功效驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電池選用等。

整體上設(shè)計(jì)一種適用于小麥播種的播種機(jī)器人，比平常的播種機(jī)增加了旋耕、施肥、覆土機(jī)構(gòu)，能同時(shí)施肥和播種。

此外，對(duì)于其行走機(jī)構(gòu)，改變傳統(tǒng)的輪式機(jī)構(gòu)，盡量滿足在田地穩(wěn)定行走的要求，設(shè)計(jì)出履帶式行走機(jī)構(gòu)，以電機(jī)驅(qū)動(dòng)，減少環(huán)境污染。

(3)設(shè)計(jì)的核心工作：提高平穩(wěn)精準(zhǔn)播種能力，實(shí)現(xiàn)一定程度的播種自動(dòng)化，達(dá)到一定播種率，可遠(yuǎn)程控制機(jī)器人作業(yè)，降低農(nóng)民勞動(dòng)量，將挖坑、施肥與覆土工序相結(jié)合，保障效率和質(zhì)量，保證播種工作順利進(jìn)行。

1 小麥播種機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

小麥播種機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)包括：主要技術(shù)參數(shù)、小麥播種機(jī)器人整體要求、總體方案設(shè)計(jì)、總體布局方案。

1.1 小麥播種機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2 小麥播種機(jī)器人整體要求

研制的小麥播種機(jī)器人預(yù)期滿足的要求主要有以下三點(diǎn)：

(1)能夠快速實(shí)現(xiàn)功能切換，各功能模塊便于拆裝和維修；

(2)能夠滿足旋耕作業(yè)、精密播種作業(yè)的相關(guān)國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；

(3)操作方便簡(jiǎn)單、性能比較穩(wěn)定，具有一定的自主作業(yè)能力。

1.3 小麥播種機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

從小麥播種機(jī)器人的功效特色以及作業(yè)環(huán)境特征出發(fā)，做總體設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)應(yīng)盡量遵循以下設(shè)計(jì)要求：

(1)模塊化設(shè)計(jì)原則：為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)功能精確可控，改善使用率，此播種機(jī)器人采取分功效機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(2)結(jié)構(gòu)便于裝拆原則：連接方法盡量簡(jiǎn)略，要縮減緊固件的比例，同時(shí)也要考慮安置和拆卸緊固件的操作空間，防止操縱難題產(chǎn)生干擾。

小麥播種機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)框圖如圖1所示，本設(shè)計(jì)主要研究機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)。

圖1 小麥播種機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)框圖

1.4 小麥播種機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

小麥播種機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)布局如圖2所示，機(jī)器人底托為長(zhǎng)方形布局。在底盤上安置車架，控制箱牢固在車架驅(qū)動(dòng)電機(jī)中部，施肥機(jī)構(gòu)安置在車架豎直板背部，豎直板前安置提升機(jī)構(gòu)，播種機(jī)構(gòu)安置在提升機(jī)構(gòu)的滑塊上，蓄電池組安裝在提升機(jī)構(gòu)的雙側(cè)，旋耕機(jī)構(gòu)安置在行走機(jī)構(gòu)最前端，即豎直板和提升機(jī)構(gòu)上，鎮(zhèn)壓覆土機(jī)構(gòu)安置在車架末尾。

圖2 小麥播種機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)布局1.底盤行走機(jī)構(gòu)；2.驅(qū)動(dòng)電機(jī)；3.旋耕機(jī)構(gòu)；4.提升機(jī)構(gòu)；5.施肥機(jī)構(gòu)；6.播種機(jī)構(gòu)；7.車架；8.覆土機(jī)構(gòu)；9.控制箱；10、11.蓄電池組

1.5 小麥播種機(jī)器人工作原理

小麥播種機(jī)器人大體由底盤行走機(jī)構(gòu)、旋耕機(jī)構(gòu)、播種機(jī)構(gòu)、施肥機(jī)構(gòu)、鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電源等構(gòu)成，智能播種可由機(jī)器人各功效機(jī)構(gòu)間的調(diào)和來實(shí)現(xiàn)。人操作遙控端，遙控端控制器發(fā)送指令到主控制器，驅(qū)動(dòng)行走電機(jī)，底盤行走機(jī)構(gòu)開始沿預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)到達(dá)指定地點(diǎn)，然后提升機(jī)構(gòu)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)，此機(jī)構(gòu)上的旋耕和播種模塊下沉到一定高度，旋耕刀軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行旋耕作業(yè)，行走機(jī)構(gòu)按路線前進(jìn)，同時(shí)施肥電機(jī)和播種電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)排種器和排肥器工作，種子和肥料沿固定在開溝犁后方凹槽的軟管落下，完成落種和落肥，覆土板和鎮(zhèn)壓輪完成覆土工作。機(jī)器人在該處播種作業(yè)結(jié)束，繼續(xù)前行，完成下一處的播種任務(wù)。小麥播種機(jī)器人工作原理如圖3所示。

圖3 小麥機(jī)器人工作原理

2 小麥播種機(jī)器人關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 旋耕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋耕是農(nóng)業(yè)播種前的準(zhǔn)備工作，旋耕刀片對(duì)泥土銑切，被旋切下的土塊飛起與擋土罩產(chǎn)生撞擊破碎變得更小后下落。旋耕機(jī)構(gòu)能夠一次性實(shí)現(xiàn)碎土充分、作業(yè)域平坦、土肥摻和均勻，對(duì)節(jié)約農(nóng)時(shí)、減輕勞力、緩解勞動(dòng)強(qiáng)度非常有利[11]。

刀軸是旋耕機(jī)構(gòu)上的核心部件，其與減速箱輸出軸連接。動(dòng)力輸出軸旋轉(zhuǎn)，刀軸隨著旋轉(zhuǎn)，刀軸上的刀片將土塊旋起，并粉碎土塊[12]。

旋耕刀軸如圖4所示，刀軸的刀座與刀軸固定連接，刀片通過螺栓緊固在刀軸上，刀片損壞可以拆卸單獨(dú)更換。刀軸通過花鍵與減速器中的傳動(dòng)齒輪連接[13]。

圖4 旋耕刀軸

2.1.1 旋耕機(jī)構(gòu)

旋耕機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5 旋耕機(jī)構(gòu)1.刀軸；2.刀片；3.減速器；4.擋泥板；5.毗連卡塊；6.電機(jī)

2.1.2 旋耕機(jī)構(gòu)工作流程

旋耕電機(jī)與聯(lián)軸器和減速器連接，旋耕電機(jī)旋轉(zhuǎn)將轉(zhuǎn)矩傳遞給減速器，減速器把驅(qū)動(dòng)力傳給旋耕刀軸，帶動(dòng)刀片進(jìn)行旋耕作業(yè)。旋耕機(jī)構(gòu)通過連接板安裝在機(jī)器人提升機(jī)構(gòu)的滑塊上，以便提升機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)旋耕作業(yè)時(shí)的深度，還可以控制機(jī)器人行走時(shí)旋耕機(jī)構(gòu)的離地間隙，以免磨損刀片。

2.2 施肥機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

施肥可以增加農(nóng)作物產(chǎn)量，改善品質(zhì)，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。精確施肥機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研制尤為重要，因此設(shè)計(jì)一種精確到種穴的施肥機(jī)構(gòu)。

2.2.1 施肥機(jī)構(gòu)

施肥機(jī)構(gòu)如圖6所示。

圖6 施肥機(jī)構(gòu)1.肥箱；2.卡具；3.輸肥管；4.開溝器；5.壓板；6.橫桿；7.排肥器；8.電機(jī)

2.2.2 施肥機(jī)構(gòu)工作流程

施肥電機(jī)帶動(dòng)聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)矩傳給排肥軸，排肥軸帶動(dòng)各排肥器內(nèi)部的外槽輪工作，外槽輪把肥料傳至排肥器底部，底部連有輸肥管用于運(yùn)送肥料，輸肥管置于開溝犁后部，在所開種穴處落肥[14]。

2.3 播種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前我國(guó)農(nóng)業(yè)的大趨勢(shì)是機(jī)械化種植，隨著農(nóng)業(yè)水平的提高，播種精確化已經(jīng)成為必然要求，播種機(jī)構(gòu)的排種器設(shè)計(jì)非常重要。

2.3.1 播種機(jī)構(gòu)

播種機(jī)構(gòu)如圖7所示。

圖7 播種機(jī)構(gòu)1.小齒輪(主)；2.卡塊；3.大齒輪(從)；4.排種軸；5.種子箱；6.連接板塊；7.電機(jī)；8.小帶輪；9.大同步帶輪；10.中間軸；11.連接板塊；12行距塊；13.開溝器

2.3.2 播種機(jī)構(gòu)工作流程

播種電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩通過小帶輪送達(dá)大帶輪，使大帶輪所在軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)其上的小齒輪，小齒嚙合大齒輪，使同根軸上的排種輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)行排種流程。

3 驅(qū)動(dòng)力分析與電參數(shù)匹配

小麥播種機(jī)器人工作能量來源于電力驅(qū)動(dòng)體系，本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)方式選用蓄電池加直流電機(jī)，包括底盤行走、旋耕、播種、施肥、輔助部分。現(xiàn)以底盤驅(qū)電機(jī)和旋耕機(jī)構(gòu)為例闡述電機(jī)型號(hào)和參數(shù)的選擇，并依據(jù)電機(jī)參數(shù)匹配合適的蓄電池。

3.1 底盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率確定和選型

底盤行走機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)所受阻力基本來源于開溝阻力，消耗的底盤電機(jī)功率取決于開溝器結(jié)構(gòu)外形、開溝深度和寬度，分析得出，施肥阻力比播種阻力大；旋耕刀片為旋切入土，旋耕電機(jī)提供動(dòng)力抵抗此阻力；施肥開溝器的入土方式為擠壓滑移，由底盤電機(jī)負(fù)擔(dān)此阻力；旋耕消耗功率更少，覆土最少，只需克服自重摩擦力即可。

經(jīng)試驗(yàn)研究，施肥消耗底盤電機(jī)功率最大，為確保所有功能可行，本文重點(diǎn)研究施肥時(shí)底盤受力環(huán)境，據(jù)此計(jì)算選定底盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重要參數(shù)。底盤行走機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖如圖8所示。

圖8 底盤行走機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖

對(duì)圖8進(jìn)行受力分析，分析中做如下假設(shè)：

①裝備質(zhì)心在O點(diǎn)，將其所受的力平移到質(zhì)點(diǎn)；②裝備勻速行駛作業(yè)。

裝備主要受兩個(gè)阻力，一個(gè)是因自重產(chǎn)生的移動(dòng)阻力Ff，另一個(gè)是由牽引活動(dòng)帶來的阻力FT，底盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率主要用于克服這兩個(gè)力，平衡方程為：

Fq=FT+Ff

(1)

其中，

Ff=Gf=mgf

(2)

式中：Fq為驅(qū)動(dòng)力；FT為牽引阻力；Ff為行駛阻力；m為整機(jī)質(zhì)量，280 kg；G為加速度，取值9.8 m/s2；f為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，取0.15。

其中FT為：

FT=zblhkk

(3)

式中：z為開溝犁數(shù)目，取4；bl為獨(dú)犁耕耘寬度，取8 cm；hk為耕深，取8～10 cm；k為泥土比阻，取4×104～6×104Pa。

帶入數(shù)據(jù)，可求得驅(qū)動(dòng)力F=1 436 N。

Fq≤(λmaxφδ-f)Gmax

(4)

式中：λmax為最大載荷容許分派系數(shù)，取0.85；φδ為 容許δ(滑轉(zhuǎn)率)時(shí)的附著系數(shù)，計(jì)0.8；Gmax為機(jī)器人最大重力，取3 430 N。算出Fq≤1 818 N，故F合理。

因?yàn)橹T多要素會(huì)使?fàn)恳Σ▌?dòng)，故額定牽引力要給足余量，(也就是說額定牽引力要大于實(shí)際牽引阻力)，一般為牽引阻力的1.1～1.2倍。因?yàn)楦鞑糠滞瑫r(shí)作業(yè)，額定牽引力Fr要適當(dāng)取大一些，可取1.8～1.9倍的牽引阻力FN，即：

FTN=(1.8～1.9)FN

(5)

式中：FN為牽引阻力(N)；FTN為額定牽引力(N)。

直流電機(jī)功率、驅(qū)動(dòng)力，速度之間存在如下計(jì)算公式：

P=FV

(6)

式中：P為電機(jī)額定功率；F為當(dāng)前電機(jī)驅(qū)動(dòng)力；V為履帶底盤當(dāng)前行進(jìn)速度。

由式(6)可知，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力和自身的挪動(dòng)速度成反比例關(guān)系?，F(xiàn)把施肥速率取最大，計(jì)算出此時(shí)機(jī)器人施肥時(shí)的功率：

(7)

式中：VL為施肥速，取2.4 km/h；ηL為旱地傳動(dòng)效率，取0.75。

結(jié)合式(5)、式(6)、式(7)并帶入相關(guān)參數(shù)，可得Pq≥2.36 kW，故底驅(qū)功率需≥2.36 kW。選用無刷直流電機(jī)[15-18]。

底盤驅(qū)動(dòng)由兩1.5 kW的電機(jī)承擔(dān)，總功率3kW，所選電機(jī)參數(shù)見表2所示。

表2 電機(jī)參數(shù)

3.2 旋耕電機(jī)功率確定和選型

旋耕情形非凡，其電機(jī)須擁有帶負(fù)啟動(dòng)本領(lǐng)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩更加大，功率也高。因而其功率：

(8)

式中：PN為電機(jī)額定功率(kW)；K為功率安全指數(shù)；ηT為旋耕模塊傳動(dòng)效率；Pf為旋耕作業(yè)時(shí)所需的旋耕電機(jī)功率(kW)。

Pf的計(jì)算公式如下：

Pf=0.1KλHBv

(9)

式中：H為旋耕深度，取H=10 cm；B為旋耕幅寬，取B=0.6 m；V為旋耕速率，取V=0.56 m/s；Kλ為旋耕比阻(N/cm2)，Kλ計(jì)算公式如下：

Kλ=KgK1K2K3K4

(10)

式中：Kg為比阻修正系數(shù)，取Kg=11；K1為耕深修正系數(shù)，取K1=08；K2為泥土含水率修正系數(shù)，取K2=0.85；K3為殘存物修正系數(shù)，取K3=0.8；K4為工作方式修正系數(shù)，取K4=0.66。

將相關(guān)參數(shù)帶入式(10)，可得Kλ=3.95，聯(lián)立式(9)并帶入所需參數(shù)，可得Pf=1.33 kW；取電機(jī)功率安全系數(shù)K=1.2，旋耕機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率0.8，將參數(shù)帶入式(48)得：

(11)

最后得出旋耕機(jī)功率2.2 kW，采取主流的無刷直流電機(jī)，額定扭矩7.2 N/m；額定轉(zhuǎn)速 2 850 r/min。

3.3 動(dòng)力電池組參數(shù)設(shè)計(jì)與選型

電池組總能量值，計(jì)算公式如下：

W=PT

(12)

式中：W為電池總能量；P為耗電總功率，取4.5 kW；T為續(xù)航時(shí)間，取1 h。

將之帶入式(12)計(jì)算出We=4.55 kW·h。

全部電機(jī)參數(shù)如下：行走電機(jī)總功率3 kW，旋耕機(jī)額定功率2.2 kW，提升機(jī)構(gòu)額定功率100 W，施肥電機(jī)額定功率150 W，播種電機(jī)額定功率100 W，機(jī)器人總功率為5.65 kW，底盤電機(jī)額定電壓48 V，功能機(jī)構(gòu)最低額定電壓12 V，最高60 V。

選用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組作為動(dòng)力源，電池組一塊用于行走驅(qū)動(dòng)供電，規(guī)格為48 V 60 Ah，其余專供農(nóng)藝作業(yè)結(jié)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)，規(guī)格為72 V 40 Ah。電池總值為5 760 kW·h。由于上面計(jì)算總功率5.65 kW為最大值，提升電機(jī)非持續(xù)工作，所以最低可以運(yùn)行1 h。

4 結(jié)束語

(1)對(duì)國(guó)內(nèi)外小麥播種機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀和播種機(jī)器人技術(shù)的研究情況進(jìn)行分析，對(duì)小麥播種機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)根據(jù)作業(yè)環(huán)境和需求，提出小麥播種機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案，主要對(duì)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成了三維建模。

(3)分析作業(yè)的受力情況，做出受力分析圖，計(jì)算出合適的功率，完成電機(jī)的選型和電池組型號(hào)參數(shù)的確定。

由于開溝犁的高度和間距均可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，故此播種機(jī)器人也可以在一定范圍內(nèi)適應(yīng)不同的播種深度和行距。此外，該機(jī)不僅能實(shí)現(xiàn)全套播種作業(yè)，也可以視情況完成單獨(dú)的功能作業(yè)，如旋耕或者施肥等。