便携式遥控割草机的设计与实现

赵庆娟　孙金超　张红胜

摘 要：随着城镇化速度加快以及劳动力成本的增加，城市绿化和植保需求急剧增加，急需适合办公区域，绿化带等区域的低噪声、轻量化、美观以及自动化的小型地块使用的智能化割草机。为此，本文中设计了一种以复合材料3D打印高强度结构件为主的遥控式轻型割草机，对其结构、动力系统以及电器系统进行了设计及计算，并对整机进行了校园及政府办公区的噪声以及割草效率进行了测试，噪声符合国家标准，安装更换操作简单，适用于城市区域植保。

关键词：轻量化 割草机 复合材料 3D打印

中图分类号：S224.15 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（c）-0094-03

Absrtact： With the acceleration of urbanization and the increase of labor costs， the demand for afforestation of city has increased dramatically has increased dramatically. Therefore， there is an urgent need for intelligent lawn mowers suitable for small plots with low noise， lightweight， beautiful and automation in office areas， green belts and other areas. In this paper， a remote-controlled light lawn mower with high-strength structural composite material parts is made by 3D printing technology. Its structure， power system and electrical system are designed and calculated. The noise and mowing efficiency of lawn mower in the campus and government office are tested. The results show that the noise of lawn mower is low and it is easy to install and replace which is suitable for plant protection in urban areas.

Key Words： Lightweight； Lawn mower； Composite material； 3D printing

随着城市与道路绿化面积的迅速增加，城市区域内植保的需求量增大，植保工人员的数量以及工作强度大幅度提升，由于现有植保工人老龄化严重，一线植保工作人员年龄主要集中在50岁左右。随着工人年龄的增长，植保工作将面临缺人问题，急需自动化设备甚至是无人设备取代。手推式以及肩背式的割草机劳动强度大，夏天天气炎热，暴晒的工作环境也是植保工作困难及无人问津的原因之一。手推式割草机由于需要人工推动，机器设备外形不美观、噪音大、效率低，工作时会对办公环境造成较大影响，因此急需现代化的自动割草设备来改善这一现状。南京理工大学祖莉以及扬州大学聂庆炜等人针对国外庭院类割草机做了智能控制方面以及机构方面的优化，增强了四轮割草机器人的功能以及可靠性[1-6]。但优化后的割草设备并没有进行大量投产和推广，仍然处于实验室研究阶段，因此应用类的割草机器人的技术突破是十分迫切的，无论在制造难易程度、加工成本及操作可靠性等方面都需进一步提高。本文针对上述存在的问题，设计并制造出一台结构简单、轻便可靠的四轮驱动便携式遥控割草机，并对该割草机进行了结构及系统的优化，结构优化后割草机的主要部件采用高强度轻质合金板材的冲压加工及复合材料3D打印技术大大降低割草机的重量和体积，选用锂电池以及减速电机进行驱动，极大地降低了制造难度和成本，增加了电气部分的可靠性，该设备可以实现远距离遥控操作，完全可以实现降低劳动强度、改善劳动环境的目的，同时它还可以适应各种复杂地形进行割草作业。

1 便携式遥控割草机结构及动力机构

割草机主要应用于城市、道路以及园林绿化等场所。需要割草机轻便小型、噪音小、功耗低，并且在割草作业的过程中最好能将割除的草叶粉碎，可以进一步降低人力物力。割草机应有足够的动力，能够爬坡不低于30°，来适应斜坡作业。并且在园林植保的应用中在割草机的电力供应方面，更换电池比充电更适合割草工作。

采用FDM（Fused Deposition Modeling）3D打印技术对ABS碳纤维复合材料进行熔融沉积成形制造便携式遥控割草机的主要结构件，结构经过优化后强度高并且受力均衡，组装后的割草机轻巧，便于携带。机体采用4台直流减速电机驱动其运动，而为割刀提供动力的割草电机位于机体中心使用高速电机，型号为20AH锂电池，能够实现在割草过程中将割除的草叶粉碎的目的。采用通用接口，便于电池更换。割草机刀盘采用悬挂式单刀盘或多刀盘增加割幅，用来提高割草效率，同时刀盘可上下调节，适用于不同情况草场割草作业的需求，割茬最低可达到20mm，—般割草机割茬在30～50mm之间。为了防止割草过程中出现因地形特殊出现侧翻的问题，将割草机重心设计的较低，对割草机起到保护的作用。将割草机的驱动部分和控制部分放置于割草机尾部，将其封闭，并在单侧加铝制散热器，既可以避免在割草作业过程中遭到划伤或损坏起到保护的作用，还可以保证设备工作時间。外部控制部分采用采用遥控器远程遥控或下载对应APP使用手机遥控割草机，真正的实现方便操作者使用的设想。

便携式遥控割草机三维实体如图1所示，其主要结构件选用纤维增强PLA复合材料使用3D打印技术加工而成，材料选择考虑到保证车身强度的情况下可极大的减轻割草机自身的重量。此外，3D打印技术可以加工常规加工手段难以加工的的形状结构，并极大的缩短了产品生产研发以及加工周期。本文设计的便携式遥控割草机主要部件，采用多台3D打印设备同时进行打印工作，并可以及时控制打印件的打印质量，大大缩短研发周期。割草机结构采用组合式，其目的在于便于拆卸、更换和维修。

便携式遥控割草机的上板用来固定电路板以及电机驱动装置。行走电机固定架与上板通过弹簧螺栓固定，增加割草机的工作稳定性。采用4台减速直流电机控制运动方向以及提供前进动力。割刀由白钢刀及3D打印刀架固定构成。

2 便携式遥控割草机割草运动分析

2.1 割草运动轨迹

割草机构采用高速直流电机驱动刀盘转动，刀盘采用复合材料框架与钢制刀片复合安装，能够保证结构强度与刀具寿命。设定电机转速50r/min；轮子直径选定为6寸；行走线速度0.4m/s；割草电机转速3500r/min；割草电机线速度124m/s。

实际割草轨迹计算如下：

3 电气系统的设计

3.1 割草机控制原理

割草机运动控制部分采用4台直流减速电机，通过分别驱动左右两侧电机控制割草机的运动[7-9]。采用arduino控制板作为电机控制板，分别增加电机驱动模块、稳压模块、安全模块和通讯模块，蓝牙模块控制遥控电气原理见图2。

在整台割草机中由锂电池给单片机主板、电机驱动器以及开关电源供电。通过数字口分别控制电机M1、M2，与电机M3、M4驱动割草机前进以及转动，单独通过开关电源控制割草电机的开启和关闭，遥控器采用2.4G无线传输模块遥控距离在80m以内。

3.2 配套功率

参考相关标准进行割草机工作性能研究[10，11]，割草机消耗功率随工作状态包含刀具转速、前进速度以及整机负载变化，整机的最大功率约为140W，选配两台20AH锂电池，连续工作时间约为3h。为了考察割草机工作时是否达到设计需求，测试了包含行走速度、割草幅面、割草效率等参数，测试效果如表1所示。测试结果显示割草机行进速度，割草效率以及漏割范围都在割草机的合理使用范围内，完全可以满足城市植保需求。

4 结论

（1）自动割草机采用3D打印复合材料结构件，在保证结构强度的前提下，大大减轻了割草机的重量，重量降低为金属构件重量的五分之一。并且割草机结构可以针对不同应用场合进行个性化定制。

（2）便携式遥控割草机工作过程中综合性能良好，切割效率稳定，割茬整齐，在进行修整草坪时，最低割茬可达到20mm，一般割草机割茬在30～50mm之间。

（3）由于割草机体积小、重量轻，地形适应性好，刀盘可以根据使用场合进行快速更换，整体耗电量低，方便野外作业和更换电池。

（4）割刀由白钢刀片和纤维增强复合材料打印的刀架组成，轻质耐磨适合长时间工作，更换方便。

参考文献

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[2] 聂庆玮.自主式割草机器人的结构改进与智能控制设计[D].扬州大学，2018.

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[4] 馬晓春.割草机的设计与动态特性研究[D].东北林业大学，2005.

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[6] 祖莉.智能割草机器人全区域覆盖运行的控制和动力学特性研究[D].南京理工大学，2005.

[7] 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册：下册[M].北京：中国农业科学技术出版社，2007.

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[9] 彭文刚.智能割草机嵌入式控制技术的研究[D].南京理工大学，2011.

[10]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T10938-2008，旋转割草机[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[11]中华人民共和国工业和信息化部.JB/T 9700-2013，牧草收获机械试验方法通则[S].北京：机械工业出版社，2013.