一种新型小麦播种机器人的研制

张汝航， 刘晓义， 韩腾飞， 黎明宇

(东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

现代农业发展最重要是实现农业智能机械化，这样不仅效率高，而且能达到操作一致，质量可以得到保障，更易达到农业技术的要求，实现大规模生产，提高收益。通过农业机械化与作物栽培流程进行融合，可以实现高品质、高产、高效的目标。

现通过对比国内外农业种植机械[1-5]，设计一款新型小麦播种机器人。该机田间作业时，将生物旋耕、播种、施肥、平土、镇压一次完成，大大简化了小麦播种时的生产流程，有利于进一步提高播种效率和解放生产力[6-10]。

(1)根据功效需求拟定机器人的总体设计方案：包括机器人挪移平台、大体布局结构等。

(2)小麦播种机器人结构建立和电参数确定：包括机器人整体部分和各功效模块的结构规划、各功效驱动电机和电池选用等。

整体上设计一种适用于小麦播种的播种机器人，比平常的播种机增加了旋耕、施肥、覆土机构，能同时施肥和播种。

此外，对于其行走机构，改变传统的轮式机构，尽量满足在田地稳定行走的要求，设计出履带式行走机构，以电机驱动，减少环境污染。

(3)设计的核心工作：提高平稳精准播种能力，实现一定程度的播种自动化，达到一定播种率，可远程控制机器人作业，降低农民劳动量，将挖坑、施肥与覆土工序相结合，保障效率和质量，保证播种工作顺利进行。

1 小麦播种机器人总体方案设计

小麦播种机器人的总体设计包括：主要技术参数、小麦播种机器人整体要求、总体方案设计、总体布局方案。

1.1 小麦播种机器人主要技术参数

主要技术参数见表1。

表1 主要技术参数

1.2 小麦播种机器人整体要求

研制的小麦播种机器人预期满足的要求主要有以下三点：

(1)能够快速实现功能切换，各功能模块便于拆装和维修；

(2)能够满足旋耕作业、精密播种作业的相关国家质量标准；

(3)操作方便简单、性能比较稳定，具有一定的自主作业能力。

1.3 小麦播种机器人总体方案设计

从小麦播种机器人的功效特色以及作业环境特征出发，做总体设计。其设计应尽量遵循以下设计要求：

(1)模块化设计原则：为机器人实现功能精确可控，改善使用率，此播种机器人采取分功效机构设计。

(2)结构便于装拆原则：连接方法尽量简略，要缩减紧固件的比例，同时也要考虑安置和拆卸紧固件的操作空间，防止操纵难题产生干扰。

小麦播种机器人机械系统框图如图1所示，本设计主要研究机器人的机械机构。

图1 小麦播种机器人机械系统框图

1.4 小麦播种机器人整体结构布局设计

小麦播种机器人整体结构布局如图2所示，机器人底托为长方形布局。在底盘上安置车架，控制箱牢固在车架驱动电机中部，施肥机构安置在车架竖直板背部，竖直板前安置提升机构，播种机构安置在提升机构的滑块上，蓄电池组安装在提升机构的双侧，旋耕机构安置在行走机构最前端，即竖直板和提升机构上，镇压覆土机构安置在车架末尾。

图2 小麦播种机器人整体结构布局1.底盘行走机构；2.驱动电机；3.旋耕机构；4.提升机构；5.施肥机构；6.播种机构；7.车架；8.覆土机构；9.控制箱；10、11.蓄电池组

1.5 小麦播种机器人工作原理

小麦播种机器人大体由底盘行走机构、旋耕机构、播种机构、施肥机构、镇压机构、电机和驱动电源等构成，智能播种可由机器人各功效机构间的调和来实现。人操作遥控端，遥控端控制器发送指令到主控制器，驱动行走电机，底盘行走机构开始沿预定轨迹运动到达指定地点，然后提升机构的电机旋转，此机构上的旋耕和播种模块下沉到一定高度，旋耕刀轴旋转进行旋耕作业，行走机构按路线前进，同时施肥电机和播种电机旋转，带动排种器和排肥器工作，种子和肥料沿固定在开沟犁后方凹槽的软管落下，完成落种和落肥，覆土板和镇压轮完成覆土工作。机器人在该处播种作业结束，继续前行，完成下一处的播种任务。小麦播种机器人工作原理如图3所示。

图3 小麦机器人工作原理

2 小麦播种机器人关键部件设计

2.1 旋耕机构设计

旋耕是农业播种前的准备工作，旋耕刀片对泥土铣切，被旋切下的土块飞起与挡土罩产生撞击破碎变得更小后下落。旋耕机构能够一次性实现碎土充分、作业域平坦、土肥掺和均匀，对节约农时、减轻劳力、缓解劳动强度非常有利[11]。

刀轴是旋耕机构上的核心部件，其与减速箱输出轴连接。动力输出轴旋转，刀轴随着旋转，刀轴上的刀片将土块旋起，并粉碎土块[12]。

旋耕刀轴如图4所示，刀轴的刀座与刀轴固定连接，刀片通过螺栓紧固在刀轴上，刀片损坏可以拆卸单独更换。刀轴通过花键与减速器中的传动齿轮连接[13]。

图4 旋耕刀轴

2.1.1 旋耕机构

旋耕机构如图5所示。

图5 旋耕机构1.刀轴；2.刀片；3.减速器；4.挡泥板；5.毗连卡块；6.电机

2.1.2 旋耕机构工作流程

旋耕电机与联轴器和减速器连接，旋耕电机旋转将转矩传递给减速器，减速器把驱动力传给旋耕刀轴，带动刀片进行旋耕作业。旋耕机构通过连接板安装在机器人提升机构的滑块上，以便提升机构调节旋耕作业时的深度，还可以控制机器人行走时旋耕机构的离地间隙，以免磨损刀片。

2.2 施肥机构设计

施肥可以增加农作物产量，改善品质，从而提高经济效益。精确施肥机构的设计和研制尤为重要，因此设计一种精确到种穴的施肥机构。

2.2.1 施肥机构

施肥机构如图6所示。

图6 施肥机构1.肥箱；2.卡具；3.输肥管；4.开沟器；5.压板；6.横杆；7.排肥器；8.电机

2.2.2 施肥机构工作流程

施肥电机带动联轴器将转矩传给排肥轴，排肥轴带动各排肥器内部的外槽轮工作，外槽轮把肥料传至排肥器底部，底部连有输肥管用于运送肥料，输肥管置于开沟犁后部，在所开种穴处落肥[14]。

2.3 播种机构设计

目前我国农业的大趋势是机械化种植，随着农业水平的提高，播种精确化已经成为必然要求，播种机构的排种器设计非常重要。

2.3.1 播种机构

播种机构如图7所示。

图7 播种机构1.小齿轮(主)；2.卡块；3.大齿轮(从)；4.排种轴；5.种子箱；6.连接板块；7.电机；8.小带轮；9.大同步带轮；10.中间轴；11.连接板块；12行距块；13.开沟器

2.3.2 播种机构工作流程

播种电机输出的转矩通过小带轮送达大带轮，使大带轮所在轴转动，带动其上的小齿轮，小齿啮合大齿轮，使同根轴上的排种轮旋转进行排种流程。

3 驱动力分析与电参数匹配

小麦播种机器人工作能量来源于电力驱动体系，本设计驱动方式选用蓄电池加直流电机，包括底盘行走、旋耕、播种、施肥、辅助部分。现以底盘驱电机和旋耕机构为例阐述电机型号和参数的选择，并依据电机参数匹配合适的蓄电池。

3.1 底盘驱动电机功率确定和选型

底盘行走机构作业时所受阻力基本来源于开沟阻力，消耗的底盘电机功率取决于开沟器结构外形、开沟深度和宽度，分析得出，施肥阻力比播种阻力大；旋耕刀片为旋切入土，旋耕电机提供动力抵抗此阻力；施肥开沟器的入土方式为挤压滑移，由底盘电机负担此阻力；旋耕消耗功率更少，覆土最少，只需克服自重摩擦力即可。

经试验研究，施肥消耗底盘电机功率最大，为确保所有功能可行，本文重点研究施肥时底盘受力环境，据此计算选定底盘驱动电机的重要参数。底盘行走机构受力简图如图8所示。

图8 底盘行走机构受力简图

对图8进行受力分析，分析中做如下假设：

①装备质心在O点，将其所受的力平移到质点；②装备匀速行驶作业。

装备主要受两个阻力，一个是因自重产生的移动阻力Ff，另一个是由牵引活动带来的阻力FT，底盘驱动电机功率主要用于克服这两个力，平衡方程为：

Fq=FT+Ff

(1)

其中，

Ff=Gf=mgf

(2)

式中：Fq为驱动力；FT为牵引阻力；Ff为行驶阻力；m为整机质量，280 kg；G为加速度，取值9.8 m/s2；f为滚动摩擦系数，取0.15。

其中FT为：

FT=zblhkk

(3)

式中：z为开沟犁数目，取4；bl为独犁耕耘宽度，取8 cm；hk为耕深，取8～10 cm；k为泥土比阻，取4×104～6×104Pa。

带入数据，可求得驱动力F=1 436 N。

Fq≤(λmaxφδ-f)Gmax

(4)

式中：λmax为最大载荷容许分派系数，取0.85；φδ为 容许δ(滑转率)时的附着系数，计0.8；Gmax为机器人最大重力，取3 430 N。算出Fq≤1 818 N，故F合理。

因为诸多要素会使牵引力波动，故额定牵引力要给足余量，(也就是说额定牵引力要大于实际牵引阻力)，一般为牵引阻力的1.1～1.2倍。因为各部分同时作业，额定牵引力Fr要适当取大一些，可取1.8～1.9倍的牵引阻力FN，即：

FTN=(1.8～1.9)FN

(5)

式中：FN为牵引阻力(N)；FTN为额定牵引力(N)。

直流电机功率、驱动力，速度之间存在如下计算公式：

P=FV

(6)

式中：P为电机额定功率；F为当前电机驱动力；V为履带底盘当前行进速度。

由式(6)可知，机器人驱动力和自身的挪动速度成反比例关系。现把施肥速率取最大，计算出此时机器人施肥时的功率：

(7)

式中：VL为施肥速，取2.4 km/h；ηL为旱地传动效率，取0.75。

结合式(5)、式(6)、式(7)并带入相关参数，可得Pq≥2.36 kW，故底驱功率需≥2.36 kW。选用无刷直流电机[15-18]。

底盘驱动由两1.5 kW的电机承担，总功率3kW，所选电机参数见表2所示。

表2 电机参数

3.2 旋耕电机功率确定和选型

旋耕情形非凡，其电机须拥有带负启动本领，启动转矩更加大，功率也高。因而其功率：

(8)

式中：PN为电机额定功率(kW)；K为功率安全指数；ηT为旋耕模块传动效率；Pf为旋耕作业时所需的旋耕电机功率(kW)。

Pf的计算公式如下：

Pf=0.1KλHBv

(9)

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

Kλ=KgK1K2K3K4

(10)

式中：Kg为比阻修正系数，取Kg=11；K1为耕深修正系数，取K1=08；K2为泥土含水率修正系数，取K2=0.85；K3为残存物修正系数，取K3=0.8；K4为工作方式修正系数，取K4=0.66。

将相关参数带入式(10)，可得Kλ=3.95，联立式(9)并带入所需参数，可得Pf=1.33 kW；取电机功率安全系数K=1.2，旋耕机构的传动效率0.8，将参数带入式(48)得：

(11)

最后得出旋耕机功率2.2 kW，采取主流的无刷直流电机，额定扭矩7.2 N/m；额定转速 2 850 r/min。

3.3 动力电池组参数设计与选型

电池组总能量值，计算公式如下：

W=PT

(12)

式中：W为电池总能量；P为耗电总功率，取4.5 kW；T为续航时间，取1 h。

将之带入式(12)计算出We=4.55 kW·h。

全部电机参数如下：行走电机总功率3 kW，旋耕机额定功率2.2 kW，提升机构额定功率100 W，施肥电机额定功率150 W，播种电机额定功率100 W，机器人总功率为5.65 kW，底盘电机额定电压48 V，功能机构最低额定电压12 V，最高60 V。

选用磷酸铁锂动力电池组作为动力源，电池组一块用于行走驱动供电，规格为48 V 60 Ah，其余专供农艺作业结构和辅助机构，规格为72 V 40 Ah。电池总值为5 760 kW·h。由于上面计算总功率5.65 kW为最大值，提升电机非持续工作，所以最低可以运行1 h。

4 结束语

(1)对国内外小麦播种机械发展现状和播种机器人技术的研究情况进行分析，对小麦播种机器人进行设计。

(2)根据作业环境和需求，提出小麦播种机器人的总体设计方案，主要对机器人的机械系统进行设计，完成了三维建模。

(3)分析作业的受力情况，做出受力分析图，计算出合适的功率，完成电机的选型和电池组型号参数的确定。

由于开沟犁的高度和间距均可在一定范围内调整，故此播种机器人也可以在一定范围内适应不同的播种深度和行距。此外，该机不仅能实现全套播种作业，也可以视情况完成单独的功能作业，如旋耕或者施肥等。